CC BY
63
УДК: 551.465.1+551.321.8
Многофункциональная комплексная модель водной системы Обской губы
В.Ю. Чанцев12*, Ю.П. Гудошников1, Д.А. Плешанов1, А.А. Скутин1, А.В. Даньшина1
1 ФГБУ «Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт», Российская Федерация, 199397, г. Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38
2 ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет», Российская Федерация, 192007, г. Санкт-Петербург, ул. Воронежская, д. 79
* E-mail: chantsev@hotmail.com
Тезисы. Организуемые в настоящее время мониторинговые наблюдения района Обской губы не в состоянии обеспечить достаточный объем данных для детального изучения коротко- и долгопериодной изменчивости ее гидродинамического и ледового режимов. Для получения более полной информации об изменении параметров водной среды и переноса консервативных и неконсервативных трассеров (примесей) необходимо привлекать результаты детального численного моделирования. В качестве рабочей была выбрана математическая модель Delft3D, разработанная в нидерландском исследовательском институте Deltares, областью интересов которого являются исследования на шельфе, в морских эстуариях и устьях рек.
Адаптируемая к району Обской губы модель Delft3D позволяет комплексно производить расчет нескольких параметров водной среды в узлах криволинейной ортогональной сетки с пространственным разрешением от 4 км в Карском море до 50 м в Обской губе. В качестве граничных условий для выполнения численных расчетов использовались атмосферный форсинг, полученный из архива реанализа ERA-interim, гармонические составляющие 13 приливных волн на открытой границе Карского моря и климатический годовой ход расхода рек Оби (г. Салехард), Пура (с. Самбург) и Таза (п. Сидоровск). Для валидации результатов моделирования отдельных характеристик Обской губы использовались данные наблюдений, полученные ФГБУ «ААНИИ» в 2016 г. Анализ результатов численных расчетов показал, что адаптируемая к условиям Обской губы модель Delft3D адекватно воспроизводит временную изменчивость рассмотренных параметров, а малые значения ошибок вычислений позволяют использовать представленную модель для оперативного обеспечения научных и предпроектных гидрометеорологических исследований данными с высокой пространственной детализацией. Многофункциональность модели Delft3D отражается в ее способности решать различные задачи, такие как препроцессинговая подготовка исходных данных, проведение вычислений с использованием различных расчетных схем, анализ и визуализация результатов моделирования и т.д.
Ключевые слова:
Обская губа,
ледовые условия,
уровень моря,
гидродинамический
режим,
приливные
колебания.
Одной из основных задач политики Российской Федерации в сфере экономического развития является расширение ресурсной базы своей Арктической зоны, способной в значительной степени обеспечить потребности государства в энергетических ресурсах и других видах минерального сырья.
Стратегически важным районом Арктики является Обская губа Карского моря, где осуществляются грандиозные энергоресурсные и транспортные проекты. При этом необходимо отметить, что морфологические и климатические условия в этом районе требуют детального изучения изменчивости термо-, лито- и гидродинамических процессов и состояния водной экосистемы. Особое внимание необходимо уделять воздействию строящихся гидротехнических сооружений (морских портов, морских каналов, трубопроводов и т.д.) на изменение лито- и гидродинамического режима Обской губы, что в свою очередь может способствовать нарушению экологического равновесия.
