Численное исследование гидродинамических процессов в окраинных морях и в шельфовой зоне
На правах рукописи
Платов Геннадий Алексеевич Численное исследование гидродинамических процессов в окраинных морях и в шельфовой зоне 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Новосибирск – 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте вы числительной математики и математической геофизики Сибирского отделе ния РАН
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Ривин Гдалий Симонович доктор физико-математических наук Семенов Евгений Васильевич доктор физико-математических наук Черных Геннадий Георгиевич
Ведущая организация: Государственное учреждение Арктический и антарк тический научно-исследовательский институт, Федеральная служба по гид рометеорологии и мониторингу окружающей среды Российской Федерации (Росгидромет)
Защита состоится 05.10.2011 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.061.01 при Учреждении академии наук Институте вычисли тельной математики и математической геофизики СО РАН по адресу:
630090, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, д.6.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения академии на ук Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН Автореферат разослан 01.09.2011г
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук Рогазинский С. В.
Общая характеристика работы
Актуальность исследования Изучение окраинных морей и шельфовой зоны океанов имеет большое значение в современном мире по нескольким причинам как практического, так и теоретического характера. С практической точки зрения эта часть Ми рового океана является главным поставщиком морепродуктов, важной ча стью транспортных морских путей, все более важным источником ископае мого сырья и местом массового сезонного отдыха людей. Поэтому исследо вания в этой области способствуют решению таких практических задач, как 1. изучение условий рыбного промысла, путей миграции промысловых видов, 2. изучение условий промышленной добычи ископаемого сырья и топли ва, 3. оценка угрозы и последствий экологических катастроф, связанных с авариями транспортных судов и на добывающих платформах, 4. оценка угрозы и последствий природных катаклизмов – цунами, урага ны, наводнения и т.д.
С теоретической же точки зрения исследование окраинных морей и шельфа интересно в плане изучения целого ряда гидродинамических процес сов и явлений, присущих этим объектам, среди которых можно выделить:
элементы ветровой циркуляции, береговые захваченные волны, струйные те чения, апвеллинг и даунвеллинг, сезонные колебания (муссоны), речной сток, образование и таяние льда. Кроме того, зона окраинных морей и шель фа является промежуточной и разделяет два ярко выраженных типа климата:
континентальный и морской, и является важным звеном, обеспечивающим их взаимодействие. Особое внимание к шельфу Мирового океана уделяется еще и из-за того, что благодаря процессам, протекающим в шельфовых районах, происходит формирование промежуточных и глубинных вод океана, основ ных составляющих глобального круговорота, а значит, эти районы играют значительную роль в определении климатических тенденций на планете.
Целями диссертационной работы являются:
1. Изучение процессов, связанных с взаимодействием шельфовой зоны и окраинных морей с открытым океаном, включая формирование проме жуточных и придонных вод, волновое взаимодействие, струйные и по граничные течения, глобальный свердруповский перенос.
2. Изучение элементов шельфовой динамики: ветровая циркуляция, струйные течения, апвеллинг и даунвеллинг, береговые захваченные волны, сезонные колебания (муссоны), речной сток, льдообразование и таяние льдов, ветровая полынья.
3. Построение и апробация параметризаций шельфовых процессов для модели крупномасштабной циркуляции океана.
4. Создание региональной модели шельфовой зоны для ее использования в качестве вложенной в крупномасштабную модель океана.
На защиту выносятся:
1. Результаты численного исследования физических механизмов, способ ствующих формированию промежуточных вод Японского моря и их дальнейшему распространению по акватории, полученные с помощью численной модели циркуляции Японского моря c использованием дан ных климатического распределения полей температуры и солености GDEM 2. Результаты изучения отклика системы глубокого океана и шельфовой зоны на прохождение береговой захваченной волны вблизи особенно стей береговой линии и рельефа дна.
3. Результаты изучения особенностей приливных движений в районе Большого австралийского залива и малых заливов Южной Австралии и их влияния на характер шельфовой циркуляции в этом регионе.
4. Метод коррекции градиентов давления, позволяющий существенно уменьшить ошибки в определении скоростей шельфовых и склоновых течений в сигма-координатных моделях.
5. Результаты исследования механизмов и особенностей среднелетней динамики Большого австралийского залива, формирующейся под воз действием преобладающих ветров, способствующих развитию при брежного апвеллинга.
6. Новый способ учета распространяющихся вдоль побережья береговых захваченных волн для регионального моделирования шельфовой зоны океана.
7. Построенная система вложенных моделей с использованием крупно масштабной совместной модели океана и льда и региональной модели Баренцева и Карского морей, позволившая получить более детальную картину формирования промежуточных и придонных вод и более под робно описать распространение Атлантических вод вдоль шельфового склона европейского сектора Арктики.
Достоверность и обоснованность результатов Используемые в ходе проводимых исследований подходы основаны на физических законах динамики и термодинамики жидкости во вращающейся системе. Численное моделирование, являющееся необходимым инструмен том в изучении процессов и явлений в окраинных морях и шельфовой зоне, базируется на применении известных методов вычислительной математики в соответствии с требованиями выполнения условий аппроксимации и устой чивости численных алгоритмов.
Излагаемые в диссертации результаты находятся в согласии с многочис ленными исследованиями, проводимыми в аналогичных областях знания, или являются развитием известных подходов.
Сравнение полученных результатов с данными прямых наблюдений или с результатами анализа таких данных подтверждает адекватность и досто верность результатов численного моделирования. Для сравнительного анали за использовались следующие наборы данных:
1. Набор данных GDEM (Generalized Digital Environmental Model), 2. Национальные таблицы приливов Австралии (Australian National Tide Tables), 3. Климатические данные Левитуса и Боера и PHC, 4. Атлас региональных морей CSIRO (CARS), 5. Данные измерения скорости течения на муринговых платформах A, B, E, F, G и S южной Австралии 1980-1989 г., 6. Данные возвышения уровенной поверхности и температуры поверхно сти в австралийских портах – NTF (National Tidal Facility), 7. Данные спутникового альтиметра TOPEX/JASON и ТПО по снимкам AVHRR (ночные и дневные).
Совместная модель циркуляции вод Арктики и Северной Атлантики и льда, разработанная с участием автора диссертации и использованная для ис следования окраинных арктических морей, принимает участие в междуна родном проекте сравнения численных моделей океана и льда Арктического бассейна AOMIP (Arctic Ocean Model Intercomparison Project).
Научная новизна В представляемой работе изучалось два муссонных района. Один из них расположен в районе Большого австралийского залива, где действие сезон ных ветров таково, что во время зимы (южного полушария) формируется си туация, связанная с прибрежным даунвеллингом, летом же формируется про тивоположная картина с формированием апвеллинга в районе полуострова Эйр, острова Кенгуру и вблизи побережья Роб. Второй район, представлен ный к рассмотрению, это залив Петра Великого в Японском море, где под действием зимних ветров происходит выхолаживание верхнего слоя с после дующей глубокой конвекцией и опусканием плотной воды вдоль материко вого склона. В результате этих процессов происходит формирование проме жуточных и донных вод Японского моря.
При анализе результатов численного исследования физических меха низмов c использованием данных климатического распределения полей тем пературы и солености, была получена картина формирования и распростра нения промежуточных вод Японского моря, состоящая из этапа накопления и опускания до соответствующих глубин вод этого типа в районе залива Петра Великого и этапа распространения этих вод в южном направлении в сторону бассейнов Улунг и Ямато, а также на восток в рамках ячейки северного кру говорота. В плане верификации результатов численного моделирования, про демонстрирована способность численной модели правильно воспроизводить положение точки отрыва пограничного течения без применения изопикниче ской вязкости и без параметризации топографических вихрей, а благодаря более тонкому локальному применению повышенной вязкости горизонталь ного потока.
В настоящей работе изучено влияние глобального свердруповского пе реноса в формировании течения Флиндерса на шельфовом склоне Южной Австралии и показана его тесная взаимосвязь с динамикой австралийского шельфа, проведена оценка роли приливов в формировании шельфовой дина мики в районе Большого австралийского залива, а так же с помощью числен ного моделирования получена картина основных осцилляций в этом районе.
