ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИРКУЛЯЦИИ ЧЕРНОГО МОРЯ ПРИ ДОМИНИРОВАНИИ ДВИЖЕНИЙ РАЗНЫХ МАСШТАБОВ

  • С. Г. Демышев Морской гидрофизический институт РАН
  • О. А. Дымова Морской гидрофизический институт РАН
  • Н. А. Миклашевская Морской гидрофизический институт РАН
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2022.50(3).2
Ключевые слова: Черное море, моделирование, крупномасштабная циркуляция, мезомасштабы, кинетическая энергия, доступная потенциальная энергия, работа силы плавучести, неустойчивость

Аннотация

В работе рассмотрены результаты моделирования динамики вод Черного моря для двух периодов, когда средняя за год циркуляция соответствовала «бассейновому» и «вихревому» режимам (2011 и 2016 гг.). Численные эксперименты проведены с помощью модели МГИ при учете реалистичного атмосферного форсинга SKIRON. Оценена сезонная изменчивость динамических и термохалинных полей, кинетической и доступной потенциальной энергий, а также скоростей их преобразования. По модельным данным о среднесезонном распределении скорости течений получено, что в 2011 г. Основное Черноморское течение прослеживалось во все сезоны, а наиболее интенсивные мезомасштабные вихри развивались на его периферии над континентальным склоном в теплый период года; в 2016 г. отдельные циклонические струйные течения в районе континентального склона наблюдались в северной и юго-западной частях бассейна в холодный сезон, а мезомасштабные вихри распространялись в центральной части моря в течение всего года. Изменение средней кинетической энергии определялось режимом циркуляции: максимумы энергии выявлены весной 2011 г. и зимой 2016 г., когда среднее течение было наиболее интенсивным. Распределение средней доступной потенциальной энергии носило преимущественно сезонный характер, изменчивость со временем была качественно схожа для обоих режимов и обусловлена увеличением аномалии плотности за счет нагрева морской воды в теплый период. Вихревая кинетическая энергия, характеризующая мезомасштабную изменчивость, зависела как от режима циркуляции, так и от времени года. Весной 2011 г. величины средней и вихревой кинетической энергий были сопоставимы, в 2016 г. – максимальная вихревая энергия превышала среднюю кинетическую. Осенью и зимой для обоих расчетов увеличение вихревой энергии осуществлялось вследствие передачи энергии от ветра и от среднего течения через механизм баротропной неустойчивости. Летом при ослаблении ветрового воздействия в режиме «бассейновой» циркуляции мезомасштабная изменчивость поддерживалась соизмеримыми вкладами баротропной и бароклинной неустойчивости; в режиме «вихревой» циркуляции – преимущественно за счет преобразования доступной потенциальной энергии через бароклинную неустойчивость.

Литература


  1. Блатов А. С., Булгаков Н. П., Иванов В. А., Косарев А. Н., Тужилкин В. С. Изменчивость гидрофизических полей Черного моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.

  2. Демышев С. Г. Численная модель оперативного прогноза течений в Черном море // Извес­тия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 1. C. 137–149.

  3. Демышев С. Г. Энергетика климатической циркуляции Черного моря. Ч. I: Дискретные уравнения скорости изменения кинетической и потенциальной энергий // Метеорология и гидрология. 2004. № 9. С. 65–80.

  4. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Анализ изменчивости гидрофизических полей Черного моря в период 1993–2012 годов на основе результатов выполненного реанализа // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 1 (187). С. 33–48.

  5. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 212 с.

  6. Шапиро Г. И., Гонзалез-Ондина Х. М. Сезонная изменчивость кинетической энергии вихрей в центральной части Индийского океана: анализ эксперимента «Полигон-67» с современных позиций // Морской гидрофизический журнал. 2020. T. 36. № 6 (216). С. 628–645. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-6-628-645.

  7. Avsar N. B., Kutoglu S. H. Recent Sea Level Change in the Black Sea from Satellite Altimetry and Tide Gauge Observations // ISPRS Int. J. Geo-Inf. 2020. Vol. 9. Iss. 3. 185. https://doi.org/10.3390/ijgi9030185.

