60%
Simulation of the
Bohai Sea Circulation and
Thermohaline Structure
Using a Coupled
Hydrodynamical-Ecological Model
by
LCDR Rodrigo Obino
Brazilian Navy
Thesis Presentation – Naval Postgraduate School
60%
Outline
 Objectives
 Background
 Model Features
 Experiments
 Case Analysis
 Turbulence Study
 Conclusions
 Recommendations
60%
Objectives
  Simulation of the Bohai Sea using
     COHERENS model
 Sensitivity studies with different forcing
    functions
 Physical mechanisms for the Bohai Sea
    circulation and thermohaline structure
 Comparison between two turbulence
    schemes
60%
Background
E:\IMAGES\map\ysmap.jpeg
Bohai
Sea
China
Korean
Peninsula
Yellow
Sea
East China
Sea
 Eastern China
 Mid latitude
 Semi-Enclosed
    sea
 Connected to the
    Yellow Sea
60%
The Bohai Sea
bohai
LiaodongGulf
Huanghe
River
Central Basin
Haihe R.
Huanhe R.
Laizhou Bay
  Yellow
        Sea
Bohai Strait
Bohai Gulf
Liaodong
Peninsula
Liaohe R
60%
 Surrounded by the Chinese mainland and
    Liaodong Peninsula
 Connected to the northern Huanghai Sea
    (Yellow Sea) through the Bohai Strait
 Divided in four parts: Liaodong Gulf, Bohai
    Gulf, Laizhou Bay and Central Basin
 Area of 80,000 km square, width of 300 km and
     length of 500 km
 Relatively shallow waters
Characteristics
60%
Topography
D:\Matlab53\work\Thesis\Graph\bohaice.tif
 Average depth – 18 m
 Maximum depth at Bohai Strait – 60 m
 Open boundary relatively deep
 Gulfs are shallow
D:\Thesis\bohai_topo.jpg
60%
bohai
Circulation
 Winter current –
surface mainly wind-
driven transport
 Anticyclonic pattern
in central basin
winter monsoon
 Driven by strong monsoon winds, large buoyancy
forces, active tidal mixing, strong open ocean forcing
60%
bohai
Circulation
summer monsoon
 Weaker in summer
than in winter due to
weaker winds
 Counterclockwise gyre
in central-northern part
of Bohai Sea
60%
Monsoon
D:\Thesis\winmosoon 001.jpg
D:\Thesis\sumosoon 001.jpg
summer monsoon
Jun - Sep
winter monsoon
Nov - Mar
 Siberian High
 Relatively strong, cold
    and dry NW-NE winds
 Low over East Asia
 Relatively weak, warm
    and moist SE-SW winds
60%
Tidal Harmonics
D:\Thesis\bohai_tide.jpg
60%
Model Features
 COHERENS – Coupled Hydrodynamical-
    Ecological Model for Regional and Shelf Seas
 3-D hydrodynamical model coupled to
    sediment, contaminant, and biological models
 Flexibility
Developer: EU Marine Science and Technology
     (MAST)
60%
Hydrohynamical Equations
 Governing Primitive Equations derived from
Navior-Stokes Equations
 Boussinesq approximation, hydrostatic
equilibrium and incompressibility
 Mode-splitting technique – coupling between
external and internal modes
 Sea surface elevation and depth-integrated
velocities – external mode
 Three dimensional currents, temperature
and salinity – internal mode
60%
Discretization
 Formulation in spherical coordinates (λ,φ,z)
 Vertical terrain-following coordinate – σ
 Sigma coordinate – 0 at the bottom and
1 at the surface – 16 levels
,       -h  z  
 Horizontal differencing – Arakawa staggered
C-scheme – 2nd order centered
 Horizontal grid – 62x50 points -  9 km
60%
Other Features
 Coastline and bottom topography – DBDB5
5’ resolution
 External time step – 15 sec
    Internal time step – 10 min
 Free surface BC and slip bottom BC
     Zero gradient open BC
 Spinup – Jul 01 1999 to Jan 01 2000 - 0000Z
 Simulations – Jan 01 2000 to Dec 31 2000
60%
Initialization
 Initial conditions for Spinup – GDEM
    climatological data, and zero velocities and
    sea surface elevation
 Initial conditions for simulations – last
    information obtained in the spinup for all
    scalar and vector parameters
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\tinitial.tif
Initial sea surface temperature
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\sinitial.tif
Initial sea surface salinity
60%
Forcings
 Tidal harmonics at open boundary
    phase and amplitude: M2, S2, N2, K2,
K1, O1, P1 and Sa
 Climatological data at open boundary
    monthly GDEM temperature and salinity
 