Для проведения серии экспериментов с береговыми захваченными вол нами (БЗВ) создана и апробирована идеализированная модель распростране ния БЗВ в шельфовой зоне и в примыкающей части открытого океана, позво лившая подробно исследовать влияние особенностей топографии шельфа и береговой линии на обменные процессы между шельфом и открытым океа ном при прохождении БЗВ. Благодаря разности скоростей для разных волно вых чисел с помощью расщепления волнового пакета по скорости удалось выделить собственные функции БЗВ соответствующие наиболее быстрой части спектра.
На основе решения уравнения распространения БЗВ, предложен способ учета влияния БЗВ, образованной за пределами области моделирования, с помощью задания граничных условий на той части границы области, через которую возможно распространение таких волн. При этом фильтрованная временная изменчивость возвышения уровенной поверхности, полученная в результате наблюдений на береговых станциях, используется для модуляции первой моды БЗВ.
Для улучшения описания шельфовых течений был развит новый подход для вычисления корректора горизонтального градиента давления, примени мый для моделей океана с вертикальной координатой, трансформированной в соответствии с топографией дна. Подход основан на вертикальной интер поляции самого градиента давления, а не плотности, что в случае слоя скачка становится непригодным. Проведенные тестовые эксперименты показали, что разработанный метод дает более надежные результаты по сравнению с некоторыми другими применяемыми методами.
В данной работе с помощью численного моделирования удалось восста новить картину циркуляции арктических вод. Исследования подтвердили взаимосвязь между характером дрейфа льда и индексом Североатлантиче ской циркуляции атмосферы. Кроме того, на основе результатов моделиро вания удалось установить наиболее активные районы формирования ветро вой полыньи в районе Баренцева и Карского морей.
Была создана и апробирована система вложенных моделей с использова нием крупномасштабной совместной модели океана и льда и региональной модели Баренцева и Карского морей. Для обеспечения взаимодействия круп номасштабной и региональной модели был предложен подход, основанный на использовании схемы релаксации второго порядка применительно к полям температуры, солености и компонентам горизонтальной скорости течения.
Для параметризации процесса перемещения плотных придонных вод, образующихся на шельфе Баренцева и Карского морей, в направлении ло кального наклона дна был предложен к применению метод вытеснения. С помощью этого метода удалось достичь более реалистичной картины форми рования промежуточных и придонных вод Северного Ледовитого океана.
Научная и практическая значимость работы 1. На основе диагностических расчетов получена схема циркуляции про межуточных вод Японского моря, которая может быть использована при анализе качественного состава и структуры вод этого региона и развития системы мониторинга.
2. Результаты работы, посвященной изучению режима циркуляции и ап веллинга Большого австралийского залива, использовались в 30 публикациях других авторов, причем работа оказалась востребована среди исследователей биологии и зоологии этого района океана для получения более полной кар тины гидродинамических процессов.
3. Совместная модель циркуляции вод Арктики и северной Атлантики и льда, разработанная с участием автора диссертации и использованная для ис следования окраинных арктических морей, является составной частью меж дународного проекта сравнения численных моделей океана и льда Арктиче ского бассейна AOMIP (Arctic Ocean Model Intercomparison Project). Резуль таты исследования используются в этом проекте для усовершенствования численных моделей Северного Ледовитого океана.
В ходе работы использовались современные подходы для численного решения задачи моделирования окраинных морей и шельфовой зоны океана.
Ряд подходов для параметризации шельфовых процессов предложены в са мой работе и являются новыми. В их числе коррекция численных ошибок в определении горизонтального градиента давления в сигма-координатных мо делях, учет удаленного ветрового воздействия с помощью предложенного способа формулировки граничных условий для региональной модели, пара метризация процесса движения ядер плотной воды вдоль наклонного дна шельфа. Это составляет практическую и методологическую значимость дис сертации.
Основные исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в соответствии с целями и задачами национальных и международных про грамм, в том числе ФЦП «Мировой океан» и «Всемирной программы иссле дования климата».
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами научно исследовательских работ Института вычислительной математики и матема тической геофизики СО РАН, а также в соответствии с проектами Россий ской Академии Наук (проект ОМН РАН 1.3.9) и Президиума РАН (проекты 14.3 и 17.3.6).
Работа поддерживалась грантами Российского фонда фундаментальных исследований (96-05-65953-а, 99-05-64684-а, 03-05-96828-р2003югра_а, 05 05-64990-а, 08-05-00457-а, 08-05-00708-а,09-05-13526-офи_ц, 11-05-01075-а), грантом Австралийского исследовательского совета (ARC) A39700800, а также финансировалась согласно программе “A Study on the Monitoring of the Global Ocean Variability with ARGO Program” Метеорологическим исследова тельским институтом Корейской метеорологической администрации. Часть работ осуществлялись в рамках международного сотрудничества с Матема тической школой Университета Нового Южного Уэлса (Австралия, Сидней) и с Чунгнамским национальным университетом (Республика Корея, Тэджон).
Апробация работы Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, были пред ставлены на российских и международных конференциях и совещаниях:
1. EGU General Assembly 2011, Vienna, Austria;
2. AOMIP Workshop, October 2010, Woods Hole, MA (USA);
3. ENVIROMIS -2010, 5 - 11 июля 2010, Томск, Россия;
4. EGU General Assembly 2010, Vienna, Austria;
5. AOMIP Workshop, October 2009, Woods Hole, MA (USA);
6. CITES 2009, Красноярск, 5 - 15 июля 2009 г.;
7. ГЕО-Сибирь-2009, Новосибирск;
8. PICES 17-th Annual Meeting. Oct. 24 - Nov. 2 2008, Dalian, China;
9. ENVIROMIS -2008, 28 июня -5 июля 2008, Томск, Россия;
10.SCAR/IASC IPY Open Science Conference. St. Petersburg, Russia, July 8 11;
11.International Symposium NWP-2008 20-26 July;
12.ММГ-2008, 13-15 октября 2008 г., Академгородок, Новосибирск;
13.PICES 16-th Annual Meeting. Oct. 26 - Nov. 5 2007, Victoria, BC, Canada;
14.5-th Korean-Russian Symp., 16 November 2007;
15.SEARCH for DAMOCLES Workshop, 29 - 31 October 2007, Paris;
16.CITES"2007, Intern. Conf., 14 - 25 July 2007, Tomsk;
17.5-th Intern. Symp. "Mathematical modeling of dynamic processes in Atmos phere, Ocean, and Solid Earth" 3-5 July, 2006, Новосибирск;
18.9-th Workshop AOMIP, Canada, Montreal, June 6-7, 2005;
19.PICES XIV, Vladivostok, October 2005 г;
20.GLOBEC Symposium on Climate Variability and Sub-Arctic Marine Eco systems, Canada, Victoria, May 2005;
21.Международный научный конгресс "ГЕО-Сибирь", Новосибирск, 25- апреля 2005 г;
22.4-th WMO Data Assimilation Symposium, Prague, April 2005;
23.USA/Australia Bilateral Workshop, Port Lincoln, Australia, 1998;
24.Princeton Ocean Model Users Meeting, Miami, EUA, 1998.
Результаты работы обсуждались также на семинарах в Университете Нового Южного Уэлса (г. Сидней, Австралия), в Чунгнамском национальном университете (г. Тэджон, Республика Корея). В полном объеме диссертация докладывалась на семинарах ИВМ РАН, ААНИИ и ИВМиМГ СО РАН.
Личный вклад автора Диссертационная работа является итогом исследований, проводимых ав тором с 1997 года в Университете Нового Южного Уэлса (Австралия, Сид ней), Чунгнамском национальном университете (Республика Корея, Тэджон) и Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (Новосибирск). Некоторые работы проводились накануне этого периода в Вычислительном Центре СОАН СССР в соавторстве с Лыкосовым В.Н. и Кузиным В.И. и могут быть рассмотрены, как предварительные [14,15,16,22].
