Моделирование Гибралтарского пролива: от оперативной океанографии до взаимодействия масштабов

Сделан обзор работ, посвящённых моделированию океанологических процессов в Гибралтарском проливе. Это район, в котором поверхностные Атлантические воды поступают в Средиземное море, а вытекающие Средиземноморские воды распространяются на средних глубинах Северной Атлантики, формируя значительную термохалинную аномалию. Кроме среднего водообмена рассматриваются и другие процессы, такие как приливы, внутренние волны высокой амплитуды, субинерциальные колебания, вызванные метеорологическими явлениями синоптического масштаба, перемешивание и широкий спектр пространственно-временных масштабов. Значительный прогресс, достигнутый в понимании и моделировании океанологических процессов в Гибралтарском проливе, позволяет отвечать на новые общественные запросы и ставить новые научные задачи. Одним из социоэкономических требований является увеличивающаяся потребность в оперативной океанографической информации для использования в процессе принятия решений в районе, который является одним из наиболее интенсивных судоходных проливов в мире, и в результате этого подвергается повышенному риску морских происшествий и загрязнения окружающей среды. В статье описывается Оперативная Океанографическая Система для Гибралтарского пролива, отвечающая вышеуказанным требованиям. Новые научные задачи вызывают необходимость в развитии модельных исследований, учитывающих процессы и взаимодействие между разными масштабами. Используя глобальную модель циркуляции океана с регионально увеличенным пространственным разрешением вокруг Иберийского полуострова, мы смогли разрешить процессы локальных масштабов в Гибралтарском проливе и Кадисском заливе, в то же время учитывая процессы происходящие в масштабах всего Атлантического океана. Нами было обнаружено, что вызванные приливами процессы локального масштаба в Гибралтарском проливе и Кадисском заливе оказывают существенный вклад в распределение средиземноморских вод в Атлантическом океане.

1. Martínez Navarro B. Early pleistocene faunas of Eurasia and hominid dispersal // Out of Africa I: The First Hominin Colonization of Eurasia / Eds. J. G. Fleagle et al., Springer, 2010. P. 207—224.

2. Otte M. Contacts entre Afrique du nord et Europe durant la Préhistoire // Actes du Premier Colloque de Préhistoire Maghrebine. Tome I. P. 193—207. Alger: CNRPAH 11, 2011.

3. Luzón-Nogué J. M. La navegación en la Edad de Bronce en el Mediterráneo y los primeros navegantes del Estrecho de Gibraltar // Historia del Paso del estrecho de Gibraltar / Eds. j.M. Astillero Ramos. Madrid, SECEG, 1995, P. 41—63.

4. Deacon M. An early theory of ocean circulation: J. S. Von Waitz and his explanation of the currents in the Strait of Gibraltar // Prog. in Ocea. 1985. 14. P. 89—101.

5. Carling J. Migration control and migrant fatalities at the Spanish-African Borders // International Migration Review. 2007. 41(2). P. 316—343.

6. Garcia-Castellanos D., Estrada F., Jiménez-Munt I., Gorini C., Fernàndez M., Vergés, J. & De Vicente R. Catastrophic flood of the Mediterranean after the Messinian salinity crisis // Nature. 2009. 462. P. 778—781.

7. Bray N. A., Ochoa J., Kinder T. H. The role of the interface in exchange through the Strait of Gibraltar // J. Geophys. Res. 1995. 100. P. 10,755—10,776.

8. Bryden H., Stommel H. Limiting processes that determine basic features of the circulation of the Mediterranean Sea // Oceano. Acta. 1984. 7, 3. P. 289—296.

9. Armi L., Farmer D. The internal hydraulics of the Strait of Gibraltar and associated sill and narrows // Oceano. Acta. 1985. 8, 1. P. 37—46.

10. Armi L., Farmer D. The flow of Mediterranean Water through the Strait of Gibraltar // Progress in Oceanography. 1988. 21. P. 1—105.

11. Farmer D., Armi L. The flow of Atlantic Water through the Strait of Gibraltar // Progress in Oceanography. 1988. 21. P. 1—105

12. Lacombe H., Richez C. The regime of the Strait of Gibraltar // Hydrodynamics of Semi-enclosed Seas. J. Nihoul, Elsevier Oceanogr. Ser. 1982. 34. P. 13—73.

13. Candela J., Winant C. D., Bryden H. L. Meteorologically forced subinertial flows through the Strait of Gibraltar // J. Geophys. Res. 1989. 94. P. 12667—12679.

14. Candela J., Winant C. D., Ruiz A. Tides in the Strait of Gibraltar // J. Geophys. Res. 1990. 95. P. 7313—7335.

15. Frassetto R. Short period vertical displacements of the upper layer of the Strait of Gibraltar // Saclantcen Technical Report. 1964. 30. La Spezia (Italy).

