Warstwa górna a warstwa głębinowa dwa reżimy cyrkulacji wód w Morzu Bałtyckim. Robert Osiński, Jaromir Jakacki

Transkrypt

1 Warstwa górna a warstwa głębinowa dwa reżimy cyrkulacji wód w Morzu Bałtyckim. Robert Osiński, Jaromir Jakacki Instytut Oceanologii PAN roberto@iopan.gda.pl Badania naukowe można klasyfikować jako teoretyczne i doświadczalne. Jednak w ostatnich latach dzięki szybkiemu rozwojowi wydajności obliczeniowej superkomputerów 1, pojawiła się nowa kategoria badań, badania obliczeniowe. W rozwijającym się świecie techniki - możliwości i dostepność supekomputerów jest coraz większa. W ciągu ostatnich pięciu lat wydajność maszyn obliczeniowych wzrosła dziesięciokrotnie ( przechodząc z osbszaru wydajności tera- (10 12 ) do peta- (10 15 ) FLOPS (liczba operacji zmiennoprzecinkowych na sekondę). Pozwala to na budowę modeli numerycznych oceanu a także systemu atmosfera-lód morski-ocean, które z dużą dokładnością odzwierciedlają stan i zmiany w środowisku morskim. Symulacja komputerowa pozwala przeprowadzić eksperyment w stworzonym numerycznie świecie z zadanymi rzeczywistymi siłami wymuszającymi i poddać wynik analizie podobnej jak dane pomiarowe. Przewagą wyników obliczeń numerycznych jest trójwymiarowy obraz pól, którego zmienność może być przedstawiona w postaci animacji. Takie przedstawienie wyników prac naukowych może mieć również duże znaczenie dydaktyczne i w łatwy i nowoczesny sposób propagować np. wiedzę o Morzu Bałtyckim i jego roli w kształtowaniu klimatu Północnej Europy. W niniejszej prezentacji przedstawimy analizę cyrkulacji wód w Morzu Bałtyckim w ostatnich dwóch dekadach na podstawie obliczeń numerycznych wykonanych na superkomputerach znajdujących się centrum informatycznym TASK na Politechnice Gdańskiej. Morze Bałtyckie, jeden z największych zbiorników wód słonawych, jest płytkim, półzamkniętym morzem szelfowym (średnia głębokość 52 m, tylko10% powierzchni morza ma głębokość powyżej 100 m) o ograniczonym kontakcie z oceanem. Złożona linia brzegowa i stosunkowo bogata topografia dna powoduje, że można wydzielić regiony o odmiennym charakterze hydrologicznym. Ogólnie przyjmuje się podział na 7 regionów: Botnik Północny (Zatoka Botnicka), Botnik Południowy (Morze Botnickie), Zatoka Fińska, Zatoka Ryska, Bałtyk Właściwy (Bałtyk Południowy, Baltic Proper) - największy i najgłębszy region, Cieśniny Duńskie i Kattegat. Rejony takie jak Zatoka Fińska i Ryska nie mają wyraźnych progów topograficznych oddzielających je od reszty akwenu, lecz istniejące bardzo silne fronty hydrologiczne i ukształtowanie linii brzegowej dają podstawę do wydzielenia tych akwenów. Największym powierzchniowo i objętościowo jest Bałtyk Właściwy (ponad 50 % objętości i powierzchni wody). Każdy region można traktować jako oddzielny obiekt, który zawiera podobiekty np. Bałtyk Właściwy zawiera między innymi: Basen Bornholmski, Głębię Gdańską, Rynnę Słupską, Basen Gotlandzki. W Bałtyku występuje szereg niewielkich 1 Superkomputery to komputery, które w danym czasie mają największą moc obliczeniową.

