Баротропный отклик динамической системы Балтийского моря на колебания уровня в проливе Каттегат
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu07.2023.306Аннотация
С помощью численных экспериментов с трёхмерной баротропной гидродинамической моделью исследуется отклик уровенной поверхности Балтийского моря на разномасштабные возмущения уровня, распространяющиеся в Балтику через Датские проливы из Северного моря. Для этого, на жидкой границе, расположенной на севере пролива Каттегат, задавалось 53 гармонических колебания с амплитудами 10 см и периодами от 3 часов до 1 года, которые в статье называются «внешними», в отличие от индуцированных ими возмущений уровня внутри моря. Одинаковые амплитуды у всех исходных колебаний задавались для того, чтобы при анализе результатов хорошо были видны количественные различия у амплитудных спектров «внешних» и «внутренних» колебаний. Показано, что за исключением диапазона частот собственных баротропных колебаний Балтийского моря, в Датских проливах происходит практически полная фильтрация заданных на границе области колебаний с периодами от 3 часов до 10 суток. В диапазоне периодов от 15 до 35 часов отмечается усиление «внутренних» колебаний за счет резонанса исходных колебаний с собственными колебаниями Балтики. В мезомасштабном диапазоне частот (периоды от часов до нескольких суток) отклик уровенной поверхности Балтийского моря на воздействие «внешних» колебаний проявляется в генерации прогрессивно-стоячих волн Кельвина с выраженными амфидромическими системами и пучностями. У колебаний с периодами более 10 суток с понижением частоты ослабляется фильтрующее влияние Датских проливов и на периодах около 60 суток их амплитуды понижаются только на 50%. В диапазоне сезонной изменчивости гидравлическое сопротивление в Датских проливах оказывает наименьшее влияние на распространение «внешних» колебаний уровня моря, уменьшая их амплитуды всего на 6 – 22%. Наибольшая амплитуда отмечается у полугодовых колебаний, которые усиливаются из-за влияния полугодового обертона у годового колебания, генерирующегося за счет нелинейных эффектов.
Ключевые слова:
Численное гидродинамическое моделирование, Балтийское море, баротропные колебания уровня моря, анализ Фурье, собственные колебания, амфидромические системы, прогрессивно-стоячие волны, годовое колебание, полугодовой обертон
Скачивания
Библиографические ссылки
Айтсам, А. М. и Талпсепп, Л. А. (1982). Об одной интерпретации синоптических явлений в Балтийском море. Океанология, 22, 357-362.
Дианский, Н. А. (2013). Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия. М.: Физматлит.
Добровольский, А. Д. и Залогин, Б. С. (1982). Моря СССР. М.: Изд-во Московского ун-та.
Ефимов, В. В., Куликов, Е. А., Рабинович, А. В., Файн, И. В. (1985). Волны в пограничных областях океана. Л.: Гидрометеоиздат.
Захарчук, Е. А., ред. (2007). Динамика вод Балтийского моря в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов. СПб.: Гидрометеоиздат.
Захарчук, Е. А., Клеванцов, Ю. П., Тихонова, Н. А. (2006). Пространственно-временная структура и идентификация синоптических возмущений уровня Балтийского моря по данным спутниковых альтиметрических измерений. Метеорология и Гидрология, 5, 69-77.
Захарчук, Е. А. и Сухачев, В. Н. (2018). Использование спутниковой альтиметрической информации для оценки особенностей генерации возмущений уровня синоптического масштаба под действием касательного трения ветра в системе Балтийского и Северного морей. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 15 (7), 163-174.
Захарчук, Е. А., Сухачев, В. Н., Тихонова, Н. А. (2017). Механизмы опасных подъемов уровня моря в Финском заливе. СПб.: Петербург - XXI век.
Захарчук, Е. А., Сухачев, В. Н., Тихонова, Н. А. (2020). О пространственной структуре и распространении волн невских наводнений. Метеорология и гидрология, 4, 42-53.
Захарчук, Е. А. и Тихонова, Н. А. (2011). О пространственно-временной структуре и механизмах формирования невских наводнений. Метеорология и гидрология, 8, 54-64.
Захарчук, Е. А., Тихонова, Н. А., Фукс, В. Р. (2004). Свободные низкочастотные волны в Балтийском море. Метеорология и гидрология, 8.
Каменкович, В. М., Кошляков, М. Н., Монин, А. С. (1987). Синоптические вихри в океане. Л.: Гидрометеоиздат.
Крылов, Ю. М. (1946). Орбиты водных частиц в прогрессивно-стоячей волне на примере Белого моря. Метеорология и гидрология, 2, 69-74.
Куликов, Е. А. и Медведев, И. П. (2013). Изменчивость уровня Балтийского моря и наводнения в Финском заливе. Океанология, 53 (2), 161-174.
Куликов, Е. А., Медведев, И. П., Колтерманн, К. П. (2015а). Роль баротропного водообмена в формировании спектра колебаний уровня Балтийского моря. Океанология, 55 (1), 5-15.
Куликов, Е. А., Файн, И. В., Медведев, И. П. (2015б). Численное моделирование анемобарических колебаний уровня Балтийского моря. Метеорология и гидрология, 2, 41-52.
Лабзовский, Н. А. (1971). Непериодические колебания уровня моря. Л.: Гидрометеоиздат.
Лебедев, В. И. (1964). Разностные аналоги ортогональных разложений, основных дифференциальных операторов и некоторых краевых задач математической физики. Журнал вычислительной математики и математической физики, 4 (3), 449-465.
