Воспроизведение весенне-летней эволюции термохалинной структуры в Финском заливе Балтийского моря на основе трехмерной гидродинамической модели высокого разрешения

Для улучшения воспроизведения термохалинной структуры в Финском заливе предлагается трехмерная гидродинамическая модель, основанная на модельном комплексе NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean — платформа европейской модели океана). Угловые шаги модельной сетки по широте и долготе равны, соответственно, 0.25 и 0.5' (≈ 0.5 км), что в 4–8 раз меньше значений бароклинного радиуса деформации Россби в Финском заливе. Вертикальный турбулентный обмен описывается с помощью схемы замыкания типа k-ε. Результаты расчетов сравниваются с данными контактных измерений температуры и солености, полученными с использованием СТD зонда на 38 станциях в экспедиции Российского государственного гидрометеорологического университета в восточной части Финского залива в период с 25 по 28 июля 2011 г. и данными CTD зондирования (15 станций) для летнего периода из базы данных BED (Baltic Environment Database). Рассчитанная температура поверхности моря сравнивается также с ее спутниковыми оценками, имеющими разрешение 1×1 км и полученными с помощью сканирующих спектрорадиометров MODIS. Показано, что выбор адекватной схемы турбулентного замыкания и реализация модели на сетке высокого разрешения (≈ 0.5 км) заметно улучшают (в сравнении с расчетами на грубых сетках) качество воспроизведения температуры в весенне-летний период. 

1. Rantajarvi E., Gran V., Hällfors S., Olsonen R. Effects of environmental factors on the phytoplankton community in the Gulf of Finland — unattended high frequency measurements and multivariate analyses // Hydrobiologia. 1998. V. 363. P. 127–139.

2. Lips U., Lips I., Liblik T., Kuvaldina N. Processes responsible for the formation and maintenance of sub-surface chlorophyll maxima in the Gulf of Finland // Estuar. Coast Shelf Sci. 2010. V. 88. P. 339–349.

3. Lips U., Lips I., Liblik T., Elken J. Estuarine transport versus vertical movement and mixing of water masses in the Gulf of Finland (Baltic Sea) // US/EU-Baltic International Simposium. 2008. P. 1–8. doi:10.1109/BALTIC.2008.4625535.

4. Stepputtis D., Hinrichsen H. H., Bottcher U., Gotze E., Mohrholz V. An example of meso-scale hydrographic features in the Central Baltic Sea and their influence on the distribution and vertical migration of sprat, Sprattus sprattus balticus (Schn.) // Fish. Oceanogr. 2011. V. 20, N 1. P. 82–88.

5. Laine A. O., Andersin A. B., Leinio S., Zuur A. F. Stratification-induced hypoxia as a structuring factor of macrozoobenthos in the open Gulf of Finland (Baltic Sea) // J. Sea Res. 2007. V. 57, N 1. P. 65–77.

6. Максимов А. А. Причины возникновения придонной гипоксии в восточной части Финского залива Балтийского моря // Океанология. 2006. Т. 46, № 2. С. 204–210.

7. Myrberg K., Ryabchenko V., Isaev A., Vankevich R., Andrejev O. et al. Validation of three-dimensional hydrodynamic models of the Gulf of Finland // Boreal Env. Res. 2010. V. 15. P. 453–479.

8. Tuomi L., Myrberg K., Lehmann A. The performance of the parameterisations of vertical turbulence in the 3D modelling of hydrodynamics in the Baltic Sea // Cont. Shelf Res. 2012. V. 50–51. P. 64–79. doi:10.1016/j.csr.2012.08.007.

9. Andrejev O., Myrberg K., Alenius P., Lundberg P. A. Mean circulation and water exchange in the Gulf of Finland — a study based on three-dimensional modeling // Boreal Environ Res. 2004. V. 9, N 1. P. 1–16.

10. Andrejev O., Sokolov A., Soomere T., Värv R., Viikmäe B. The use of high-resolution bathymetry for circulation modelling in the Gulf of Finland // Estonian J. Engin. 2010. V. 16, N 3. P. 187–210.

11. Myrberg K. Sensitivity tests of a two-layer hydrodynamic model in the Gulf of Finland with different atmospheric forcings // Geophysica. 1997. V. 33, N 2. P. 69–98.

12. Myrberg K. Analysing and modeling the physical processes of the Gulf of Finland in the Baltic Sea // Monographs of the Boreal Environment Research. 1998. V. 10. 50 p.

13. Neelov I. A., Eremina T. R., Isaev A. V., Ryabchenko V. A., Savchuk O. P., Vankevich R. E. A simulation of the Gulf of Finland ecosystem with a 3D model // Proc. Estonian Acad. Sci.Biol.Ecol. 2003. V. 52, N 3. P. 346–359.

