Примеры мезомасштабного и субмезомасштабного численного вихреразрешающего моделирования океана

Е. В. Станев1,✉, М. Рикер1,2, С. Грайек1, Б. Якоб1, В. Хайд1,3, Й. Станева1

1 Центр материаловедения и исследования побережья им. Гельмгольца, Гестхахт, Германия

2 Институт химии и биологии морской среды, Ольденбургский университет им. Карла фон Осецкого, Ольденбург, Германия

3 Институт полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера, Бремерхафен, Германия

✉ e-mail: emil.stanev@hzg.de

Аннотация

Цель. В данном исследовании рассматривается вращательное движение геофизических жидкостей в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Основная цель – проследить развитие численного моделирования океана с высокой разрешающей способностью, а также продемонстрировать возникновение новых физических процессов за счет более корректного учитывания приливов в вихреразрешающих численных моделях и субмезомасштабной динамики в моделях морских проливов.

Методы и результаты. Океанические вихри и их взаимодействие с приливами изучаются с помощью численного моделирования четырьмя моделями NEMO для Европейского северо-западного шельфа с разрешением 7–1,5 км. Вертикальные характеристики движения в Босфорском проливе исследовались посредством численного моделирования с SCHISM, неструктурированной сеточной моделью с ультравысоким разрешением менее 100 м. Баротропное приливное воздействие привело к существенному сглаживанию наклонов спектральных кривых. Наиболее важное различие между спектральными свойствами четырех моделей заключается во вращательной составляющей движения. В модели с разрешением 1,5 км величина спектральной плотности завихренности на масштабах ~ 70 км на порядок выше, чем в трех других моделях. Хотя большая часть приливного сглаживания связана с внутренними приливами, за пределами определенного горизонтального разрешения динамика вихрей подвержена влиянию баротропных приливов. Шельф Бискайского залива и отмели вокруг Фарерских островов – это зоны, которые наиболее явно реагируют на включение баротропных приливов в модель. Благодаря ультравысокому разрешению сетки в районе Босфора появились новые элементы физического движения. В боковой циркуляции преобладают системы циркуляционных ячеек с масштабами ~ 1 км. На некоторых участках величина бокового потока превышает 0,5 м•с−1, что сопоставимо с величиной осевого потока. Это показывает важность спиральных элементов циркуляции пролива для перемешивания водных масс в Босфоре.

Выводы. Без соответствующего разрешения модели приливной океанской динамики симулируют общую циркуляцию океана, но не описывают правильно энергетические каскады на вихревых масштабах, в том числе взаимодействие между приливами и мезомасштабными вихрями. Отсутствие субмезомасштабной динамики в моделях может в значительной степени повлиять на их способность воспроизвести двухслойный межбассейновый обмен.

Ключевые слова

океанские вихри, численные океанические модели, горизонтальное разрешение, межбассейновый обмен

Благодарности

Работа выполнена при поддержке со стороны Инициативного и сетевого фонда Ассоциации Гельмгольца в рамках проекта «Расширенные возможности моделирования систем Земли».

Для цитирования

Примеры мезомасштабного и субмезомасштабного численного вихреразрешающего моделирования океана / Е. В. Станев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 6. С. 691–719. EDN EZPKUK. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-691-719

Stanev, E.V., Ricker, M., Grayek, S., Jacob, B., Haid, V. and Staneva, J., 2020. Numerical eddy-resolving modeling of the ocean: Mesoscale and sub-mesoscale examples. Physical oceanography, 27(6), pp. 631-658. doi:10.22449/1573-160X-2020-6-631-658

