هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

ارزیابی بهبود شبیه‌سازی انرژی جنبشی پیچکی (EKE) در دریای خزر با استفاده از داده‌های بازتحلیل Era5 در مقایسه با Era-Interim

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش‌آموخته اقیانوس‌شناسی فیزیکی دریا، دانشکده علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران
2 گروه فیزیک دریا، دانشکده علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، ایران
چکیده
این مطالعه به بررسی تغییرات انرژی جنبشی پیچکی (EKE) در دریای خزر با استفاده از مدل اقیانوسی Princeton Ocean Model و دو مجموعه داده بازتحلیل Era-Interim و Era5 می‌پردازد. پژوهش حاضر با وضوح افقی 3 کیلومتر و 35 لایه قائم برای دوره 10 ساله (2009-2018) اجرا شد. نتایج نشان داد که استفاده از داده‌های Era5 منجر به بهبود قابل توجهی در شبیه‌سازی EKE می‌شود، به طوری که مقادیر میانگین سالانه انرژی جنبشی در (m2/s2 117/0) Era5 حدود دو برابر(m2/s2 06/0) Era-Interim برآورد شد. تغییرات فصلی EKE در هر دو مجموعه داده نشان داد که بیشترین فعالیت پیچکی در فصل تابستان (با اوج m²/s² 15/0 در Era5) و کمترین آن در زمستان رخ می‌دهد. از دیدگاه مکانی، حوضه جنوبی خزر به دلیل حجم آب بیشتر با تأکید بر تغییرات نسبی EKE به عنوان فعال‌ترین منطقه شناسایی شد. هر چند اوج EKE در حوضه شمالی (با اوج m²/s² 15/0) است اما این حوضه، کمترین تغییرپذیری را به دلیل حجم و عمق آب نشان داد. تحلیل‌ها حاکی از آن است که بهبود وضوح مکانی (از °79/0 به °25/0) و به‌روزرسانی پارامترهای فیزیکی در Era5 عامل اصلی این تفاوت‌هاست. این یافته‌ها با مطالعات اخیر در دیگر حوضه‌های نیمه‌محصور همخوانی دارد و اهمیت استفاده از جدیدترین نسخه‌های داده‌های بازتحلیل در مدل‌سازی‌های اقیانوسی را برجسته می‌سازد. نتایج این تحقیق می‌تواند مبنای ارزشمندی برای مطالعات آینده در زمینه پیش‌بینی جریان‌های دریایی، مدیریت اکوسیستم و پایش آلاینده‌ها در دریای خزر فراهم آورد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Evaluation of Eddy Kinetic Energy (EKE) Simulation Improvement in the Caspian Sea Using Era5 Reanalysis Data Compared to Era-Interim

نویسندگان English

Manijeh Vosoughi 1
Dariush Mansoury 2
1 Graduate in Physical Oceanography, Faculty of Marine Sciences, Tarbiat Modares University, Noor, Mazandaran, Iran
2 Department of Marine Physics, Faculty of Marine Science, Tarbiat Modares University, Nour, Iran
چکیده English

This study investigates the improvement of Eddy Kinetic Energy (EKE) simulations in the Caspian Sea using the Princeton Ocean Model with two reanalysis datasets: ERA-Interim and ERA5. The simulations were conducted at a horizontal resolution of 3 km with 35 vertical layers over a 10-year period (2009–2018). Results indicate that ERA5 substantially enhances the representation of EKE, with an annual mean value of 0.117 m²/s²—approximately twice that obtained from ERA-Interim (0.06 m²/s²). Seasonal analyses reveal the highest eddy activity in summer (peaking at 0.15 m²/s² in ERA5) and the lowest in winter. Spatially, the southern Caspian basin, characterized by greater water volume and deeper bathymetry, exhibits the most pronounced EKE variations, whereas the northern basin, despite reaching comparable peak values (0.15 m²/s²), shows minimal variability due to its shallower depth and smaller volume. The enhanced spatial resolution (from 0.79° to 0.25°) and improved physical parameterizations in ERA5 are identified as the primary factors contributing to these differences. These results align with findings from other semi-enclosed basins and highlight the importance of advanced reanalysis products for realistic ocean modeling. Overall, the outcomes of this study offer a valuable foundation for future research on current prediction, ecosystem management, and pollutant monitoring in the Caspian Sea.