Интенсивное освоение района Обской губы с целью эксплуатации энергетических ресурсов, их хранения и транспортировки морским путем требует проведения многочисленных, продолжительных исследований, предполагающих применение данных с высоким пространственным разрешением. Климатические ограничения высоких широт не позволяют проводить продолжительные натурные
наблюдения с необходимой пространственной детализацией для большинства параметров водной среды в Обской губе. Для получения более полной информации о параметрах состояния водной среды с высоким про странственно -временным разрешением необходимо использовать методы численного моделирования. Современные вычислительные методы и средства позволяют получать результаты с достаточно высоким разрешением, но применение соответствующего разрешения для большинства моделей ограничено размером вычислительной ошибки. Самые известные и распространенные математические модели имеют ограничения в пространственном разрешении 1...3 км [1, 2]. Для численного моделирования в Обской губе требуется численная модель, функционирующая на пространственной сетке с гораздо большим разрешением - до 10.100 м. Такое разрешение определяется условиями гидротехнической деятельности в отдельных районах рассматриваемой акватории. Так, ширина морского канала на северной границе Обской губы не превышает 300 м. Пространственные масштабы различных гидротехнических сооружений в районе порта Сабетта и строящегося порта Нового не превышают 100 м. Аналогичные пространственные масштабы свойственны и морским стационарным платформам. Учет сооружений таких масштабов имеет большое значение при расчетах динамических и волновых процессов. Нельзя исключать из рассмотрения и мелкомасштабные неоднородности рельефа морского дна в достаточно мелководной Обской губе при расчете
периодических и непериодических изменений уровня моря. Моделирование ледового режима также требует высокой пространственной детализации, связанной с расчетами ледовых нагрузок на гидротехнические сооружения и пространственного распределения физико-механических свойств морского льда.
В статье рассматриваются возможности численной модели БеШЗБ, адаптированной к условиям Обской губы, вычислять большой комплекс параметров водной среды. Особенностью модельного комплекса БеШЗБ является то, что он создавался для условий прибрежных районов морей, эстуариев и устьев рек. Предложенная численная схема модели и более детальный учет негидростатических процессов позволяют рассчитывать параметры водной среды с пространственным разрешением 10 м и менее. На сегодняшний день модель получила признание у большого количества научно-исследовательских коллективов Европы, Америки и Австралии [3-5]. Хорошие результаты численного моделирования термо- и гидродинамических процессов в различных прибрежных регионах Мирового океана позволяют надеяться на успешное использование комплекса БеШЗБ в полярных условиях северных морей Российской Федерации.
Особенности структуры модельного комплекса Delft3D
Модельный комплекс ВеШЗБ представляет собой модульную структуру, позволяющую подключать к расчету различные блоки в зависимости от решаемой задачи (рис. 1).
Атмосфера
(ветер, солнечная радиация, атмосферное давление, температура ит.д.)
Рис. 1. Модульная структура модельного комплекса БеШЗБ
Помимо расчетных модулей комплекс содержит удобный интерфейс настройки вычислительного процесса и визуализации результатов моделирования, что значительно упрощает подготовку исходных данных для реализуемого вычислительного сценария. Предлагаемый графический интерфейс позволяет построить регулярную и нерегулярную расчетные сетки в зависимости от решаемой задачи. Модель Delft3D успешно работает как на расчетных моносетках, так и на составных мультисетках, что помогает оптимизировать использование вычислительных ресурсов и минимизировать время вычислительного процесса. Кроме использования составных расчетных сеток в модельном комплексе предусмотрена возможность телескопизации вычислительного процесса на более детализированную сетку для какой-либо исследуемой подобласти внутри общей расчетной области. Данный подход позволяет еще более ускорять вычислительный процесс и минимизировать занятость вычислительного ресурса. Далее с помощью интерфейса формируются граничные условия на открытых боковых границах, задаются управляющие параметры модели и выбираются методы аппроксимации подсеточных процессов. С помощью интерфейса осуществляются подключение или отключение отдельных вычислительных модулей согласно планируемому вычислительному сценарию.
Возможная область применения комплекса Delft3D - расчет и численное моделирование наиболее важных процессов и явлений в водной среде, включая:
• расчет приливных и ветровых явлений (в том числе штормовых нагонов);
• расчет плотностных течений;
• моделирование речных стоков;
• моделирование цунами, наводнений и гидравлических скачков;
• расчет солевых интрузий;
• расчет термической, соленосной и плот-ностной стратификаций;
• моделирование распространения нефтяных разливов и других загрязняющих веществ;
• моделирование морфологических изменений и переноса осадков;
• расчет течений, вызванных волнением;
• расчет треков буев;
• надежное моделирование осушки и затопления берегов.
