Энергетические переходы в двухслойной вихреразрешающей модели Черного моря

А. А. Павлушин✉, Н. Б. Шапиро, Э. Н. Михайлова

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: ila.82@mail.ru

Аннотация

Цель. Проведен энергетический анализ результатов численного эксперимента по моделированию крупномасштабной циркуляции в Черном море в рамках двухслойной вихреразрешающей модели под воздействием касательного напряжения ветра. Основная цель работы состоит в том, чтобы определить направление и величину переходов энергии, сопровождающих процессы формирования крупномасштабных течений и мезомасштабных вихрей в море.

Методы и результаты. Анализ проводится для периода статистического равновесия, в котором средние значения всех рассчитываемых в модели характеристик остаются постоянными во времени. С помощью метода осреднения Рейнольдса в модели произведено разделение энергетических характеристик (механической энергии и ее переходов) по масштабам движения на относящиеся к крупномасштабным течениям и к вихрям. Крупномасштабные течения определяются как средние потоки за некоторый выбранный временной интервал, а отклонения от них считаются вихрями. Анализируются осредненные по времени и/или по пространству энергетические характеристики. Для периода статистического равновесия рассчитаны энергетические диаграммы, демонстрирующие вклад крупномасштабных течений и вихрей в общую механическую энергию, величины и направления переходов энергии. Для того же периода построены осредненные по времени поля составляющих энергии и работы сил, участвующих в энергетическом балансе.

Выводы. Показано, что бароклинная неустойчивость крупномасштабного течения является ос-новной причиной меандрирования Основного Черноморского течения, а переход энергии в нижний слой осуществляется вследствие бароклинной неустойчивости вихрей. Установлено, что бóльшую долю энергии от ветра море получает в его восточной половине, а теряет в западной и северо-западной области бассейна. Основная часть диссипации энергии обеспечивается работой сил трения на нижней границе верхнего слоя в области пересечения поверхности раздела слоев с дном.

Ключевые слова

кинетическая энергия, доступная потенциальная энергия, энергетический баланс, численная модель, Черное море, энергетическая диаграмма, взаимодействие вихрей и крупномасштабных течений

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0827-2018-0002 «Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений».

Для цитирования

Павлушин А. А., Шапиро Н. Б., Михайлова Э. Н. Энергетические переходы в двухслойной вихреразрешающей модели Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 3. С. 201–219. EDN JMCPHB. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-201-219

Pavlushin, A.А., Shapiro, N.B. and Mikhailova, E.N., 2019. Energy Transitions in the Two-Layer Eddy-Resolving Model of the Black Sea. Physical Oceanography, 26(3), pp. 185-201. doi:10.22449/1573-160X-2019-3-185-201

DOI

10.22449/0233-7584-2019-3-201-219

Список литературы

  1. Павлушин А. А. Численное моделирование крупномасштабной циркуляции и вихревых структур в Черном море // Труды государственного океанографического института. М. : Артифекс, 2018. Вып. 219. С. 174–194.
  2. Павлушин А. А., Шапиро Н. Б., Михайлова Э. Н._ Роль рельефа дна и β-эффекта в динамике Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. С. 27−39. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-27-39
  3. 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 // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, no. 4. P. 642–657. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1975)0050642:OTGOME2.0.CO;2
  4. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. II. A Parameter Study // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, no. 4. P. 658–669. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1975)0050658:OTGOME2.0.CO;2
  5. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 509 с.
  6. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analyzing intraannual variations in the energy characteristics of circulation in the Black Sea // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52, iss. 4. P. 386–393. doi:10.1134/S0001433816040046
  7. Chen R., Thompson A. F., Flierl G. R. Time-dependent eddy-mean energy diagrams and their application to the ocean // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, no. 9. P. 2827–2850. https://doi.org/10.1175/JPO-D-16-0012.1
  8. Kang D., Curchitser E. N. Energetics of eddy–mean flow interactions in the Gulf Stream region // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, no. 4. P. 1103–1120. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0200.1
  9. Energy Conversion Routes in the Western Mediterranean Sea Estimated from Eddy–Mean Flow Interactions / E. Capó [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2019. Vol. 49, no. 1. P. 247–267. https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0036.1
  10. Ефимов В. В., Юровский А. В. Формирование завихренности поля скорости ветра в атмосфере над Черным морем // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. С. 3−12. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-3-12
  11. Ефимов В. В., Анисимов А. Е. Климатические характеристики изменчивости поля ветра в Черноморском регионе – численный реанализ региональной атмосферной циркуляции // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47, № 3. С. 380–392.
  12. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : МГИ НАН Украины, 2011. 212 c.
  13. Изменчивость гидрофизических полей Черного моря / Под ред. ак. Б. А. Нелепо. Л. : Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.
  14. Маркова Н. В., Багаев А. В. Оценка скоростей глубоководных течений в Черном море по данным дрейфующих буев-профилемеров Argo // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 3. С. 26−39. doi:10.22449/0233-7584-2016-3-26-39
  15. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data / G. K. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C4. 3122. https://doi.org/10.1029/2002JC001508
  16. Бассейновая циркуляция и мезомасштабная динамика Черного моря под ветровым воздействием / А. Г. Зацепин [и др.] // Современные проблемы динамики океана и атмосферы : Сб. статей, посвященный 100-летию со дня рождения проф. П. С. Линейкина / Под ред. А. В. Фролова, Ю. Д. Реснянского. М. : Триада ЛТД, 2010. С. 347–368.
  17. Stanev E. V. Understanding Black Sea Dynamics: Overview of Recent Numerical Modeling // Oceanography. 2005. Vol. 18, no. 2. P. 56–75. https://doi.org/10.5670/oceanog.2005.42

Скачать статью в PDF-формате