V. Fofonova, S. Danilov, A. Androsov, K.H. Wiltshire Domain under - - PowerPoint PPT Presentation

¡ ¡ ¡ Impact ¡of ¡Wind ¡and ¡Tides ¡on ¡the ¡Lena ¡River ¡Freshwater ¡Plume ¡Dynamics ¡ ¡in ¡the ¡Summer ¡Season ¡

• V. Fofonova, S. Danilov, A. Androsov, K.H. Wiltshire

Bathymetry ¡− ¡GEBCO, ¡resolu4on ¡~ ¡2.5 ¡km, ¡and ¡Soviet ¡digi4zed ¡map, ¡resolu4on ¡ ~0.8 ¡km; ¡ ¡

¡

Domain under consideration

03/07/15 ¡ 2 ¡ CITES ¡2015 ¡

• Tool. FVCOM setup
• 11 ¡ver4cal ¡sigma ¡layers, ¡256479 ¡nodes/per ¡layer ¡
• Horizontal ¡resolu4on: ¡from ¡0.4 ¡to ¡5 ¡km ¡
• External/internal ¡4me ¡steps ¡are ¡3.6/36 ¡s ¡
• Open ¡boundary: ¡temperature/salinity ¡4me ¡series ¡nudging, ¡sponge ¡region ¡for ¡

advec4on/diffusion ¡

• Paralleliza4on ¡ ¡using ¡MPI ¡library ¡
• Ver4cal ¡and ¡horizontal ¡mixing ¡simula4on ¡-­‑ ¡Mellor ¡and ¡Yamada ¡level ¡2.5 ¡and ¡

Smagorinsky ¡turbulent ¡closure ¡schemes ¡respec4vely ¡

• Advec4on ¡scheme ¡-­‑ ¡second ¡order ¡upwind ¡scheme ¡
• IBM ¡Cluster ¡56 ¡cores ¡(14 ¡blades, ¡4 ¡Processor ¡cores ¡per ¡blade) ¡
• SGI ¡UV100 ¡ ¡320 ¡cores ¡(40 ¡Intel ¡Xeon ¡E7-­‑8837, ¡8 ¡cores), ¡2,5 ¡TB ¡RAM ¡(8GB/core) ¡

¡ ¡

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Model ¡valida4on ¡& ¡results ¡

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03/07/15 ¡ 5 ¡

Results ¡of ¡simula4on ¡with ¡op4mally ¡designed ¡open ¡boundary ¡condi4ons ¡for ¡4dal ¡eleva4on. RMS ¡error, ¡[cm], ¡obtained ¡from ¡different ¡models ¡compare ¡to ¡coastal ¡4de ¡gauges ¡(10 ¡ sta@ons). ¡AOTIM5, ¡TPXO7.1, ¡TPXO6.2 ¡– ¡models ¡with ¡data ¡assimila@on. ¡ ¡

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

AO-FVCOM Siberian shelf model AOTIM 5 TPXO7.1 TPXO6.2 Model with designed OBC

Error ¡ ¡ ¡ ¡ M2 ¡ S2 ¡

M2 ¡wave ¡ ¡ S2 ¡wave ¡

Lena ¡Delta ¡ Lena ¡Delta ¡

Comparison ¡with ¡4de ¡gauges ¡data ¡

CITES ¡2015 ¡

¡ ¡

¡ ¡ ¡The ¡main ¡difficul@es: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1. ¡To ¡specify ¡boundary ¡condi4ons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2. ¡To ¡resolve ¡bathymetry ¡ features ¡

The ¡amplitude, ¡[m]. ¡of ¡the ¡ ¡M2 ¡cons4tuent ¡in ¡the ¡Lena ¡Delta ¡region ¡of ¡the ¡Laptev ¡Sea. ¡ ¡ The ¡maps ¡are ¡obtained ¡using ¡TMD ¡toolbox ¡provided ¡by ¡Erofeeva ¡and ¡Padman. ¡ ¡

Why do we need to correct elevation at the open boundaries?