Вычислительный комплекс Delít3D состоит из набора расчетных модулей, обеспечивающих численное моделирование достаточно большого количества процессов, определяющих функционирование водной системы [6] (табл. 1); подготовка исходных данных для моделирования процессов в водной среде, а также анализ и визуализация результатов моделирования реализуются с помощью дополнительных процедур (табл. 2).
Главным расчетным модулем модели Delft3D является Delft3D-FLOW. На его основе производятся расчеты во всех остальных модулях комплекса. Расчет течений в модуле Delft3D-FLOW может выполняться как на основе уравнений мелкой воды (2D), так и с помощью бароклинной модели (3D). Особенностью модуля является возможность подключения
Таблица 1
Основные расчетные модули Delft3D
Модуль Описание
Delft3D-FLOW Расчет многомерных (2D или 3D) гидродинамических нестационарных процессов: течений и переноса консервативных и неконсервативных трассеров
Delft3D-WAVE Моделирование эволюции случайных короткопериодных ветровых волн, основанное на волновой модели SWAN третьего поколения [7], базирующейся на решении дискретного уравнения баланса спектрального действия
D-Water Quality Моделирование качества воды и водных экосистем. Моделируемые химические соединения и процессы выбираются из библиотеки процессов
D-Waq PART Расчет распространения пассивных частиц примесей в лагранжевой системе координат с использованием 2D- или 3D-данных потока из модуля FLOW. Треки записываются в трех измерениях, в результате чего динамическое распределение концентрации примесей получается путем вычисления массы частиц в ячейках сетки
Delft3D-ECO Моделирование эвтрофикации с формированием осадочного слоя
Delft3D-SED Расчет переноса когезивного и некогезивного осадка
ICE Моделирование эволюции толщины, сплоченности, торошения и наслоения морского льда. Расчет формирования снежного покрова на льду и его учет в термодинамических процессах нарастания и таяния льда
Таблица 2
Дополнительные встроенные утилиты Delft3D
Модуль Описание
RGFGRID Генерация криволинейных сеток
QUICKIN Подготовка и обработка данных, ориентированных на сетку, таких как батиметрия или начальные условия для уровня воды, солености и т.д.
Delft3D-TRIANA Проведение автономного приливного анализа временных рядов, создаваемых БеШБ-ЕШШ
Delft3D-TIDE Проведение приливного анализа по временным рядам измеренных уровней или скоростей течений
Delft3D-NESTHD Генерация (в автономном, «оффлайн», режиме) граничных условий из общей модели для вложенной модели
GPP Визуализация и анимация результатов моделирования
Delft3D-QUICKPLOT Дополнительный инструмент для визуализации и анимации результатов моделирования
негидростатической модели при расчете течений, что позволяет более точно описывать мелкомасштабные процессы плотностной неустойчивости, направленные не только вниз, но и к поверхности моря. Другой положительной особенностью модуля Delft3D-FLOW можно считать параметризацию Смагоринского для горизонтальной подсеточной турбулентности.
Модуль ICE подключен к модельному комплексу Delft3D в последнюю очередь. Термодинамический блок модуля ICE базируется на простых параметризациях процессов нарастания, таяния льда и формирования снежного покрова, предложенных А. Семтнером [8] и доработанных Дж. Вангом и др. [9]. Динамический блок модуля ICE, предназначенный для расчета сплоченности льда и его механического разрушения, представляет собой последнюю модификацию известной ледовой модели LIM (англ. Louvain-la-Neuve Sea Ice Model), разработанной в католическом университете Лувен-ла-Нев в Бельгии [10] и основанной на упруго-вязко-пластичной модели динамики морского льда Е. Ханке и Дж. Дуковича [11]. Модуль ICE, разработанный для модели Delft3D, был успешно применен при моделировании припайного льда для различных шельфовых и устьевых районов Северной Европы и Америки (см., например, [12]).
