Основные закономерности долговременной эволюции халинной стратификации Черного моря

А. И. Мизюк, М. В. Сендеров✉, Г. К. Коротаев

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: maxim.senderov@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Процесс формирования халинной стратификации в Черном море в настоящее время исследован достаточно слабо. Считается, что современное состояние бассейна близко к равновесию. Однако анализ долговременных наблюдений показывает, что имеется тенденция к распреснению поверхностного слоя моря и осолонению его глубинных вод. Получить цельное представление о формировании халинной стратификации бассейна и характерных временных масштабов ее долговременной климатической эволюции – цель данной работы.

Методы и результаты. Численные расчеты циркуляции Черного моря, формирующейся под воздействием водообмена через Босфор, речного стока, осадков и испарений, на основе модели NEMO сопоставляются с полученными ранее результатами лабораторного моделирования. Показано, что время формирования верхне- и нижнебосфорского течений имеет характерный временной масштаб в 20 лет. Относительно небольшое время приспособления водообмена через Босфор к внешним условиям показывает, что на климатических масштабах пролив должен находиться в квазиравновесном состоянии. Результаты численных экспериментов показали также, что на фоне изначально заданной постоянной солености Черного моря происходит относительно быстрое формирование вертикальной халинной стратификации за счет распреснения верхнего 40-метрового слоя под влиянием речного стока. Это приводит к формированию халоклина в слое 10–40 м. Глубже соленость увеличивается медленно за счет притока мраморноморских вод. В каждом из расчетов интенсивное распреснение поверхностного слоя происходит в течение 70–80 лет, после чего его соленость начинает медленно увеличиваться.

Выводы. В итоге характерное время приспособления стратификации бассейна к изменению внешних условий составляет 70–100 лет. После достижения равновесного режима происходит медленная квазистационарная эволюция полей бассейна. Анализ результатов позволил получить уравнения для описания медленной эволюции халинной стратификации.

Ключевые слова

халинная стратификация, халоклин, Черное море, численное моделирование, пролив Босфор

Благодарности

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте РАН при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 17-77-30001).

Для цитирования

Мизюк А. И., Сендеров М. В., Коротаев Г. К. Основные закономерности долговременной эволюции халинной стратификации Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 6. С. 646–661. EDN JYXDTR. doi: 10.22449/0233-7584-2019-6-646-661

Mizyuk, A.I., Senderov, M.V. and Korotaev, G.K., 2019. Basic Regularities of the Haline Stratification Long-Term Evolution in the Black Sea. Physical Oceanography, 26(6), pp. 569-583. doi:10.22449/1573-160X-2019-6-569-583