DOI

10.22449/0233-7584-2020-6-691-719

Список литературы

  1. Mossa M. The recent 500th anniversary of Leonardo da Vinci’s death: a reminder of his contribution in the field of fluid mechanics // Environmental Fluid Mechanics. 2020. https://doi.org/10.1007/s10652-020-09748-4
  2. Helmholtz H. Über Integrale der hydrodynamischen Gleichungen, welche den Wirbelbewegungen entsprechen // Journal fur die Reine und Angewandte Mathematik. 2009. Vol. 1858, iss. 55. P. 25–55. https://doi.org/10.1515/crll.1858.55.25
  3. Monin A. S., Kamenkovich V. M., Kort V. G. Variability of the Oceans / Ed. J. J. Lumley. New York : Wiley, Interscience, 1977. 241 p.
  4. Synoptic Eddies in the Ocean / Eds. V. M. Kamenkovich, M. N. Koshlyakov, A. S. Monin. Dordrecht, Holland : D. Reidel Publishing Company, 1986. P. 1–414.
  5. The MODE Group. The Mid-Ocean Dynamics Experiment // Deep Sea Research. 1978. Vol. 25, iss. 10. P. 859–910. https://doi.org/10.1016/0146-6291(78)90632-X
  6. McWilliams J. C., Owens W. B., Hua B. L. An Objective Analysis of the POLYMODE Local Dynamics Experiment. Part I: General Formalism and Statistical Model Parameters // Journal of Physical Oceanography. 1986. Vol. 16, iss. 3. P. 483–504. doi:10.1175/1520-0485(1986)0160483:AOAOTP2.0.CO;2
  7. Semtner A. J., Chervin R. M. Ocean general circulation from a global eddy-resolving model // Journal of Geophysical Research. 1992. Vol. 97, iss. C4. P. 5493–5550. https://doi.org/10.1029/92JC00095
  8. Eddy-Resolving Ocean Modeling / R. C. Malone [et al.] // Los Alamos Science. Los Alamos, 2003. Vol. 28. P. 223–231.
  9. Maltrud M. E., McClean J. L. An eddy resolving global 1/10° ocean simulation // Ocean Modelling. 2005. Vol. 8. P. 31-54. doi:10.1016/j.ocemod.2003.12.001
  10. Meridional transport of salt in the global ocean from an eddy-resolving model / A. M. Treguier [et al.] // Ocean Science. 2014. Vol. 10. P. 243–255, https://doi.org/10.5194/os-10-243-2014
  11. A 1/16° eddying simulation of the global NEMO sea-ice–ocean system / D. Iovino [et al.] // Geoscientific Model Development. 2016. Vol. 9, iss. 8. P. 2665–2684. https://doi.org/10.5194/gmd-9-2665-2016
  12. Robinson A. R., Harrison D. E., Haidvogel D.B. Mesoscale eddies and general ocean circulation models // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1979. Vol. 3, iss. 2–4. P. 143–180 https://doi.org/10.1016/0377-0265(79)90005-8
  13. McWilliams J. C. Submesoscale currents in the ocean //Proceedings of the Royal Society A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 472, iss. 2189. 20160117. http://doi.org/10.1098/rspa.2016.0117
  14. Secondary circulation in shallow ocean straits: Observations and numerical modeling of the Danish Straits / V. Haid [et al.] // Ocean Modelling. 2020. Vol. 148. 101585. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2020.101585
  15. Stanev E. V., Ricker M. Interactions between barotropic tides and mesoscale processes in deep ocean and shelf regions // Ocean Dynamics. 2020. Vol. 70. P. 713–728. https://doi.org/10.1007/s10236-020-01348-6
  16. Madec G. NEMO ocean engine // Note du Pôle de modélisation. 2008. Vol. 27. P. 1–386.
  17. Lerczak J. A., Geyer W. R. Modeling the Lateral Circulation in Straight, Stratified Estuaries // Journal of Physical Oceanograhy. 2004. Vol. 34, iss. 6. P. 1410–1428. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2004)0341410:MTLCIS2.0.CO;2
  18. Seamless cross-scale modeling with SCHISM / Y. J. Zhang [et al.] // Ocean Modelling. 2016. Vol. 102. P. 64–81. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2016.05.002
  19. Di Fidio M., Gandolfi C. Flow velocity measurement in Italy between Renaissance and Risorgimento // Journal of Hydraulic Research. 2011. Vol. 49, iss. 5. P. 578–585. doi:10.1080/00221686.2011.594599
  20. Lelong M.-P., Kunze E. (2013) Can barotropic tide-eddy interactions excite internal waves? // Journal of Fluid Mechanics. 2013. Vol. 721. P. 1–27. doi: https://doi.org/10.1017/jfm.2013.1
  21. Mesoscale to Submesoscale Wavenumber Spectra in Drake Passage / C. B. Rocha [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 2. P. 601–620. https://doi.org/10.1175/JPO-D-15-0087.1
