CC BY
81
УДК 551.465
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО МОРЯ
Елена Николаевна Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
На основе численной модели океана и морского льда с использованием данных атмосферного реанализа моделируется состояние вод и морского льда Восточно-Сибирского моря. Результаты численного эксперимента представляют пространственно-временную изменчивость гидрологических характеристик сибирского шельфа, вызванную изменчивостью атмосферной динамики.
Ключевые слова: моря Арктического шельфа, Восточно-Сибирское море, климатическая изменчивость, численное моделирование.
NUMERICAL MODELING OF THE EAST-SIBERIAN SEA HYDROLOGY
Elena N. Golubeva
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, Dr. Sc., leading scientist, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
We have simulated the hydrography of the East Siberian Sea region based on the numerical regional ice-ocean model using the atmosphere reanalysis data. The results of the 3D modeling present the spatial-temporal variability of the summer hydrological fields on the Siberian shelf, caused by atmospheric dynamics.
Key words: Arctic shelf seas, East-Siberian shelf, climate variability, numerical modeling.
Введение. Восточно-Сибирское море, одно из морей Арктического шельфа, находится между Новосибирскими островами и островом Врангеля. На западе через проливы Дмитрия Лаптева и Санникова происходит обмен вод с морем Лаптевых, на востоке море соединено с западной частью Чукотского моря проливом Лонга. На севере Восточно-Сибирское море примыкает к Арктическому бассейну Северного Ледовитого океана [1].
Из-за сложности ледовой обстановки Восточно-Сибирское море является наименее исследованным регионом Северного Ледовитого океана. В прошлом его акватория была практически весь год покрыта льдом. Ситуация изменилась с начала 2000-х в связи с потеплением Арктического региона, что привело к сокращению площади арктического льда [2] и увеличению площади открытых вод шельфовых морей Восточной Арктики в летний период. Произошедшие климатические изменения позволяют рассматривать этот регион как потенциальный для развития рыболовства, разведки и освоения нефтегазовых месторождений. Для успешной реализации этих планов необходимо развитие мето-
дов математического моделирования для прогнозирования гидрологической и ледовой обстановки.
Задачей настоящей работы являлось изучение возможности описания изменчивости состояния вод Восточно-Сибирского моря в рамках крупномасштабного моделирования.
Метод исследования. Постановка задачи. Для исследования изменчивости гидрологического режима Восточно-Сибирского моря проводится численное моделирование на основе региональной модели океана и морского льда ИВМиМГ СО РАН. Основой океанической модели [3, 4] является система полных нелинейных уравнений гидротермодинамики океана с использованием традиционных приближений гидростатики и Буссинеска. Дополнительно в модель включены параметризации мгновенного конвективного перемешивания на основе привлечения модели верхнего квазиоднородного слоя океана; конвективного перемешивания в условиях неполного ледового покрова; переноса аномалий плотной воды вдоль наклонного шельфа. Для описания процессов формирования, таяния и дрейфа льда используется модель морского льда CICE-3.14 [5].
Область моделирования включает Северный Ледовитый океан и Северную и тропическую Атлантику. При построении численной модели используется ортогональная криволинейная трехполярная сетка. Пространственное разрешение для Северной Атлантики выбрано равным 0.5°х 0.5°, что обеспечивает разрешение в СЛО 15-25 км. Вертикальное разрешение модели 38 горизонтов, при этом в поверхностном слое шаг сетки по вертикали составляет 5 м. Модель использует z-систему вертикальной координаты, что ограничивает вертикальное разрешение мелководной шельфовой области 5 расчетными узлами.
Необходимые потоки тепла, соли и импульса на поверхности океана и морского льда рассчитывались с использованием данных атмосферного реа-нализа CORE II [6] для временного периода 1948-2013 гг. Определение граничных условий на поверхности океана и морского льда, расчет потоков на открытых границах, начальные условия представлены в работе [7].
Результаты численного моделирования. Численное моделирование на основе численной модели океана и морского льда позволяет в процессе непрерывного расчета получить трехмерные поля гидрологических характеристик и морского льда исследуемого региона и выявить их сезонную и межгодовую изменчивость. В данной работе мы делаем акцент на область ВосточноСибирского моря. Ранее в работе [8] анализировались процессы, протекающие в море Лаптевых.
По данным нерегулярных измерений известно [1, 9], что система течений Восточно-Сибирского моря контролируется бароклинным воздействием речного стока и ветром. Сток рек приводит к формированию Прибрежного сибирского течения, наиболее выраженного в периоды циклонической циркуляции атмосферы. Течение берет начало в море Лаптевых, откуда распресненные обильным стоком реки Лены воды через проливы Новосибирских островов проникают в западную часть Восточно-Сибирского моря. При движении далее на во-
сток к этому потоку присоединяются пресные воды рек, среди которых Индигирка и Колыма являются наибольшими. Прибрежное сибирское течение движется вдоль всего побережья Восточно-Сибирского моря и через пролив Лонга проникает в Чукотское море, где смешивается с тихоокеанскими водами, поступающими в Северный Ледовитый океан через Берингов пролив.
Результаты моделирования восстанавливают пространственно-временную изменчивость полей температуры, солености, скорости течений, толщины, сплоченности и скорости льда. За исключением тех месяцев, когда море покрыто припайным льдом, движение льда определяется динамикой атмосферы. Формирование припайного льда в модели параметризуется заданием нулевых скоростей дрейфа в период с середины октября до середины июня в области шельфовой зоны, где глубина меньше 30 м. В отличие от начального периода моделирования, когда в летний сезон Восточно-Сибирское море освобождалось ото льда на один-полтора месяца, в последние годы расчета моделируется открытое море c начала июля до конца октября.
