Barotropic response of the Baltic Sea dynamic system to sea level fluctuations in the Kattegat strait
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu07.2023.306Abstract
With the help of numerical experiments with a three-dimensional barotropic hydrodynamic model, the response of the level surface of the Baltic Sea to different-scale level disturbances propagating into the Baltic through the Danish straits from the North Sea is studied. For this, 53 harmonic oscillations with amplitudes of 10 cm and periods from 3 hours to 1 year, which in the article are called "external", in contrast to the perturbations of the level inside the sea induced by them. The same amplitudes for all initial oscillations were set so that when analyzing the results, quantitative differences in the amplitude spectra of "external" and "internal" oscillations were clearly visible. It is shown that, with the exception of the frequency range of natural barotropic oscillations of the Baltic Sea, in the Danish Straits there is an almost complete filtration of oscillations specified at the boundary of the region with periods from 3 hours to 10 days. In the range of periods from 15 to 35 hours, there is an increase in "internal" oscillations due to the resonance of the initial oscillations with the natural oscillations of the Baltic. In the mesoscale frequency range (periods from hours to several days), the response of the level surface of the Baltic Sea to the impact of "external" oscillations is manifested in the generation of progressive-standing Kelvin waves with pronounced amphidromic systems and antinodes. For oscillations with periods of more than 10 days, with a decrease in frequency, the filtering effect of the Danish Straits is weakened and for periods of about 60 days, their amplitudes decrease by only 50%. In the range of seasonal variability, hydraulic resistance in the Danish Straits has the least effect on the propagation of "external" sea level fluctuations, reducing their amplitudes by only 6 - 22%. The highest amplitude is observed in semi-annual oscillations, which are amplified due to the influence of the semi-annual overtone in the annual oscillation generated by nonlinear effects.
Keywords:
Numerical hydrodynamic modeling, Baltic Sea, barotropic sea level fluctuations, Fourier analysis, natural oscillations, amphidromic systems, progressive standing waves, annual oscillation, semi-annual overtone
Downloads
References
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
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Articles of "Vestnik of Saint Petersburg University. Earth Sciences" are open access distributed under the terms of the License Agreement with Saint Petersburg State University, which permits to the authors unrestricted distribution and self-archiving free of charge.