03/07/15 ¡

Available ¡4dal ¡solu4ons ¡

6 ¡ CITES ¡2015 ¡

Ellipses ¡ of ¡ barotropic ¡ veloci4es ¡for ¡the ¡ ¡M2 ¡ 4de, ¡red ¡ellipses ¡have ¡ CW ¡ rota4on, ¡ blue ¡ ellipses ¡ have ¡ CCW ¡

• rota4on. ¡ ¡

Comparison of ellipse parameters with AWI moorings data (5 stations) for M2(S2) waves

Solution Ellipse parameters

AOTIM5 TPX07.1 TPXO6.2 Model with OOBC

Error_major axes, [cm/s]

6.3(4.1) 4.7(2.7) 2.9(3.9) 1.4(1.5)

Error_minor axes, [cm/s]

1.2(1.3) 2.3(0.9) 2.8(3.3) 3.2(2)

03/07/15 ¡ 7 ¡ CITES ¡2015 ¡

Comparison ¡with ¡Mooring‘s ¡data ¡

Comparison ¡with ¡Mooring‘s ¡data ¡

The ¡observed ¡and ¡simulated ¡ near-­‑bohom ¡temperature, ¡[°C], ¡ and ¡salinity, ¡in ¡prac4cal ¡scale, ¡ ¡ at ¡the ¡Anabar ¡and ¡Khatanga ¡ Mooring ¡posi4ons ¡ Anabar ¡mooring ¡is ¡situated ¡ closer ¡to ¡the ¡Lena ¡Delta ¡and ¡in ¡ a ¡shallower ¡part ¡of ¡the ¡domain ¡ than ¡the ¡Khatanga ¡sta4on! ¡

03/07/15 ¡ 8 ¡ CITES ¡2015 ¡

The ¡ simulated ¡ surface ¡ salinity, ¡ in ¡ prac4cal ¡ scale, ¡ in ¡ main ¡ run ¡ on ¡ 28th ¡ of ¡ June ¡ (a), ¡ 1st ¡ of ¡ August ¡(b) ¡and ¡3d ¡of ¡September ¡(c), ¡2008. ¡The ¡black ¡dots ¡in ¡panel ¡c) ¡indicate ¡the ¡posi4ons ¡of ¡ CTD ¡measurements ¡available ¡to ¡us. ¡ ¡ ¡

Comparison ¡with ¡CTD ¡data ¡

28th ¡of ¡June ¡ ¡ 1st ¡of ¡August ¡ 3d ¡of ¡September ¡ ¡ posi4ons ¡of ¡CTD ¡measurements ¡ Plume, ¡at ¡least ¡from ¡its ¡two ¡main ¡channels ¡Bykovskaya ¡and ¡Trofimivskaya, ¡is ¡highly ¡ buoyancy ¡driven. ¡It ¡forms ¡a ¡coastal ¡current, ¡which ¡propagates ¡down ¡the ¡shelf ¡to ¡the ¡east ¡ due ¡to ¡the ¡Earth ¡rota4on. ¡

03/07/15 ¡ 9 ¡ CITES ¡2015 ¡

The ¡thickness ¡of ¡mixed ¡layer ¡according ¡to ¡the ¡observa4ons ¡(a) ¡and ¡simula4ons ¡(b), ¡[ ¡ ¡]. ¡ ¡ The ¡difference ¡between ¡simulated ¡and ¡observed ¡densi4es ¡at ¡the ¡surface ¡(c) ¡and ¡averaged ¡over ¡ mixed ¡layer ¡according ¡to ¡observa4ons ¡(d), ¡[ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡]. ¡The ¡black ¡ellipses ¡indicate ¡different ¡zones ¡

Comparison ¡with ¡CTD ¡data ¡

03/07/15 ¡ 10 ¡ CITES ¡2015 ¡

The ¡simulated ¡(right ¡panels) ¡versus ¡observed ¡(len ¡panels) ¡temperature ¡(b), ¡[°C], ¡and ¡ salinity ¡(a), ¡in ¡prac4cal ¡scale, ¡for ¡September ¡2008 ¡

Comparison ¡with ¡CTD ¡data ¡

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Impact ¡of ¡4des ¡

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boPom ¡fric@on ¡ horizontal ¡turbulent ¡ viscosity ¡ imbalance ¡ flow ¡through ¡the ¡open ¡boundaries ¡ energy ¡change ¡in ¡@me ¡

T/2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Time, ¡T=12.42h ¡ Energy ¡change, ¡[W] ¡

Energy balance for M2 wave

total ¡energy ¡ per ¡unit ¡area ¡ full ¡depth ¡ surface ¡level ¡ bohom ¡drag ¡ coefficient ¡ eddy ¡viscosity ¡ coefficient ¡ ver4cally ¡ integrated ¡ fluid ¡velocity ¡