Подготовка, проведение и проверка численных расчетов
Для проведения расчета годовой эволюции гидродинамического и ледового режимов Обской губы построена расчетная сетка с пространственным разрешением 4 км в Карском море и до 50 м в Обской губе (рис. 2).
Внешняя граница расчетной области в Карском море на западе и северо-западе проходит по границе о. Новая Земля, на севере и северо-востоке - по о-вам Большой и Каменным. На открытых северной и северовосточной границах задавались гармонические составляющие 13 приливных волн. Открытой границей также является пролив Карские Ворота. Значительное удаление внешней границы расчетной области от входа в Обскую губу обусловлено отсутствием достаточно точных данных о распределении расхода воды на ее северной границе. Также отсутствует информация о вертикальном распределении скорости течения, температуры воды, солености и концентрации других примесей, что в значительной степени влияет на эволюцию распределения этих параметров на акватории Обской губы.
Для расчета термодинамических и гидродинамических процессов у поверхности воды в узлах расчетной сетки задавалась пространственно-временная изменчивость полей метеорологических элементов (атмосферный форсинг). В качестве атмосферного форсинга для 2015 и 2016 гг. использован реана-лиз ЕКА-ш1епт, содержащий поля метеорологических элементов с временным шагом 3 ч.
В качестве начальных условий выбрано среднеклиматическое распределение температуры и солености в августе в Карском море и Обской губе. Начальное распределение течений и превышение уровня моря в расчетной области задавались нулевыми. «Разгон» модели (т.е. формирование начального гидродинамического состояния на рассматриваемой акватории) осуществлялся в основном приливо-отливными колебаниями уровня моря.
Рис. 2. Расчетная сетка для Обской губы и районы наблюдения за течением, уровнем моря (AWAC) и эволюцией толщины льда (ICE)
Результаты моделирования показывают, что к середине октября 2015 г. на всей акватории расчетной области под действием атмосферного форсинга формировались термодинамические процессы, характерные для условий начала ледообразования. К началу 2016 г. в Обской губе сформировались квазистационарные поля течений и уровня моря. Валидация результатов численных расчетов динамики уровня моря под действием периодических и непериодических вынуждающих сил проводилась путем сравнения с данными наблюдений уровня моря и вертикального распределения течения, полученными с донной автоматической станции допле-ровским измерителем AWAC. Станция была
установлена в районе Салмановского месторождения (см. рис. 1) на один год и выполняла запись наблюдений с дискретностью 10 мин.
Сравнивая модельные и натурные данные, необходимо учитывать, что периоды пространственно-временного осреднения численных расчетов не соответствуют осреднению наблюдений. Это в большей степени должно отразиться на сравнении скоростей и направлений течения, обладающих наибольшей пространственной и временной неоднородностью. Изменчивость уровня имеет более инерционный характер, что позволяет оценивать возможности адаптируемой к условиям Обской губы модели Delft3D точнее.
Для оценки точности численного расчета динамических характеристик был выбран летний период 2016 г. Это связано с тем, что в ледовый период колебания уровня моря имеют сглаженный характер и ошибка расчета минимальна. Сравнение рассчитанных и наблюденных колебаний уровня моря в июле 2016 г. представлено на рис. 3. В колебаниях уровня присутствуют как периодические, так и непериодические составляющие. Фазы рассчитанных и наблюденных колебаний уровня полностью совпадают. Ошибка численного расчета проявляется только в амплитуде колебаний.
