تعیین اثر واداشت­های مهم بر گردش دریای خزر با استفاده از شبیه­سازی عددی

نویسندگان

1 واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی

2 مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران

3 پژوهشگاه ملی اقیانوس شناسی و علوم جوّی

چکیده

در این تحقیق نقش واداشت‌های گوناگون در گردش و سرعت جریان‌های سطحی دریای خزر با استفاده از مدل سه‌بُعدی COHERENSبرای سال 2004 مورد بررسی قرار گرفته است. در شبیه‌سازی گردش آب دریای خزر، شبکه‌بندی حوزه در راستای افق 0.046×0.046 درجه و در راستای قائم دارای 30 لایه سیگما در نظر گرفته شده و سه اجرای متفاوت برای مدل به انجام رسیده است. ابتدا اثر واداشت باد به مدل اِعمال و جریان‌های بادرانده با این اجرا بررسی شده است. سپس در اجرای دوم فقط واداشت رودخانه‌ای به مدل اِعمال و سرعت‌های جریان ناشی از این واداشت به‌دست آمد. در آخرین اجرا همه واداشت‌های جوّی (سرعت باد، فشار هوا، دمای هوا، آهنگ بارش ، پوشش ابری و رطوبت نسبی) و شرایط اولیه (دما و شوری آب منطقه) در مدل اِعمال شد تا سرعت جریان‌ها در کل خزر محاسبه شود. خروجی‌ها و نتایج اجراهای متفاوت نشان می‌دهد که سرعت جریان‌های ایجاد شده با رودخانه‌ها به تقریب یک دهمسرعت جریان‌های بادرانده است که در ماه‌های مه و ژوئن این نسبت به یک سوم می‌‌رسد.از طرفی مقایسه بین سرعت جریان‌های کلی در سطح دریا و سرعت جریان‌های بادرانده سطحی نشان داده است که واداشت باد اثر زیادی در سرعت جریان‌های کلی دارد و یکی از مهم‌ترین عوامل شکل‌گیری جریان‌های سطحی دریای خزر است. با بررسی اختلاف مقادیر بین سرعت جریان‌های بادرانده و رودخانه‌ای با سرعت جریان‌های کلی و همچنین بررسی ساختار دمایی و اثرات گرادیان دما در ناحیه خزر جنوبی و میانی حاصل از نتایج شبیه‌سازی مشخص شده است که جریان‌های ترموهالاینی نیز نقش موثری در الگوی گردش دریای خزر داشته‌اند.به‌طورکلی در اغلب ماه‌های سال الگوی گردش در لایه‌های زیر‌سطحی تا نزدیک بستر در خزر میانی و جنوبی به‌طور پادساعت‌گرد است. در لایه‌های میانی به طرف بستر، تفاوت مقادیر سرعت جریان بسیار کم است و تا اندازه زیادی شرایط همگن در این لایه‌ها به‌وجود آمده است و در نتیجه تغییرات سرعت جریان در این لایه‌ها مقدار قابل‌توجهی نیست. جریان‌هایعمیق در امتداد هم‌عمق‌ها در خزر جنوبی نیز از ویژگی‌های گردش آب‌های عمیق این حوزه است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A study of the roles of important forcing mechanisms on the circulation of the Caspian Sea using numerical simulation

نویسندگان [English]

  • Maryam Shiea 1
  • Abbas-Ali Ali-Akbari Bidokhti 2
  • Vahid Chegini 3
چکیده [English]

In this study, the roles of different driving forces of circulation (or flow) pattern of the Caspian Sea surface have been evaluated using COHERENS(a three-dimensional hydrodynamic model) for the year 2004. The model is based on the hydrostatic version of the Navier-Stokes equations. The hydrodynamic part of the model uses the equations of temperature and salinity, and the momentum equations use the Boussinesq approximation, an assumption of vertical hydrostatic equilibrium, and the continuity equation. The equations of the model are discretised on an Arakawa C-grid. The equations of momentum and continuity that are solved numerically use the mode-splitting technique. In order to simulate the circulation of the Caspian Sea, the gridded fields were chosen as 0.046 × 0.046 degrees along the horizontal directions, which gave a grid size of about 5 km, and 30 sigmalayers along the vertical axis. The model was set up for three different forcing configurations. First, the effects of only wind forcing were evaluated using some field observations of wind-driven currents. In the second cofiguration, only the river driving-force was evaluated by the model and the flow fields were obtained. Finally, in the last configuration, all driving-forces such as wind forcing, air pressure, air temperature, precipitation rate, cloud cover and humidity along the initial conditions including temperature and salinity of the basin were examined in order to calculate the overall circulation of the Caspian Sea. The outputs and results showed that the approximate mean current created only by rivers was 110 of the circulation velocity created by the wind driving force and this was about 13 in May and June due to an increase in the discharge of the Volga River. However, the peak velocity of the wind-driven current was much less than that of the currents caused by the river Volga near its entrance. Because the wind forcing also plays an effective role in evaporation over the water surface, and changes the density of water masses, it could be considered a factor that indirectly contributed to the formation of currents as a result of the density gradient. Also the rivers, due to their low salinity and a different temperature, can change the water density creating currents resulted from the density gradient.     Our results showed that the mean surface current speed for most of the year, regardless of the wind effect on the formation of currents, caused by density gradients, is caused mainly by the wind stress. Therefore, it could be concluded that the wind-driven forcing near the surface was the main cause of surface current formations of the Caspian Sea. Our results also showed that with all forcing thermohaline circulation in the northern part of the Caspian Sea in cold seasons and deep basin water, circulations during the year were the main components of abyssal flows in the Caspian Sea. The interesting feature of the deep flow was the abyssal flow over the Abshooran sill (between the middle and southern basins of the Caspian Sea) that as it entered the southern basin it generated an isobathic flow in the deeper part of this basin. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Caspian Sea
  • current velocity
  • wind forcing
  • thermohaline circulation
  • COHERENSmodel