14. Sokolov A. Modelling of submesoscale dynamics in the Gulf of Finland (Baltic Sea) // Geophys. Res. Abstracts. 2013. V. 15. EGU2013-9646.

15. Soomere T., Myrberg K., Leppäranta M., Nekrasov A. The progress in knowledge of physical oceanography of the Gulf of Finland: a review for 1997–2007 // Oceanologia. 2008. V. 50, N 3. P. 287–362.

16. Tuomi L., Myrberg K., Lehmann A. The performance of different vertical turbulence parameterizations in modelling the development of the seasonal thermocline in the Gulf of Finland // Geophys. Res. Abstracts. 2013. V. 15. EGU2013-8229.

17. Zhurbas V., Laanemets J., Vahtera E. Modeling of the mesoscale structure of coupled upwelling/downwelling events and the related input of nutrients to the upper mixed layer in the Gulf of Finland, Baltic Sea // J. Geophys. Res. 2008. V. 113(C05004). doi:10.1029/2007JC004280.

18. Gent P. R., McWilliams J. C. Isopycnal mixing in ocean circulation models // J. Phys. Ocean. 1990. V. 20. P. 150–155.

19. Alenius P., Nekrasov A., Myrberg K. The baroclinic Rossby-radius in the Gulf of Finland // Cont. Shelf Res. 2003. V. 23, N 6. P. 563–573.

20. Preventive methods for coastal protection: Towards the use of ocean dynamics for pollution control / Eds. Soomere T., Quak E. Springer, 2013. 442 p.

21. Madec G., Delecluse P., Imbard M., Levy C. OPA 8.1 Ocean General Circulation Model reference manual. Note du Pole de modelisation, Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL). France: 1998, N 11. 91 p.

22. Madec G. NEMO ocean engine. Version 3.4. Note du Pôle de modélisation, Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), France: 2012, N 27. 367 p.

23. Liu H., Holt J. T. Combination of the Vertical PPM Advection Scheme with the Existing Horizontal Advection Schemes in NEMO, MyOcean Science Days. URL: http://mercator-myoceanv2.netaktiv.com/MSD 2010/Abstract/Abstract LIUhedong MSD 2010.doc, 2010. (дата обращения: 01.07.2014).

24. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // J. Geophys. Res. 1987. V. 92(C5). P. 5305–5328.

25. Galperin B., Kantha L. H., Hassid S., Rosati A. A quasi-equilibrium turbulent energy model for geophysical flows // J. Atmos. Sc. 1988. V. 45. P. 55–62.

26. Kantha L. H., Clayson C. A. An improved mixed layer model for geophysical applications // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 25,235–25,266.

27. Bougeault P., Lacarrère P. Parameterization of Orography-Induced Turbulence in a Mesobeta-Scale Model // Mon. Wea. Rev. 1989. V. 117. P. 1872–1890.

28. Mellor G. L., Yamada T. A Hierarchy of Turbulence Closure Models for Planetary Boundary Layers // J. Atmos. Sci. 1974. V. 31. P. 1791–1806.

29. Gaspar P., Gregoris Y., Lefevre J.-M. A simple eddy kinetic energy model for simulations of the oceanic vertical mixing Tests at station papa and long-term upper ocean study site // J. Geophys. Res. 1990. V. 95(C9). P. 16179–16193.

30. Umlauf L., Burchard H. A Generic Length-scale Equation for Geophysical Turbulence Models // J. Mar. Sys. 2003. V. 61, N 2. P. 235–265.

31. Umlauf L., Burchard H. Second-order Turbulence Closure Models for Geophysical Boundary Layers a Review of Recent Work // J. Mar. Sys. 2005. V. 25. P. 795–827.

32. Funkquist L. HIROMB, an operational eddy-resolving model for the Baltic Sea // Bulletin of the Maritime Institute in Gdansk. 2001. V. XXVIII, N 2. P. 7–16.

33. High Resolution Limited Area Modelling project HIRLAM. URL: http://hirlam.org (дата обращения: 01.02.2013).

34. Stålnacke P., Grimvall A., Sundblad K., Tonderski A. Estimation of riverine loads of nitrogen and phosphorus to the Baltic Sea 1970–1993 // Environ. Monit. Assess. 1999. V. 58. P. 173–200.

35. NASA's OceanColor Web. URL: http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/ (дата обращения: 01.07.2014).

36. BED — Baltic Environmental Database at Baltic Nest Institute. URL: http://nest.su.se/bed (дата обращения: 01.07.2014).