Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Апвеллинг как одна из основных структурных особенностей прибрежной зоны балтийского моря. методы исследования апвеллинга 11
1.1. Общие сведения об апвеллинге 11
1.2. Наблюдение апвеллинга в Балтийском море по данным судовых и спутниковых измерений 19
1.3. Моделирование апвеллинга 32
1.4. Обзор географических особенностей (климат, метеорологические условия) района юго-восточной Балтики, влияющих на процесс прибрежного апвеллинга 47
1.5. Современные методы натурных наблюдений апвеллинга в Балтийском море 49
1.6. Актуальные задачи исследования структурных особенностей апвеллинга в юго-восточной Балтике 52
Глава 2. Описание численной модели 54
2.1. Краткий обзор основных характеристик модели 54
2.2. Основные уравнения 56
2.2.1. Уравнения движения и уравнение термодинамики 56
2.2.2. Встроенная турбулентная модель 59
2.2.3. Граничные условия 61
2.3. Представление вертикальной координаты 64
2.4. Практическая реализация гидродинамической модели 65
2.4.1. Область моделирования, граничные условия и пространственное разрешение, задаваемое в модели 65
2.4.2. Данные о термохалиннои структуре вод юго-восточной Балтики 70
2.4.3. Батиметрические данные, используемые в модели 73
2.4.4. Параметризация профилей термохалинных полей 73
2.4.5. Метеорологические условия и их параметры 74
2.4.6. Данные о течениях в юго-восточной Балтике 76
2.4.7. Верификация модели по данным детальных измерений термохалинных полей на вертикальных разрезах и данным полигонных съемок в юго-восточной Балтике 77
2.4.8. Подготовка файлов начальных и граничных условий, необходимых для запуска модели. Визуализация данных моделирования 82
Глава 3. Описание термохалиннои и динамической структуры апвеллинга в юго-восточной части балтийского моря 84
3.1. Описание данных натурных измерений 84
3.2. Результаты моделирования апвеллинга в октябре 2005г. 86
3.3. Особенности структуры поля температуры и течений на различных горизонтах в различные сезоны в период апвеллинга 90
3.4. Анализ вдольбереговых и поперечных к берегу течений на вертикальных разрезах 99
3.4.1. Вдольбереговые скорости течений 100
3.4.2. Поперечные к берегу скорости течений 104
3.4.3. Моделирование апвеллинга при стратификации зимнего типа 112
3.4.4. Оценки радиуса деформации Россби 114
3.4.5. Оценка величины соотношения F=U/(N-H) 116
3.5. Оценка эффекта охлаждения за счет потока тепла от моря в атмосферу 120
3.6. Оценки эрозии холодного промежуточного слоя при апвеллинге 122
3.7. Анализ временных рядов скоростей течений 123
3.8. Структура поля температуры и течений в юго-восточной Балтике при разных направлениях ветра 128
Заключение 135
Библиографический список используемой литературы 137
- Наблюдение апвеллинга в Балтийском море по данным судовых и спутниковых измерений
- Область моделирования, граничные условия и пространственное разрешение, задаваемое в модели
- Особенности структуры поля температуры и течений на различных горизонтах в различные сезоны в период апвеллинга
- Структура поля температуры и течений в юго-восточной Балтике при разных направлениях ветра
Введение к работе
Предмет исследования
Работа посвящена исследованию физических механизмов формирования прибрежного апвеллинга и описанию связанных с ними структурных особенностей термохалинных и динамических полей на примере юго-восточной Балтики.
Явление апвеллинга по своим отдельным проявлениям известно с давних времен. Отмечалось, что при определенных ветрах происходит охлаждение прибрежных вод. При этом степень охлаждения может заметно отличаться даже в соседних районах. Было отмечено, что встречаются районы с частыми и выраженными проявлениями апвеллига, и, наоборот, с редкими и невыраженными его проявлениями. Отмечалось, что апвеллинг благоприятствует рыбному промыслу (Hela, 1976). В настоящее время известно, что во время апвеллинга происходит выход на поверхность вод, богатых биогенными элементами, которые в значительной степени определяют общую биопродуктивность.
До недавнего времени об апвеллинге в основном судили по его проявлению на поверхности моря. Весьма ценную информацию такого рода стали получать благодаря дистанционным измерениям радиояркостной температуры со спутников. На панорамных снимках хорошо видны области апвеллинга и их очертания на поверхности моря. Однако такая информация не всегда проясняет особенности механизмов апвеллинга. В настоящей работе будет показано, что для понимания особенностей структуры апвеллинга необходимы прямые измерения гидрофизических полей во всей толще моря. При этом особую ценность имеют данные, собранные с высокой пространственной дискретностью (сто и несколько сот метров).