کلیدواژه‌ها English

Eddy Kinetic Energy
POM model
Era5 data
Era-Interim data
Caspian Sea
[1]       Chelton DB, Schlax MG, Samelson RM. Global observations of nonlinear mesoscale eddies. Progress in oceanography. 2011 Oct 1;91(2):167-216. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2011.01.002
[2]       Mensa JA, Timmermans ML, Kozlov IE, Williams WJ, Özgökmen TM. Surface drifter observations from the Arctic Ocean's Beaufort Sea: Evidence for submesoscale dynamics. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018 Apr;123(4):2635-45. https://doi.org/10.1002/2017JC013728
[3]       Zhang JB, Liu YS, Foley SF, Moynier F, Zhao L, Xu R, Wang CY. Widespread two-layered melt structure in the asthenosphere. Nature Geoscience. 2024 May;17(5):472-7. https://doi.org/10.1038/s41561-024-01433-1
[4]       McWilliams JC. Submesoscale, coherent vortices in the ocean. Reviews of Geophysics. 1985 May;23(2):165-82.
[5]       Pedlosky J. Ocean circulation theory. Springer Science & Business Media; 1996.
[6]       Dong J, FoxKemper B, Jing Z, Yang Q, Tian J, Dong C. Turbulent dissipation in the surface mixed layer of an anticyclonic mesoscale eddy in the South China Sea. Geophysical Research Letters. 2022 Aug 28;49(16): e2022GL100016. https://doi.org/10.1029/2022GL100016
[7]       Qiu Z, Lan J, Wei Z, Xu T. Changes in spreading of Southeast Indian subantarctic mode water during Argo period. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2024 Jun;129(6): e2024JC020980. https://doi.org/10.1029/2024JC020980
[8]       Ivanov V, Gusev A, Diansky N, Sukhonos P. Modelled response of Arctic and North Atlantic thermohaline structure and circulation to the prolonged unidirectional atmospheric forcing over the Arctic Ocean. Climate Dynamics. 2024 Jul;62(7):6841-60. https://doi.org/10.1007/s00382-024-07239-6
[9]       Kubryakov A, Aleskerova A, Plotnikov E, Mizyuk A, Medvedeva A, Stanichny S. Accumulation and cross-shelf transport of coastal waters by submesoscale cyclones in the Black Sea. Remote Sensing. 2023 Sep 6;15(18):4386. https://doi.org/10.3390/rs15184386
[10]   Kostianoy AG, Lavrova OY. Satellite instrumentation and technique for oil pollution monitoring of the seas. InInstrumentation and Measurement Technologies for Water Cycle Management 2022 Nov 23 (pp. 53-77). Cham: Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-031-08262-7_4
[11]   Archer M, Wang J, Klein P, Dibarboure G, Fu LL. Wide-swath satellite altimetry unveils global submesoscale ocean dynamics. Nature. 2025 Apr 17;640(8059):691-6. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08722-8
[12]   Arur A, Krishnan P, George G, Goutham Bharathi MP, Kaliyamoorthy M, Hareef Baba Shaeb K, et al. The influence of mesoscale eddies on a commercial fishery in the coastal waters of the Andaman and Nicobar Islands, India. Int J Remote Sens. 2014;35(17):6418-6443. https://doi.org/10.1080/01431161.2014.958246
[13]   Wedi NP, Polichtchouk I, Dueben P, Anantharaj VG, Bauer P, Boussetta S, Browne P, Deconinck W, Gaudin W, Hadade I, Hatfield S. A baseline for global weather and climate simulations at 1 km resolution. Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2020 Nov;12(11):e2020MS002192. https://doi.org/10.1029/2020MS002192
[14]   Jia F, Wu L, Qiu B. Seasonal modulation of eddy kinetic energy and its formation mechanism in the southeast Indian Ocean. Journal of Physical Oceanography. 2011 Apr;41(4):657-65. https://doi.org/10.1175/2010JPO4436.1