За весь период расчета колебаний уровня моря максимальная ошибка не превышала 30 см. При этом средняя погрешность расчета укладывалась в 2,4 см, что составляло 12,6 % от среднеквадратического отклонения (СКО) в наблюденных колебаниях уровня моря. Само СКО уровня моря, полученное в результате модельных вычислений, составило 14,6 см и оказалось на 5 см меньше СКО, рассчитанного в ходе обработки рядов наблюдений за колебаниями уровня моря в Обской губе. Если средняя ошибка расчета уровня моря приемлема для навигационных нужд, то максимальная ошибка не обеспечивает достаточной точности для оперативного обеспечения судоходства на опасных участках Обской губы и требует дополнительных усилий для подбора управляющих параметров модели, отвечающих за расчет колебаний уровня моря.
В колебаниях скорости и направления течения хорошо прослеживаются влияние полусуточных приливных осцилляций уровня моря (рис. 4, 5), а также непериодические возмущения в параметрах течения. На периодические колебания модуля скорости течения оказывает сильное влияние величина стока р. Оби, что особенно сильно проявляется в летний паводковый период.
Недостаточный учет этого стока в модели проявляется в уменьшении разности пиковых значений модуля скорости в период прилива и отлива, что влияет на значение ошибки расчета интенсивности течения в Обской губе. В то же время расчет направления течений хорошо согласуется с наблюденными значениями (см. рис. 5).
Анализ статистических характеристик отклонения численных расчетов параметров течения от измеренных значений демонстрирует, что при использовании существующих численных моделей можно достичь достаточной точности. Так, средняя погрешность расчета модуля скорости составляет 2,48 см/с, это всего 17 % от СКО соответствующих измеренных значений (табл. 3).
Что касается погрешности расчета направления течения, то ее средняя величина составляет 30,9° или 11,4 % от СКО измеренных углов течения. Отклонения рассчитанных параметров течений от измеренных величин в значительной степени зависят
3 0,4
^ 0,3 и
£0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 о
сч
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
о о о о о о о о о о о о
о го 00 сК о
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 сч
Дата, сут
Рис. 3. Колебания уровня моря по результатам численного расчета и наблюдений в июле 2016 г. в районе Салмановского месторождения
S 0,6
<N
<N
<N
<N
<N
<N
<N
<N
<N
<N
<N
<N
Дата, сут
Рис. 4. Колебания модуля скорости по результатам моделирования и наблюдений в июле 2016 г.
360 ' 315 270 , 225 180 135 90 45 0
П-
ч ц А* 4-1 •Л к К л \
П ; 1
1 \
1
- -л -J Vi \ Ч i - ч Л i i j - i и у
% 1 ! i 1 * * 1 » ;
5 1 1 1
х
AWAC
модель
\D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D
О О О О О О О О О О О О
<N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N
О О о о о О О о о о О О
CD <N СП VO 00 cK CD
'—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 <N
Дата, сут
Рис. 5. Колебания направления течения по результатам моделирования и наблюдений в июле 2016 г.
Таблица 3
Оценка ошибки расчета параметров течения
Параметр Средний результат измерений СКО измеренных значений Средняя погрешность расчета Отклонение средней погрешности расчета от СКО измеренных значений, %
Скорость, см/с 21,4 14,4 2,48 17,2
Направление, град. 255 270 30,9 11,4
от точности задания донной орографии. Так, при пространственной дискретизации сетки 50.. .100 м необходимо иметь карту донной топографии с соответствующим разрешением. Однако из-за отсутствия детальной информации о рельефе дна батиметрические данные
интерполируются в узлы расчетной сетки с карт более грубого разрешения.
На рис. 6 приведены результаты моделирования эволюции толщины льда с помощью модуля ICE (динамический блок модуля также был задействован) в районе м. Каменный Обской
ОООООООООООООООООООООООООООООО
О'—<N О '—(NO'—(N
oo^^ о, о, о, iNmO^ iN о ^
Дата
Рис. 6. Годовая эволюция и опорные измерения толщины льда в районе м. Каменный
0
губы в 2016 г. в сопоставлении с данными натурных наблюдений, выполнявшихся специалистами ААНИИ. Начало ледообразования и время очистки акватории ото льда соответствуют имеющимся наблюдениям (данные заимствовались из бюллетеня по ледовым и гидрометеорологическим условиям в Арктике, который ежегодно выпускается ААНИИ). Характер динамики нарастания льда по модельным расчетам несколько превышает наблюдаемый процесс в природных условиях, (см. рис. 6). Это обусловлено практическим отсутствием снежного покрова, для расчета которого требуется дополнительная информация о характере распределения снежных осадков на поверхности льда в зависимости от распределения торосистости.
