ارزیابی حساسیت دینامیک کشند نیمروزانه M2 به تغییرات مکانی ناهمواری بستری در تنگۀ هرمز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس نور

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد فیزیک دریا، دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

در این مطالعه، برای ارزیابی حساسیت دینامیک کشندی به تغییرات مکانی ناهمواری بستر دریا در تنگۀ هرمز از نسخه تغییریافته مدل سه‌بعدی هیدروستاتیکی اجزاء متناهی QUODDY-4 استفاده شد. تفاوت این نسخه با نسخه اصلی در مدولی است که برای محاسبۀ ضریب درگ بستری به مدل اضافه شده است. توزیع مکانی ضریب درگ بستری با استفاده از یک راهکار هیدرودینامیکی محاسبه شد که در آن ارتباط فاکتور اصطکاک موجی و دیگر مشخصه‌های اصطکاک در لایۀ مرزی بستری با پارامترهای بدون بعدی مانند عدد سطحی راسبی، عدد رینولدز برای جریان و فرکانس اینرسی نسبی توصیف می‌شود. مقایسۀ نتایج شبیه‌سازی‌های عددی انجام‌شده با داده‌های مشاهداتی مربوط به دامنه و فاز کشندی نشان می‌دهد مدل مورداستفاده دقت بالایی در بازتولید دینامیک کشندی در منطقۀ موردمطالعه دارد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که ضریب درگ بستری در تنگۀ هرمز از 0/0006تا 0/004متغیر است و از مقدار معمول مورداستفاده در مدل‌های عددی 0/003 کمتر است. در نظر گرفتن ضریب درگ متغیر محاسبه‌شده در این مطالعه می‌تواند به‌منظور بهبود کیفی پیش‌بینی‌های کشندی در تنگۀ هرمز مورداستفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluating the Sensitivity of Tidal Dynamics to Spatial Variation of Bottom Friction Coefficient in the Hormuz Strait

نویسندگان [English]

  • Akbar Rashidi Ebrahim Hesari 1
  • Seyedeh Marzieh Hoseini 2
1 Ph.D. in Physic. & Mathematical Sciences - Oceanology Department of Marine Physics, Tarbiat Modares University, Iran
2 Department of Marine Physics, Tarbiat Modares University, Iran
چکیده [English]

In this research, a modified version of the 3D finite-element hydrostatic model QUODDY-4 is used to assessment of sensitivity of dynamics of the M2 semidiurnal tide to spatial variations of bottom roughness in the Hormuz Strait. This version differs from the original one, as it introduces a module providing calculation of the drag coefficient. Spatial variation of the drag coefficient is calculated using a hydrodynamic approach, which describes the relation between wave friction factor as well as other resistance characteristics and dimensionless parameters like surface Rossby number, Reynolds number for currents and relative inertial frequency. Comparing the results of numerical simulations with observed amplitude and phase values showed that, the model has a good accuracy in reproducing the tidal dynamics in the studied region. The results of this study indicate that the friction coefficient in the Hormuz Strait varies from 0.0006 to 0.004 and is less than its canonical value equal to 0.003, which is usually used in numerical models for tidal predictions. Spatial variation of friction coefficient calculated in this study can be used in numerical tidal predictions in the Hormuz Strait in aim to improve the predictions accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Strait of Hormuz
  • Tidal Dynamics
  • Bottom Friction Coefficient
 

]1[ صدری­ نسب مسعود. مدل­سازی عددی سه‌بعدی گردش آب در تنگۀ هرمز. اقیانوس ­شناسی. 1389؛ (1)1: 19-24.

[2] Reynolds RM. Physical oceanography of the Gulf, Strait of Hormuz, and the Gulf of Oman—Results from the Mt Mitchell expedition. Marine Pollution Bulletin. 1993 Jan 1;27:35-59.

[3] Kagan BA, Sofina EV, Rashidi E. The impact of the spatial variability in bottom roughness on tidal dynamics and energetics, a case study: the M 2 surface tide in the North European Basin. Ocean Dynamics. 2012 Dec 1;62(10-12):1425-42.

[4] Kagan BA, Sofina EV, Rashidi EHA. Influence of the White Sea on Tides in Adjacent Marginal Seas of the North European Basin. Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. 2013; 49: 107-123.

[5] Marchuk GI, Kagan BA. Dynamics of Ocean Tides. Leningrad: Gidrometeoizdat; 1991.

[6] Sternberg RW. Friction factors in tidal channels with differing bed roughness. Marin Geology. 1993; 6: 243-260.

[7] Sternberg RW. Predicting initial motion and bedload transport of sediment particles in the shallow marine environment, Shelf Sediment Transport. Strasburg: Dowden, Hutchison and Ross Inc; 1972.