  22. Morozov E. G. Semidiurnal internal wave global field // Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1995. Vol. 42, iss. 1. P. 135–148. https://doi.org/10.1016/0967-0637(95)92886-C
  23. Ray R. D., Mitchum G. T. Surface manifestation of internal tides in the deep ocean: observations from altimetry and island gauges // Progress on Oceanography. 1997. Vol. 40, iss. 1–4. P. 135–162. https://doi.org/10.1016/S0079-6611(97)00025-6
  24. Egbert G. D., Ray R. D. Estimates of M2 tidal energy dissipation from TOPEX/Poseidon altimeter data // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2001. Vol. 106, iss. C10. P. 22475–22502. https://doi.org/10.1029/2000JC000699
  25. Vlasenko V., Stashchuk N., Hutter K. Baroclinic Tides: Theoretical Modeling and Observational Evidence. Cambridge : Cambridge University Press, 2005. 351 pages.
  26. Garrett C., Kunze E. Internal Tide Generation in the Deep Ocean // Annual Review of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 39. P. 57–87. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.39.050905.110227
  27. Inferring dynamics from the wavenumber spectra of an eddying global ocean model with embedded tides / J. G. Richman [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117. C12012. https://doi.org/10.1029/2012JC008364
  28. Frequency content of sea surface height variability from internal gravity waves to mesoscale eddies / A. C. Savage [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss 3. P. 2519–2538. https://doi.org/10.1002/2016JC012331
  29. Spectral signatures of the tropical Pacific dynamics from model and altimetry: a focus on the meso-/submesoscale range / M. Tchilibou [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss 5. P. 1283–1301. https://doi.org/10.5194/os-14-1283-2018
  30. Huthnance J. M. Circulation, exchange and water masses at the ocean margin: the role of physical processes at the shelf edge // Progress in Oceanography. Vol. 35, iss. 4. P. 353–431. https://doi.org/10.1016/0079-6611(95)00012-6
  31. Huthnance J. M., Holt J. T., Wakelin S. L. (2009) Deep ocean exchange with west-European shelf seas // Ocean Science. 2009. Vol. 5, iss. 4. P. 621–634. https://doi.org/10.5194/os-5-621-2009
  32. Seasonality of submesoscale flows in the ocean surface boundary layer / C. E. Buckingham [et al.] // Geophysical Research Letters. 2016. Vol. 43, iss. 5. P. 2118–2126. https://doi.org/10.1002/2016GL068009
  33. Hallberg R. Using a resolution function to regulate parameterizations of oceanic mesoscale eddy effects // Ocean Modelling. 2013. Vol. 72. P. 92–103. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2013.08.007
  34. Polton J. A. Tidally induced mean flow over bathymetric features: a contemporary challenge for high-resolution wide-area models // Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics. 2015. Vol. 109, iss. 3. P. 207–215. https://doi.org/10.1080/03091929.2014.952726
  35. Prospects for improving the representation of coastal and shelf seas in global ocean models / J. Holt [et al.] // Geoscientific Model Develoment. 2017. Vol. 10, iss. 1. P. 499–523. https://doi.org/10.5194/gmd-10-499-2017
  36. Kilometric Scale Modeling of the North West European Shelf Seas: Exploring the Spatial and Temporal Variability of Internal Tides / K. Guihou [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 123, iss. 1. P. 688–707. https://doi.org/10.1002/2017JC012960
  37. Resolving shelf break exchange around the European northwest shelf / J. A. Graham [et al.] // Geophysical Research Letters. 2018. Vol. 45, iss. 22. P. 12,386–12,395. https://doi.org/10.1029/2018GL079399
  38. The impact of a new high-resolution ocean model on the Met Office North-West European Shelf forecasting system / M. Tonani [et al.] // Ocean Science. 2019. Vol. 15, iss. 4. P. 1133–1158. https://doi.org/ 10.5194/os-15-1133-2019
  39. An operational ocean forecast system incorporating NEMO and SST data assimilation for the tidally driven European North-West shelf / E. J. O’Dea [et al.] // Journal of Operational Oceanography. 2012. Vol. 5, iss. 1. P. 3–17. https://doi.org/10.1080/1755876X.2012.11020128