Роль автора в них была не выше 30% и в основном сводилась к проведению численных экспериментов и к адаптации параметризаций верхнего однород ного слоя океана в крупномасштабную модель ВЦ.
Непосредственное начало работы над темой представляемой диссерта ции было положено в сотрудничестве с Дж. Миддлтоном, известным специа листом в области шельфовой и волновой динамики. Предметом сотрудниче ства являлось изучение динамики течений шельфа Большого австралийского залива и малых заливов Южной Австралии в условии сезонного преоблада ния ветров способствующих апвеллингу. Роль автора заключалась в реализа ции численных экспериментов, представлении и анализе результатов и пла нировании последующих исследований. В серии препринтов этого периода [19,20,21], часть работ посвященных коррекции градиентов давления в сиг ма-координатных моделях [19] поводилась почти самостоятельно (90%), в работе связанной с изучением роли приливов при ведущем участии автора (60%), в работе посвященной изучению склоновой циркуляции вблизи Бассо ва пролива при участии автора в проведении численных экспериментов и анализе результатов (30%). Результатом совместной работы явилась публи кация [13], степень участия автора в которой по языковым причинам можно оценить лишь на 40%. Материалы этого периода сотрудничества составляют основу третьей главы диссертации и части второй главы, посвященной при ливам и градиентным течениям.
Последующая работа проводилась в рамках сотрудничества Института вычислительной математики СО РАН и Чунгнамского национального уни верситета (Южная Корея), предметом которого было исследование средне климатической картины циркуляции Японского моря. Несколько препринтов изданных на корейском языке в данной работе не приводятся. Интерес автора в данном случае был связан с изучением формирования и распространения промежуточных вод Японского моря. Результаты были представлены на ряде конференций, в том числе [17], и опубликованы в печати [8] при ведущем участии автора диссертации (80%). Материалы этих исследований легли в основу первой главы диссертации.
Последний этап работы связанный с исследованием циркуляции вод, льда и примесей в Северном Ледовитом океане и окраинных морях прово дился в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН совместно с Голубевой Е.Н. и Кузиным В.И. и отражен в ряде со вместных публикаций [1, 4, 5, 9, 11, 12], роль автора в которых оценивается на уровне 40-50% и заключается в адаптации модели льда CICE 3.14 к при менению в рамках совместной модели и в анализе физической картины ре зультатов, получаемых в ходе численных экспериментов. Выпущен также ряд публикаций в составе большого коллектива авторов [6, 7], в том числе в рамках международного сотрудничества по проекту AOMIP [10]. Наиболь ший интерес автора вызван процессами в шельфовых зонах и окраинных мо рях арктического региона, в частности вопрос формирования и распростра нения вдоль шельфа вод повышенной плотности и пополнение запаса про межуточных и глубинных вод Северного Ледовитого океана. Последняя се рия публикаций, посвященная этим вопросам [2, 3] осуществлена автором самостоятельно и их материалы составили основу четвертой главы диссерта ции.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух при ложений, списков авторских публикаций, используемой литературы и приня тых сокращений. Общий объем составляет 290 страниц, включая 124 рисунка и 14 таблиц. Список литературы содержит 273 наименования.
Основное содержание работы
Введение Во введении к диссертации обосновывается актуальность, формулиру ются основные цели исследования, приводится краткий обзор современного состояния исследований по теме диссертации, перечисляются основные ме ханизмы взаимодействия шельфовой зоны и окраинных морей с открытым океаном.
Глава Первая серия исследований и численных экспериментов направлена на изучение проблемы формирования в шельфовой зоне промежуточных и глу бинных типов вод на примере бассейна Японского моря. Японское море со держит в себе основные черты океанической циркуляции, обладая при этом миниатюрными размерами. Это позволяет более подробно с высоким про странственным разрешением исследовать многие проблемы, присущие океа ническим системам.
Во введении главы (раздел 1.1) рассмотрены основные особенности циркуляции Японского моря, известные по данным наблюдений и по резуль татам многочисленных исследований, на основании которых в качестве во просов для более детального изучения высвечены следующие:
1. Сезонные вариации, вызванные изменчивостью поля ветра и меж сезонной изменчивостью расходов проливов, соединяющих Япон ское море с Тихим океаном;
2. Формирование пояса солености, его происхождение и динамика;
3. Промежуточные воды Японского моря, их динамика и зависимость от сезонных вариаций.
Предварительный анализ водных масс Японского моря проведен в раз деле 1.2 на основе полей климатических данных GDEM по температуре и со лености воды. Эти данные представляют собой двенадцать трехмерных мас сивов осредненных по месяцам как для температуры, так и для солености, первоначальным источником которых является архив MOODS, включающий более 7 миллионов наблюдений.
Согласно этим данным основную часть водных масс Японского моря со ставляют глубинные воды, имеющие почти однородную структуру с темпе ратурой ниже 1С. Верхняя часть этих вод наиболее подвержена сезонным изменениям. Помимо поверхностных вод, непосредственно контактирующих с атмосферным воздухом, выделяются также промежуточные воды с пони женной и повышенной соленостью.
Характеристика промежуточных вод пониженной солености ПВЯМ (промежуточные воды Японского моря) рассмотрена в разделе 1.3. Их тем пература находится в диапазоне 0.6-1.6С и соленость ниже 34.06‰. Постро ив распределение толщины слоя вод этого типа по данным GDEM, можно определить их локализацию в разные периоды года. На основе такого анали за было установлено, что областью формирования ПВЯМ является окрест ность залива Петра Великого, где под действием сезонной конвекции образу ется слой вод соответствующих характеристикам ПВЯМ от поверхности до 600 м. С сентября по март воды этого типа отмечаются в бассейне Ямато, об разуя непрерывный пояс, вытянутый в юго-восточном направлении от залива Петра Великого до Японского побережья. С февраля по май формируется аналогичный пояс в южном направлении в сторону бассейна Улунг. Летом формируется пояс, расположенный вдоль субполярного фронта и ориентиро ванный в восточном направлении от залива Петра Великого до острова Хок кайдо. Таким образом помимо южного направления, впервые обнаруженного в работах Судо (1986) и Сенджю и Судо (1993), можно выделить еще юго восточное и восточное. На вертикальных сечениях видно, что в сторону бас сейна Ямато распространение происходит в слое около 500 м, а в восточном направлении эти воды распространяются в приповерхностном слое.
Однако факт распространения не может быть установлен только с по мощью данных по температуре и солености. Для выявления динамики дви жения вод была построена численная модель Японского моря, описанная в разделе 1.4. В качестве основы использовалась z-уровневая версия численной модели динамики океана, разработанная в Институте вычислительной мате матики и математической геофизики СО РАН. Основные принципы построе ния модели описаны в работах Кузина (1985), Голубевой и др. (1992), Кузина и др. (1997) и Голубевой (2001). Модель записана в сферической системе ко ординат с использованием приближений гидростатики, Буссинеска и «твер дой крышки». Система уравнений движения решается на основе выделения бароклинной и баротропной составляющей. Система уравнений для баро тропной компоненты приводится к уравнению на функцию тока. Трехмерные уравнения для бароклинных компонент скорости, а также уравнения перено са тепла и соли последовательно расщепляются по пространственным пере менным.
В качестве метода дискретизации используется метод конечных элемен тов с кусочно-линейными пробными функциями. Для аппроксимации вре менного слагаемого используется метод концентрации масс («lumping»). Для подавления двухшаговой волны, присущей схемам метода конечных элемен тов, при аппроксимации адвективных слагаемых используются схемы типа направленных разностей с дозированной схемной вязкостью. Параметриза ция конвективного перемешивания производится на основе использования критерия Ричардсона.
Горизонтальное разрешение модели составляет около 5 км, шаг по вре мени 1 час. Горизонтальная вязкость параметризуется по Смагоринскому с минимальным значением коэффициента вязкости равным 5 м2/с.