  8. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analysis of the annual mean energy cycle of the Black Sea circulation for the climatic, basin-scale and eddy regimes // Ocean Dynamics. 2022. Vol. 72. Iss. 3–4. P. 259–278. https://doi.org/10.1007/s10236-022-01504-0.

  9. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the Black Sea currents and mesoscale eddies in 2006 and 2011 // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68. Iss. 10. P. 1335–1352. https://doi.org/10.1007/s10236-018-1200-6.

  10. Enriquez C. E., Shapiro G. I., Souza A. J., Zatsepin A. G. Hydrodynamic modelling of mesoscale eddies in the Black Sea // Ocean Dynamics. 2005. Vol. 55. Iss. 5–6. P. 476–489. https://doi.org/10.1007/s10236-005-0031-4.

  11. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. I. A Preliminary Numerical Experiment // J. Phys. Oceanogr. 1975. Vol. 5. Iss. 4. P. 642–657. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1975)005<0642:OTGOME>2.0.CO;2.

  12. Kallos G., Nickovic S., Papadopoulos A., Jovic D., Kakaliagou O., Misirlis N., Boukas L., Mimikou N., Sakellaridis G., Papageorgiou J., Anadranistakis E., Manousakis M. The regional weather forecasting system SKIRON // An overview Proc. of the Int. Symp. on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments. Greece, Athens, 1997. P. 109–122.

  13. Knysh V. V., Demyshev S. G., Korotaev G. K., Sarkisyan A. S. Four-dimensional climate of seasonal Black Sea circulation // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2001. Vol. 16. Iss. 5. P. 409–426. https://doi.org/10.1515/rnam-2001-0504.

  14. Korotaev G., Oğuz T., Nikiforov A., Koblinsky C. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data // J. Geoph. Res. Oceans. 2003. Vol. 108. No. C4. 3122. https://doi.org/10.1029/2002JC001508.

  15. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Seasonal and interannual variability of the Black Sea eddies and its dependence on characteristics of the large-scale circulation // Deep-Sea Res. Part 1: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 97. P. 80–91. http://doi.org/10.1016/j.dsr.2014.12.002.

  16. Kubryakov A. A., Stanichny S. V., Zatsepin A. G., Kremenetskiy V. V. Long-term variations of the Black Sea dynamics and their impact on the marine ecosystem // J. Mar. Syst. 2016. Vol. 163. P. 80–94. http://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2016.06.006.

  17. Lima L., Aydogdu A., Escudier R., Masina S., Ciliberti S. A., Azevedo D., Peneva E. L., Causio S., Cipollone A., Clementi E., Cretí S., Stefanizzi L., Lecci R., Palermo F., Coppini G., Pinardi N., Palazov A. Black Sea Physical Reanalysis (CMEMS BS-Currents) (Version 1) [Data set]. Copernicus Monitoring Environment Marine Service (CMEMS). 2020. https://doi.org/10.25423/CMCC/BLKSEA_MULTIYEAR_PHY_007_004 (дата обращения 12.08.2021).

  18. Lorenz E. N. Available potential energy and the maintenance of the general circulation // Tellus. 1955. Vol. 7. Iss. 2. P. 157–167. https://doi.org/10.3402/tellusa.v7i2.8796.

  19. Ma Q., Lembo V., Franzke Ch. L. E. The Lorenz energy cycle: trends and the impact of modes of climate variability // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2021. Vol. 73. Iss. 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1080/16000870.2021.1900033.

  20. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid prob­lems // Rev. Geophys. 1982. Vol. 20. Iss. 4. P. 851–875. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00851.

  21. Menna M., Poulain P.–M. Geostrophic currents and kinetic energies in the Black Sea estimated from merged drifter and satellite altimetry data // Ocean Sci. 2014. Vol. 10. Iss. 2. P. 155–165. https://doi.org/10.5194/os-10-155-2014.

