О подходах к улучшению описания затоков североморских вод в моделях общей циркуляции Балтийского моря
https://doi.org/10.59887/2073-6673.2025.18(3)-3
EDN: MPRZSL
Аннотация
Рассматриваются причины недооценки придонной солёности в моделях общей циркуляции Балтийского моря. На основе высокоэффективной модели Oceananigans выполнены расчеты распространения затока солёных североморских вод в придонном слое Балтийского моря в период январь–апрель 1993 г. Результаты этих расчетов находятся в лучшем соответствии с данными В.Т. Паки высокочастотного сканирования вертикальной структуры моря с вертикальным разрешением от 0,25 до 0,5 м и расстояниями между станциями около 500 м, чем результаты аналогичного расчёта (реанализа) для той же ситуации, выполненного по модели NEMO-Nordic. Этого удалось достигнуть за счёт существенного снижения численной диффузии путём увеличения вертикального разрешения и использования адвективных схем высокого порядка точности в модели Oceananigans без использования процедуры ассимиляции данных наблюдений. Указанные усовершенствования модели Oceananigans понизили скорость вычислений всего лишь на 30 %. Разработанная модельная конфигурация даёт определённые надежды на получение без процедуры ассимиляции адекватных оценок распространения придонного гравитационного плотностного течения в Балтийском море и его взаимодействия с осадками, включая обмен кислородом, что важно для моделирования морских экосистем.
Ключевые слова
Балтийское море,
математическое моделирование,
заток североморских вод,
плотностное течение,
придонный слой
При поддержке: Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России для ИО РАН (тема № FMWE‑2024-0028)
Об авторах
Р. Е. Ванкевич
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Россия
Россия
ВАНКЕВИЧ Роман Евгеньевич, старший научный сотрудник, кандидат технических наук
Scopus AuthorID: 25642198100
WoS ResearcherID: M‑3215–2013
117997, Москва, Нахимовский проспект, д.36
А. В. Исаев
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Россия
Россия
ИСАЕВ Алексей Владимирович, старший научный сотрудник, кандидат географических наук
WoS ResearcherID: C‑1370–2014
Scopus AuthorID: 25641182000
117997, Москва, Нахимовский проспект, д.36
В. А. Рябченко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Россия
Россия
РЯБЧЕНКО Владимир Алексеевич, главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук
WoS ResearcherID: R‑3877–2016
Scopus AuthorID: 7005479766
117997, Москва, Нахимовский проспект, д.36
Список литературы
1. Mohrholz V., Naumann M., Nausch G., Krüger S., Gräwe U. Fresh oxygen for the Baltic Sea — An exceptional saline inflow after a decade of stagnation // Journal of Marine Systems. 2015. Vol. 148. P. 152–166. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2015.03.005
2. Gräwe U., Naumann M., Mohrholz V., Burchard H. Anatomizing one of the largest saltwater inflows into the Baltic Sea in December 2014 // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120. P. 7676–7697. https://doi.org/10.1002/2015jc011269
3. Mohrholz V. Major Baltic Inflow Statistics — Revised // Frontiers in Marine Science. 2018. Vol. 5, N 384. EDN IQMGTT. https://doi.org/10.3389/fmars.2018.00384
4. Lehmann A. A three-dimensional baroclinic eddy-resolving model of the Baltic Sea // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1995. Vol. 47. P. 1013–1031. https://doi.org/10.3402/tellusa.v47i5.11969
5. Meier M., Doescher R., Coward A.C., Nycander J., Döös K. RCO — Rossby Centre regional Ocean climate model: model description (version 1.0) and first results from the hindcast period 1992/93: Tech. Rep. 26, SMHI, Norrköping, Sweden, 1999.
6. Funkquist L., Kleine E. HIROMB: An introduction to HIROMB, an operational baroclinic model for the Baltic Sea: Reports Oceanography 37. Swedish Meteorological and Hydrological Institute, Norrköping, Sweden, 2007.
7. Berg P., Poulsen J.W. Implementation details for HBM: Tech. Rep. Danish Meteorological Institute, Copenhagen, Denmark, 2012.