Продвижение в описании пространственной структуры апвеллинга в Балтийском море можно было ожидать при использовании буксируемого сканируемого CTD-зонда. Эта методика измерений была внедрена в Атлантическом отделении Института океанологи РАН (Рака, 1996) и в дальнейшем была распространена в Институте океанологии польской АН. В октябре 2005 года такой тип измерений был проведен во время развития достаточно интенсивного апвеллинга в районе, примыкающем к Куршской косе. Натурные измерения позволили детально выделить пространственные структурные особенности термохалинных полей, которые ранее лишь в общих чертах отмечались при отдельных немногочисленных и менее подробных измерениях.
К детальным структурным особенностям термохалинных полей, выявленным по данным натурных наблюдений в период апвеллинга, относится
структура ядра апвеллинга, сформировавшегося на расстоянии от берега на горизонтальном масштабе около сотни метров. При этом традиционной считается ситуация, когда холодные воды при апвеллинге почти примыкают к береговой зоне моря. Такие традиционные представления согласуются с данными спутниковых панорамных снимков, на которых наиболее холодные воды, как правило, примыкают непосредственно к берегу. На основе анализа данных наблюдений также получено детальное представление о пространственной изменчивости поля температуры и солености во всем слое от поверхности до термоклина, холодного промежуточного слоя и халоклина. Термохалинные поля в период апвеллинга, измеренные с высоким пространственным разрешением, являются редким примером натурных данных о проявлении апвеллинга на вертикальном разрезе, простирающемся от присклоновой области до открытой части моря.
Полученные натурные данные послужили основой при верификации выбранной численной модели, предварительно адаптированной к району юго-восточной Балтики, для последующего проведения детального анализа процесса апвелинга в рассматриваемом районе на основе данных моделирования.
Моделирование позволило воссоздать не только пространственную термохалинную, но и динамическую структуру апвеллинга. При этом в район исследования вошла не только область, где были получены натурные данные, но и вся юго-восточная Балтика.
Выявление структурных особенностей гидрофизических полей и механизмов их формирования при апвеллинге в достаточно широкой области моря, какой является юго-восточная Балтика, является весьма актуальной задачей для океанологии, физики моря и для широкого круга прикладных задач. Известно, что апвеллинг является одним из важнейших процессов в Мировом океане и включает в себя целый круг гидрофизических задач, которые влекут за собой задачи в областях химии, биологии, экологии, а также задачи, связанные с прогнозом погоды, рыбным промыслом, добычей и транспортировкой нефтепродуктов, с поддержанием благоприятных условий в рекреационных зонах. Со временем большая часть перечисленных задач приобретает усиливающуюся остроту. В связи с этим исследование физической природы апвеллинга имеет особую значимость и актуальность, как для фундаментальных исследований, так и для расширяющихся прикладных задач.
Целью настоящей работы . является исследование особенностей пространственной термохалинной и динамической структуры прибрежного
апвеллинга и определение физических механизмов его формирования на примере побережья Балтийского моря, прилегающего к Калининградской области. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Анализ данных натурных наблюдений и определение структурных особенностей термохалинных полей, связанных с апвеллингом, которые необходимо воспроизвести при численном моделировании.
Построение численной модели, которая позволила бы разрешить выделенные структурные особенности.
На основе данных натурных измерений и результатов численного моделирования выявление пространственных особенностей термохалинной и динамической структуры апвеллинга и установление причины их формирования.
Определение ключевых параметров, влияющих на формирование пространственных особенностей ядра апвеллинга, и получение соответствующих количественных критериев.
Описание пространственной структуры компенсационного течения и динамики его формирования.
Методы и походы
Работа выполнялась на основе сочетания методов анализа современных данных натурных наблюдений и численного моделирования. После того, как удалось добиться удовлетворительного совпадения результатов моделирования с натурными данными в месте проведения измерений, расчеты были распространены на соседние области и уже по данным моделирования были исследованы локальные особенности структуры апвеллинга и их пространственная изменчивость. Выполнение подобного исследования экспериментальными методами потребовало бы вовлечения нескольких судов, что в свою очередь привело бы к значительным затратам и не обязательно дало бы удовлетворительные результаты, поскольку апвеллинги происходят не часто и пришлось бы дожидаться подходящего события. Были проведены также расчеты для широкого набора метеорологических и гидрологических условий: различных интенсивностей и направлений ветра, различных потоков тепла, различных характерных профилей температуры и солености. Попутно пришлось, найти типичные для различных сезонов профили термохалинных полей. Важно отметить, что моделирование позволило анализировать сопутствующие гидрологическим структурам дрейфовые и геострофические составляющие течений, что трудно выполнить, основываясь только на натурных данных. (В какой-то мере подобная задача в применении к геострофическим составляющим течений решается широко
используемым в океанологии динамическим методом). При конструировании
численной модели за основу была взята известная гидродинамическая модель океана Принстонского университета POM (Princeton Ocean Model) (Blumberg, Mellor, 1987; Mellor, 2004). Модель строилась как локальная с граничными условиями типа излучения (Blumberg, Mellor, 1987; Андросов, Вольцингер, 2005) на открытых границах.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и библиографического списка используемой литературы.
В первой главе на основе литературных данных дается обзор выполненных исследований апвеллинга в Балтийском море. Представлены данные о весьма разнообразных проявлениях апвеллинга в отдельных районах моря, что свидетельствует о том, что апвеллинг в Балтийском море является более сложным процессом, нежели его принято рассматривать в упрощенной классической теории. При этом в литературе апвеллинг зачастую рассматривается как структура поля температуры и течений лишь в поверхностном слое. Обосновывается необходимость совместного исследования пространственной термохалинной и динамической структуры апвеллинга для более полного понимания описываемых в литературе особенностей его проявления. Рассмотрены различные данные, характеризующие апвеллинг, полученные в юго-восточной Балтике.
Обзор литературы показал, что проведены весьма обширные модельные исследования апвеллинга в Балтийском море, касающиеся пространственной структуры температуры, горизонтальных течений и их разветвлений (филаментов), вертикальных потоков. Некоторые модели рассматривают связанные с апвеллингом длиннопериодные волны.
Настройка использовавших численных моделей выполнялась, как правило, по ограниченным данным термохалинных полей и при достаточно общих данных о рельефе дна. Верификация почти всегда проводилась по спутниковым снимкам радиояркостной температуры на поверхности моря.
Комплексное исследование термохалинной структуры и течений с выявлением взаимодействия отдельных механизмов в различных слоях моря- во время апвеллинга в Балтике, как правило, не проводилось.
На основе обзора проведенных исследований апвеллинга в Балтийском море была поставлена задача диссертационной работы и определены методы ее реализации.
Было решено провести исследование апвеллинга на основе относительно недавно полученных данных термохалинных полей, обладавших высоким пространственным разрешением. Данные с таким высоким разрешением до этого не рассматривались другими ислледователями.
Для моделирования в качестве основы была взята модель РОМ. Это модель уже была испытана рядом авторов при изучении явления апвеллинга в Балтийском море (Jankowski, 2002а, 2002b; Журбас и др., 2004, 2008; Kowalewski, Ostrowski, 2005). Автор имел дополнительные возможности использовать при моделировании обширный массив натурных термохалинных полей, накопленных в Атлантическом отделении Института океанологии РАН и полученных в экспедиционных рейсах по программе ЛУКОЙЛа. Помимо этого, лабораторией геоэкологии АО ИОРАН был предоставлен достаточно детальный и отредактированный массив рельефа дна юго-восточной Балтики, в особенности той ее части, которая прилегает к Куршской косе. В связи со сказанным появилась возможность улучшить реализацию численной модели и сделать ее оперативной. Но главная особенность диссертационной работы состоит в том, что было проведено сопоставление модели не с горизонтальными распределениями, температуры на поверхности моря, как это обычно делается, а с распределением термохалинных полей на вертикальном разрезе, что ранее не проводилось (во всяком случае с используемой пространственной детализацией). Проведенная таким образом верификация дала возможность более достоверно оценить особенности термохалинной структуры и течений во всей толще моря по данным моделирования.
Во второй главе приводится описание численной модели и постановка задачи численного моделирования. Описывается, в чем состояла и каким образом осуществлялась адаптация модели к юго-восточной части Балтики. Описывается ряд численных экспериментов по верификации модели натурными данными с высоким пространственным разрешением. Отмечаются такие особенности задачи, как ее локальность, наличие открытых границ, тип граничного условия на открытых границах, параметрическое задание профилей температуры и солености в зависимости от сезона, необходимость адаптации рельефа дна.