 Atmospheric forcing over the sea
    surface (Full flux forcing)
 No river runoff
60%
Atmospheric Forcing Function
 National Center for Environmental Prediction
   (NCEP) Reanalysis Data – 2.5° global grid
   (4 times daily) and interpolated to model grid
 Parameters: wind components at 10 m,
    air temperature, sea surface pressure,
    relative humidity, precipitation rate and
    cloudiness
 Interpolated on each time step
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\airtemp.tif
Air Temperature at Sea Surface
15 January 2000
15 July 2000
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\wind.tif
Wind Field at 10 m
15 January 2000
15 July 2000
60%
Sea Surface Pressure
D:\Matlab53\work\Thesis\pressure.tif
15 January 2000
15 July 2000
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\humid.tif
Relative Humidity
15 January 2000
15 July 2000
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\cloud.tif
Cloudiness
15 January 2000
15 July 2000
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\prate.tif
0
Precipitation Rate
15 January 2000
15 July 2000
60%
Experiments
 Control Run – all forcing functions
 Non-Fluxes Run – exclude heat and salt fluxes
 Non-Tidal Run – tide effect not considered
 Non-Wind Run – no surface stress due to winds
Adopted same settings for all runs – types of
turbulence scheme, advection and diffusion
60%
Control Run
D:\Matlab53\work\Thesis\cross.tif
 Most complete case
 Analysis based on T, S and V fields
 Plots only January and July
Zonal and Meridional
Vertical Cross-Sections
60%
surface
Horizontal Temperature and Velocity Vectors
F:\Thesis\Figure\tempuvsurf.tif
 Head of Gulfs are colder
 Northern Bohai Strait warmer
 Velocities are S-SE and strong
 Inflow at open boundary and
    outflow at the southern part
January 2000
July 2000
 Head of Gulfs are warmer
 N Bohai Strait relatively cold
 Open boundary is colder
 Currents flow NE
 Still strong current at N Bohai
    Strait
60%
F:\Thesis\Figure\tempuvmid.tif
mid-depth
January 2000
July 2000
 Confirms warmer N Bohai
    Strait
 Relatively low temperature
    at central basin
 Currents weaker than at surf
 Warm region at central basin
 Penetration of sub-surface
    cold water mass from YS
 Currents weaker than at surf
 Anticyclonic gyre at central
    basin
60%
bottom
F:\Thesis\Figure\tempuvbot.tif
January 2000
July 2000
 Temperature almost the same
    as the SST field
 Currents are more N-NE,
    but weaker
 Temperature different from
     the SST field
 Presence of cold water mass
    from YS – North YS Bottom
    Cold Water
60%
Vertical Temperature Cross-Sections
D:\Matlab53\work\Thesis\verttemplon.tif
Along meridian 121º01’E
January 2000
July 2000
 Vertically uniform
 Shallow regions are colder
 Some stratification
 North YS Bottom Cold
Water
 Surface and shallow regions
    are warmer
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\verttemplat.tif
Along parallel 38º35.5’N
January 2000
July 2000
 No stratification
 Some stratification
60%
Horizontal Salinity Field
D:\Matlab53\work\Thesis\saltsurf.tif
surface
15 January 2000
15 July 2000
 Fresher region near
    Huanghe River delta
 Saltier at central basin
 Saltier at Bohai Gulf head
 Values have increased
     slowly along the year
 No river runoff
60%
Vertical Salinity Cross-Sections
D:\Matlab53\work\Thesis\vertsaltlon.tif
Along meridian 121º01’E
 Vertically uniform
 Little stratification
15 January 2000
15 July 2000
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\vertsaltlat.tif
Along parallel 38º35.5’N
 Vertically uniform
 Little stratification
15 July 2000
15 January 2000
60%
Effects of Surface Thermohaline
Forcing (Control – No Fluxes)
 Winter (January):  cooling, reduction of the
     circulation, minor effect on salinity.
     The effects are vertically uniform.
 Summer (July): warming, saline, enhancement
    of the  circulation.
    The effects decrease with depth except in the
    shallow water regions.
    There is no effect on temperature in the deeper
    layer connecting  to the Yellow Sea.