[15]   Chelton DB, Schlax MG, Samelson RM. Global observations of nonlinear mesoscale eddies. Progress in oceanography. 2011 Oct 1;91(2):167-216. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2011.01.002
[16]   Capet X, Mcwilliams JC, Molemaker MJ, Shchepetkin AF. Mesoscale to submesoscale transition in the California Current System. Part I: Flow structure, eddy flux, and observational tests. Journal of physical oceanography. 2008 Jan;38(1):29-43. https://doi.org/10.1175/2007JPO3671.1
[17]   Ibrayev RA, Özsoy E, Schrum C, Sur HI. Seasonal variability of the Caspian Sea three-dimensional circulation, sea level and air-sea interaction. Ocean Science. 2010 Mar 3;6(1):311-29. https://doi.org/10.5194/os-6-311-2010
[18]      کمیجانی. طبقه‌بندیِ هیدرودینامیکی سواحل جنوبی دریای خزر-استان مازندران. نشریه علمی-پژوهشی مهندسی دریا. 1395؛ (24)12: 53-64.
[19]   Kostianoy AG, Kosarev AN, editors. The Caspian Sea environment. Springer Science & Business Media; 2005.
[20]   Dyakonov GS, Ibrayev RA. Long-term evolution of Caspian Sea thermohaline properties reconstructed in an eddy-resolving ocean general circulation model. Ocean Science. 2019 May 16;15(3):527-41. https://doi.org/10.5194/os-15-527-2019
[21]   Azizpour J, Hamzehpoor  A, Rahnama R. (). Study of southern Caspian Eddies, case study: Off Kiashahr. Journal Of Marine Engineering. 2022;18(35):27-34. https://marine-eng.ir/article-1-939-en.html
[22]   Farjami H, Hesari AR. Assessment of sea surface wind field pattern over the Caspian Sea using EOF analysis. Regional Studies in Marine Science. 2020 Mar 1; 35:101254. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2020.101254
[23]   Small RD, deSzoeke SP, Xie SP, O’neill L, Seo H, Song Q, Cornillon P, Spall M, Minobe S. Air–sea interaction over ocean fronts and eddies. Dynamics of Atmospheres and Oceans. 2008 Aug 1;45(3-4):274-319. https://doi.org/10.1016/j.dynatmoce.2008.01.001
[24]   Luo H, Ge F, Yang K, Zhu S, Peng T, Cai W, Liu X, Tang W. Assessment of ECMWF reanalysis data in complex terrain: Can the CERA20C and ERAInterim data sets replicate the variation in surface air temperatures over Sichuan, China? International Journal of Climatology. 2019 Dec;39(15):5619-34. https://doi.org/10.1002/joc.6175
[25]   Aparecido LE, Rolim GD, Moraes JR, Torsoni GB, Meneses KC, Costa CT. Accuracy of ECMWF Era-Interim reanalysis and its application in the estimation of the water deficieny in Paraná, Brazil. Revista Brasileira de Meteorologia. 2020 Jan 24; 34:515-28. https://doi.org/10.1590/0102-7786344066
[26]   Elkut AE, Taha MT, Zed AB, Eid FM, Abdallah AM. Wind-wave hindcast using modified ECMWF ERA-Interim wind field in the Mediterranean Sea. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2021 May 5; 252:107267. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2021.107267
[27]      زرشکیان سجاد، منصوری داریوش. ارزیابی انرژی گرمایی اقیانوسی جهت تأمین انرژی الکتریکی سکوهای نفت و گاز فراساحلی دریای خزر. فیزیک زمین و فضا. 1399؛46(2):331-345. https://doi.org/10.22059/jesphys.2020.289441.1007161
[28]   Fallah F, Mansoury D. Temperature structure and wind-induced water level anomalies in the Caspian Sea: a study on coastal upwelling. Reg Stud Mar Sci. 2023; 62:102975. Available from: https://doi.org/10.1016/j.rsma.2023.102975
[29]      وثوقی منیژه، منصوری داریوش، علی اکبری بیدختی عباسعلی. تاثیر جدیدترین داده های بازتحلیل مدل ECMWF بر تغییرات دمای سطحی آب دریای خزر. هیدروفیزیک. 1400؛ 7(2)، 67-78.
[30]   Hersbach H, Bell B, Berrisford P, Hirahara S, Horányi A, MuñozSabater J, Nicolas J, Peubey C, Radu R, Schepers D, Simmons A. The ERA5 global reanalysis. Quarterly journal of the royal meteorological society. 2020 Jul;146(730):1999-2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803