В третьей главе проводится анализ апвеллинга у побережья Калининградской области. Анализ основывается на уникальных данных натурных наблюдений с высоким пространственным разрешением, полученных на вертикальном разрезе в октябре 2005 года на траверзе середины Куршской косы, и на данных численного моделирования. Приводятся данные о пространственной изменчивости апвеллинга, возникающего при северо-восточном ветре, о зависимости термохалинной и динамической структуры апвеллинга от силы ветра,
рельефа дна, сезонной стратификации. Дано объяснение удаленного от берега положения ядра апвеллинга, наблюдавшегося в октябре 2005 года. Рассматривается структура компенсационного течения при апвеллинге. Предпринята попытка выявить его природу путем рассмотрения соотношения сил в области компенсационного течения, оценен пространственный масштаб этой области. Выявляется роль апвеллинга в процессе эрозии промежуточного слоя Балтики. Рассматриваются структурные особенности апвеллинга при различных направлениях ветра.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
Основные защищаемые положения:
1. Для рассмотрения трехмерной пространственной структуры
термохалинных полей и полей скорости течений предложена региональная
гидродинамическая модель с частично открытыми краевыми граничными
условиями, основанная на численных схемах Принстонской модели океана (РОМ).
Модель удовлетворительно описывает термохалинную структуру апвелинга во
всей толще моря, включая верхний перемешанный слой, сезонный термоклин,
холодный промежуточный слой и халоклин.
2. На основе численного моделирования выявлены особенности трёхмерной
термохалинной и динамической структуры апвеллинга в зависимости от
географического положения места наблюдения - рельефа дна, очертания береговой
линии и сезонной стратификации вод. К таким особенностям относятся
пространственная структура ядра апвеллинга, размер ядра, структура
вдольберегового и компенсационного течений, распространенность в сторону
открытого моря и взаимное расположение отдельных языков в полях температуры,
скорости и завихренности течений.
3. Установлено, что важную роль при подъеме холодных вод играет
горизонтальная нелинейная адвекция, формирующая компенсационное течение в
слое сезонного термоклнна и холодного промежуточного слоя.
4. Предложен аналогичный числу Фруда безразмерный параметр F=U/(N-H),
равный отношению скорости компенсационного течения U к частоте плавучести N
и вертикальному масштабу Н, на котором изменяется частота плавучести,
позволяющий оценить интенсивность апвеллинга и установить тенденцию к
одному из следующих его режимов: 1) ядро апвеллинга выходит на поверхность на
расстоянии от берега (F>0.7); 2) ядро апвеллинга примыкает к берегу (0.3
Работа выполнена в Атлантическом отделении Учреждения РАН Института океанологии им. П.П. Ширшова (АО ИО РАН), в отделе экспериментальных гидрофизических исследований (зав. отделом - доктор физико-математических наук В.Т. Пака) при поддержке грантов РФФИ № 07-05-00833, № 06-05-65295 и № 06-05-64138.
Автор глубоко благодарен научному руководителю работы доктору физико-математических наук, профессору В.М. Журбасу и кандидату физико-математических наук Н.Н. Голенко за помощь в постановке задач численного моделирования и ценные советы, связанных с интерпретацией результатов.
Автор благодарит кандидата физико-математических наук С.А. Щуку за помощь в получении натурных данных и полезные доброжелательные обсуждения во время всего периода исследовании и кандидата геолого-минералогических наук В.В. Сивкова за предоставление усовершенствованных данных по рельефу дна в юго-восточной Балтике и за полезные советы при рассмотрении течений, связанных с особенностями рельефа дна.
Автор благодарит администрацию фирмы ЛУКОЙЛ «Калининграднефтегаз» за предоставленные для анализа данные натурных наблюдений.
Наблюдение апвеллинга в Балтийском море по данным судовых и спутниковых измерений
Валин обратил внимание на то, что 8 июля и в течение всего периода с 15 по 21 августа в исследуемом районе наблюдался интенсивный апвеллинг при скорости ветра, направленной от берега. Этот результат не согласуется с теорией Экмана. Однако согласно теоретическим выводам Валина в прибрежной зоне исследуемого района следует ожидать распространение возмущений с внутренней волной со скоростью 0.5 м/с в южном направлении. Это означает, что апвеллинг, возникший у побережья Роннеби (см. рис. 1.5) при западном ветре, мог достичь района проведения измерений за 2 суток. Таким образом, при помощи натурных измерений Валин подтвердил, что существует основание полагать, что одним из основных откликов прибрежной зоны Балтийского моря на метеорологические воздействия являются возмущения, распространяющиеся вдоль берега в виде внутренних волн Кельвина.