16. Ziegenbein J. Short internal waves in the Strait of Gibraltar // Deep-Sea Res. 1969. 16. P. 479—487.

17. Boyce F. M. Internal waves in the Strait of Gibraltar // Deep-Sea Res. 1975. 22. P. 597—610.

18. Sánchez P., Pascual J. R. Primeras experiencias en la modelación del Estrecho de Gibraltar // Seminario Sobre la Oceanografía Física del Estrecho de Gibraltar / Eds. J. L. Almazán et al. Escuela Superior Ing. Caminos, Canales y Puertos, Madrid, 1988. P. 251—282.

19. González M., García M. A., Espino M., Sánclez-Arcilla A. Un modelo numérico en elementos finitos para la corriente inducida por la marea. Aplicaciones al Estrecho de Gibraltar // Rev. Int. Métodos Num. Calc. Disenño Ing. 1995. 11. P. 383—400.

20. Tejedor L., Izquierdo A., Sein D. V., Kagan B. A. Tides and tidal energetics of the Strait of Gibraltar: a modelling approach // Tectonophysics. 1998. 294. P. 333—347.

21. Tejedor L., Izquierdo A., Kagan B. A., Sein D. V. Simulation of the semidiurnal tides in the Strait of Gibraltar // J. Geophys. Res. 1999. 104 (C6). P. 13541—13557.

22. García Lafuente J. M. Variabilidad del nivel del mar en el Estrecho de Gibraltar: Mareas y oscilaciones residuals. Ph.D Thesis, Instituto Español de Oceanografía, Málaga, Spain, 1986. 154 p.

23. Pierini S. A model for the Alboran Sea internal solitary waves // J. Phys. Oceanogr. 1989. 19. 755—772.

24. Longo A., Manzo M., Pierini S. A model for the generation of non-linear internal tides in the Strait of Gibraltar // Oceanol. Acta. 1992. 15. P. 233—243.

25. Brandt P., Alpers W., Backhaus O. Study of the generation and propagation of internal waves in the Strait of Gibraltar using a numerical model and synthetic aperture radar images of the European ERS-1 // J. Geophys. Res. 1996. 101. P. 14237—14252.

26. Sein D. V., Backhaus J. O., Brandt P., Izquierdo A., Kagan B. A., Rubino A., Tejedor L. Flow exchange and tidally induced dynamics in the Strait of Gibraltar derived from a two-layer, boundary-fitted coordinate model // Oceanic Fronts and Related Phenomena. IOC Workshop Report Series, 159, P. 497—502. UNESCO, 2000.

27. Izquierdo A., Tejedor L., Sein D. V., Backhaus J. O., Brandt P., Rubino A., Kagan B. A. Control variability and internal bore evolution in the Strait of Gibraltar: a 2-D two-layer model study // Est., Coast. and Shelf Sc. 2001. 53. P. 637—651.

28. Morozov E. G., Trulsen K., Velarde M., Vlasenko V. Internal tides in the Strait of Gibraltar // Journal of Physical Oceanography. 2002. 32. P. 3193—3206.

29. Kinder T. H., Bryden H. L. The 1985-1986 Gibraltar Experiment: Data collection and preliminary results // EOS (Trans. Am. Geophys. Union). 1987. 68: 786.

30. Vázquez A., Stashchuk N., Vlasenko V., Bruno M., Izquierdo A., Gallacher P. C. Evidence of multimodal structure of the baroclinic tide in the Strait of Gibraltar // Geophys. Res. Lett. 2006. 33, 17. L17605.

31. Wang D. P. Model of mean and tidal flows in the Strait of Gibraltar // Deep-Sea Res. 1989. 36. P. 1535—1548.

32. Wang D. P. The Strait of Gibraltar Model: Internal tide, diurnal inequality and fortnightly modulation // Deep-Sea Res. 1993. 40. P. 1187—1203.

33. Androsov A. A., Vol‘tsinger N. E., Liberman Yu. M., Romanenkov D. A. Modeling the Dynamics of Waters in the Strait of Gibraltar // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2000. 36, 4. P. 484—499.

34. Sannino G., Bargagli A., Artale V. Numerical modeling of the mean exchange through the strait of Gibraltar // Journal of Geophys. Res. 2002. 107, 9. P. 1—24.

35. Sannino G., Bargagli A., Artale V. Numerical modelling of the semidiurnal tidal exchange through the strait of Gibraltar // J. Geophys. Res. 2004. 109, C05011. doi:10.1029/2003JC002057.

36. Sannino G., Carillo A., Artale V. Three-layer view of transports and hydraulics in the strait of Gibraltar: A three-dimensionalmodel study // J. Geophys. Res. 2007. 112, C03010. doi:10.1029/2006JC003717

37. Vlasenko V., Sanchez Garrido J. C., Stashchuk N., Garcia Lafuente J., Losada M. Three-Dimensional Evolution of Large-Amplitude Internal Waves in the Strait of Gibraltar // J. Phys. Oceanogr. 2009. 39, 22302246.