В существующих математических моделях динамики морского льда толщина снежного покрова рассчитывается в соответствии с распределением снежных осадков без учета ветровых нагрузок и распределения тороси-стости подстилающей поверхности, что приводит к большим погрешностям расчета эволюции толщины ледяного покрова. Ошибка расчета толщины морского льда до 10 см является приемлемой для моделирования ледовых условий высоких широт, тем более что максимальные погрешности в расчете толщины льда наблюдаются только при значительных толщинах. Видно (см. рис. 6), что таяние льда
в модельном расчете происходит несколько быстрее, чем по натурным наблюдениям. Это также связано с отсутствием снежного покрова. Адаптируемый к северным условиям Обской губы модельный комплекс Delft3D в процессе анализа численного эксперимента эволюции толщины льда в районе м. Каменный показал адекватное воспроизведение динамики мощности ледяного покрова.
***
Для решения гидрометеорологических задач в рассматриваемом районе составлена конфигурация модельного комплекса Delft3D, включающая модуль термогидродинамики Delft3D-FLOW и модуль расчета динамики толщины и сплоченности льда ICE. Более полная адаптация модели Delft3D для района Обской губы достигалась подбором значений управляющих параметров и выбором необходимых параметризаций подсеточных процессов.
По результатам выполненных численных экспериментов по отдельным параметрам гидродинамики, колебаний уровня моря и ледовых условий проведена оценка погрешности расчета. Сравнение эволюции выбранных параметров с данными наблюдений демонстрирует положительные возможности модельного комплекса Delft3D с точки зрения его использования на прибрежных морских акваториях высоких широт. Наибольшие
значения погрешностей расчета в основном связаны с качеством исходных данных. Таким образом, можно считать, что адаптируемый к району Обской губы модельный комплекс
Список литературы
1. Вольцингер Н.Е. Океанологические модели негидростатической динамики: обзор / Н.Е. Вольцингер, А.А. Андросов, К.А. Клеванный и др. // Фундаментальная
и прикладная гидрофизика. - 2018. - Т. 11. -№ 1. - С. 3-20.
2. Дианский Н.А. Ретроспективные расчеты циркуляции и ледяного покрова Охотского моря на основе современных технологий численного моделирования/ Н.А. Дианский,
B.В. Фомин, М.М. Чумаков и др. // Вести газовой науки: Современные подходы
и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2017.- № 4 (32). - С. 82-93.
3. Symonds A.M. Comparison between MIKE-21 FM, Delft3D and Delft3D FM FLOW models of Western Port Bay, Australia /
A.M. Symonds, T. Vijverberg, S. Post et al. // Coastal Engineering Proceedings. - 2016. -№ 35. - С. 34-45.
4. Martyr-Koller R.C. Application of an unstructured 3D finite volume numerical model to flows and salinity dynamics in the San Francisco Bay-Delta / R.C. Martyr-Koller, H.W.J. Kernkamp,
A. van Dam et al. // Estuarine, Coastal and Shelf Science. - 2017. - Т. 192. - С. 86-107.
5. Zarzuelo C. Hydrodynamics response to planned human interventions in a highly altered embayment: The example of the Bay of Cádiz (Spain) / C. Zarzuelo, M. Díez-Minguito,
M. Ortega-Sánchez et al. // Estuarine, Coastal and Shelf Science. - 2015. - Т. 167. - Ч. A. -
C. 75-85.
БеШ:3В может быть применен для решения как гидрометеорологических, так и морфологических и экологических задач освоения и эксплуатации данного региона.
