Морской гидрофизический журнал. 2022; 38: 218-234
Влияние приливного диапикнического перемешивания на климатические характеристики моря Лаптевых в безледный период
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-2-218-234Аннотация
Цель. Оценить роль диапикнического перемешивания, обусловленного диссипацией энергии бароклинного прилива, в формировании климатических характеристик в море Лаптевых в летний период – цель настоящей работы.
Методы и результаты. С применением высокоразрешающей трехмерной конечно-элементной модели воспроизводится динамика моря с учетом и без учета приливного форсинга. Пространственное разрешение неструктурированной сетки изменяется в пределах 1–18 км. Ветровой и термохалинный (восстановление температуры и солености морской воды к заданным значениям на поверхности моря) форсинги, а также уровень моря на открытой границе расчетной области задаются климатическими, соответствующими летнему (июль, август) безледному периоду в море Лаптевых. Приливный форсинг задается косвенным способом: коэффициент диапикнической диффузии, определяемый решением задачи о динамике бароклинного прилива в соответствии с приближением о «слабом взаимодействии» турбулентности различного происхождения, добавляется к коэффициенту вертикальной турбулентной диффузии, контролируемому ветровым и термохалинным форсингами.
Выводы. Сравнение изменений температуры и солености морской воды, индуцируемых диапикническим перемешиванием, с климатическими характеристиками как таковыми показывает, что изменения и особенно их экстремальные значения хорошо выявляются и их игнорирование не всегда приемлемо. Это подтверждается средними (за приливный цикл и по площади выделенной зоны моря, отличающейся от других глубинами) вертикальными профилями нескорректированного и скорректированного (за счет диапикнической диффузии) коэффициентов вертикального турбулентного перемешивания. Оба профиля отличаются один от другого если не во всем море, то по крайней мере в пределах ~ 40% его объема.
Список литературы
1. Каган Б. А., Софьина Е. В. Способ учета приливных изменений региональных климатов водоемов на примере безледного Баренцева моря // Океанология. 2017. Т. 57, № 2. С. 275–283. doi:10.7868/S0030157416060046
2. Каган Б. А., Софьина Е. В., Тимофеев А. А. Влияние приливов на климатические характеристики Карского моря в безледный период // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55, № 2. С. 51–60. doi:10.31857/S0002-351555251-60
3. Jayne S. R., Laurent L. C. St. Parameterizing tidal dissipation over rough topography // Geophysical Research Letters. 2001. Vol. 28, iss. 5. P. 811–814. doi:10.1029/2000GL012044
4. Osborn T. R. Estimates of the Local Rate of Vertical Diffusion from Dissipation Measurements // Journal of Physical Oceanography. 1980. Vol. 10, iss. 1. P. 83–89. doi:10.1175/1520-0485(1980)010<0083:EOTLRO>2.0.CO;2
5. Заславский Г. М., Сагдеев Р. З. Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса. М. : Наука, 1988. 368 с. URL: https://ikfia.ysn.ru/wpcontent/uploads/2018/01/ZaslavskijSagdeev1988ru.pdf (дата обращения: 15.03.2022).
6. Ip J. T. C., Lynch D. R. Comprehensive Coastal Circulation Simulation using Finite Elements: Nonlinear Prognostic Time-Stepping Model : QUODDY3 User's Manual. Hanover, New Hampshire, USA : Thayer School of Engineering, Dartmouth College, 1995. 45 p.