Одним из основных внешних воздействий являются проливы, соеди няющие Японское море с Тихим океаном. Временная изменчивость расходов в этих проливах определяется в виде:
2 (t t 0 ) Tr(t ) = Tr + Tr cos, t год где Tr – результирующий расход, Tr – его среднегодовое значение, Tr – амплитуда его сезонной изменчивости, t 0 – время максимального расхода, t год – временная протяженность одного года. Параметры расходов взяты со гласно данным Исобе (1994) и представлены в таблице:
Tr, Св Tr, Св t 0, день Пролив Корейский пролив 1.28 0.65 (запад) Корейский пролив 0.72 0.30 (восток) Сангарский пролив -1.26 0.10 Корейский пролив разделен на восточную и западную протоки, расход Та тарского пролива считается нулевым, а расход пролива Лаперуза вычисляет ся из условия нулевого значения суммарного расхода.
Поле напряжения трения ветра на поверхности (данные На и Сео (1998)) имеет ярко выраженный муссонный характер с максимальными ветрами в зимнее время, дующими с континента в юго-восточном направлении, и на порядок меньшими летними ветрами. Наиболее сильный зимний ветер имеет место вблизи топографического минимума в окрестности Владивостока. В среднем завихренность поля ветра к северу от субполярного фронта положи тельна, а к югу от него отрицательна. Максимальная циклоническая завих ренность имеет место к юго-востоку от залива Петра Великого. Потоки тепла и соли в модели определяются в результате действия процедуры усвоения данных GDEM, суть которой состоит в том, что верхние 500 м испытывают релаксацию в сторону предписанных значений T *, взятых с упреждением по времени, согласно T ( ) = T * (t + ) T, t релакс где характерное время релаксации бралось, согласно Холланд и Маланотте Риццоли (1989), равным 37 дням, а временная изменчивость T * бралась как результат усиления изменчивости данных GDEM с коэффициентом усиления r = 1.25 :
T * (t ) = TGDEM + r (TGDEM (t ) TGDEM )..
В тех случаях, когда параметризация Смагоринского приводила к боль шим значениям коэффициента вязкости, производилась дополнительная ло кальная фильтрация результирующих полей решения по пространству по схеме Шапиро.
Интегрирование модели осуществлялось в два этапа. Первый этап за ключался в установлении полей скорости течений при заданном временном ходе температуры и солености из GDEM. Продолжительность этого периода определялась получением устойчивого сезонного хода. Для формирования квазистационарного сезонного хода достаточно 2 года интегрирования моде ли. На втором этапе температура и соленость также становятся прогностиче скими переменными с учетом описанной выше релаксации в верхнем 500 метровом слое.
Результаты второго этапа описаны в разделе 1.5. Общая картина цирку ляции Японского моря состоит из северной и южной ячеек циркуляции, раз деленных между собой субполярным фронтом. Северная ячейка включает в себя Лиманское и Северо-корейское течения, южная – Восточно-корейское и Прибрежное течения. Учет сезонных особенностей поля ветра и расходов те чений через проливы приводит к различиям в интенсивности циркуляции вод. Зимняя циркуляция более интенсивна, чем летняя. Так зимой расход Восточно-корейского течения составляет 6 Св против 4 Св в летнее время.
Кроме того, в зимнее время субполярный фронт наиболее ярко выражен и содержит множество меандров и мезомасштабных вихрей в районе отрыва Восточно-корейского течения и в районе Сангарского пролива.
Увеличение расхода через Корейский пролив в период с мая по ноябрь, притом, что расход Сангарского пролива остается примерно постоянным, приводит к тому, что часть Цусимских вод, достигнув вместе с течением субполярного фронта побережья Японии, устремляется на север в сторону пролива Лаперуза и формирует северную ветвь Цусимских вод (СВЦВ). Та ким образом, Цусимские воды оказываются вовлеченными в северный круго ворот. В октябре СВЦВ достигает широты 47N, что приводит к повышению солености в этом регионе. Этот факт, полученный в результате моделирова ния, подтверждается измерениями, проводимыми на буйковых станциях (по плавках) ARGO. Дальнейшая траектория движения вод СВЦВ проходит вдоль границы шельфа Приморья в юго-западном направлении под действи ем экмановской составляющей локального ветра. Кроме того, с приближени ем зимы развивается вдольбереговая компонента поля ветра, приводящая к развитию даунвеллинга. В результате более холодные и распресненные шельфовые воды и воды Лиманского течения подтекают под воды СВЦВ, и, вследствие возникающей конвективной неустойчивости, перемешиваются с ними. Это приводит к тому, что более теплые и соленые Цусимские воды ох лаждаются и теряют свою соленость, опускаясь при этом на глубины до 200м.
В ноябре-декабре количество Цусимских вод, вовлеченных в северный круговорот, оказывается достаточным для формирования пояса соленой воды расположенного на расстоянии около 100 км вдоль приморского побережья России. Ближе к берегу расположен пояс холодных и распресненных вод Лиманского течения, а на расстоянии более 200 км расположен пояс вод промежуточной солености, распространяющихся с северной частью течения субполярного фронта на восток.
Согласно результатам расчета, за зиму в районе залива Петра Великого запас воды с характеристиками соответствующими ПВЯМ возрастает на тыс. км3, в то время как через границу этой области (в основном с востока) поступает лишь 2.3 тыс. км3. Таким образом, около 10 тыс. км3 промежуточ ных вод формируется в этом районе из компонент, отличающихся по харак теристикам от ПВЯМ. Таковыми являются воды двух поясов солености, пе ремещающиеся в направлении залива: воды СВЦВ и воды Лиманского тече ния. Поступление этих вод в окрестность залива Петра Великого, сопровож дающееся усилением зимней конвекции, приводит к формированию здесь вод с характеристиками ПВЯМ. Сильный субполярный фронт, а также ци клонический круговорот, развивающийся к востоку от места вторжения кон тинентальных воздушных масс через топографический проем в районе Вла дивостока, приводят к тому, что воды типа ПВЯМ удерживаются в этом рай оне, а вследствие зимней конвекции толщина слоя этих вод увеличивается.
Таким образом, происходит аккумуляция ПВЯМ. Весной, с ослаблением удерживающих факторов, эти воды начинают свое распространение в не скольких направлениях. В феврале-марте начинается их вторжение на глуби не 200-300 м в сторону бассейна Улунг. Летом часть этих вод, расположен ная ближе к поверхности, захватывается течением субполярного фронта и переносится на восток в рамках ячейки северного круговорота. Самая же глубокая часть этих вод в слое 300-600 м, медленно перемещается вдоль изо бат поднятия Ямато и к осени оказывается смещенной на юго-восток в сто рону бассейна Ямато.
В последнем разделе 1.6 главы формулируются выводы, основанные на результатах моделирования и анализа данных.
Таким образом, в результате численного моделирования получено под тверждение образования соленостного пояса вдоль российского побережья и формирования промежуточных вод в районе залива Петра Великого. Процесс формирования промежуточных вод Японского моря можно подразделить на два характерных этапа. Первый заключается в накоплении значительного за паса воды со свойствами близкими к типу промежуточных вод в окрестности залива Петра Великого и в проникновении этих вод в промежуточные слои вследствие развития глубокой конвекции в период зимнего муссона. На вто ром этапе, при одновременном ослаблении субполярного фронта, происходит дальнейшее распространение сформированных вод на юг в направлении бас сейнов Улунг и Ямато, а также их рециркуляция в рамках северного кругово рота.
Глава Во второй главе диссертации изучаются особенности формирования шельфовой циркуляции в условиях достаточно широкого шельфа под дейст вием муссонного ветра способствующего развитию прибрежного апвеллинга.
В ходе целого ряда предварительных тестов выявлялись: а) особенности рас пространения береговых захваченных волн (БЗВ) в случае различного рода неоднородностей береговой линии или рельефа самого шельфа;
б) характер ные особенности распространения приливных волн в регионе малых остро вов Южной Австралии;
в) градиентные течения вдоль границы шельфовой зоны.