  40. Internal Model Variability of the Regional Coupled System Model GCOAST-AHOI / H. T. M. Ho-Hagemann [et al.] // Atmosphere. 2020. Vol. 11, iss. 3. 227. https://doi.org/10.3390/atmos11030227
  41. Egbert G. D., Erofeeva S. Y. Efficient Inverse Modeling of Barotropic Ocean Tides // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2002. Vol. 19, iss. 2. P. 18–204. doi:10.1175/1520-0426(2002)0190183:EIMOBO2.0.CO;2
  42. Stanev E. V., Grashorn S., Zhang Y. J. Cascading ocean basins: numerical simulations of the circulation and interbasin exchange in the Azov-Black-Marmara-Mediterranean Seas system // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 8. P. 1003–1025. http://dx.doi.org/10.1007/s10236-017-1071-2
  43. On the physical oceanography of the Turkish Straits / U. Unluata [et al.] // The Physical Oceanography of Sea Straits / Ed. L. J. Pratt. Dordrecht : Kluwer Academic Publishers, 1990. P. 25–60.
  44. Dynamics of the Baltic Sea straits via numerical simulation of exchange flows / E. V. Stanev [et al.] // Ocean Modelling. 2018. Vol. 131. P. 40–58. doi:10.1016/j.ocemod.2018.08.009
  45. Zhang Y., Baptista A. M. SELFE: A semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite element model for cross-scale ocean circulation // Ocean Modelling. 2008. Vol. 21, iss. 3–4. P. 71–96. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2007.11.005
  46. A new vertical coordinate system for a 3D unstructured-grid model / Y. J. Zhang [et al.] // Ocean Modelling. 2015. Vol. 85. P. 16–31. http://dx.doi.org/10.1016/j.ocemod.2014.10.003
  47. Codiga D. L. Unified tidal analysis and prediction using the UTide Matlab functions // URI/GSO Technical report 2011–01. Narragansett, 2011. 59p. doi:10.13140/RG.2.1.3761.2008
  48. Relative dispersion of surface drifters in the North Sea: The effect of tides on mesoscale diffusivity / J. Meyerjürgens [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 25, iss. 8. e2019JC015925. https://doi.org/10.1029/2019JC015925
  49. Lagrangian ocean analysis: Fundamentals and practices / E. van Sebille [et al.] // Ocean Modelling. 2018. Vol. 121. P. 49–75. https://doi. org/10.1016/j.ocemod.2017.11.008
  50. Hua B. L., Haidvogel D. B. (1986) Numerical Simulations of the Vertical Structure of Quasi-Geostrophic Turbulence // Journal of Atmospheric Sciences. 1986. Vol. 43, iss 23. P. 2923–2936. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1986)0432923:NSOTVS2.0.CO;2
  51. Do Altimeter Wavenumber Spectra Agree with the Interior or Surface Quasigeostrophic Theory? / P. Y. Le Traon [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 5. P. 1137–1142. https://doi.org/10.1175/2007JPO3806.1
  52. Xu Y., Fu L.-L. The effects of Altimeter Instrument Noise on the Estimation of the Wavenumber Spectrum of Sea Surface Height // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 12. P. 2229–2233. https://doi.org/10.1175/JPOD-12-0106.1
  53. Mesoscale resolution capability of altimetry: Present and future / C. Dufau [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 7. P. 4910–4927. https://doi.org/10.1002/2015JC010904
  54. Ray R. D., Zaron E. D. M2 Internal Tides and their Observed Wavenumber Spectra from Satellite Altimetry // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 1. P. 3–22. https://doi.org/10.1175/JPO-D-15-0065.1
  55. On flow variability in the Bosporus Strait / E. Jarosz [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011. Vol. 116, iss. C8. C08038. https://doi.org/10.1029/2010JC006861
  56. Tidal straining, density currents, and stirring in the control of estuarine stratification / J. H. Simpson [et al.] // Estuaries. 1990. Vol. 13, iss. 2. P. 125–132. doi:10.2307/1351581
  57. Lateral circulation in well-mixed and stratified estuarine flows with curvature / N. J. Nidzieko [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2009. Vol. 39, iss. 4. P. 831–851. doi:10.1175/2008JPO4017.1
  58. Analysis of Vortex Dynamics of Lateral Circulation in a Straight Estuary / M. Li [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 10. P. 2779–2795. https://doi.org/10.1175/JPO-D-13-0212.1

Скачать статью в PDF-формате