7. Evaluation of Seven Different Atmospheric Reanalysis Products in the Arctic / R. Lindsay [et al.] // Journal of Climate. 2014. Vol. 27, iss. 7. P. 2588–2606. doi:10.1175/JCLI-D-13-00014.1
8. Rio M. H., Guinehut S., Larnicol G. New CNES-CLS09 global mean dynamic topography computed from the combination of GRACE data, altimetry, and in situ measurements // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011. Vol. 116, iss. C7. С07018. doi:10.1029/2010JC006505
9. Jayne S. R. The Impact of Abyssal Mixing Parameterizations in an Ocean General Circulation Model // Journal of Physical Oceanography. 2009. Vol. 39, iss. 7. P. 1756–1775. doi:10.1175/2009JPO4085.1
10. Environmental Working Group. Joint U.S.-Russian Atlas of the Arctic Ocean, Version 1 [Electronic resource] / Eds. L. Timokhov, F. Tanis. Boulder, Colorado, USA : NSIDC, 1997. doi:10.7265/N5H12ZX4
11. Каган Б. А., Тимофеев А. А. Определение диссипации бароклинной приливной энергии и связанного с ней коэффициента диапикнической диффузии как первый шаг оценивания роли приливных эффектов в формировании климатических характеристик моря Лаптевых // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 4. С. 39–49. doi:10.7868/S2073667320040048
12. Kozlov I. E., Zubkova E. V., Kudryavtsev V. N. Internal Solitary Waves in the Laptev Sea: First Results of Spaceborne SAR Observations // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2017. Vol. 14, iss. 11. P. 2047–2051. doi:10.1109/LGRS.2017.2749681
13. Каган Б. А., Тимофеев А. А. Высокоразрешающее моделирование полусуточных внутренних приливных волн в безледный период в море Лаптевых: их динамика и энергетика // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56, № 5. С. 586–597. doi:10.31857/S0002351520050041
14. Pingree R. D., New A. L. Structure, seasonal development and sunglint spatial coherence of the internal tide on the Celtic and Armorican shelves and in the Bay of Biscay // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1995. Vol. 42, iss. 2. P. 245–284. doi:10.1016/0967-0637(94)00041-P
15. Hsu M.-K., Liu A. K, Liu C. A study of internal waves in the China Seas and Yellow Sea using SAR // Continental Shelf Research. 2000. Vol. 20, iss. 4–5. P. 389–410. doi:10.1016/S0278-4343(99)00078-3
16. Holloway P. E., Chatwin P. G., Craig P. Internal Tide Observations from the Australian North West Shelf in Summer 1995 // Journal of Physical Oceanography. 2001. Vol. 31, iss. 5. P. 1182–1199. doi:10.1175/1520-0485(2001)031<1182:ITOFTA>2.0.CO;2
17. Rainville L., Pinkel R. Propagation of Low-Mode Internal Waves through the Ocean // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36, iss. 6. P. 1220–1236. doi:10.1175/JPO2889.1
18. Nonlinear internal waves forced by tides near the critical latitude / V. Vlasenko [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2003. Vol. 50, iss. 3. P. 317–338. doi:10.1016/S0967-0637(03)00018-9
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2022; 38: 218-234
Effect of Diapycnal Mixing on Climatic Characteristics of the Laptev Sea in the Ice-Free Period
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-2-218-234Abstract
Purpose. The present study is aimed at evaluating the role of diapycnal mixing conditioned by the dissipation of baroclinic tide energy, in formation of climatic characteristics of the Laptev Sea in summer period.
Methods and Results. The sea dynamics with and without tidal forcing is reproduced using the highresolution 3D finite element model. Spatial resolution of the unstructured grid varied from 1 to 18 km. The wind and thermohaline (seawater temperature and salinity restoring to the specified values on the sea surface) forcings, as well as the sea level at the domain open boundary, are set by the climatic affects corresponding to the summer (July, August) ice-free period in the Laptev Sea. The tidal forcing is set by an indirect method: the diapycnal diffusion coefficient defined, in accordance with the approximation of “weak interaction” of turbulence of various origins, by solving the problem on the baroclinic tide dynamics, is added to the vertical turbulent diffusion coefficient controlled by the wind and thermohaline forcings.
Conclusions. The changes in seawater temperature and salinity induced by diapycnal mixing, having been compared to the climatic characteristics as such show that, as a rule, they (especially, their extremal values) are detectable well, and that their ignoring is not always acceptable. This is confirmed by the average (over the tidal cycle and over the area of the identified sea zone differing from the others by depth) vertical profiles of the uncorrected and corrected (due to the internal tidal wave effects) vertical turbulent mixing coefficients. The profiles differ from one another, if not in the entire sea, then at least within ~ 40% of its volume.