В разделе 2.1 рассматривается роль береговых захваченных волн в фор мировании циркуляции на материковом склоне. В начале этого раздела ин тегрируются уравнения мелкой воды при условии однородного вдоль берего вой линии рельефа и под действием вариаций атмосферного давления с мас штабами, намного превосходящими ширину шельфовой зоны. Следуя рассу ждениям Гилла и Шуманна (1974) выводится уравнение для функции тока в виде f dH dH x 2 H y H 2 dy x = dy H yt ( y = ) = 0, где x, y – пространствен с граничными условиями ( y = 0) = 0 и y ные координаты вдоль берега и перпендикулярно к нему ( y = 0 соответствует береговой линии), H = H ( y ) – глубина бассейна, f – параметр Кориолиса, x 0 – удельное напряжение трения ветра вдоль оси X. Решение соответст вующего однородного уравнения можно получить методом разделения пере менных (x, y, t ) = (x, t )F ( y ), где F ( y ) – является собственной функцией опера тора d 1 dF f dH H dy + cH 2 dy F = dy F (0 ) = F ( ) = с собственным числом = c 1. При этом (x, t ) подчиняется волновому урав нению +c =0, t x а c является скоростью распространения волны. Таким образом, решение не однородного уравнения может быть представлено в виде ряда ( x, y, t ) = n ( x, t )Fn ( y ). Так как большая часть энергии БЗВ содержится в пер n вой моде, решение с некоторой точностью может быть приближено первым слагаемым суммы (x, y, t ) = 1 (x, t )F1 ( y ). Это означает, что если колебания бе реговой волны 0 (t ) известно в некоторой точке (x0,0), расположенной на бе регу, то отклонения вдоль всей оси Y могут быть представлены в виде 0 ( y, t ) = 0 (t )F1 ( y ). (1) Это соотношение может быть использовано для зада ния граничного условия для БЗВ.
Если, взяв некоторую численную модель, допус кающую распространение поверхностных волн, задать некоторый ветровой им пульс, то в качестве решения возникает цуг береговых а) волн. Наиболее быстрая и энергоемкая часть цуга соот ветствует распространению первой моды БЗВ. Следуя этой идее на основе Прин стонской океанической мо дели была выделена первая б) мода БЗВ соответствующая Рис. 1. Топография дна бассейна (а) и со определенному рельефу дна ответствующая ей собственная функция H = H ( y ) (см. рис. 1).
первой моды БЗВ для уровенной поверхно При задании граничного сти (б). Точками обозначено положение условия со стороны распро узлов численной сетки по вертикали и по странения береговой волны в горизонтали в направлении от береговой виде (1) был проведен целый линии.
ряд численных эксперимен тов, связанных с набеганием волны на различные неоднородности береговой линии и рельефа. При прохождении БЗВ через некоторый участок шельфа происходит ряд энергетических переходов между кинетической и потенци альной формами энергии волны. При этом кинетическая энергия может пере распределяться между шельфом и глубоководной частью, потенциальная энергия также имеет две компоненты, связанные с изменением уровенной поверхности и с подъемом глубинных и опусканием шельфовых вод. В слу чае однородного распределения бльшая часть энергии БЗВ является кинети ческой. Если участок береговой линии является невозмущенным и началь ный уровень потенциальной энергии принять за нулевой, то после прохожде ния волны потенциальная энергия возвращается к нулевому уровню. Однако, как оказалось, в случае возмущений в виде «утеса» и «каньона» (рис. 2а,б) сохраняется остаточное возмущение потенциальной энергии внутренних пе ремещений. В частности на шельфе формируются долгоживущие аномалии поднятой с глубины в результате прохождения БЗВ плотной воды (рис. 2в,г).
В этих случаях начальное возмущение потенциальной энергии (рис. 3), связанное с прохождением волны, в несколь ко раз превосходит начальное возмущение в случае отсутствия геометрических неоднородно стей (сплошная линия) и даже а) б) остаточное возмущение остается на уровне начального в случае их отсутствия.
То есть, при определенной конфигурации береговой линии и рельефа распространяющаяся волна способна реализовать часть своей энергии на формиро вание аномалий плотности на шельфе путем подъема проме в) жуточных вод из примыкающих к шельфовой зоне районов от крытого океана. Естественно, что при этом часть шельфовых вод формирует противополож ные аномалии в открытом океа не.
Таким образом, береговые г) захваченные волны являются пе Рис. 2. Конфигурации береговой линии реносчиком ветровой энергии из (а) «утес» и рельефа шельфа (б) районов действия ветра в другие «каньон» и соответствующие им от- прибрежные районы, где она клонения придонной плотности и те- может реализоваться посредст чений в тыльной части 1-й моды БЗВ вом формирования аномалий (в) и (г). плотности в другие виды движе ния.
Рис. 3. Изменения внут ренней потенциальной энергии при прохождении БЗВ: «+» и «» соответ ствуют конфигурациям «утес» и «каньон».
Другой особенностью является то, что при прохождении волны проис ходит перемещение вод в направлении выпуклости изобат, что вызывает со ответствующее поднятие или опускание вод с возникновением аномалий плотности, которые не исчезают после прохождения волны.
В разделе 2.2 изучается отклик баротропной циркуляции на воздействия приливных волн M2, S2, K1 и O1 в районе малых заливов Южной Австралии.
Учет приливных движений в циркуляционных моделях может проявляться через придонное трение, которое вычисляется согласно дно = C D u + uп u, 2 где u – скорость регулярных течений, а u п – приливных.
Принстонская океаническая модель, конфигурированная для окрестно сти южного берега Австралии, включающей Большой австралийский залив, малые заливы Южной Австралии и Бассов пролив. Для возбуждения указан ных волн использовалась модель Эгберта и др. (1994), основанная на ассими ляции спутниковых наблюдений уровня. Такие данные дают хорошую точ ность для глубокого океана (более 1000 м) и малопригодны для шельфа. Та ким образом циркуляционная модель играет роль экстраполянта имеющихся данных в окраинной и шельфовой зоне. Показано, что, если данные Эгберта и др. (1994) использовать везде в области численного решения модели, где глубина превосходит 1000 м, то результаты в шельфовой зоне оказываются более реалистичными по сравнению с тем, когда эти данные задаются только как граничные условия. Сравнение этих двух подходов проводилось по ам плитуде и фазе приливных волн в основных портах южного берега Австра лии, где проводятся регулярные измерения.
В диссертации показано, что фаза и усиление амплитуды волны для рай она заливов Южной Австралии, в основном, правильно описываются моде лью для четырёх главных компонент приливов (M2, S2, K1 и O1) и являются продуктом четверть-волнового резонанса. Установлено, что придонное тре ние может являться причиной задержки волны при её движении вдоль залива Спенсер на 4-6 часов. В районе материкового шельфа к западу от заливов из менчивость уровенной поверхности получилась относительно малой. Тем не менее, к югу от острова Кенгуру и близ Роб составляющие K1 и O1 проявляют изменчивость течения порядка 5-8 см/с на глубинах от 100 до 1000 метров.
Оба района являются районами сильного апвеллинга, что требует дальней шего изучения влияния приливных движений на это явление.
Наиболее пригодным инструментом при моделировании шельфовой ди намики являются сигма-координатные модели. Системы координат, следую щие топологии дна, позволяют добиться лучшего разрешения при описании верхнего и нижнего пограничных слоёв одновременно. К сожалению, одним из наиболее существенных недостатков данного подхода является плохая ап проксимация горизонтальных градиентов в районах с резким изменением глубины океана, например, на крутых шельфовых склонах. Развитие точных и эффективных численных методов можно разделить на четыре направления:
методы вертикальной интерполяции (возврат к z-системе координат), выде ление горизонтально-однородной составляющей, более высокий порядок ап проксимации численных схем и сохранение интегральных характеристик. В разделе 2.3 представлен алгоритм, относящийся к первому направлению. Для нахождения градиента давления в точке, с помощью вертикальной интерпо ляции в соседних по горизонтали узлах находится давление на глубине этой точки, после чего градиент вычисляется по разностной схеме. Особенностью предложенного метода является то, что вблизи склона вместо интерполяции давления применяется интерполяция его градиента, что позволяет добиться более правильного описания течений при наличии вертикального скачка плотности.
Этот алгоритм использовался в дальнейшем при исследовании динамики южно-австралийского шельфа и шельфовых морей Арктики.