2 elementów topograficznych, które mimo swych małych rozmiarów mają zasadnicze znaczenie dla hydrologii i cyrkulacji wód w akwenie. Morze Bałtyckie można traktować jako wielkie estuarium, gdzie znaczny dopływ wód słodkich i ograniczona wymiana wód z Morzem Północnym, powodują silną pionową stratyfikację gęstościową. Dynamika estuariów jest głównie determinowana przez zmienne dopływy wód słodkich i wymianę przez cieśniny. Istnije jednak mezoskalowa dynamika, pojawiające się wiry i termohalinowe efekty decydujące o transporcie i mieszaniu w Bałtyckie charakterystyczne dla morza (Elken, 1996). Morze Bałtyckie charakteryzuje się bardzo dużymi gradientami zasolenia zarówno w pionie jak i w poziomie, co jest efektem wlewających się wód słonych i dopływu wód rzecznych. Taki układ determinuje stratyfikację, tworząc warstwę powierzchniową (górną), wymieszaną (ang. mixed layer) i stratyfikowaną warstwę głębinową (dolną) i właśnie taki podział decyduje o rozdzieleniu tych warstw i odmiennym reżimie cyrkulacji. Morze Bałtyckie jest bardzo trudnym akwenem do modelowania numerycznego. Z jednej strony zjawiska mezoskalowe wymagają włączenia całego akwenu, z drugiej bardzo niewielkie przestrzennie struktury batymetrii, które mają zasadnicze znaczenie dla hydrologii Bałtyku. W pionie występuje bardzo silna stratyfikacja gęstościowa a warstwa przydenna ma duże znaczenie dla transportu wód wlewowych. Dla bilansu wodnego konieczne jest uwzględnienie rzek i różnicy między opadami a parowaniem. Wszystkie te elementy powodują, że aby dobrze odwzorować rzeczywistość Bałtyku niezbędna jest skala przestrzenna rozwiązująca wiry (kilkakrotnie razy mniejsza niż baroklinowy promień Rossby ego, Osinski,2010), a jednocześnie długi okres symulacji.

3 Rysunek 1. Średnia roczna prędkość przepływów [cm/s] (kolorowa skala) i wektory prędkości wody (strzałki) dla warstwy górnej. Wynik symulacji komputerowej Na klimat Bałtyku wpływ mają zarówno Ocean Atlantycki jak i kontynent europejski, jest to więc obszar ścierania się wpływów oceanicznych i kontynentalnych. Morze położone jest w rejonie klimatu umiarkowanego, charakteryzującego się dużą zmiennością pogody zarówno w skali dziennej jak i rocznej, a również wieloletniej. Morze Bałtyckie znajduje się w rejonie przeważających wiatrów zachodnich z częstymi cyklonami znad Atlantyku przynoszącymi powietrze polarno-morskie - ciepłe zimą a chłodne latem. W rejonie Bałtyku południowego w okresie jesienno-zimowym przeważają wiatry z sektora południowo-zachodniego, w okresie letnim z kierunku zachodniego (Kwiecień, 1987), jedynie w lutym i marcu większą częstość wykazują wiatry z kierunków południowo-wschodnich i wschodnich. Ze względu na kierunek i siłę wiatru można wydzielić trzy okresy: od marca do maja z dość znacznym udziałem wiatrów wschodnich, czerwiecwrzesień przewaga wiatrów zachodnich i południowo-zachodnich, październik-marzec wiatry południowo-zachodnie. Maksymalne prędkości wiatrów występują w okresie jesiennozimowym.