References
1. Kagan B. A., Sof'ina E. V. Sposob ucheta prilivnykh izmenenii regional'nykh klimatov vodoemov na primere bezlednogo Barentseva morya // Okeanologiya. 2017. T. 57, № 2. S. 275–283. doi:10.7868/S0030157416060046
2. Kagan B. A., Sof'ina E. V., Timofeev A. A. Vliyanie prilivov na klimaticheskie kharakteristiki Karskogo morya v bezlednyi period // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2019. T. 55, № 2. S. 51–60. doi:10.31857/S0002-351555251-60
3. Jayne S. R., Laurent L. C. St. Parameterizing tidal dissipation over rough topography // Geophysical Research Letters. 2001. Vol. 28, iss. 5. P. 811–814. doi:10.1029/2000GL012044
4. Osborn T. R. Estimates of the Local Rate of Vertical Diffusion from Dissipation Measurements // Journal of Physical Oceanography. 1980. Vol. 10, iss. 1. P. 83–89. doi:10.1175/1520-0485(1980)010<0083:EOTLRO>2.0.CO;2
5. Zaslavskii G. M., Sagdeev R. Z. Vvedenie v nelineinuyu fiziku: ot mayatnika do turbulentnosti i khaosa. M. : Nauka, 1988. 368 s. URL: https://ikfia.ysn.ru/wpcontent/uploads/2018/01/ZaslavskijSagdeev1988ru.pdf (data obrashcheniya: 15.03.2022).
6. Ip J. T. C., Lynch D. R. Comprehensive Coastal Circulation Simulation using Finite Elements: Nonlinear Prognostic Time-Stepping Model : QUODDY3 User's Manual. Hanover, New Hampshire, USA : Thayer School of Engineering, Dartmouth College, 1995. 45 p.
7. Evaluation of Seven Different Atmospheric Reanalysis Products in the Arctic / R. Lindsay [et al.] // Journal of Climate. 2014. Vol. 27, iss. 7. P. 2588–2606. doi:10.1175/JCLI-D-13-00014.1
8. Rio M. H., Guinehut S., Larnicol G. New CNES-CLS09 global mean dynamic topography computed from the combination of GRACE data, altimetry, and in situ measurements // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011. Vol. 116, iss. C7. S07018. doi:10.1029/2010JC006505
9. Jayne S. R. The Impact of Abyssal Mixing Parameterizations in an Ocean General Circulation Model // Journal of Physical Oceanography. 2009. Vol. 39, iss. 7. P. 1756–1775. doi:10.1175/2009JPO4085.1
10. Environmental Working Group. Joint U.S.-Russian Atlas of the Arctic Ocean, Version 1 [Electronic resource] / Eds. L. Timokhov, F. Tanis. Boulder, Colorado, USA : NSIDC, 1997. doi:10.7265/N5H12ZX4
11. Kagan B. A., Timofeev A. A. Opredelenie dissipatsii baroklinnoi prilivnoi energii i svyazannogo s nei koeffitsienta diapiknicheskoi diffuzii kak pervyi shag otsenivaniya roli prilivnykh effektov v formirovanii klimaticheskikh kharakteristik morya Laptevykh // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2020. T. 13, № 4. S. 39–49. doi:10.7868/S2073667320040048
12. Kozlov I. E., Zubkova E. V., Kudryavtsev V. N. Internal Solitary Waves in the Laptev Sea: First Results of Spaceborne SAR Observations // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2017. Vol. 14, iss. 11. P. 2047–2051. doi:10.1109/LGRS.2017.2749681
13. Kagan B. A., Timofeev A. A. Vysokorazreshayushchee modelirovanie polusutochnykh vnutrennikh prilivnykh voln v bezlednyi period v more Laptevykh: ikh dinamika i energetika // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2020. T. 56, № 5. S. 586–597. doi:10.31857/S0002351520050041
14. Pingree R. D., New A. L. Structure, seasonal development and sunglint spatial coherence of the internal tide on the Celtic and Armorican shelves and in the Bay of Biscay // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1995. Vol. 42, iss. 2. P. 245–284. doi:10.1016/0967-0637(94)00041-P
15. Hsu M.-K., Liu A. K, Liu C. A study of internal waves in the China Seas and Yellow Sea using SAR // Continental Shelf Research. 2000. Vol. 20, iss. 4–5. P. 389–410. doi:10.1016/S0278-4343(99)00078-3
16. Holloway P. E., Chatwin P. G., Craig P. Internal Tide Observations from the Australian North West Shelf in Summer 1995 // Journal of Physical Oceanography. 2001. Vol. 31, iss. 5. P. 1182–1199. doi:10.1175/1520-0485(2001)031<1182:ITOFTA>2.0.CO;2
17. Rainville L., Pinkel R. Propagation of Low-Mode Internal Waves through the Ocean // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36, iss. 6. P. 1220–1236. doi:10.1175/JPO2889.1
18. Nonlinear internal waves forced by tides near the critical latitude / V. Vlasenko [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2003. Vol. 50, iss. 3. P. 317–338. doi:10.1016/S0967-0637(03)00018-9