6. Delft3D-Flow, simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments: user manual. Version 3.15.34158. - Deltares, 2014. - 684 c.
7. SWAN Cycle III. Version 41.01AB. Scientific and technical documentation. - The Netherlands, Delft: Delft University of Technology, 2015.
8. Semtner A.J. A model for the thermodynamic growth of sea ice in numerical investigations of climate / A.J. Semtner // Journal of Physical Oceanography. - 1976. - T. 6. - C. 379-389.
9. Wang J. A coupled Ice-Ocean Model in the Pan-Arctic and North Atlantic Ocean: Simulation of seasonal cycles / J. Wang, Qinzheng Liu, Meibing Jin et al. // Journal of Oceanography. -2005. - T. 61. - C. 213-233.
10. Vancoppenolle M. The Louvain-la-Neuve sea ice model / M. Vancoppenolle, S. Bouillon, T. Fichefet et al. // Note du Pôle de modélisation de l'Institut Pierre-Simon Laplace. - 2012. - № 31. - 89 c.
11. Hunke E.C. An elastic-viscous-plastic model for sea ice dynamics / E.C. Hunke, J.K. Dukowicz // Journal of Physical Oceanography. - 1997. -
T. 27. - C. 1849-1867.
12. Goede E., de. Modelling of ice growth and transport on a regional scale, with application
to Fountain Lake, Minnesota, USA / E. de Goede, T. Wagner, R. de Graaff et al. // Proc. of the 33th International Conference on ocean, offshore and arctic engineering (ICONE-14), June 8-13. -San Francisco, CA, USA. - 2014. - 8 c.
Multifunctional complex model of a hydrologic system in the Gulf of Ob
V.Yu. Chantsev1,2*, Yu.P. Gudoshnikov1, D.A. Pleshanov1, A.A. Skutin1, A.V. Danshina1
1 Arctic and Antarctic Research Institute, Bld. 38, Beringa street, St. Petersburg, 199397, Russian Federation
2 Russian State Hydrometeorological University, Bld. 79, Voronezhskaya street, St. Petersburg, 192007, Russian Federation
* E-mail: chantsev@hotmail.com
Keywords: Gulf of Ob, ice situation, sea level, hydrodynamic regime, tidal oscillation.
Abstract. The monitoring observations being organized nowadays in the area of the Gulf of Ob can't provide sufficient amount of data for detailed study of short-period and long-period variability of its hydrodynamic and ice regimes. To get more complete information on changing of the aqueous medium parameters and transfer of the conservative and non-conservative tracer agents (foreign matters), it's necessary to use results of precise
numerical simulation. As a working one the Delft3D math simulator has been chosen. Delft3D is a product of the Deltares Institute from the Netherlands, which specializes in plorations at the continental shelf and in tidal mouths of rivers.
The Delft3D model, which is adjustable to the region of the Gulf of Ob, enables complex calculations of several aqueous parameters in the nodes of a curvilineal orthographic grid having spatial resolution from 4 km in the Kara Sea up to 50 km in the Gulf of Ob. In the capacity of boundary conditions for numerical calculations the atmospheric forcing from the ERA-interim reanalysis archive, the harmonic components of 13 tidal waves at the open margin of the Kara Sea, and the climatic annual variation of Ob (Salekhard), Pur (Samburg) and Taz (Sidorovsk) rivers have been used. To validate results of modelling of separate characteristics of the Gulf of Ob, the observation data acquired by the Arctic and Antarctic Research Institute in 2016 have been applied. Analysis of numerical calculations has shown that the adjustable to the Gulf of Ob conditions Delft3D simulator adequately reproduces the temporal variability of the examined parameters, and small errors of calculations make possible application of the presented simulator for online provision of scientific and pre-project hydrometeorological explorations with data of high spatial extension. The multitask capability of Delft3D manifests itself in the ability of the simulator to solve different problems like pre-processing preparation of initial data, computation using different schemes, analysis and visualization of results of modelling, etc.