DOI

10.22449/0233-7584-2019-6-646-661

Список литературы

  1. Альтман Э. Н., Гертман И. Ф., Голубева З. А. Многолетние тенденции солености и температуры вод Черного моря в связи с изменениями стока рек (по данным натурных наблюдений) // Труды Государственного океанографического института. Вопросы гидрологии и гидрохимии Черного моря. Л. : Гидрометеоиздат, 1988. Вып. 189. С. 39–53.
  2. Полонский А. Б., Шокурова И. Г., Белокопытов В. Н. Десятилетняя изменчивость температуры и солености в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2013. № 6. С. 27–41.
  3. Ryan W. B., Pitman W. C. Noah’s Flood: The new scientific discoveries about the event that changed history. New York : Simon and Schuster, 1999. 319 p.
  4. Сендеров М. В., Мизюк А. И. Влияние начальных условий на водообмен через Босфор и формирование вертикальной халинной структуры Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. Севастополь : Морской гидрофизический институт РАН, 2017. Вып. 2. С. 82–89.
  5. Korotaev G. K. Formation of salinity and density vertical stratification of the Black Sea // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1359, conference 1. 012003. doi:10.1088/1742-6596/1359/1/012003
  6. Senderov M. V., Mizyuk A. I., Korotaev G. K. Study of the formation of the Black Sea haline stratification from the numerical simulations // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1359, conference 1. 012076. doi:10.1088/1742-6596/1359/1/012076
  7. Водяницкий В. А. Основной водообмен и история формирования солености Черного моря // Труды Севастопольской биологической станции. 1948. Т. VI. С. 386–432.
  8. Булгаков С. Н., Коротаев Г. К. Роль халинных факторов в формировании циркуляции вод Черного моря // Моделирование гидрофизических процессов и полей в замкнутых водоемах и морях. М. : Наука, 1989. С. 71–79.
  9. Ivanov L. I., Samodurov A. S. The role of lateral fluxes in ventilation of the Black Sea // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 159–174. doi:10.1016/S0924-7963(01)00051-3
  10. Булгаков С. Н., Коротаев Г. К., Уайтхэд Дж. А. Роль потоков плавучести в формировании крупномасштабной циркуляции и стратификации вод моря. Часть 2: Лабораторные эксперименты // Известия Академии наук. Физика атмосферы и океана. 1996. Т. 32, № 4. С. 557–564.
  11. Whitehead J. A., Korotaev G. K., Bulgakov S. N. Convective circulation in mesoscale abyssal basins // Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics. 1998. Vol. 89, iss. 3–4. P. 169–203. doi:10.1080/03091929808203685
  12. Pedlosky J., Whitehead J. A., Veitch G. Thermally driven motions in a rotating stratified fluid: theory and experiment // Journal of Fluid Mechanics. 1997. Vol. 339. P. 391–411. doi:10.1017/S0022112097005168
  13. NEMO ocean engine / G. Madec [et al.]. IPSL, 2016. 386 p. (Note du Pôle de modélisation de l'Institut Pierre-Simon Laplace No. 27). URL: http://www.nemo-ocean.eu/doc/ (date of access: 07.05.2019).
  14. Algorithms for computation of fundamental properties of seawater. Paris : UNESCO, 1983. 53 p. (Unesco technical papers in marine science 44). URL: http://hdl.handle.net/11329/109 (date of access: 07.05.2019).
  15. Roullet G., Madec G. Salt conservation, free surface, and varying levels: A new formulation for ocean general circulation models // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2000. Vol. 105, iss. C10. Р. 23927–23942. https://doi.org/10.1029/2000JC900089
  16. Mesinger F., Arakawa A. Numerical methods used in atmospheric models. Vol. I. WMO-ICSU Joint Organizing Committee, 1976. 64 p. (GARP Publications Series No. 17). URL: http://twister.ou.edu/CFD2003/Mesinger_ArakawaGARP.pdf (date of access: 07.05.2019).
  17. Zalesak S. T. Fully multidimensional flux-corrected transport algorithms for fluids // Journal of Computational Physics. 1979. Vol. 31, iss. 3. P. 335–362. https://doi.org/10.1016/0021-9991(79)90051-2
  18. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // Journal of Geophysical Research. 1987. Vol. 92, iss. C5. P. 5305–5328. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p05305
  19. Авдеев А. И. Разработка методологии исследования рельефа дна Черного моря и его влияние на процессы, протекающие в зоне сопряжения суша – море // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ, 2001. Вып. 4. С. 179–187.
  20. Senderov M. V., Mizyuk A. I., Korotaev G. K. The Bosphorus exchange flow impact on the river runoff // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1128, conference 1. 012149. doi:10.1088/1742-6596/1128/1/012149
  21. Korotaev G. K. Circulation in Semi-Enclosed Seas Induced by Buoyancy Flux through a Strait // Sensitivity to Change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea / E. Özsoy, A. Mikaelyan (eds). (NATO ASI Series (Series 2: Environment), vol. 27). Dordrecht : Springer, 1997. P. 395–401. https://doi.org/10.1007/978-94-011-5758-2_30
  22. Колесников А. Г. К вычислению годового хода температуры воды в южных морях // Труды Морского гидрофизического института Академии наук СССР. М. : Изд-во Академии наук СССР, 1953. Т. III. С. 106–127.
  23. Овчинников И. М., Попов Ю. И. Формирование холодного промежуточного слоя в Черном море // Океанология. 1987. Т. XXVII, вып. 5. С. 739–747.
  24. Observations of Black Sea mesoscale eddies and associated horizontal mixing / A. G. Za-tsepin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C8. 3246. https://doi.org/10.1029/2002JC001390
  25. Кубрякова Е. А., Коротаев Г. К. Сезонная изменчивость циркуляции и формирование солености поверхностных вод Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2013. № 3. С. 3–12.
  26. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov / V. В. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. Vol. 27, iss. 1. P. 95–112. https://doi.org/10.1515/rnam-2012-0006
  27. Залесный В. Б., Гусев А. В., Фомин В. В. Численная модель негидростатической морской динамики, основанная на методах искусственной сжимаемости и многокомпонентного расщепления // Океанология. 2016. Т. 56, № 6. С. 959–971. doi10.7868/S0030157416050178
  28. Гусев А. В., Залесный В. Б., Фомин В. В. Методика расчета циркуляции Черного моря с улучшенным разрешением в районе полигона ИО РАН // Океанология. 2017. Т. 57, № 6. С. 978–989. doi10.7868/S0030157417060120

Скачать статью в PDF-формате