8. Dietze H., Löptien U., Getzlaff K. MOMBA 1.1 — a high-resolution Baltic Sea configuration of GFDL’s Modular Ocean Model // Geoscientific Model Development. 2014. Vol. 7. P. 1713–1731. EDN VFTAZT. https://doi.org/10.5194/gmd7-1713-2014
9. Gräwe U., Naumann M., Mohrholz V., Burchard H. Anatomizing one of the largest saltwater inflows into the Baltic Sea in December 2014 // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120. P. 7676–7697. https://doi.org/10.1002/2015jc011269
10. Рябченко В.А., Карлин Л.Н., Исаев А.В. и др. Модельные оценки эвтрофикации Балтийского моря в современном и будущем климате // Океанология. 2016. Vol. 56, N 1. P. 41–50. EDN VIOSEJ. https://doi.org/10.7868/S0030157416010160
11. Hordoir R., Axell L., Höglund A. et al. Nemo-Nordic 1.0: a NEMO-based ocean model for the Baltic and North seas — research and operational applications // Geoscientific Model Development. 2019. Vol. 12. P. 363–386. EDN NTIIIL. https://doi.org/10.5194/gmd 12-363-2019
12. Kärnä T., Ljungemyr P., Falahat S. et al. Nemo-Nordic 2.0: operational marine forecast model for the Baltic Sea // Geoscientific Model Development. 2021. Vol. 14. P. 5731–5749. EDN: ZMZZPA. https://doi.org/10.5194/gmd14-5731-2021
13. Madec G., Bourdallé-Badie R., Chanut J. et al. NEMO ocean engine // Zenodo. 2019. https://doi.org/10.5281/zenodo.3878122
14. Deremble B., Hogg A.M., Berloff P., Dewar W.K. On the application of no-slip lateral boundary conditions to ‘coarsely’ resolved ocean models // Ocean Modelling. 2011. Vol. 39, N3. P. 411–415. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2011.05.002
15. Nasser A.A. Advancing the representation of flows along topography in z-coordinate ocean models // Ocean, Atmosphere. Sorbonne Université, 2023. English. NNT: 2023SORUS446. https://theses.hal.science/tel04399405v1
16. Hill C., Ferreira D., Campin J.-M. et al. Controlling spurious diapycnal mixing in eddy-resolving height-coordinate ocean models — Insights from virtual deliberate tracer release experiments // Ocean Modelling. 2012. Vol. 45–46. P. 14–26. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2011.12.001
17. Ilicak M., Adcroft A., Griffies S., Hallberg R. Spurious dianeutral mixing and the role of momentum closure // Ocean Modelling. 2012. Vol. 45–46. P. 37–58. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2011.10.003
18. Ilicak M. Quantifying spatial distribution of spurious mixing in ocean models // Ocean Modelling. 2016. Vol. 108. P. 30– 38. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2016.11.002
19. Megann A. Estimating the numerical diapycnal mixing in an eddy-permitting ocean model // Ocean Modelling. 2018. Vol. 121. P. 19–33. EDN: YIGMNE. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2017.11.001
20. Campin J.-M., Goosse H. Parameterization of density-driven downsloping flow for a coarse-resolution ocean model in z-coordinate // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1999. 51A. P. 412–430. EDN LPTUZJ. https://doi.org/10.3402/tellusa.v51i3.13468
21. Legg S., Hallberg R.W., Girton J.B. Comparison of entrainment in overflows simulated by z-coordinate, isopycnal and non-hydrostatic models // Ocean Modelling. 2006. Vol. 11, N 1–2. P. 69–97. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2004.11.006
22. Riemenschneider U., Legg S. Regional simulations of the Faroe Bank Channel overflow in a level model // Ocean Modelling. 2007. Vol. 17, N 2. P. 93–122. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2007.01.003
23. Legg S., Jackson L., Hallberg R.W. Eddy-Resolving Modeling of Overflows // Ocean Modeling in an Eddying Regime. American Geophysical Union, 2008. P. 63–81 (eprint: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/). https://doi.org/10.1029/177GM06
24. Reckinger S.M., Petersen M.R., Reckinger S.J. A study of overflow simulations using MPAS-Ocean: Vertical grids, resolution, and viscosity // Ocean Modelling. 2015. Vol. 96. P. 291–313. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2015.09.006
25. Laanaia N., Wirth A., Molines J.M., Barnier B., Verron J. On the numerical resolution of the bottom layer in simulations of oceanic gravity currents // Ocean Science. 2010. Vol. 6, N 2. P. 563–572. https://doi.org/10.5194/os6-563-2010
26. Gräwe U., Holtermann P., Klingbeil K., Burchard H. Advantages of vertically adaptive coordinates in numerical models of stratified shelf seas // Ocean Modelling. 2015. Vol. 92. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2015.05.008
27. Winton M., Hallberg R., Gnanadesikan A. Simulation of density-driven frictional downslope flow in z-coordinate ocean models // Journal of Physical Oceanography. 1998. Vol. 28. P. 2163–2174. https://doi.org/10.1175/1520–0485(1998)0282.0.CO;2
28. Lemarié F., Debreu L., Shchepetkin A., McWilliams J. On the stability and accuracy of the harmonic and biharmonic isoneutral mixing operators in ocean models // Ocean Modelling. 2012. Vol. 52–53, N 27. P. 9–35. EDN XZVETY. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2012.04.007
29. Wagner G.L., Silvestri S., Constantinou N.C., Ramadhan A., Campin J.M., Hill C., Chor T., Strong-Wright J., Lee X.K., Poulin F., Souza A. High-level, high-resolution ocean modeling at all scales with Oceananigans. arXiv preprint arXiv: 2502.14148, 2025.