  22. Miladinova S., Stips A., Garcia-Gorriz E., and Macias Moy D. Black Sea thermohaline properties: Long-term trends and variations // J. Geophys. Res. Oceans. 2017. Vol. 122 (7). P. 5624–5644. https://doi.org/10.1002/2016JC012644.

  23. Oğuz T., Malanotte-Rizzoli P., Aubrey D. Wind and thermohaline circulation of the Black Sea driven by yearly mean climatological forcing // J. Geophys. Res. Oceans. 1995. Vol. 100. Iss. C4. P. 6845–6863. ttps://doi.org/10.1029/95JC00022.

  24. Poulain P.–M., Barbanti R., Motyzhev S., Zatsepin A. Statistical description of the Black Sea near-surface circulation using drifter in 1999–2003 // Deep Sea Res. Part I: Oceanogr. Res. Pap. 2005. Vol. 52. Iss. 12. P. 2250–2274. .

  25. Stanev E. V. On the mechanisms of the Black Sea circulation // Earth-Science Rev. 1990. Vol. 28. Iss. 4. P. 285–319. https://doi.org/10.1016/0012-8252(90)90052-W.

  26. Stanev E. V., Peneva E., Chtirkova B. Climate change and regional ocean water mass disappearance: Case of the Black Sea // J. Geoph. Res. Oceans. 2019. Vol. 124. No. 7. P. 4803–4819. https://doi.org/10.1029/2019JC015076.

  27. Stanev E. V., Staneva J. V. The impact of the baroclinic eddies and basin oscillations on the transitions between different quasi-stable states of the Black Sea circulation // J. Mar. Syst. 2000. No. 24. P. 3–26. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(99)00076-7.

  28. Stepanov D. V. Mesoscale eddies and baroclinic instability over the eastern Sakhalin shelf of the Sea of Okhotsk: a model-based analysis // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68. Iss. 10. P. 1353–1370. https://doi.org/10.1007/s10236-018-1192-2.

  29. Von Storch J.-S., Eden C., Fast I., Haak H., Hernandez-Deckers D., Maier-Reimer E., Marotzke J., Stammer D. An estimate of the Lorenz energy cycle for the World Ocean Based on the 1/10° STORM/NCEP simulation // J. Phys. Oceanogr. 2012. Vol. 42. Iss. 12. P. 2185–2205. https://doi.org/10.1175/JPO-D-12-079.1.

  30. Xu A., Yu F., Nan F., Ren Q. Characteristics of subsurface mesoscale eddies in the northwestern tropical Pacific Ocean from an eddy-resolving model // J. Ocean. Limnol. 2020. Vol. 38. Iss. 5. P. 1421–1434. https://doi.org/10.1007/s00343-020-9313-4.

  31. Zatsepin A. G., Ginzburg A. I., Kostianoy A. G., Kremenetskiy V. V., Krivosheya V. G., Stanichny S. V., Poulain P.-M. Observations of Black Sea mesoscale eddies and associated horizontal mixing // J. Geophys. Res. Oceans. 2003. Vol. 108. No. C8. P. 3246. https://doi.org/10.1029/2002JC001390.

  32. Zatsepin A. G., Emel’yanov S. V., Kremenetskiy V. V., Poyarkov S. G., Stroganov O. Yu., Denisov E. S., Stanichnaya R. R., Stanichny S. V. Effect of bottom slope and wind on the near-shore current in a rotating stratified fluid: laboratory modeling for the Black Sea // Oceanology. 2005. Vol. 45. Suppl. 1. P. 13–26.

  33. Zhan P., Subramanian A., Yao F., Kartadikara A., Guo D., Hotei I. The eddy kinetic energy budget in the Red Sea // J. Geophys. Res. Oceans. 2016. Vol. 121. Iss. 7. P. 4732–4747. https://doi.org/10.1002/2015JC011589.
Опубликован
2022-11-28
Выпуск
Том 50 № 3 (2022): Океанологические исследования
Раздел
Физика океана и климат

Передача авторских прав происходит на основании лицензионного договора между Автором и Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН)