Warstwa górna a warstwa głębinowa – dwa reżimy cyrkulacji wód w

Warstwa górna a warstwa głębinowa – dwa reżimy cyrkulacji wód w Morzu
Bałtyckim.
Robert Osiński, Jaromir Jakacki
Instytut Oceanologii PAN
e-mail: [email protected]
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
12
(http://www.top500.org/) przechodząc z osbszaru wydajności tera- (10 ) do peta- (1015)
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.
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.
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.
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.
Literatura:
Elken, J., 1996. Deep Water Overflow, Circulation and Vertical Exchange in the Baltic
Proper. Report Series No. 6. Estonian Marine Institute, Tallinn, Estonia, 91 str.
Kwiecień, K., 1987. Warunki klimatyczne, [w:] Bałtyk Południowy, (red.) B. Augustowski.
Gdańskie Tow. Naukowe, Ossolineum, Wrocław, 219-288.
Osiński R., D.Rak, W.Walczowski, J.Piechura, Baroclinic Rossby radius of deformation in
the southern Baltic Sea, Oceanologia 2010, no. 52(3), pp. 417-429
Reissmann, J., H. Burchard, R. Feistel, E. Hagen, H.U. Lass, V. Mohrholz, G. Nausch, L.
Umlauf, G. Wieczorek, 2007. State-of-the-art review on vertical mixing in the Baltic
Sea and consequences for eutrophication. Progr. Oceanogr.