Шведский океанолог Свенсон (Svansson, 1975) также экспериментально регистрировал апвеллинги у юго-восточного побережья Швеции. Свенсон поставил вопрос о значимости апвеллинга для биологической жизни в прибрежной области моря, поскольку в процессе апвеллинга питательные вещества (биогенные элементы) перемещаются с глубины в верхний эвфотический слой моря, где под воздействием солнечного света участвуют в образовании органических соединений, которые затем участвуют в биопродуктивной и пищевой цепи. Позднее этот факт был признан наиболее значимым последствием апвеллинга для экосистемы моря.
Финские океанологи во время проведения натурных измерений температуры также довольно часто фиксировали апвеллинговые события у северного побережья Финского залива (Hela, 1976; Niemi, 1979; Kononen, Niemi, 1986; Haapala, 1994). В этих работах утверждается, что самыми благоприятными для развития апвеллинга в указанном районе являются ветра юго-западных направлений. Температура поверхности залива может снизиться на 10С за 1-2 дня в период существования вертикальной стратификации по температуре в поверхностном слое. В такие периоды содержание питательных веществ в поверхностном слое истощено, и апвеллинг способствует обогащению эвфотической зоны питательными веществами, что необходимо для биологической продуктивности. Хела (Hela, 1976) установил линейную эмпирическую зависимость между скоростью ветра и вертикальной скоростью жидкости в районе апвеллинга в Финском заливе: где U - скорость ветра, w, - вертикальная скорость в районе апвеллинга. Им таюке была посчитана величина экмановского переноса в перпендикулярном к берегу направлении и соотнесена с объемом воды в Финском заливе. Во время штормовых ветров экмановский перенос составил около 3-Ю3 м3с" на 1 км береговой линии. Если предположить, что вдоль полосы южного берега Финского залива шириной 270 км апвеллинг длится сутки, то окажется, что 6% объема вод Финского залива вовлечено в процесс апвеллинга. В работах Хелы (Hela, 1976) и Съеблома (Sjoblom, 1967) утверждается, что в определенных прибрежных районах Балтийского моря апвеллинги возникают чаще, чем в других, в этих районах отмечается более богатый улов рыбы. Ниеми (Niemi, 1979) обнаружил, что в районах, где в процессе апвеллинга глубинные воды, обогащенные фосфором, поднимаются на поверхность, отношение N/P (N - величина, характеризующая содержание азота, Р - величина, характеризующая содержание фосфора) становится маленьким, что способствует процветанию сине-зеленых водорослей, способных поглощать азот из воздуха.
Систематизировать проявления апвеллинга на поверхности моря удалось с появлением дистанционных съемок радиояркостной температуры со спутников, на которых устанавливались радиометры видимого и инфракрасного излучения (ИК) электромагнитных волн (света). Использование спутниковых данных для определения и описания процессов, происходящих в море, началось в 1980-х гг. (Бычкова и др., 1985; Gidhagen, 1984а; Gidhagen, 1984b, Victorov, 1984, Siegel et al., 1994; Kahru et al., 1995; Lass et al., 2003; Kowalewski, Ostrovvski, 2005). Однако отметим, что возможность применения методов дистанционного зондирования для получения данных в ИК - диапазоне зависит от облачности, и в случае сплошной облачности становится невозможным получить со спутника адекватные данные о ТПМ. В данном отношении контактный способ получения гидрофизических данных является более независимым от атмосферных условий. Одной из первых работ по изучению апвеллинга в Балтийском море на основе спутниковых данных является работа немецкого ученого Хорстмана (Horstmann, 1983). Эта работа посвящена исследованию апвеллинга в южной части Балтийского моря по множеству данных, полученных AVHRR-радиометром (Advanced Very High Resolution Radiometer) за период 1982г. Анализ последовательных по времени снимков показал, что при юго-восточных и восточных ветрах на западном побережье острова Рюген, вдоль побережья Польши между Померанским заливом и Усткой, а также от Лебы до косы Хель развивается интенсивный апвеллинг.
Шведский ученый Гидхаген (Gidhagen, 1987) выполнил совместный анализ AVHRR-данных и данных натурных наблюдений поля температуры в районе побережья Швеции. На основе данных натурных наблюдений Гидхаген дал статистическую оценку продолжительности апвеллинга в различных районах шведского побережья в периоды с июля по сентябрь 1973-1982гт. Согласно полученным результатам наиболее часто апвеллинги наблюдаются в 3-х областях: Треллеборг (Trelleborg), Кюгоррен (Kuggoren) и участок от Кальмарсунда (Kalmarsund) до Карлсхамна (Karlshamn) (см. рис. 1.7).