Глава В разделе 3.1 представляются результаты применения высокоразре шающей численной модели, использовавшейся для изучения физики и цир куляции вод на шельфе южной Австралии под воздействием средне-летнего ветра. Положительная завихренность среднего ветра приводит к глубоковод ному экваториальному свердруповскому переносу, течению Флиндерса и ап велингу постоянного термоклина. Завихренность поля ветра приводит также к формированию топографического переноса в направлении от берега вдоль широкого склона залива, который компенсируется течением вдоль восточно го берега залива, и в конечном счете приводит к формированию антицикло нического круговорота внутри залива (Herzfeld, Tomczak, 1999). Как видно из рисунка 4, обе эти черты циркуляции успешно воспроизводятся в ходе чис ленного моделирования. При натека нии глобального свердруповского пе реноса на материковый склон проис ходит подъем изопикн и формируется максимум уровенной поверхности, отмеченный на рисунке буквами «A.H.». Опускание изопикн в верхнем 400 м слое на границе шельфа являет ся последствием зимнего даунвеллин га и подробно изучено Миддлтоном и Сирано (2002). В результате конвер генции глобального переноса с топо графическим происходит формирова ние узкой направленной на восток струи, вследствие чего формируется углубление уровенной поверхности в виде желоба, следующего вдоль гра ницы шельфовой зоны. Изучение со вместного эффекта бароклинности и рельефа (СЭБИР) показало, что топо Рис. 4. Уровенная поверхность (а) графический перенос уменьшается и баротропная скорость (b).
благодаря этому эффекту примерно на треть.
Целью эксперимента, рассмотрен ного в разделе 3.2, является воспроиз ведение картины апвеллинга у берегов Южной Австралии, но, в отличие от предыдущего раздела, не как результат воздействия среднеклиматического форсинга, а в результате применения реального форсинга, полученного с по мощью данных реанализа локальной прогностической системы Австралии (LAPS). Применение граничного усло вия (1), позволяющего учесть удален ное ветровое воздействие на формиро вание БЗВ региона, способствовало улучшению качества восстановления волновой динамики, показав мини мальные различия уровенной поверх ности в сравнении с данными измере ний в основных портах южного берега Австралии. Анализ движения глубин ных вод в ходе развития апвеллинга по казывает (рис. 5), что наиболее актив Рис. 5. Распространение придонной ное выдвижение холодных вод из-за аномалии у берегов Южной Австра границ шельфа происходит к западу от лии, вызванное прибрежным апвеллин острова Кенгуру и вместе с придонны- гом 1998-1999 г.
ми течениями продолжается далее на северо-восток в сторону малых заливов Южной Австралии и на северо-запад в сторону Большого австралийского залива. В целом отмечается, что исполь зование реального форсинга, позволило получить более развитый апвеллинг по сравнению с климатическим форсингом, что указывает на необходимость привлечения высокочастотной изменчивости атмосферного воздействия.
Глава На последнем этапе представляемых исследований рассматривается роль шельфовой динамики в процессе формирования общей циркуляции водных масс в Арктическом бассейне. Во вводной части главы отмечается, что Арк тика является неотъемлемым звеном глобальной системы океанической цир куляции (конвейерного пояса) и играет роль глобальной тепловой машины.
Через пролив Фрама и через Баренцево море сюда поступают теплые воды с повышенной соленостью из Северной Атлантики, которые в арктических ус ловиях охлаждаются и распресняются. В результате, воды, поступающие из Арктики, отличает высокая плотность и низкая температура. Воды с такими свойствами испытывают дальнейшую трансформацию в северных морях Ат лантики (Гренландское, Норвежское и Лабрадорские моря, море Баффина) и в результате составляют основу глубинных масс всего Мирового океана, а Арктика и Северная Атлантика выступают в роли фабрики по их производст ву. Изменения условий функционирования такой тепловой машины могут иметь большие долгопериодные последствия для всей системы глобальной циркуляции океанов, и такие последствия в первую очередь проявят себя (а по некоторым свидетельствам уже проявляются) через ослабление системы меридиональной циркуляции Атлантического океана.
В разделе 4.1 подробно описывается конфигурация крупномасштабной модели циркуляции океана и льда для Северного Ледовитого океана и Север ной Атлантики. Совместная модель состоит из двух ключевых блоков: мо дель общей циркуляции океана, являющаяся результатом коллективных уси лий сотрудников ИВМиМГ СОРАН, включая и автора диссертации, и модель динамики льда, разработанная в Национальной лаборатории Лос Аламоса (США) и любезно предоставленная научному сообществу для исследователь ских целей. В разделе описана также сетка и конфигурация области модели рования, начальные условия (данные PHC) и параметры атмосферного воз действия (данные реанализа CORE 1.0).
В разделе 4.2 представлены некоторые результаты, полученные с ис пользованием совместной модели, касающиеся картины формирования и циркуляции арктических льдов. Рассматриваются вопросы чувствительности термохалинной структуры арктических вод к процессам перемешивания на поверхности океана. Подчеркивается, что ледовая картина существенно зави сит от характера атмосферной циркуляции. На рисунке 6 представлено ти пичное распределение толщины и скорости дрейфа арктического льда в пе риоды положительного и отрицательного значения индекса атмосферной Рис. 6. Типичное распределение толщины и скорости дрейфа льда в период преоблада ния антициклонической (а) и циклонической (б) циркуляции атмосферы.
циркуляции (NAO или AO).
Вопросам моделирования шельфовой зоны Северного Ледовитого океа на и арктических морей посвящен раздел 4.3, где наибольшее внимание уде ляется вопросам формирования и распространения ядер плотной воды в при донном слое, например, при развитии ветровой полыньи. Согласно имею щимся представлениям о механизмах формирования арктической плотной воды шельф является именно тем местом, где такое формирование происхо дит. Один из механизмов состоит в том, что Атлантические воды, попадая в мелководные шельфовые моря, значительно теряют здесь свой теплозапас, оставаясь при этом достаточно солеными. Тем самым, их плотность увеличи вается, и, спускаясь по континентальному склону, эти воды пополняют запа сы промежуточных и глубинных вод Арктики. Наиболее продуктивным, с точки зрения этого механизма, должно быть Баренцево море. Его максималь ная глубина всего лишь около 300 м, оно почти не испытывает влияния реч ного стока, способствующего распреснению вод и уменьшению их плотно сти, а самое важное, что значительная часть этого моря не покрыта льдом и поэтому взаимодействие открытой поверхности с атмосферой здесь наиболее интенсивно. Второй механизм формирования холодных и плотных придон ных вод связан с активным льдообразованием. В процессе формирования мо лодого льда происходят значительные потери теплозапаса верхнего слоя океана и вытеснение соли из вновь сформированного льда. Оба этих фактора приводят к возрастанию плотности воды на поверхности и к ее конвективно му заглублению.
Исключительность шельфа в этом механизме выражается в том, что именно на шельфе благодаря близости береговой линии при определенных ветрах происходит образование полыньи. Под действием ветра и суровых континентальных воздушных масс интенсифицируется процесс формирова ния ледовой шуги, сформировавшись, она тут же под действием ветра отно сится к краю полыньи, а на ее месте образуется новая. Таким образом, полы нья, образовавшаяся у берега материка или острова, является местом интен сивной генерации льда и плотная вода, образующаяся при этом, пополняет запасы глубинных вод. Наибольшая активность льдообразования в полыньях отмечается на северных окраинах Сибири, побережье Чукотки и Аляски и связано это с местной розой ветров и близостью азиатского полюса холода.
