Пространственно-временная изменчивость инерционных течений в восточной части Черного моря в штормовой период

Н. А. Дианский1,2,3,✉, В. В. Фомин2, А. В. Григорьев2,4, А. В. Чаплыгин1, А. Г. Зацепин4,5

1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия

2 Государственный океанографический институт имени Н. Н. Зубова, Москва, Россия

3 Институт вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН, Москва, Россия

4 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный, Россия

5 Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Москва, Россия

✉ e-mail: nikolay.diansky@gmail.com

Аннотация

Введение. Представлен анализ результатов численных расчетов развития инерционных колебаний в штормовой период в восточной части Черного моря в сравнении с данными наблюдений и аналитическими решениями. Расчеты подтверждают значительный вклад инерционных движений в формирование полей скорости течений. Показано, что инерционные движения не оказывают влияния на изменение уровня моря, а их характер зависит от вертикальной структуры верхнего квазиоднородного слоя.

Материалы и методы. Приводится сопоставление результатов с натурными дрифтерными наблюдениями в Черном море. Отмечено, что интенсивность инерционных движений в глубоководных областях моря значительно выше, чем в мелководных зонах, при этом вклад инерционных течений в общую циркуляцию Черного моря в глубоководной зоне сравним с вкладом мезомасштабных движений. Проведено исследование аналитического решения системы уравнений, описывающей инерционные колебания, с учетом ветрового воздействия и при его отсутствии.

Анализ результатов. Возбуждение инерционных движений вызывается резким изменением скорости ветра, причем гармонический характер амплитуды колебаний искажается с глубиной. После прекращения ветрового воздействия происходит баротропизация скорости течений при быстром переходе из одного квазистационарного состояния в другое. Показано, что инерционные движения обладают двумя временными масштабами, определяемыми вертикальной вязкостью.

Обсуждение и заключение. Первый, короткий временной масштаб, отвечает за быстрое формирование нового квазистационарного состояния. Он не зависит от коэффициента вязкости и приблизительно равен двум инерционным периодам. Другой, более длинный масштаб затухания инерционных колебаний, связан со стоком энергии квазистационарных колебаний из верхних в глубокие слои моря. Этот медленный процесс затухания пропорционален квадратному корню из времени.

Ключевые слова

Черное море, инерционные колебания, теория Экмана, численное моделирование, верхний квазиоднородный слой, аналитическое решение

Благодарности

Авторы выражают свою признательность ведущему научному сотруднику ГОИН Е. В. Борисову за ценные замечания по статье. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 17-77-30001) и РФФИ-РГО (грант № 17-05-41089).

Для цитирования

Пространственно-временная изменчивость инерционных течений в восточной части Черного моря в штормовой период / Н. А. Дианский [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35. № 2. С. 147–159. EDN SEHMAZ. doi:10.22449/0233-7584-2019-2-147-159

Diansky, N.A., Fomin, V.V., Grigoriev, A.V., Chaplygin, A.V. and Zatsepin, A.G., 2019. Spatial-Temporal Variability of Inertial Currents in the Northeastern Part of the Black Sea. Physical Oceanography, 26(2), pp. 135-146. doi:10.22449/1573-160X-2019-2-135-146

DOI

10.22449/0233-7584-2019-2-147-159

Список литературы

  1. Дианский Н. А., Фомин В. В. Особенности инерционных течений в период шторма 23–28 марта 2013 г. в северо-восточной части Черного моря // Процессы в геосредах. 2016. № 1(5). C. 37–47. URL: http://www.geomediacenter.ru/media/PGM_1(5)_2016.pdf (дата обращения: 15.10.2018).
  2. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : Морской гидрофизический институт, 2011. 209 с.
  3. Бассейновая циркуляция и мезомасштабная динамика Черного моря под ветровым воздействием / А. Г. Зацепин [и др.] // Современные проблемы динамики океана и атмосферы. М. : Триада ЛТД, 2010. С. 347–368.
  4. http://www.myocean.eu
  5. Variability of water dynamics in the northeastern Black Sea and its effect on water exchange between the near-shore zone and open basin / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2002. Vol. 42, suppl. 1. P. S1–S15.
  6. Циркуляция вод и характеристики разномасштабных течений в верхнем слое Черного моря по дрифтерным данным / В. М. Журбас [и др.] // Океанология. 2004. Т. 44, № 1. С. 34–48.
  7. Дианский Н. А. Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия. М. : Физматлит, 2012. 272 с.
  8. A Description of the Advanced Research WRF Version 3. NCAR Technical Note / William C. Skamarock [et al.]. Boulder, USA : National Center for Atmospheric Research, 2008. 125 p.
  9. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov / V. B. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. Vol. 27, iss.1. P. 95–112. doi:10.1515/rnam-2012-0006
  10. Мамаев О. И. Морские течения. М. : Издательство МГУ, 1986. 104 с.
  11. Коротаев Г. К., Сабинин К. Д. Инерционные колебания на течении со сдвигом скорости произвольного профиля // Доклады Академии наук. 2017. Т. 475, № 2. С. 215–216. doi:10.7868/S086956521720021X
  12. Sabinin K. D., Korotaev G. K. Inertial oscillations over the background of shear currents in the ocean // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2017. Vol. 53, iss. 3. Р. 352–358. doi:10.1134/S0001433817030100
  13. Коротаев Г. К. Инерционные колебания и преобразование Галилея // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54, № 2. С. 227–231. doi:10.7868/S0003351518020125
  14. Бондур В. Г., Сабинин К. Д., Гребенюк Ю. В. Характеристики инерционных колебаний по данным экспериментальных измерений течений на российском шельфе Черного моря // Известия РAН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 1. С. 135–142.
  15. Ball F. K. Some general theorems concerning the finite motions of a shallow rotating liquid lying on a paraboloid // Journal of Fluid Mechanics. 1963. Vol. 17, iss. 2. P. 240–256. https://doi.org/10.1017/S0022112063001270
  16. Pollard R. T., Millard R. C. Jr. Comparison between observed and simulated wind-generated inertial oscillations // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 813–821. https://doi.org/10.1016/0011-7471(70)90043-4
  17. Halpern D. Variability of Near-Surface Currents in the Atlantic North Equatorial Countercurrent during GATE // Journal of Physical Oceanography. 1980. Vol. 10, no. 8. P. 1213–1220. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1980)0101213:VONSCI2.0.CO;2
  18. Tikhonov A. N., Samarskii A. A. Equations of Mathematical Physics. New York : Dover Publications, Inc., 1990. 785 p.
  19. Шулейкин В. В. Физика моря. М. : Наука, 1968. 1090 с.

Скачать статью в PDF-формате