بهلولی، ا.، منتظری، م.، طاهری، ا.، 1393، شبیه سازی الگوی جریان‌های ناشی از باد در دریای خزر با استفاده از مدل PMODynamics، یازدهمین همایش بین المللی ICOPMAS.

لاهیجانی، ح.، سال 1383، مقدمه‌ای بر ویژگی‌های دریای خزر، انتشارات نوربخش، 16-22.

نسیمی، س.، غیاثی، ر.، 1385، مدل سه بعدی گردش آب و ساختار دما در دریای خزر.، مجله فیزیک زمین و فضا، 32(2) ، 99-116.

Arakawa, A. and Suarez M.J., 1983. Vertical differencing of the primitive equations in sigma coordinates. Monthly Weather Review, 111, 34–45.

Aubrey, D.G., Glushko, T.A., Ivanov, V.A. et al., 1994. North Caspian Basin: Environmental status and oil and gas operational issues, Report for Mobil-oil, 650 pages.

Aubrey, D.G., 1994. Conservation  of biological diversity of the Caspian Sea and its coastal zone. A proposal the Global Environment Facility, Report to GEF , 250 pages.

Baidin, S. S. and Kosarev, A.N., 1986. Kaspiiskoe more, Gidrologiya a Gidrohimiya, Nauka, Moscow, USSR.

Bondarenko, A.L., , 1993. Techeniya Kaspiiskogo moray I formirovanie polya solenosti vod Severnogo Kaspiya, Nauka, Moscow, Russia.

Geernaert G.L., Katsaros K.B. and Richter K., 1986. Variation of the drag coefficient and its dependence on sea state. Journal of Geophysical Research, 91, 7667–7679.

Ibrayev, R., ozsoy, E., Schrum, C and Sur, H.I., 2010. Seasonal variability of the Caspian

 Sea three- dimensional circulation sea level and air-sea interaction. Ocean Science., No. 6, pp. 311-    329.

Kaplin, P. 1995. The Caspian: Its past, present and future, p. 71-117. In A. F. Mandych [ed.], Enclosed seas and large lakes of eastern Europe and middle Asia. SPB, The Hague.

Kara, A.B., Wallcraft Alan.J and Metzer E.J., 2010. Cunduz Murat, Impacts of freshwater on the seasonal variations of surface salinity and circulation in the Caspian Sea. Continental Shelf Research., No. 30, pp. 1211-1225.

Kosarev, A. N. and Yablonskaya, E. A., 1994. The Caspian Sea, SPB Academic Publishing.

Kosarev, A. N., 1975. Gidrologiya Kaspiiskogo i Aralskogo morey, Moscow University Press, Moscow, USSR.

Knysh, V.V., Ibrayev, R.A., Korotaev, G.K and Inyushina, N.V., 2008. Seasonal variability of climate currents in the Caspian Sea reconstructed by assimilation of climatic temperature and salinity into the model of water circulation. Atmospheric and Oceanic Physics., Vol. 44, No. 2, pp. 236-249.

Lednev, V. A., 1943 . Techeniya Severnogo i Srednego Kaspiya, Morskoy Transport, Moscow, USSR.

 Luyten, P.J., Jones, J.E., Proctor, R., Tabor, A., Tett, P., and Wild-Allen, K., 1999. COHERENS- A coupled hydrodynamical-ecological model for regional and shelf seas: user documentation, MUMM Rep., Management Unit of the Mathematical Models of the North Sea.

Mazaheri, S., Kamranzad, B., Hajivalie, F., 2013. Modification of 32 years ECMWF wind field using QuikSCAT data for wave hindcasting in Iranian Seas. J. Coastal Research, Special Issue No. pp., 344- 349. 

Smagorinsky J., 1963. General circulation experiments with the primitive equations – I.The basic experiment. Monthly Weather Review, 91, 99–165. 

Stockman, W., 1938. Issledovaniya kinematiki techeniy u zapadnogo berega v sredney hasti aspiiskogo moray, Transactions of the Azerbaidjan Scientific-Investigative Fishery station, Baku, USSR, 1, p. 76, 1938.

Tuzhilkin, V. S., Kosarev, A.N., 2005. Thermohaline Structure and General Circulation of the Caspian Sea Waters, p 33-58. In A. G. Kostianov and A. N. Kosarev [editors], The Caspian Sea Environment (Handbook of Environmental Chemistry).

Terziev, F.S., Kosarev, A.N., Kerimov, A.A. (Eds.), 1992. Hydrometerology and Hydrochemistry of Seas. Caspian Sea, vol. Vl, Hydrometeorological Conditions, issue 1.S.-Petersburg, Hydrometeoizdat, 359PP. (in Russian).