Область моделирования, граничные условия и пространственное разрешение, задаваемое в модели
В настоящей работе моделирование апвеллинга в юго-восточной части Балтийского моря проводилось на основе Принстонской модели океана (РОМ). Численные алгоритмы РОМ прошли широкую апробацию в сотнях практических задач (см. раздел 2.1), что позволило минимизировать усилия при отладке гидродинамического блока. Во всех численных экспериментах, которые будут рассмотрены в данной диссертационной работе, область моделирования являлась прямоугольной и была ограничена следующими значениями широт и долгот: 54.311с.ш., 56.001с.ш., 17.169в.д., 21.107в.д. Область моделирования представлена на рис. 2.2. Модель являлась локальной с частично открытой западной и полностью открытой северной границами. Рассмотрим более подробно граничные условия открытого типа, используемые в модели. Все рассуждения и формулы приведем для западной границы области моделирования. Для задания уровня свободной поверхности на границе использовалось следующее условие (Camerlengo, O Brien, 1998):
Верхний индекс F, отсутствие верхнего индекса и верхний индекс В означают будущий, настоящий и прошедший моменты времени соответственно. Нижние индексы 1 и 2 означают граничный и приграничный узлы пространственной сетки в горизонтальном направлении (в рассматриваемом случае в направлении ОХ). Для вывода граничного условия для баротропной скорости использовались уравнения теории мелкой воды (Андросов, Вольцингер, 2005): где р может включать касательные напряжения на поверхности и на дне. Умножим второе уравнения системы (2.31) на , I— и вычтем полученный Положим ф = 0. Решением волнового уравнения (2.33) является любая функция вида ju = ф(х + s]gH t) т.е. волна, распространяющаяся влево, что согласуется с физическим смыслом условия излучения на границе, которое заключается в том, что искусственные (паразитные) возмущения должны уходить из области моделирования за пределы границы. Простейшим решением уравнения (2.33) является и = 0. При этом U = J—n или где Се = gH - фазовая скорость распространения баротрошюго возмущения. Значение Н берется в приграничной точке. Для того чтобы получить граничное условие на восточной границе, систему уравнений (2.31) необходимо преобразовать таким образом, чтобы вместо (2.33) получить выражение -J-- + Л/## - -= р (при этом /и = 17 + л —rj), решением которого является волна, распространяющаяся вправо. Простейшее решение // = 0 дает С следующее условие на восточной границе: U = —-rj. Я Можно также использовать граничное условие вида и-и0=± {г1-щ) (2.34) где U0, TJ0 - предписанные значения переменных на границе. Именно это граничное условие использовалось при моделировании в настоящей работе. Для определения баротропной скорости на границе используется условие излучения вида (Blumberg, Mellor, 1987; Андросов, Вольцингер, 2005)
Особенности структуры поля температуры и течений на различных горизонтах в различные сезоны в период апвеллинга
В настоящем разделе по данным моделирования совместно анализируются горизонтальные распределения температуры, модуля скорости и направления течений в период апвеллинга. Анализируются температура и скорости течений на различных горизонтах от поверхности до дна. Специально рассматриваются структурные особенности течений, которые связаны с физическими механизмами протекания апвеллинга. На рис. 3.5 представлены распределения температуры и модуля скорости течений в поверхностном слое (на горизонте 5 м), полученные через 3 суток (слева) и 5 суток (справа) после начала проведения расчетов. На протяжении 24 часов с момента начала расчетов скорость ветра линейно возрастала от нуля до 12.5 м/с и далее оставалась неизменной.
Для рассматриваемого района юго-восточной Балтики выделяется несколько областей, занятых апвеллинговымии водами: область вблизи Куршско -Самбийского поднятия, у западного побережья Самбийского полуострова, вблизи побережья Балтийской косы и вблизи побережья косы Хель. Данные моделирования на начальном этапе показывают, что раньше всего апвеллинг проявляется у северо-западного побережья Самбийского п-ва, затем холодные воды обнаруживаются у Куршской косы, в районе 55.5с.ш. С течением времени эти области продвигаются на юго-запад и расширяются. Причиной этого продвижения от части является перенос холодной воды вдольбереговым квазигеострофическим течением, направленным на юго-запад. Для указанных областей характерны достаточно широкие выходы относительно холодных вод на поверхность - от 10 км в районе Балтийской косы и до 40 км в области Самбийско-Куршского поднятия. Эти оценки были получены при вычислении горизонтальных масштабов между изолиниям 6С и 12С. Эти изолинии для горизонтов 5м и 30м, построенные по данным численного моделирования через 3 суток, представлены на рис. 3.6. Для горизонта 30м изотермы 6С и 12С нанесены жирными фиолетовой и бордовой линиями соответственно. Черным цветом нанесена изолиния, соответствующая глубине 30 метров. Области, примыкающие к береговой линии -это распределение температуры из указанного интервала на горизонте 5м.
