مدل سه‌بعدی گردش آب و ساختار دما در دریای خزر

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، صندوق پستی 775- 14155

2 دانشکده فنی دانشگاه تهران، صندوق پستی 4563- 11365

چکیده

این تحقیق یک مدل عددی سه‌بعدی برای پیش‌بینی گردش آب‌های ناشی از وزش باد متغیر ارائه می‌دهد و نتایج حاصل از آن در مقایسه با مشاهدات،‌ مورد بحث قرار می‌گیرد. مدل عددی مذکور براساس حل معادلات حاکم بر جریان و توزیع دما با روش تفاضل محدود
(finite difference) با فرض  ثابت و  متغیر استوار است. معادلات تکانه، تاوایی،‌ پیوستگی و روابط تنش در سطح، کف و لایه‌های میانی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. لزجت افقی و عمودی و ضریب پخش تلاطمی بر اساس فرمول‌های استفاده شدة بنت در دریاچة آنتریو (1977) برآورد شده است. با توجه به ابعاد دریای خزر در مدل عددی، از پارامتر کوریولیس (coriolis) متغیر و همچنین از تقریب هیدروستاتیک
(hydrostatic)، صفحه بتا و تقریب بوسینسک (boussinesq) استفاده شده است.
برای آزمایش مدل از چند مورد ساده با شرایط مرزی مشابه دریای خزر، استفاه شده است. برای مدل‌سازی دریای خزر،‌ شبکه‌بندی حوزه در سطح افقی با ابعاد 10×10 کیلومتر و در جهت قائم در 10 لایه با ضخامت‌های متغیر از سطح به کف به ترتیب: 5،‌ 10، 20، 30، 60،‌ 100، 150، 250، 500 و بالاتر از 500 متر در نظر گرفته شده‌اند. داده‌های باد شامل سرعت، جهت و دمای آب که مربوط به روز پانزدهم شهریور سال 1374 در ساعت‌های 6،‌ 12 و 18 بود که از طریق ایستگاه‌های همدیده‌ای حاشیه دریای خزر و گشت دریایی حاجی علی‌اف،‌ گردآوری شده است. اطلاعات باد ساحلی اندازه‌گیری شده با تصحیحات اعمالی به روش (SPM, shore protection manual) به باد دور از ساحل تبدیل شد و به روش درون‌یابی با استفاده از عکس مربع فاصله، توزیع مکانی سرعت باد در سطح حوزه دریای خزر به‌دست آمد.
مدل بر اساس مشاهدات و گزارش‌های موجود مورد ارزیابی قرار گرفته است. وضعیت جریان در چند لایه بررسی شده و سرعت‌ها در برش طولی و برش‌های عرضی در ناحیه شمالی،‌ میانی و جنوبی مورد بحث قرار گرفته است. در کل حوزه، اندازه سرعت جریان متفاوت است. سرعت جریان محاسبه شده از cm.s-16/1 تا cm.s-115است که بیشترین مقدار سرعت در ناحیه میانی به ازای سرعت باد حداکثر 7 متر بر ثانیه و تنش باد . همچنین نتایج به‌دست آمده، وجود سلول‌های گردشی را به طور پاد ساعتگرد در سه ناحیه فوق نشان می‌دهد و اینکه گردش با عمق به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. نتایج حاصل از حل عددی معادله دما با اطلاعات حاصل از مشاهدات گشت دریایی مقایسه شده است و تغییرات دما در لایه‌های متفاوت برش‌های عرضی و طولی،‌ هم‌خوانی نسبتاً قابل قبولی از مدل با مشاهدات را بیان می‌کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Three-dimensional model of water circulation and temperature structure in the Caspian Sea

نویسندگان [English]

  • Sorena Nasimi 1
  • Reza Ghiasi 2
1 Department of Science and Research, Islamic Azad University, P.O. Box 14155-775
2 Department of Surveying, University of Tehran, P.O. Box 11365- 4563
چکیده [English]

This research is based on a numerical model for forecasting the three-dimensional behaviour of (sea) water motion due to the effect of a variable wind velocity. The results obtained are then analyzed and compared with observations.
This model is based on the equations of motion temperature which are solved by finite difference assuming Δx, Δy as constants and Δz variable. The horizontal and vertical eddy viscosity and thermal diffusivity coefficients we used were in accordance with that of the Benet on Outario Lake (1977). Considering the Caspian Sea dimension in numerical model the Coriolis parameter used with β effects and the Boussinesq approximation have been used.
For modeling the Caspian Sea the grid of the field was done as follows. At horizontal surface, grid size was extended to 10×10km and at perpendicular in 10 layers with varying thickness from surface to bed respectively as: 5, 10, 20, 30, 50, 100, 150, 200, 250, 500 and higher. The data of wind as velocity, direction and temperature of water related to 15th September 1995 at 6, 12 and 18 o’clock were obtained from synoptic station at the Caspian Sea side and the research marine of Haji Alief. The information concerning seaside wind was measured by the SPM method and was transferred to far seaside winds through interpolation and by using inverse square distance, position distribution of the wind velocity at the Caspian surface field was obtained.
The model has been evaluated according to the reports and observations. Through studying the position of the current in different layers, the velocity in the cross section in the northern, southern and the middial layers, will be discussed. The current velocity throughout the whole field is different. The current velacity calculated ranges from 1.6cm/s to 15cm/s. The maximum velocity is observed in the middle, considering the maximum wind velocity 7m/s and wind stress .
The results reveal the presence of circulation cells in the three areas in an anti clockwise sense. The circulation with depth is reduced. The results obtained through the numerical solution of the temperature equation have been compared with the observations. The predicted temperature change in different layers with depth shows good agreement with observations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • circulation
  • temperature
  • Numerical model
  • Varible wind stress