[8] Jonsson IG. A new approach to oscillatory rough turbulent boundary layers. Ocean Engineering. 1980 Jan 1;7(1):109-52.

[9] Heathershaw AD. Measurements of turbulence in the Irish Sea benthic boundary layer. In: McCave IN, editor. The Benthic Boundary Layer. Boston. Springer; 1976. p.11-31

[10] He Y, Lu X, Qiu Z, Zhao J. Shallow water tidal constituents in the Bohai Sea and the Yellow Sea from a numerical adjoint model with TOPEX/Poseidon altimeter data. Continental Shelf Research. 2004; 24: 1521-29.

[11] Heemink AW, Mouthaan EE, Roest MR, Vollebregt EA, Robaczewska KB, Verlaan M. Inverse 3D shallow water flow modelling of the continental shelf. Continental Shelf Research. 2002 Feb 1;22(3):465-84.

[12] Lu X, Zhang J. Numerical study on spatially varying bottom friction coefficient of a 2D tidal model with adjoint method. Continental Shelf Research. 2006;26:1905-23.

[13] Aldridge JN, Davies AM. A high-resolution three-dimensional hydrodynamic tidal model of the Eastern Irish Sea. Journal of Physical Oceanography. 1993 Feb;23(2):207-24.

[14] Wang Q. Finite element modeling of tides and currents of the Pascagoula River [dissertation]. Florida: Univ. Central Florida Orlando; 2008. 143 p.

]15[ سازمان بنادر و دریانوردی کشور. پروژۀ شبیه‌سازی جریان‌های جزر و مدی (خلیج‌فارس و دریای عمان) در آب­های مقابل سواحل استان هرمزگان. تهران: سازمان بنادر و دریانوردی کشور؛ 1391.

]16[ رنجی زهرا، سلطانپور محسن. تدقیق مدل هیدرودینامیک جریان خلیج ­فارس با استفاده از واسنجی خودکار. ارائه شده در: یازدهمین همایش بین‌المللی سواحل، بنادر و سازه‌های دریایی. 1393 آذر 3-5؛ تهران، ایران.

[17] Kagan BA. On the resistance law for an oscillatory, rotating, rough turbulent flow.  Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. 2003;1; 39(6): 754-7.

[18] Kagan BA. On the resistance law for an oscillatory rotating turbulent bottom boundary layer over incompletely rough and smooth surfaces. Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. 2005 Nov 1;41(6):768-74.

[19] Kagan BA, Romanenkov DA. Effect of hydrodynamic properties of the sea bottom on the tidal dynamics in a rectangular basin. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2006 Dec 1;42(6):777-84.

[20] Kagan BA, Timofeev AA. Dynamics and energetics of surface and internal semidiurnal tides in the White Sea. Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. 2005;41:498-512.

[21] Kagan BA, Timofeev AA, Rashidi EHA. Effect of Spatial Inhomogeneity of the Resistance Coefficient on the Dynamics of the M2 Tidal Wave in the White Sea. Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. 2012;48:487-500.

[22] Ip JT, Lynch DR. Comprehensive Coastal Circulation Simulation using Finite Elements: Nonlinear Prognostic Time-Stepping Model. QUODDY3 User’s Manual. USA: Thayer School of Engineering at Dartmouth College; 1995 May 12. Report No. NML95-1

 [23] Lynch DR. Three-dimensional diagnostic model for baroclinic, wind-driven and tidal circulation in shallow seas. FUNDY 4 User’s Manual. Hanover: USA: Thayer School of Engineering at Dartmouth College; 2005.

[24] Lynch DR, Werner FE. Three‐dimensional hydrodynamics on finite elements. Part I: Linearized harmonic model. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 1987 Sep 1;7(9):871-909.

[25] Lynch DR, Werner FE. Three‐dimensional hydrodynamics on finite elements. Part II: Non‐linear time‐stepping model. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 1991 Apr 5;12(6):507-33.

[26] Lynch DR, Werner FE, Greenberg DA, Loder JW. Diagnostic model for baroclinic and wind-driven circulation in shallow seas. Continental Shelf Research. 1992;12:37-64.

[27] Dolbow J, Belytscho T. Numerical integration of the Galerkin weak form in meshfree methods. Computational Mechanics. 1999;23(3): 219-230.

[28] Kubatko EJ, Dawson C, Westerink JJ. Time step restrictions for Runge–Kutta discontinuous Galerkin methods on triangular grids. Journal of Computational Physics. 2008 Dec 1;227(23):9697-710.

[29] Taylor GI. Tidal friction in the Irish Sea. London: Philosophical Transactions of the Royal Society; 1919.