Исследование этих районов Арктики с помощью численного моделиро вания предусматривает учет целого ряда физических процессов, присущих арктическому шельфу. Во-первых, это термодинамика льда и снежного по крова. Эта проблема сама по себе чрезвычайно сложна, так как при ее реше нии требуется учитывать процессы льдообразования и таяния, нормальных и сдвиговых упругих деформаций, торошения, трансформации снежного по крова в ледовый и т.д.. Кроме того, спецификой этого района является боль шая ширина шельфа. Это значит, что в отличие от многих других шельфовых районов, в данном случае ширина шельфа во много раз превосходит радиус деформации Россби. Это особенным образом проявляется на характере шельфовой динамики, характере распространения топографических и бере говых захваченных волн, развитии прибрежного и склонового апвеллинга и даунвеллинга. Особого рассмотрения требуют приливные волны. Существу ют убедительные свидетельства того, что прохождение приливных волн спо собствует снятию внутренних напряжений в толще пакового льда, образова нию трещин, через которые увеличивается тепловлагообмен с атмосферой.
Еще одной немаловажной особенностью арктического шельфа является оби лие полноводных рек. Их роль в термодинамике до сих пор до конца неясна, а, кроме того, это еще и важное звено в глобальном круговороте пресной во ды.
В результате ряда идеализированных тестов показано, что крупномас штабная модель не в состоянии адекватно воспроизводить динамику придон ных аномалий плотной воды, поэтому необходимо введение соответствую щих параметризаций этого движения. В частности, предложен к применению метод вытеснения. Его суть заключается в том, что в случае, когда более плотная вода расположена выше по склону, чем менее плотная, происходит подтекание снизу более плотной воды с вытеснением наверх менее плотной, которая в свою очередь заполняет вакансию, возникающую из-за уменьше ния столба плотной воды. При условии применения предложенной парамет ризации, согласно тестовым расчетам, крупномасштабная модель способна более адекватно воспроизводить процесс пополнения запасов промежуточ ных и глубинных вод.
Для более подробного описания шельфовых процессов создана система вложенных моделей, состоящая из совместной крупномасштабной модели, описанной вначале этой главы, и шельфовой модели, развитой ранее в главе 3 и являющейся моделью промежуточного уровня разрешения (допускающая вихри). Взаимодействие двух моделей осуществляется на уровне начальных и граничных условий, а также на уровне взаимного усвоения распределений температуры, солености и горизонтальной скорости с помощью слагаемых релаксации второго порядка. Например, в уравнении сохранения тепла для расчета температуры эти слагаемые выглядят следующим образом:
T = A0 (T0 T ), t relax T ( ) = A T T0, t relax где T0, T – соответственно температуры крупномасштабного и локального распределения, A0, A – коэффициенты горизонтальной диффузии темпера туры. Согласно этим выражениям в рамках крупномасштабной модели толь ко отклонение температуры T0 от осредненной по боксу температуры вло женной модели T испытывает диффузионное сглаживание и, наоборот, в рамках вложенной модели только отклонение ее температуры T от значения интерполянта температуры крупномасштабной модели T0 подвержено дейст вию оператора Лапласа. Если бы обе модели решались на одной сетке (т.е.
T = T и T0 = T0 ), то в отсутствии других слагаемых уравнения теплопроводно сти предельное решение сводилось бы к тому, что в любой момент времени AT0 + A0T T* = = const A + A и T T0, при t а) б) Рис. 7. Течения на глубине 300м в случае самостоятельного интегри рования крупномасштабной модели (а) и в случае ее совместного интегрирования со вложенной моделью шельфовой зоны.
В результате удалось добиться большего уровня детализации шельфо вых и вдольшельфовых течений причем не только в рамках вложенной моде ли, но и в результате уточненного решения крупномасштабной модели. На пример, в случае течения на глубине 300 м вдоль границы шельфовой зоны (рис. 7) это привело к концентрации тече ния в слое атлантических вод и его уско рению.
Благодаря использованию параметри зации движения плотной придонной воды (метода вытеснения) удалось достичь бо лее реальной картины распространения этих вод, схематичное изображение их движения представлено на рисунке 8. Из этого рисунка видно, что желоб (трог) Святой Анны, расположенный на границе Карского и Баренцева моря и к востоку от Земли Франца-Иосифа, является естест венным проводником аномально плотных вод, формирующихся вблизи островов Но Рис. 8. Схема движения придонной вой Земли. Анализ серии экспериментов плотной воды, образованной на шельфе Карского и Баренцева мо- Голубевой и Платова (2007) показывает, рей, и полученная в результате чис- что этот источник плотной воды действует ленного моделирования с примене практически ежегодно с наибольшей эф нием метода вытеснения.
фективностью в период с января по май.
В следующем разделе 4.4 анализируется результат применения метода вытеснения, введенного ранее, непосредственно в совместной модели океана и льда Северного Ледовитого океана и северной Атлантики. Благодаря ис пользования данного метода удалось уменьшить модельный расход объема промежуточных и глубинных вод с 5.5 Св до 4 Св, однако это не решает про блему. Таким образом, предложенный метод вытеснения оказался эффектив ным при работе с моделями промежуточного уровня разрешения, подобным вложенной модели Карского и Баренцева морей. Для крупномасштабных мо делей его применение способно лишь несколько уменьшить отрицательный тренд объема промежуточных и глубинных вод. Решением проблемы может быть увеличение уровня разрешения крупномасштабной модели до уровня моделей промежуточного уровня (допускающих вихри).
В приложениях I и II приводится описания математических постановок моделей общей циркуляции океана и его регионов ИВМиМГ СО РАН и мо дели прибрежной циркуляции Принстонского университета (POM).
С полным текстом диссертации можно ознакомиться с 1 июля 2011 г. на сайте http://ocean.sscc.ru/~plat/dissertation.html Основные результаты диссертационной работы 1. Впервые с помощью численного моделирования и анализа данных выявлены физические механизмы формирования и пути дальнейше го распространения по всей акватории промежуточных вод Япон ского моря. Подтверждена гипотеза формирования промежуточ ных вод в районе залива Петра Великого. Подтверждено образова ние соленостного пояса вдоль российского побережья.
Показано, что процесс формирования промежуточной воды Япон ского моря можно подразделить на два характерных этапа. Первый за ключается в накоплении значительного запаса воды со свойствами близкими к типу промежуточных вод в окрестности залива Петра Ве ликого и в проникновении этих вод в промежуточные слои вследствие развития глубокой конвекции в период зимнего муссона. Второй этап развивается при одновременном ослаблении субполярного фронта и зимнего муссона, что приводит к распространению сформированных вод в направлении бассейнов Улунг и Ямато, а также к их рециркуля ции в рамках северного круговорота.
2. Исследованы процессы, связанные с динамикой шельфовой зоны: бе реговые захваченные волны, приливы и градиентные течения на границе шельфа и открытого океана. В частности 2.1 Впервые с помощью математической и численной модели был исследован отклик системы глубокого океана и шельфовой зоны на прохождение береговой волны вблизи особенностей береговой ли нии и рельефа дна. Именно здесь происходит подъем и опускание разнородных водных масс, что вызывает формирование остаточных аномалий, непосредственно не принадлежащих береговой волне.
2.2 В результате изучения особенностей приливных движений в районе Большого австралийского залива и малых заливов Южной Австралии и их влияния на характер шельфовой циркуляции в этом регионе, впервые с помощью численного моделирования установлен резонансный характер приливных колебаний в этих заливах, а также выяснилось, что учет придонного трения может являться причиной задержки приливной волны при её движении вдоль залива Спенсер на 4-6 часов. Сравнение результатов, полученных после применения форсинга граничных условий (ФГУ) и форсинга глубокого океана (ФГО), предложенного в данной работе, показывает, что последний предоставляет более надежные оценки изменений уровенной по верхности.
2.3 В ходе изучения роли ошибки в определении градиентов давле ния в сигма-координатных моделях, выработаны рекомендации при формировании сеточной области модели, получен и проверен в ходе численных экспериментов новый метод коррекции градиентов дав ления, позволяющий существенно уменьшить ошибки в определе нии скоростей шельфовых и склоновых течений.
3. В ходе численных экспериментов выявлены механизмы и особенно сти среднелетней динамики Большого австралийского залива, формирующейся под воздействием сезонного преобладания ветров, способствующих развитию прибрежного апвеллинга, предложен новый способ учета распространяющихся вдоль побережья берего вых захваченных волн.