References
1. VOLTSINGER, N.Ye., A.A. ANDROSOV, K.A. KLEVANNYY et al. Review ofthe oceanologic models ofnon-hydrostatic dynamics [Okeanologicheskiye modeli negidrostaticheskoy dinamiki: obzor]. Fundamentalnaya iPrikladnaya Gidrofizika. 2018, vol. 11, no. 1, pp. 3-20. ISSN 2073-6673. (Russ.).
2. DIANSKIY, N.A., V.V. FOMIN, M.M. CHUMAKOV et al. Application of modern numerical ocean and ice models for retrospective simulations of circulation and ice cover of Okhotsk Sea [Retrospektivnyye raschety tsirkulyatsii i ledyanogo pokrova Okhotskogo moray na osnove sovremennykh tekhnologiy chislennogo modelirovaniya]. Vesti Gazovoy Nauki. Moscow: Gazprom VNIIGAZ LLC, 2017, no. 4(32): Modern approach and promising technologies within the projects for development of oil-and-gas fields at Russian continental shelf, pp. 82-93. ISSN 2306-8949. (Russ.).
3. SYMONDS, A.M., T. VIJVERBERG, S. POST et al. Comparison between MIKE-21 FM, Delft3D and Delft3D FM FLOW models of Western Port Bay, Australia. Coastal Engineering Proceedings. 2016, no. 35, pp. 34-45. ISSN 2156-1028.
4. MARTYR-KOLLER, R.C., H.W.J. KERNKAMP, A. van DAM et al. Application of an unstructured 3D finite volume numerical model to flows and salinity dynamics in the San Francisco Bay-Delta. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2017, vol. 192, pp. 86-107. ISSN: 0272-7714.
5. ZARZUELO, C., M. DÍEZ-MINGUITO, M. ORTEGA-SÁNCHEZ et al. Hydrodynamics response to planned human interventions in a highly altered embayment: The example of the Bay of Cádiz (Spain). Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2015, vol. 167, pt. A, pp. 75-85. ISSN: 0272-7714.
6. Delft3D-Flow, Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments. User Manual. Version 3.15.34158. Deltares, 2014.
7. SWAN Cycle III. Version 41.01AB. Scientific and technical documentation. The Netherlands, Delft: Delft University of Technology, 2015.
8. SEMTNER, A.J. A model for the thermodynamic growth of sea ice in numerical investigations of climate. Journal of Physical Oceanography. 1976, vol. 6, pp. 379-389. ISSN 0022-3670.
9. WANG, J., Q. LIU, M. JIN et al. A coupled Ice-Ocean Model in the Pan-Arctic and North Atlantic Ocean: Simulation of seasonal cycles. Journal of Oceanography. 2005, vol. 61, pp. 213-233. ISSN 0916-8370.
10. VANCOPPENOLLE, M., S. BOUILLON, T. FICHEFET et al. The Louvain-la-Neuve sea Ice Model [online]. Note du Pôle de modélisation de l'Institut Pierre-Simon Laplace. 2012, no. 31. ISSN 1288-1619. Available from: https://cmc.ipsl.fr/images/publications/scientific_notes/lim3_book.pdf
11. HUNKE, E.C., J.K. DUKOWICZ. An Elastic-viscous-plastic Model for Sea Ice dynamics. Journal of Physical Oceanography. 1997, vol. 27, pp. 1849-1867. ISSN 0022-3670.
12. GOEDE, E., de, T. WAGNER, R. de GRAAFF et al. Modelling of Ice Growth and Transport on a Regional Scale, With Application to Fountain Lake, Minnesota, USA. In: Proc. of the 33th International Conference on ocean, offshore and arctic engineering (ICONE-14), June 8-13. San Francisco, CA, USA. 2014.