[31]   Kowalewski M. A three-dimensional hydrodynamic model of the Gulf of Gdańsk. Oceanological Studies. 1997;26(4): 77-98. http://model.ocean.univ.gda.pl/description/Papers/Kowalewski1997.pdf
[32]   Huang A, Rao YR, Lu Y, Zhao J. Hydrodynamic modeling of Lake Ontario: An intercomparison of three models. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2010 Dec;115(C12). https://doi.org/10.1029/2010JC006269.
[33]   Alaka Jr GJ, Sheinin D, Thomas B, Gramer L, Zhang Z, Liu B, Kim HS, Mehra A. A hydrodynamical atmosphere/ocean coupled modeling system for multiple tropical cyclones. Atmosphere. 2020 Aug 16;11(8):869.
[34]   He W, Jiang A, Zhang J, Xu H, Xiao Y, Chen S, Yu X. Comprehensive hydrodynamic fitness of an estuary channel and the effects of a water diversion inflow. Estuaries and Coasts. 2022 Mar;45(2):382-92. https://doi.org/10.1007/s12237-021-00981-8
[35]   Blumberg AF, Mellor GL. A description of a threedimensional coastal ocean circulation model. Threedimensional coastal ocean models. 1987 Jan 1; 4:1-6. https://doi.org/10.1029/CO004p0001
[36]   Oey L, Chang YL, Lin YC, Chang MC, Xu F, Lu HF. ATOP-The Advanced Taiwan Ocean Prediction System Based on the mpiPOM. Part 1: Model Descriptions, Analyses and Results. Terrestrial, Atmospheric & Oceanic Sciences. 2013 Feb 1;24(1):137-158. https://doi.org/10.3319/TAO.2012.09.12.01(Oc)
[37]      منصوری داریوش، صدری نسب مسعود، اکبری نسب محمد. مدل‌سازی ساختار میدان‌های دما و شوری آب دریای خزر با استفاده از مدل POM. نشریه هیدرو فیزیک. 1394؛ 1(1):1-13.
[38]   Fallah F, Mansoury D. Coastal upwelling by wind-driven forcing in the Caspian Sea: A numerical analysis. Oceanologia. 2022 Apr 1;64(2):363-75. https://doi.org/10.1016/j.oceano.2022.01.003
[39]   Vosoughi M, Mansoury D. Temporal distribution of sea current’s kinetic energy in the middle Caspian basin, Regional Studies in Marine Science. 2024:9(3): 537-546.
[40]   Zhan P, Subramanian AC, Yao F, Hoteit I. Eddies in the Red Sea: A statistical and dynamical study. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2014 Jun;119(6):3909-25. https://doi.org/10.1002/2013JC009563
[41]   Frenger I, Gruber N, Knutti R, Münnich M. Imprint of Southern Ocean eddies on winds, clouds and rainfall. Nature geoscience. 2013 Aug;6(8):608-12. https://doi.org/10.1038/ngeo1863
[42]   Beljaars A, Balsamo G, Bechtold P, Bozzo A, Forbes R, Hogan RJ, Köhler M, Morcrette JJ, Tompkins AM, Viterbo P, Wedi N. The numerics of physical parametrization in the ECMWF model. Frontiers in Earth Science. 2018 Sep 19; 6:137. https://doi.org/10.3389/feart.2018.00137
[43]   Jordi A, Wang DP. Mean dynamic topography and eddy kinetic energy in the Mediterranean Sea: Comparison between altimetry and a 1/16-degree ocean circulation model. Ocean Modelling. 2009 Jan 1;29(2):137-46. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2009.04.001
[44]   Rahnemania A, Aliakbari-Bidokhti AA, & Babagoli Matikolaei J. Some physical properties of mesoscale eddies in the Caspian Sea basins based on numerical simulations. Journal of the Earth and Space Physics. 2022;47(4):219-230. https://doi.org/10.22059/jesphys.2021.318928.1007290
[45]   Kubryakov AA, Stanichny SV. Mesoscale eddies in the Black Sea from satellite altimetry data. Oceanology. 2015 Feb;55(1):56-67. https://doi.org/10.1134/S0001437015010105

  • تاریخ دریافت 06 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 22 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 05 مهر 1404