Положительная завихренность среднего ветра приводит к глубоко водному экваториальному свердруповскому переносу, течению Флин дерса и апвеллингу постоянного термоклина. Формируется олбанский максимум. Завихренность поля ветра приводит также к формированию топографического свердруповского переноса, который компенсируется вдольбереговым течением и, в конечном счете, приводит к формирова нию антициклонического круговорота внутри БАЗ. Впервые показано, что относительно легкая вода, расположенная вблизи шельфа и в верх нем 400-метровом слое, сформированная и сохранившаяся после глу бокого зимнего даунвеллинга, вызывает наклон уровенной поверхности с возвышением в направлении к берегу, что приводит к формированию минимума уровенной поверхности вдоль границы шельфовой зоны и вызывает направленное на восток течение. Подтверждением наличия такого минимума уровенной поверхности служит картина динамиче ских высот, полученная на основе данных CARS.
Предложенный способ учета распространяющихся вдоль побережья береговых захваченных волн был апробирован в ходе моделирования летнего апвеллинга 1998–1999 г и позволил достичь более точного уче та колебаний уровня в диапазоне 1–3 дней.
4. Создана и апробирована система вложенных моделей адаптиро ванная для моделирования арктического шельфа России, включаю щая крупномасштабную модель северной части Атлантического океана и Северного Ледовитого океана с учетом льда и региональ ную модель окраинных арктических морей и шельфовой зоны. Раз работана новая параметризация, позволяющая в рамках крупномас штабной модели учитывать неописываемые моделью перемещения плотных придонных вод вдоль локального наклона дна.
С помощью системы вложенных моделей с учетом разработанной параметризации проведено исследование динамики шельфовой зоны Северного Ледовитого океана в районе Баренцева и Карского морей, выявлены основные механизмы, ответственные за формирование про межуточных и глубинных вод в условиях развивающейся ветровой по лыньи.
Публикации по теме диссертации Монографии:
1. Кузин В. И., Голубева Е. Н., Платов Г.А. Моделирование гидрофи зических характеристик системы Северный Ледовитый океан – Северная Атлантика. Коллективная монография «Фундаменталь ные исследования океанов и морей», ред. Н. П. Лаверов, М, «Нау ка», Книга 1, 2006, с. 166-190.
Публикации в журналах из списка ВАК 2. Платов Г. А. Численное моделирование формирования глубинных вод Северного Ледовитого океана. Часть I: Идеализированные тес ты // Известия РАН, Серия ФАО, 2011, т. 47, № 3, с. 393–408.
3. Платов Г. А. Численное моделирование формирования глубинных вод Северного Ледовитого океана. Часть II: Результаты региональ ных и глобальных расчетов // Известия РАН, Серия ФАО, 2011, т.
47, № 3, с. 409–425.
4. Кузин B. И., Платов Г. А., Голубева Е. Н. Влияние межгодовой из менчивости стока сибирских рек на перераспределение потоков пресной воды в Северном Ледовитом океане и в северной Атлан тике // Известия РАН, Серия ФАО, 2010, т. 46, № 6, с. 831–845.
5. Голубева Е. Н., Платов Г. А. Численное моделирование отклика Арктической системы океан-лед на вариации атмосферной цирку ляции 1948-2007 гг. // Известия РАН, серия ФАО, 2009, т. 45, №1, с. 145-160.
6. Крупчатников В. Н., Кузин В. И., Голубева Е. Н., Мартынова Ю.
В., Платов Г. А., Крылова А. И. Исследование гидрологии и дина мики растительности климатической системы Северной Евразии и Арктического бассейна // Известия РАН, серия ФАО, 2009, т. 45, №1, с.123-144.
7. Кузин В. И., Крупчатников В. Н., Фоменко А. А., Голубева Е. Н., Мартынова Ю. В., Платов Г. А. Исследование динамики климати ческой системы Северной Евразии и Арктического бассейна // Сиб. журн. вычисл. матем., 2009, т. 12, №3, с. 289-295.
8. Платов Г.А., Голубева Е. Н. Изучение промежуточных вод Япон ского моря на основе численного моделирования с использованием данных климатического распределения температуры и солености GDEM // Известия РАН, серия ФАО, 2008, т. 44, №3, с. 392 -- 412.
9. Golubeva E. N., and G. A. Platov, On improving the simulation of At lantic water circulation in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res., 2007, v.
112, C04S05, doi:10.1029/2006JC003734.
10.Holloway G., F. Dupont, E. Golubeva, S. Hkkinen, E. Hunke, M. Jin, M. Karcher, F. Kauker, M. Maltrud, M. A. M. Maqueda, W.
Maslowski, G. Platov, D. Stark, M. Steele, T. Suzuki, J. Wang, and J.
Zhang, Water properties and circulation in Atctic Ocean models // J.
Geophys. Res., 2007, v. 112, C04S03, doi:10.1029/2006JC003642.
11.Kuzin V. I., E. N. Golubeva, and G. A. Platov, Numerical simulation of impurity and fresh water propagation in the Arctic-North Atlantic sys tem // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modeling, 2006, v. 21, No. 1, p.
321-343.
12.Голубева Е. Н., Платов Г. А. Исследование изменчивости системы океан-лед Северного Ледовитого океана // География и природные ресурсы, 2004, №3, с. 283-287.
13.Middleton, J. F., and G. Platov, The mean summertime circulation along Australia's southern shelves: a numerical study // J. Phys.
Oceanogr., 2003, v.33, No.11, p. 2270-2287.
14.Кузин В.И., Голубева Е.Н., Платов Г.А., Нелезин А.Д., Манько А.Н. Диагностические расчеты для двух состояний Куросио // Из вестия РАН, серия ФАО, 1999, т.35, №2, стр. 259-268.
15.Голубева Е. Н., Иванов Ю. А., Кузин В. И., Платов Г. А. Численное моделирование циркуляции Мирового океана с учетом верхнего квазиоднородного слоя // Океанология, 1992, т. 32, вып. 3, с. 395 405.
16.Lykossov V.N., Platov G.A. A numerical model of interaction between atmospheric and oceanic boundary layers // Russ. J. Numer. Anal.
Math. Modelling, 1992, v.7, No. 5, p.419-440.
Публикации в трудах международных конференций 17.Platov, G.A., and E.N. Goloubeva, The Japan Sea circulation modelling with data assimilation and analysis of deep water structure // In: Pro ceedings of the International Conference "Mathematical Methods in Geophysics". Part 2. 2003, Novosibirsk: Inst of Comp. Math. And Math. Geoph. Publ.
18.Голубева Е. Н., Платов Г. А. Роль океанической динамики в рас пространении загрязнения в Арктическом бассейне // Труды меж дународной конференции “Enviromis”. Россия, Томск: Изд. ГУ «Томский ЦНТИ», т. 1, 2002, с. 169-173.
Прочие публикации 19.Middleton J. F., Platov G., Hydrodynamic model of the Great Austra lian Bight. // In: Trophodynamics of the GAB: Assessing the need for an ecological allocation in the SA Pilchard fishery, Eds. T. Ward, S. D.
Goldsworthy, B. C. Page. SARDI FRDC Report 2003/072, Adelaide, 2005, p. 51-99.
20.Platov, G.A., and J. F. F. Middleton, Notes on Pressure Gradient Cor rection // NCC Bulletin/Series Num. Model. Atmos. Ocean and Envi ronment Studies. Novosibirsk: NCC Publisher, 2001, Iss. 7, p. 43-58.
21.Platov, G., and J. F. Middleton, A barotropic model of tides along Aus tralia's southern shelves // Applied mathematics report, 2000, No.00/22, School of Math., University of New South Wales, Sydney, Australia.
22.Middleton, J. F., G. Platov, Slope circulation set-up near a strait: An idealised study // Applied mathematics report, 2000, No.00/21, School of Math., University of New South Wales, Sydney, Australia.
23.Golubeva, E. N., and G. A. Platov, A numerical modeling of the global ocean meridional thermohaline circulation // NCC Bulletin/Series Num.
Model. Atmos. Ocean and Environment Studies. Novosibirsk: NCC Publisher, 1996, Iss. 4, p. 21-29.