4 Rysunek 2. Średnia roczna prędkość przepływów [cm/s] (kolorowa skala) i wektory prędkości wody (strzałki) dla warstwy górnej. Wynik symulacji komputerowej Prądy w Bałtyku są bardzo zmienne, w dużej mierze zależne od zmiennego pola wiatrów. W skali kilkunastu godzin cyrkulacja może zupełnie się zmienić a istniejące wiry dysypować. Jednak w dłuższym okresie, przy uśrednianiu wieloletnim wyłania się wyraźny obraz średnich przepływów i cyrkulacji, często związanych z basenami bałtyckimi, z ograniczonym transportem między poszczególnymi rejonami (Rys. 1). Analiza cyrkulacji, ze względu na swą odmienność, została przeprowadzona dla dwóch warstw. Warstwa górna, nie rozdzielona progami topograficznymi i warstwa głębinowa, gdzie baseny są izolowane topograficznie. Latem górna warstw jest ogrzewana i tworzy się sezonowa termoklina. Jesienią i zimą jest ona erodowana, poprzez mieszanie wiatrowe i konwekcję termiczną aż do całkowitego zaniku. Warstwa górna jesienią i zimą jest wymieszana do halokliny. Topografia dna powoduje izolację wewnątrz warstwy głębinowej i woda w poszczególnych basenach różni się swoimi parametrami. Wymiana wód przydennych w pionie i w poziomie jest znacznie ograniczona. Z jednej strony poszczególne baseny są rozdzielone poprzez progi i płycizny, z drugiej warstwy w pionie rozdzielone są przez silną haloklinę, która jest jednocześnie piknokliną i ograniczeniem dla pionowego zasięgu mieszania wiatrowego i konwekcyjnego. Te czynniki prowadzą do stagnacji wód głębinowych i niebezpieczeństwa pojawienia się deficytu tlenowego w głębokich basenach w okresach kiedy nie ma wlewów z Cieśnin Duńskich. Jedynym procesem, który zapewnia wymianę wód poniżej halokliny w sposób intensywny są wlewy z Morza Północnego (Reissmann i in., 2007). Średnia energia kinetyczna (EK) wody dla całego akwenu Morza Bałtyckiego wykazuje sezonowość związaną z sezonowością pola wiatrów. Na wartość EK decydujący wpływ ma pęd przekazywany z atmosfery do morza, natomiast efekty związane z wlewami są drugorzędne, gdyż prędkości przydennej wody, poza nielicznymi wyjątkami np. w rejonie Rynny Słupskiej, (Rys. 2) są o rząd wielkości niższe niż w warstwie powierzchniowej. Najsilniejsze powierzchniowe przepływy do 15 cm/s występują wzdłuż południowych wybrzeży Bałtyku (costal jets), szczególnie wzdłuż Półwyspu Helskiego. Nieco słabsze u wschodnich wybrzeży Bałtyku, w południowych rejonach Zatoki Botnickiej i na Morzu Alandzkim (najsłabsze przepływy, poniżej 1 cm/s, występują w środkowej części Zatoki Fińskiej, centralnych rejonach basenu Bornholmskiego, Zatoki Botnickiej i Głębi Gotlandzkiej. Średnia cyrkulacja wykazuje liczne zawirowania cyklonalne. Najwyraźniejsze w rejonach głębi: Gdańskiej, Gotlandzkiej i Bornholmskiej. Antycyklonalna cyrkulacja występuje jedynie w rejonie Głębi Landsort i w Zatoce Hano. Prądy w warstwie głębinowej są na znacznych obszarach słabsze niż w warstwie górnej. Podobnie jak w warstwie powierzchniowej dominuje cyrkulacja cyklonalna związana z konfiguracją dna. Występuje wyraźnie widoczny transport od Basenu Arkońskigo, poprzez Bramę Bornholmską, Głębię Bornholmską, Rynnę Słupską, Głębię Gdańską aż do Głębi Gotlandzkiej. Morze i Zatoka Botnicka mają swoje oddzielne cyrkulacje cyklonalne. Jedynie w Głębi Landsort występuje cyrkulacja o charakterze antycyklonalnym. Najsilniejsze prądy występują w rejonach Bałtyku Południowym i Botniku a w szczególności w rejonie Rynny Słupskiej.

5 Literatura: Elken, J., Deep Water Overflow, Circulation and Vertical Exchange in the Baltic Proper. Report Series No. 6. Estonian Marine Institute, Tallinn, Estonia, 91 str. Kwiecień, K., Warunki klimatyczne, [w:] Bałtyk Południowy, (red.) B. Augustowski. Gdańskie Tow. Naukowe, Ossolineum, Wrocław, Osiński R., D.Rak, W.Walczowski, J.Piechura, Baroclinic Rossby radius of deformation in the southern Baltic Sea, Oceanologia 2010, no. 52(3), pp Reissmann, J., H. Burchard, R. Feistel, E. Hagen, H.U. Lass, V. Mohrholz, G. Nausch, L. Umlauf, G. Wieczorek, State-of-the-art review on vertical mixing in the Baltic Sea and consequences for eutrophication. Progr. Oceanogr.