03/07/15 ¡ 13 ¡ CITES ¡2015 ¡

Higher ¡harmonics ¡

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Amplitude, ¡cm ¡ № ¡of ¡the ¡sta@on ¡ Z0 ¡ M2 ¡ M4 ¡ M6 ¡ M8 ¡

03/07/15 ¡ 14 ¡ CITES ¡2015 ¡

Residual ¡circula4on ¡of ¡M2, ¡S2, ¡K1, ¡O1 ¡waves ¡

Tidal ¡residual ¡circula4on, ¡[ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡], ¡superimposed ¡on ¡the ¡bathymetry ¡map, ¡[ ¡ ¡ ¡] ¡ ¡

03/07/15 ¡ 15 ¡ CITES ¡2015 ¡

Areas ¡characterized ¡by ¡a ¡high ¡ver4cal ¡ shear ¡due ¡to ¡4dal ¡veloci4es ¡

Areas ¡characterized ¡by ¡a ¡high ¡ver4cal ¡shear, ¡[ ¡ ¡ ¡ ¡], ¡due ¡to ¡4dal ¡veloci4es ¡(colourbar ¡from ¡ yellow ¡to ¡red). ¡Tidally ¡induced ¡eddy ¡diffusivi4es ¡in ¡those ¡zones ¡reach ¡the ¡range ¡0.004 ¡to ¡ 0.015 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡in ¡layers ¡close ¡to ¡the ¡bohom, ¡with ¡the ¡averaged ¡on ¡4me ¡and ¡ver4cally ¡values ¡ between ¡0.0001 ¡and ¡0.0015 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡. ¡ ¡

03/07/15 ¡ 16 ¡ CITES ¡2015 ¡

Impact ¡of ¡wind ¡

03/07/15 ¡ 17 ¡ CITES ¡2015 ¡

Experiments ¡with ¡idealized ¡winds ¡

The ¡simulated ¡surface ¡(len ¡panels) ¡and ¡bohom ¡(right ¡panels) ¡poten4al ¡density ¡anomaly, ¡ in ¡case ¡of ¡downwelling ¡(top ¡panels) ¡and ¡upwelling ¡(bohom ¡panels) ¡winds ¡aner ¡one ¡ month ¡of ¡simula4ons. ¡

03/07/15 ¡ 18 ¡ CITES ¡2015 ¡

The ¡characteris4cs ¡of ¡the ¡flows ¡from ¡the ¡ different ¡Lena ¡River ¡freshwater ¡channels ¡

¡

03/07/15 ¡ 19 ¡ CITES ¡2015 ¡

Common ¡impact ¡of ¡wind ¡and ¡4des ¡

The ¡4dally ¡induced ¡mixing ¡in ¡the ¡vicinity ¡zone ¡is ¡comparable ¡with ¡the ¡wind ¡induced ¡

• ne ¡and ¡adds ¡to ¡the ¡total ¡mixing ¡significantly. ¡The ¡wind ¡induced ¡eddy ¡diffusivity ¡in ¡a ¡

deeper ¡part ¡of ¡the ¡domain ¡can ¡be ¡at ¡least ¡one ¡order ¡higher ¡than ¡4dally ¡induced ¡one. ¡ In ¡case ¡when ¡only ¡4dal ¡forcing ¡is ¡present ¡the ¡maximum ¡of ¡the ¡sum ¡of ¡buoyancy ¡ and ¡shear ¡produc4on ¡terms ¡is ¡reached ¡near ¡the ¡bohom ¡nearly ¡everywhere. ¡In ¡case ¡

• f ¡only ¡wind ¡forcing ¡presence ¡maximum ¡is ¡reached ¡near ¡the ¡bohom ¡only ¡in ¡a ¡close ¡

delta ¡vicinity. ¡ ¡ The ¡buoyancy ¡driven ¡flow ¡from ¡Trofimovskaya ¡and ¡Bykovskaya ¡channels ¡can ¡be ¡ slowed ¡down ¡by ¡4dally ¡and ¡wind ¡induced ¡mixing ¡and ¡strengthen ¡by ¡downwelling ¡ winds ¡and ¡4dal ¡residual ¡currents. ¡ ¡