Интервал температуры 6-12С был взят по следующим соображениям. Было показано,_что_в_невозмущенном состоянии отмеченный интервал находился ниже скачка температуры, что видно на профиле температуры, представленном на рис. 2.4(г). По данным натурных наблюдений, проведенных в октябре 2005г., а также по результатам численного моделирования, во время апвеллинга в некоторой пространственной области происходит смещение изолиний 6 -12С вверх. Отмеченные изолинии пересекают горизонт 30м, вблизи которого первоначально проходила граница термоклина. Узкое горизонтальное смещение изолиний в диапазоне 1-3 км на горизонте 30м и их последующее расширение на расстояние 10 - 40 км в приповерхностном слое на глубине 5м в явном виде отмечается на рис. 3.6. На этом рисунке в явном и формализованном виде выделяются области расширения апвеллинговых структур в горизонтальной плоскости.
Распределения температуры на рис 3.5 показывают, что при увеличении продолжительности ветра от 3 до 5 суток расширяются области с относительно низкой температурой (рис. 3.5(a) и 3.5(6)) и области с высокими скоростями течений (рис. 3.5(B) И 3.5(Г)). Рассматриваемые распределения также показывают, что местоположения пространственных особенностей скоростей течений и полей температуры заметно отличаются друг от друга.
Прежде всего, отмечается несовпадение наиболее интенсивных струй течений с положениями наиболее холодных температурных неоднородностей. Так, в районе мыса Таран наиболее интенсивные скорости наблюдаются в районе северной границы Самбийского полуострова, а наиболее холодные ядра апвеллинга отмечаются на западной границе. Становится ясным, что положения наиболее интенсивных струй не совпадают с положениями ядер апвеллинга. Расстояния между интенсивными струями течений и холодными ядрами, рассчитанные по данным моделирования (рис 3.5), оцениваются в 5- 30 км. В отличие от района Самбийского п-ва, у Куршской косы наиболее интенсивные скорости наблюдаются ниже по течению той области, где апвеллинг развивается раньше всего. Одним из важных следствий выявленного несовпадения является тот факт, что распространение апвеллинговых вод в горизонтальной плоскости происходит неравномерно. При этом наиболее интенсивный поток идет сбоку от областей холодных ядер, как это видно на рис. 3.5. Из полученных результатов также ясно, что физическое описание апвеллинга только данными температуры не достаточно. На рис 3.7 представлены схемы скоростей течений в поверхностном слое на горизонте 5 м, в термоклине на горизонте 30 м, а также в придонном слое. На этих схемах векторы скорости течений наложенные на распределения температуры. Приведенные данные были получены через 2 суток 16 часов (слева) и 5 суток (справа) после начала проведения расчетов.
Данные скорости, рассчитанные по модели, указывают на достаточно резкую неоднородность в поле течений как на поверхности моря, так и в более глубинных слоях. В поле скоростей на горизонте 5м (рис. 3.7(а,б)) выделяется течение, распространяющееся в юго-западном направлении вдоль берега. В соответствии с имеющимися представлениями о физической природе апвеллинга эти струи имеют геострофическую природу. Схемы течений, представленные в виде векторов на рис. 3.7, позволяют установить направление струй и их разветвление. В частности, при приближении к Куршско - Самбийскому поднятию вдольбереговое течение разветвляется на две составляющие, одна из которых продолжает движение вдоль берега, а другая направляется в сторону открытого моря.
Наблюдается поворот весьма интенсивной струи в районе мыса Таран (рис. 3.7). В районе Балтийской косы отмечаются некоторое искривление струйных течений (по аналогии с мысом Таран) и возникновение второй струи (как у Куршского-Самбийско поднятия). Скорость вдольберегового течения при апвеллинге не снижается до нуля, хотя в зависимости от рельефа может уменьшаться, усиливаться и отклоняться на некоторое расстояние от берега. Специально проводился анализ поля завихренности в области прибрежного dV dU апвеллинга. Для этого рассчитывались величины локального вихря д = -— - —, с
Структура поля температуры и течений в юго-восточной Балтике при разных направлениях ветра
В предыдущих разделах была подробно исследована структура поля температуры и течений в юго-восточной Балтике при северо-восточном ветре, при которым в этой области апвеллинг наиболее развит. В настоящем разделе кратко описывается изменчивость температурной и динамической структуры при других направления ветра. На рис. 3.25 представлены схемы скоростей течений, наложенные на распределения температуры, а также распределения модуля скорости течений для северного ветра (а, г), северо-восточный ветра (б, д) и восточного ветра (г, ж). Поля скорости и температуры относятся к горизонту 5 м и были полученные через 5 суток после начала проведения расчетов. Скорость ветра в течение суток возрастала от нуля до 12.5 м/с и далее оставалась неизменной.