Марчук, Г. И. (2009). Методы вычислительной математики. СПб.: Лань. Некрасов, А. В. (1975). Приливные волны в окраинных морях. Л.: Гидрометеоиздат. Педлоски, Дж. (1984). Геофизическая гидродинамика: пер. с англ. М.: Мир.
Смоленцев, Н. К. (2008). Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в matlab. М.: ДМК Пресс.
Талпсепп, Л. А. (1983). О захваченных топографических волнах в Балтийском море. Океанология, 23, 928-931.
Тареев, Б. А. (1971). Градиентно-вихревые волны на материковом склоне океана. Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана, 7(4), 431-436.
Тимонов, В. В. (1959). О кинематическом анализе приливов. Труды ГОИН, 37, 181-204.
Blumberg, A. F. and Mellor, G. L. (1987). A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. In: N. S. Heaps, ed., Coastal and Estuarine Sciences, book 4. American Geophysical Union, 1-6.
Brydon, D., Sun, S., Bleck, R. (1999). A new approximation of the equation of state for seawater, suitable for numerical ocean models. Journal of Geophysical Research: Oceans, 104 (C1), 1537-1540. https://doi.org/10.1029/1998jc900059
Carlsson, M. (1997). Sea level and salinity variations in the Baltic Sea - an oceanographic study using historical data. Göteborg University.
Gräwe, U., Friedland, R., Burchard, H. (2013). The future of the western Baltic Sea: Two possible scenarios. Ocean Dynamics, 63 (8), 901-921. https://doi.org/10.1007/s10236-013-0634-0
Griffies, S. M. (2005). Ch. 2. Some ocean model fundamentals. Ocean Weather Forecasting: An Integrated View of Oceanography. Springer.
Jönsson, B., Döös, K., Nycander, J., Lundberg, P. (2008). Standing waves in the Gulf of Finland and their relationship to the basin-wide Baltic seiches. Journal of Geophysical Research: Oceans, 113 (3). https://doi.org/10.1029/2006JC003862
LeBlond, P. H. and Mysal, L. A. (1978). Waves in the Ocean. Elsevier.
Leppäranta, M. and Myrberg, K. (2009). Physical Oceanography of the Baltic Sea. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-540-79703-6
Madsen, K. S. and Højerslev, N. K. (2009). Long-term temperature and salinity records from the Baltic Sea transition zone. Boreal Environment Research, 14 (1), 125-131.
Matthäus, W. (2006). The history of investigation of salt water inflows into the Baltic Sea - from the early beginning to recent results. In: Meereswissenschaftliche Berichte Marine Science Reports, 65. Germany, Rostock: Leibniz Institute for Baltic Sea Research Warnemünde.
Mesinger, F. and Arakawa, A. (1976). Numerical methods used in atmospheric models. Vol. 1. Global Atmospheric Research Program World Meteorological Organization, 1 (17).
Omstedt, A. (1987). Water cooling in the entrance of the Baltic Sea. Tellus A, 39 A (3). https://doi.org/10.1111/j.1600-0870.1987.tb00306.x
Pacanowski, R. C. and Philander, S. G. H. (1981). Parametrization of vertical mixing in numerical models of the tropical ocean. J. Phys. Oceanogr., 11, 1443-1451.
Pugh, D. (1987). Tides, Surges and Mean Sea Level: A Handbook for Engineers and Scientists. John Wiley & Sons.
Raudsepp, U., Beletsky, D., Schwab, D. J. (2003). Basin-scale topographic waves in the Gulf of Riga. Journal of Physical Oceanography, 33 (5). https://doi.org/10.1175/1520-0485(2003)033<1129:BTWITG>2.0. CO;2
Samuelsson, M. and Stigebrandt, A. (1996). Main characteristics of the long-term sea level variability in the Baltic sea. Tellus, Series A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 48(5). https://doi.org/10.3402/tellusa.v48i5.12165
Stigebrandt, A. (1980). Barotropic and Baroclinic Response of a Semi-Enclosed Basin to Barotropic Forcing from the Sea. In: H. Freeland, D. Farmer, C. Levings, eds, Fjord Oceanography. NATO Conference Series (IV Marine Sciences), 4. 141-164. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/978-1-4613-3105-6_5
Stigebrandt, A. (1983). A Model for the Exchange of Water and Salt Between the Baltic and the Skagerrak.
Journal of Physical Oceanography, 13(3), 411-427. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1983)013<0411:amfteo>2.0.co;2
Taylor, G. I. (1922). Tidal oscillations in gulfs and rectangular basins. In: Proceedings of the London Mathematical Society, s2-20 (1). https://doi.org/10.1112/plms/s2-20.1.148
Wilson, B. W. (1972). Seiches. Adv. Hydrosci, 1, 1-89.
Wübber, Ch., and Krauss, W. (1979). The two-dimensional seiches of the Baltic Sea. Oceanologica Acta, 2 (4), 435-446.
Zakharchuk, E. A., Tikhonova, N., Zakharova, E., Kouraev, A. V. (2021). Spatiotemporal structure of Baltic free sea level oscillations in barotropic and baroclinic conditions from hydrodynamic modelling. Ocean Science, 17 (2), 543-559. https://doi.org/10.5194/os-17-543-2021
Zalesny, V. B., Marchuk, G. I., Agoshkov, V. I., Bagno, A. V., Gusev, A. V., Diansky, N. A., Moshonkin, S. N., Tamsalu, R., Volodin, E. M. (2010). Numerical simulation of large-scale ocean circulation based on the multicomponent splitting method.Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling, 25 (6), 581-609. https://doi.org/10.1515/RJNAMM.2010.036
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