Анализ результатов численных расчетов показывает, что циклонический режим циркуляции атмосферы региона с преобладанием северо-западных ветров в летний период способствует распространению вод в восточном направлении (рис. 1, а).
Рис. 1. Поле поверхностной циркуляции (а) и распределение солености (б) в летний период для циклонического периода циркуляции СЛО
В этот период в западной части моря усилен поток из моря Лаптевых, переносящий распресненную стоком рек Лены и Яны воду. Реки Индигирка и Колыма вносят дополнительный вклад в формирование вдольбереговой области пониженной солености до пролива Лонга (рис. 1, б). В поверхностном слое шельфа Восточно-Сибирского моря наблюдается поток, переносящий более соленую воду с северных районов океана в среднюю зону шельфа.
Рис. 2. Поле поверхностных течений (а) и распределение солености (б) в летний период для антициклонической циркуляции
В случае преобладания в летний сезон южного ветра в регионе существенно меняется картина циркуляции вод. В западной части моря южный ветер формирует направленный на север перенос в поверхностном слое шельфа (рис. 2, а). В западной части Восточно-Сибирского моря отсутствует интенсивный перенос пресных вод из моря Лаптевых, сток Колымы и Индигирки формирует распресненную область преимущественно вблизи устья рек (рис. 2, б).
Заключение. Результаты численных экспериментов воспроизводят пространственно-временную изменчивость гидрологических и ледовых полей СЛО, вызванную изменчивостью состояния атмосферы полярных районов северного полушария. Несмотря на грубое пространственное разрешение численной модели проведенные численные расчеты воспроизводят особенности гидрологического режима Восточно-Сибирского моря, известные из данных
наблюдений [9, 10], в рамках моделирования всего Северного Ледовитого океана. В частности, в численных экспериментах моделируются климатическая и сезонная изменчивость циркуляции вод и обмена с соседними акваториями. В зимний период в большей части моря формируется припайный лед, изолирующий водные массы от непосредственного воздействия атмосферы. Напротив, в летний период динамика атмосферы является определяющим фактором в формировании циркуляции водных масс шельфовой зоны.
Анализ результатов проведенных численных расчетов показывает существование двух основных режимов циркуляции, существующих в ВосточноСибирском море. Западная часть моря, связанная с морем Лаптевых, получает большое количество пресной воды, поставляемой сибирскими реками. Однако распределение ее в значительной степени зависит от ветрового режима, обусловленного динамикой атмосферы.
Работа выполнена при поддержке проектов РФФИ 15-05-02457,17-05-00396, 17-05-00382А.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Т. 12: ВосточноСибирское море : справочник / отв. ред. Ф. С. Терзиев ; редкол.: Б. А. Крутских, Б. Л. Лагутин ; науч. ред. Л. С. Петров. - Л. : Гидрометеоиздат, 1986. - 278 с. : ил.
2. Thinning and volume loss of the Arctic Oceansea ice cover: 2003-2008 / R. Kwok, G. F. Cunningham, M. Wensnahan, I. Rigor, H. J. Zwally, D. Yi // J. Geophys. Res., 114, C07005, doi:10.1029/2009JC005312, 2009.
3. Golubeva E. N., Platov G. A. On improving the simulation of Atlantic Water circulation in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. - 2007. - 112. - C04S05. doi:10.1029/2006JC003734.
4. Голубева Е. Н. Численное моделирование динамики Атлантических вод в Арктическом бассейне с использованием схемы QUICKEST// Вычислительные технологии. - 2008. -Т. 13, № 5. - C. 11-24.
5. CICE 3.14 [Электронный ресурс]. - URL: http://oceans11.lanl.gov/trac/CICE (дата обращения 17.03.2010).
6. Yeager S. G., Large W. G. 2008. CORE.2 Global Air-Sea Flux Dataset. Research Data Archive at the National Center for Atmospheric Research, Computational and Information Systems Laboratory [Электронный ресурс]. - URL: http://dx.doi.org/10.5065/D6WH2N0S. (дата обращения 11.01.2016).
7. Голубева Е. Н., Платов Г. А. Численное моделирование отклика Арктической системы океан-лед на вариации атмосферной циркуляции 1948-2007 гг. // Известия РАН. Серия ФАО. - 2009. - Т. 45, № 1. - С. 145-160.
8. Modeling the impact of the Lena River on the Laptev Sea summer hydrography and submarine permafrost state / E. Golubeva, G. Platov, V. Malakhova, D. Iakshina, M. Kraineva // Bull. Nov. Comp. Center, Num. Model. in Atmosph., etc., 15 (2015), 13-22,2015 NCC Publisher.
9. The Siberian Coastal Current: A windand buoyancy-forced Arctic coastal current / T. J. Weingartner, S. Danielson, Y. Sasaki, V. Pavlov, M. I. Kulakov // J. Geophys. Res., 104(C12), 29697-29713, 1999.
10. Савельева Н. И., Семилетов И. П., Пипко И. И. Влияние синоптических процессов и речного стока на термохалинную структуру вод прибрежной зоны Восточно-Сибирского моря // Метеорология и гидрология. - 2008. - № 4. - С. 63-72.
© Е. Н. Голубева, 2017