03/07/15 ¡ 20 ¡ CITES ¡2015 ¡

Summary ¡

• Main ¡freshwater ¡channels ¡produce ¡large-­‑scale ¡buoyant ¡ourlows ¡which ¡can ¡be ¡easily ¡

shined ¡to ¡the ¡wind ¡driven ¡state ¡due ¡to ¡their ¡large ¡Kelvin ¡numbers ¡

• Buoyancy-­‑driven ¡plume ¡propaga4on ¡speed ¡is ¡on ¡average ¡between ¡10 ¡and ¡20 ¡cm/s ¡

depending ¡on ¡the ¡channel. ¡ ¡

• Winds ¡with ¡a ¡magnitude ¡more ¡then ¡6 ¡m/s ¡ ¡can ¡shin ¡the ¡plume ¡to ¡a ¡wind-­‑driven ¡state ¡and ¡

reverse ¡the ¡buoyant ¡ourlows ¡from ¡all ¡main ¡freshwater ¡channels ¡

• Persistent ¡westward ¡winds ¡can ¡cause ¡significant ¡plume ¡propaga4on ¡from ¡the ¡

Trofimovskaya ¡and ¡Bykovskaya ¡channels ¡to ¡the ¡north ¡toward ¡the ¡con4nental ¡slope ¡area ¡

• Plume ¡from ¡Olenekskaya ¡and ¡Tumatskaya ¡channels ¡can ¡be ¡modified ¡much ¡faster ¡than ¡the ¡

width ¡of ¡the ¡plume ¡from ¡Trofimovskaya ¡and ¡Bykovskaya ¡channels ¡

• Downweling ¡favorable ¡winds ¡(associated ¡with ¡a ¡cyclonic ¡atmospheric ¡circula4on) ¡

strengthen ¡the ¡down-­‑shelf ¡buoyancy-­‑driven ¡flows ¡from ¡all ¡main ¡channels ¡ ¡

• Tides ¡in ¡the ¡area ¡contribute ¡to ¡mixing ¡by ¡adding ¡up ¡to ¡0.015 ¡m2/s ¡ ¡to ¡the ¡ver4cal ¡

diffusivity ¡in ¡some ¡areas, ¡but ¡their ¡role ¡remains ¡rela4vely ¡minor ¡east ¡of ¡the ¡Lena ¡Delta ¡ (except ¡for ¡its ¡vicinity) ¡

• The ¡residual ¡circula4on ¡associated ¡with ¡4des ¡significantly ¡contributes ¡to ¡the ¡eastward ¡

plume ¡propaga4on ¡along ¡the ¡northern ¡part ¡of ¡the ¡delta, ¡where ¡it ¡reaches ¡about ¡2 ¡cm/s. ¡ ¡

03/07/15 ¡ 21 ¡ CITES ¡2015 ¡

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Amplitude, ¡cm ¡ № ¡of ¡the ¡sta@on ¡ Z0 ¡ M2 ¡ M4 ¡ M6 ¡ M8 ¡

03/07/15 ¡ 22 ¡ CITES ¡2015 ¡

a) ¡The ¡difference ¡between ¡GEBCO ¡bathymetry ¡and ¡addi4onal ¡bathymetric ¡data ¡ from ¡the ¡digi4zed ¡Soviet ¡map, ¡[m]. ¡ ¡ b) ¡The ¡differences ¡between ¡amplitudes ¡of ¡the ¡M2 ¡wave ¡in ¡simula4ons ¡based ¡on ¡ GEBCO ¡and ¡modified ¡bathymetry, ¡[m]. ¡

¡

Sensitivity to bathymetry

03/07/15 ¡

b) a) ¡

23 ¡ CITES ¡2015 ¡

Energy fluxes for M2 wave

03/07/15 ¡ 24 ¡ CITES ¡2015 ¡

− zonal and meridional components

• f the tidal energy flux vector, T is the tidal

period.

¡ ¡

¡ ¡ ¡The ¡main ¡difficul@es: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1. ¡To ¡specify ¡boundary ¡condi4ons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2. ¡To ¡resolve ¡bathymetry ¡ features ¡

The ¡amplitude, ¡[ ¡ ¡]. ¡of ¡the ¡ ¡M2 ¡cons4tuent ¡in ¡the ¡Lena ¡Delta ¡region ¡of ¡the ¡Laptev ¡Sea. ¡ ¡ The ¡maps ¡are ¡obtained ¡using ¡TMD ¡toolbox ¡provided ¡by ¡Erofeeva ¡and ¡Padman. ¡ ¡

Semidiurnal tides in the Laptev Sea shelf zone

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Available ¡4dal ¡solu4ons ¡

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