38. Sannino G., Sánchez Garrido J. C., Liberti L., Pratt L. Exchange Flow through the Strait of Gibraltar as Simulated by a σ-Coordinate Hydrostatic Model and a z-Coordinate Nonhydrostatic Model // The Mediterranean Sea: Temporal Variability and Spatial Patterns / Eds. G. L. E. Borzelli, M. Gačić, P. Lionello, P. Malanotte-Rizzoli. Oxford: John Wiley & Sons, Inc., 2014. doi: 10.1002/9781118847572.ch3

39. Вольцингер Н. Е., Андросов А. А. Негидростатическая динамика проливов Мирового океана // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2016. Т. 9, № 1. С. 26—40.

40. Garrett C. Variable sea level and strait flows in the Mediterranean: A theoretical study of the response to meteorological forcing // Oceanol. Acta. 1983. 6. P. 79—87.

41. García-Lafuente J., Delgado J., Criado F. Inflow interruption by meteorological forcing in the Strait of Gibraltar // Geophys. Res. Lett. 2002. 29 (19), 1914.

42. Stanichny S., Tigny V., Stanichnaya R., Djenidi S. Wind driven upwelling along the African coast of the Strait of Gibraltar // Geophys. Res. Lett. 2005. 32 (4). L04604.

43. Peliz A.l., Teles-Machado A., Marchesiello P., Dubert J., Lafuente J. G. Filament generation off the Strait of Gibraltar in response to Gap winds // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 2009. 4. P. 36—45.

44. Reyes-Reyes E., Bruno M., Izquierdo A. A forced ocean-atmosphere model to perform long-term hydrodynamic response induced by atmospheric forcing within the Strait of Gibraltar // Rapp. Comm. int. Mer Médit. 2010. 39:166.

45. Plomaritis T., Benavente J., delRio L., Reyes E., Dastis C., Gomez M., Bruno M. Storm early warning system as last plug-in of a regional operational oceanography system: the case of the Gulf of Cadiz // Coast. Enginee. Proceeds. 2012. 1(33)

46. Grell G. A., Dudhia J., Stauffer D. R. A description of the fifth-generation Penn State/NCAR mesoscale model (MM5). NCAR/TN-398+STR, 1994. 117 p.

47. Álvarez O., Izquierdo A., Tejedor B., Mañanes R., Tejedor L., Kagan B. A. The influence of sediment load on tidal dynamics, a case study: Cádiz Bay // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1999. 48 (4). P. 439—450.

48. Alvarez O., González C. J., Mañanes R., López L., Bruno M., Izquierdo A., Gómez-Enri J., Forero M. Analysis of shortperiod internal waves using wave-induced surface displacement: A 3D model approach in Algeciras Bay and the Strait of Gibraltar // J. Geophys. Res. 2011. 116. C12033.

49. González C. J., Álvarez O., Mañanes R., Izquierdo A., Bruno M., Gomiz J. J., Chioua J., López L. Baroclinic M2 tidal circulation in Algeciras Bay and its implications for the water exchange with the Strait of Gibraltar: Observational and 3-D model results // J. Geophys. Res. 2013. 118. doi:10.1002/jgrc.20404

50. González C. J. et al. Hydrodynamic modelling and operational oceanography for oil-spill events in the andalusian coast: a real case study during the fedra accident (October 2008) // Instrumentation viewpoint. 2011. 11. p. 80.

51. Reid J. L. On the contribution of the Mediterranean Sea outflowto the Norwegian-Greenland Sea // Deep Sea Res. Part A. Oceanogra Res Pap. 1979. 26. P. 1199—1223.

52. McCartney MS., Mauritzen C. On the origin of the warm inflow to the Nordic Seas // Prog Oceanogr. 2001. 51. P. 125—214.

53. Candela J. The Gibraltar Strait and its role in the dynamics of the Mediterranean Sea // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1991. 15. P. 267—298.

54. Bryden H. L., Candela J., Kinder T. H. Exchange through the Strait of Gibraltar // Progress in Oceanography. 1994. 33. P. 201—248.

55. Maier-Reimer E. Design of a closed boundary regional model of the Arctic Ocean, Workshop on Polar Processes in Global Climate // Bull. Amer. Meteor. Soc., 1997.

56. Marsland S. J., Haak H., Jungclaus J. H., Latif M., Röske F. The Max Planck Institute global ocean/sea ice model with orthogonal curvilinear coordinates // Ocean Modell. 2003. 5. P. 91—127.

57. Jungclaus J. H., Fischer N., Haak H., Lohmann K., Marotzke J., Matei D., Mikolajewicz U., Notz D., von Storch J. S. Characteristics of the ocean simulations in MPIOM, the ocean component of the MPI-Earth system model // J. Adv. Model. Earth Syst. 2013. 5. P. 422—446.

58. Röske F. An atlas of surface fluxes based on the ECMWF Re-Analysis –– a climatological dataset to force global ocean general circulation models. Report 323, Max-Planck-Institut fur Meteorologie, Hamburg, Germany, 2001.

59. Iorga M. C., Lozier M. S. Signatures of the Mediterranean outflow from a North Atlantic climatology: 1. Salinity and density fields // J. Geophys. Res. 1999. 104. P. 25985— 26009.