60%
F:\Thesis\Figure\fluxtempuvbot.tif
F:\Thesis\Figure\fluxtempuvsurf.tif
Temperature and Velocity Differences
July 2000
July 2000
January 2000
January 2000
surface
bottom
60%
F:\Thesis\Figure\fluxverttemplon.tif
F:\Thesis\Figure\fluxverttemplat.tif
 In winter vertically uniform, while in summer
  some stratification
July 2000
July 2000
January 2000
January 2000
60%
F:\Thesis\Figure\fluxsaltsurf.tif
Salinity Differences
surface
 Differences increase along
    the year
 Head of Gulfs present
    highest differences
 Bohai Strait and eastern
    boundary have smaller
    differences
15 July 2000
15 January 2000
60%
F:\Thesis\Figure\fluxvertsaltlat.tif
F:\Thesis\Figure\fluxvertsaltlon.tif
 Surface layer more affected by salt fluxes and
    even more in July
15 July 2000
15 July 2000
15 January 2000
15 January 2000
60%
Wind Effect (Control – No Wind)
 Winter (January):  cooling in deeper region,
     warming at southern Bohai Strait, enhancement
     of the circulation, presence of salty and fresher
     spots in the central basin.
     The effects are vertically uniform.
 Summer (July): warming in central basin and
    in shallow regions, cooling in deeper region,
    enhancement of the circulation, fresher at surface
    layer.
    There is some variability in the surface layer.
60%
Temperature and Velocity Differences
F:\Thesis\Figure\windtempuvsurf.tif
F:\Thesis\Figure\windverttemplat.tif
July 2000
July 2000
January 2000
January 2000
surface
60%
Salinity Differences
F:\Thesis\Figure\windsalsurf.tif
F:\Thesis\Figure\windvertsaltlat.tif
15 July 2000
15 July 2000
surface
15 January 2000
15 January 2000
60%
Tidal Mixing (Control - No Tides)
 Winter (January): reduction of the circulation
     in the central basin, variable effect on
     temperature.
     The effects are vertically uniform.
 Summer (July): warming close to the bottom
    and cooling in surface layer, enhancement of
    the circulation in the central basin.
    There is no effect on temperature in the deeper
    layer connecting  to the Yellow Sea.
60%
Temperature and Velocity Differences
F:\Thesis\Figure\tidetempuvsurf.tif
F:\Thesis\Figure\tideverttemplon.tif
July 2000
July 2000
surface
January 2000
January 2000
60%
Salinity Differences
F:\Thesis\Figure\tidsalsurf.tif
F:\Thesis\Figure\tidevertsaltlon.tif
15 July 2000
15 July 2000
15 January 2000
15 January 2000
surface
60%
Turbulence Study
 Vertical eddy viscosity and diffusion
    coefficients parameterized by turbulence scheme
 Study = “k-l” x “k-
 Spatial and Seasonal comparisons
 Observed parameter – TKE
 Selected 6 points
 January and July
D:\Matlab53\work\Thesis\staturbo.tif
60%
July – Sta # 3
D:\Matlab53\work\Thesis\Turbo\janavr3.tif
D:\Matlab53\work\Thesis\Turbo\janavr1.tif
January – Sta # 2
Spatial and Seasonal Comparison
“k-l” (green) “k-” (blue)
60%
Diurnal and Seasonal Variation
D:\Matlab53\work\Thesis\Turbo\luysea2.tif
“k-” Turbulence Closure Scheme
15 January 2000
15 July 2000
 Summer reaches higher values
 Summer has weak turbulence in
    deeper layer
Sta # 4
D:\Matlab53\work\Thesis\luyten5.tif
15 January 2000
15 July 2000
Sta # 5
60%
D:\Matlab53\work\Thesis\Turbo\melsea4.tif
15 January 2000
15 July 2000
“k-l” Turbulence Closure Scheme
Sta #1
D:\Matlab53\work\Thesis\mellor6.tif
Sta # 6
15 January 2000
15 July 2000
 Summer is highly turbulent at
     mid-depth
 Summer has weak turbulence in
     deeper layer
60%
Pattern of TKE Profiles
D:\Matlab53\work\Thesis\pattern.tif
60%
Conclusions
 Seasonal circulation patterns and temperature fields
    are reasonably well simulated
 Salinity is not as well simulated as temperature,
    probably due to no river runoff
 Winter monsoon season presents vertically uniform
     thermohaline structure, while summer monsoon season
     presents a multi-layer structure
 Wind effect is the major forcing for driving surface
    currents
 The Heat fluxes are the predominant driving force for
     the thermal structure
60%
Conclusions
Tidal mixing is responsible for deep layer characteristics.
    It cools the surface layer and warms the deeper layer in
    the summer (i.e., vertical mixing)
 “k-l” scheme provides higher TKE than “k-” scheme
 Summer has weaker turbulence at deeper layer than in
    winter
60%
Recommendations
 Extend simulation to Yellow Sea, East China
     Sea and South China Sea
 Include river runoff
 Assimilate MCSST and Scatterometer Winds
 Detailed study of the tidal effect on surface
elevation and main harmonics
60%
Questions ?