30. Пака В.Т., Кушников В.В. Об использовании термохалозондов в режиме буксировки. Океанология. 1989. Т. 29, № 1. С. 160–163.
31. Paka V.T. Thermohaline structure of the waters over the cross sections in the Slupsk Channel of the Baltic Sea in spring, 1993 // Oceanology. 1996. Vol. 36, N 2. P. 188–198. EDN LDSPLL
32. Журбас В.М., Пака В.Т. Интрузионное расслоение галоклина в Готландском бассейне, обусловленное большим затоком североморских вод в Балтику в январе 1993 г. // Океанология. 1997. Т. 33, № 4. С. 549.
33. Zhurbas V.M., Paka V.T. Mesoscale thermohaline variability in the Eastern Gotland Basin following the 1993 major Baltic inflow // Journal of Geophysical Research. 1997. Vol. 102, N C9. P. 20,917–20,926. EDN WNAABX. https://doi.org/10.1029/97JC00443
34. Zhurbas V.M., Paka V.T. What drives thermohaline intrusions in the Baltic Sea? // Journal of Marine Systems. 1999. Vol. 21, Iss. 1–4. P. 229–241. EDN LFSRWV. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(99)00016-0
35. Baltic Sea Physics Reanalysis | Copernicus Marine Service Copernicus Marine Data Store | Copernicus Marine Service. URL: https://data.marine.copernicus.eu › product › description https://doi.org/10.48670/moi 00013 (дата обращения: 10.06.2025)
36. Nerger L., Hiller W., Oter J. PDAF-The Parallel Data Assimilation Framework: Experiences with Kalman Filtering // World Scientific. 2005. P. 63–83. https://doi.org/10.1142/9789812701831_0006
37. International Council for the Exploration of the Sea (ICES). URL: http://www.ices.dk (дата обращения: 10.06.2025)
38. Silvestri S., Wagner G., Campin J.-M., Constantinou N., Hill Ch., Souza A., Ferrari R. A new WENO-based momentum advection scheme for simulations of ocean mesoscale turbulence, 2023. https://doi.org/10.22541/essoar.170110657.76489860/v1
39. Data Assimilation System. Baltic Nest Institute, Stockholm University. URL: https://nest.su.se/das/ (дата обращения: 10.06.2025)
40. Umlauf L., Burchard H. A generic length-scale equation for geophysical turbulence models // Journal of Marine Research. 2003. Vol. 61. P. 235–265. https://doi.org/10.1357/002224003322005087
41. Wagner G., Hillier A., Constantinou N., Silvestri S., Souza A., Burns K., Hill Ch., Campin J.-M., Marshall J., Ferrari R. Formulation and calibration of CATKE, a one-equation parameterization for microscale ocean mixing // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2025. Vol. 17. https://doi.org/10.1029/2024MS004522
42. Beckmann A., Döscher R. A method for improved representation of dense water spreading over topography in geopotential-coordinate models // Journal of Physical Oceanography. 1997. Vol. 27. P. 581–591. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1997)0272.0.CO;2
43. Zhurbas V., Elken J., Paka V., Piechura J., Väli G., Chubarenko I., Golenko N., Shchuka S. Structure of unsteady overflow in the Słupsk Furrow of the Baltic Sea // Journal of Geophysical Research. 2012. Vol. 117. C04027. EDN MENQNX. https://doi.org/10.1029/2011JC007284
Рецензия
Для цитирования:
Ванкевич Р.Е., Исаев А.В., Рябченко В.А. О подходах к улучшению описания затоков североморских вод в моделях общей циркуляции Балтийского моря. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2025;18(3):37-52. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2025.18(3)-3. EDN: MPRZSL
For citation:
Vankevich R.E., Isaev A.V., Ryabchenko V.A. On Approaches to Improving the Description of North Sea Water Inflows in the General Circulation Models of the Baltic Sea. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2025;18(3):37-52. (In Russ.) https://doi.org/10.59887/2073-6673.2025.18(3)-3. EDN: MPRZSL
Просмотров:
6
Послать статью по эл. почте 