Прежде всего, следует отметить, что при изменении направления ветра в пределах ± 45 от северо-восточного, положения пространственных областей, в которых апвеллинг выделяется наиболее ярко в поле температуры и скорости течений, остаются примерно теми же самыми (рис. 3.25). Область, прилегающая к северо-восточному склону Куршско - Самбийского поднятия, область у западного побережья Самбийского полуострова, а также область, прилегающая к косе Хель, сохраняются при изменении ветра в указанных пределах.
При строго северном ветре скорость течений и температурные неоднородности существенно ослабевают вблизи косы Хель и вблизи побережья Самбийского полуострова, а в районе Балтийской косы неоднородности температуры и скорости течений, связанные с апвеллингом, практически исчезают. Рис. 3.25. Схемы скоростей течений, наложенные на распределения температуры, и распределения модуля скорости течений для северного ветра (а, б), северо-восточный ветра (в, г), восточного ветра (д, е). Поля скорости и температуры относятся к горизонту 5м и были полученные через 5 суток после начала проведения расчетов. На протяжении 24 часов с момента начала расчетов скорость вегра линейно возрастала от нуля до 12.5 м/с и далее оставалась неизменной.
При восточном ветре происходит значительное усиление течений и температурных неоднородностеи на поверхности моря в районах, прилегающих к Балтийской косе и косе Хель (рис. 3.25(B)). Наблюдается расширение холодного языка в сторону открытого моря вблизи мыса Таран и его наклон вниз по течению. В области, прилегающей к склону Куршско - Самбийского поднятия, происходит заметное уменьшение скорости течений и размера температурной неоднородности на поверхности моря.
Отдельные структурные особенности, выявленные при моделировании с восточным ветром, обнаруживаются по спутниковым данным, регистрации которых предшествовал восточный ветер (рис. 3.26). Именно при таком ветре на спутниковых данных отмечается широкий выход холодных вод в районе мыса Таран и их наклон на юго-запад, отмечаются области холодных вод у побережья Балтийской косы и косы Хель. Все эти особенности были отмечены при моделировании (рис. 3.25(B)). Следует также отметить, что тонкие особенности структуры поля температуры наиболее четко вырисовываются при настройке скорости ветра.
Таким образом, в результате проведенных численных экспериментов выявлены особенности изменчивости скоростей течений и температуры при изменении направления ветра, благоприятствующего апвеллингу в исследуемом районе. При изменении направления ветра в пределах от северного до восточного происходят заметные изменения в пространственной структуре температуры и течений, которые выражаются в усилении, либо ослаблении неоднородностей температуры и скорости течений в пространственных областях, характерных для апвеллинга. Наибольшие (кардинальные) изменения структуры температуры при изменении направления ветра следует ожидать в районе Балтийской косы и косы Хель.
Рассмотрим структуры вдольберегового, поперечного к берегу течений и поля температуры на разрезе U при северном ветре спустя 1 сут. 14ч. после начала проведения расчетов (рис. 3.27). Следует отметить, что структура компенсационного течения на разрезе U в основных чертах такая же, как при северо-восточном ветре: течение, направленное в сторону берега, сконцентрировано в узком придонном слое на глубинах от 0 до 50м, отмечается также узкая полоса, отходящая от термоклина.
При направлениях ветра, отличных от северо-восточного, структуры вдольберегового и поперечного к берегу течений на других разрезах (см. рис. 3.1) не являются каноническими.
Были также выполнены расчеты при задании юго-западного ветра, который не является благоприятным для апвеллинга в исследуемом районе. На рис. 3.28 представлена схема скоростей течений, наложенная на распределение температуры, на горизонте 5м при задании юго-западного ветра со скоростью 10м/с, по прошествии 3 суток. Ни в одной из ранее выделенных областей не наблюдается снижение температуры в прибрежной области. Незначительное снижение температуры можно видеть лишь у юго-западного побережья косы Хель.
