Сезонная и вертикальная изменчивость энергии течений в субмезомасштабном диапазоне на шельфе и в центральной части Черного моря

О. С. Пузина✉, А. А. Кубряков, А. И. Мизюк

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: oksana_puzina@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Цель данной работы – исследование сезонной изменчивости и вертикального распределения энергии субмезомасштабных течений (масштабы L = 1…10 км, T = 1…10 сут) в глубоководной и шельфовой зонах Черного моря.

Методы и результаты. Данные исследования проводятся на основе спектрального анализа результатов численных расчетов модели NEMO с высоким пространственным разрешением 1 км. Анализ показывает, что сезонная изменчивость энергии субмезомасштабных течений в исследуемых областях существенно различается. При этом сезонный ход энергии субмезомасштабных течений масштабом менее 10 км (Esp) в обоих районах хорошо согласуется с сезонной изменчивостью флуктуаций плотности на тех же масштабах. В центральной части моря высокие значения Esp в течение всего года сосредоточены в верхнем квазиоднородном слое. Пик Esp наблюдается в зимний период на глубинах 0–40 м, что свидетельствует о важной роли бароклинной неустойчивости, вызванной неоднородностью распределения верхнего квазиоднородного слоя в этот период, в генерации субмезомасштабных процессов в Черном море. В то же время в центральной части северо-западного шельфа в феврале наблюдается абсолютный минимум Esp, обусловленный полным перемешиванием и баротропизацией водной толщи. Максимальные значения Esp отмечаются в сентябре – октябре, что связывается с интенсификацией кросс-шельфового переноса опресненных вод от устьев рек под влиянием синоптических вихрей. При этом в указанном районе, как и в центральной части моря, в осенний период высокие значения Esp наблюдаются в слое большей толщины, чем в летний, совпадая с временным ходом толщины верхнего квазиоднородного слоя. Изменчивость энергии субмезомасштабных течений носит пульсационный характер с кратковременными интенсификациями и ослаблениями. Такая изменчивость значительно связана с прохождением синоптических фронтов и с кросс-шельфовым переносом вод под влиянием вихрей и апвеллингов, которые приводят к бароклинной неустойчивости вод.

Выводы. Сезонная и вертикальная изменчивость спектральной энергии в глубоководной и шельфовой зонах свидетельствует в пользу определяющей роли бароклинной неустойчивости вод, возникающей из-за неоднородности верхнего квазиоднородного слоя.

Ключевые слова

Черное море, спектральный анализ, субмезомасштабные течения, субмезомасштабные вихри, бароклинная неустойчивость, численное моделирование, NEMO

Благодарности

Исследование сезонной изменчивости субмезомасштабных колебаний выполнено при поддержке гранта РФФИ 19-05-00479.

Для цитирования

Пузина О. С., Кубряков А. А., Мизюк А. И. Сезонная и вертикальная изменчивость энергии течений в субмезомасштабном диапазоне на шельфе и в центральной части Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 1. С. 41–56. EDN COEHRO. doi:10.22449/0233-7584-2021-1-41-56

Puzina, O.S., Kubryakov, A.A. and Mizyuk, A.I., 2021. Seasonal and Vertical Variability of Currents Energy in the Sub-Mesoscale Range on the Black Sea Shelf and in Its Central Part. Physical Oceanography, 28(1), pp. 37-51. doi:10.22449/1573-160X-2021-1-37-51

DOI

10.22449/0233-7584-2021-1-41-56

Список литературы

  1. McWilliams J. C. Submesoscale currents in the ocean // Proceedings of the Royal Society A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 472, iss. 2189. 20160117. doi:10.1098/rspa.2016.0117
  2. Klein P., Lapeyre G. The Oceanic Vertical Pump Induced by Mesoscale and Submesoscale Turbulence // Annual Review of Marine Science. 2009. Vol. 1. P. 351–375. doi:10.1146/annurev.marine.010908.163704
  3. Mesoscale to Submesoscale Transition in the California Current System. Part II: Frontal Processes / X. Capet [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 1. P. 44–64. https://doi.org/10.1175/2007JPO3672.1
  4. Thomas L. N., Tandon A., Mahadevan A. Submesoscale processes and dynamics // Ocean Modeling in an Eddying Regime / eds. M. W. Hecht, H. Hasumi. Washington, D. C. : American Geophysical Union, 2008. С. 17–38. (Geophysical Monograph Series ; vol. 177). doi:10.1029/177GM04
  5. Mahadevan A., Tandon A. An analysis of mechanisms for submesoscale vertical motion at ocean fronts // Ocean Modelling. 2006. Vol. 14, iss. 3–4. С. 241–256. doi:10.1016/j.ocemod.2006.05.006
  6. Распространение вод из Керченского пролива в Черное море / А. А. Алескерова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. C. 53–64. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-53-64
  7. Распределение взвешенного вещества у западного побережья Крыма при воздействии сильных ветров различных направлений / А. А. Алескерова [и др.] // Исследование Земли из космоса. 2019. № 2. C. 74–88. doi:10.31857/S0205-96142019274-88
  8. Kubryakov A. A., Stanichny S. V., Zatsepin A. G. Interannual variability of Danube waters propagation in summer period of 1992–2015 and its influence on the Black Sea ecosystem // Journal of Marine Systems. 2018. Vol. 179. P. 10–30. doi:10.1016/j.jmarsys.2017.11.001
  9. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea / A. Zatsepin [et al.] // Ocean Dynamics. 2019. Vol. 69, iss. 2. P. 253–266. doi:10.1007/s10236-018-1239-4
  10. Lavrova O. Yu., Bocharova T. Yu. Satellite SAR observations of atmospheric and oceanic vortex structures in the Black Sea coastal zone // Advances in Space Research. 2006. Vol. 38, iss. 10. P. 2162–2168. doi:10.1016/j.asr.2006.03.022
  11. Submesoscale circulation in the northern Gulf of Mexico: Surface processes and the impact of the freshwater river input / H. Luo [et al.] // Ocean Modelling. 2016. Vol. 101. P. 68–82. doi:10.1016/j.ocemod.2016.03.003
  12. Investigation of fine spatial structure of currents and submesoscale eddies based on satellite radar data and concurrent acoustic measurements / O. Lavrova [et al.] // Proceedings of SPIE, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions. 2012. Vol. 8532. 85320L. doi:10.1117/12.970482
  13. Karimova S. S., Lavrova O. Yu., Solov’ev D. M. Observation of eddy structures in the Baltic Sea with the use of radiolocation and radiometric satellite data // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2012. Vol. 48, iss. 9. P. 1006–1013. doi:10.1134/S0001433812090071
  14. Алескерова А. А., Кубряков А. А., Станичный С. В. Распространение взвешенного вещества под влиянием штормовых ветров у западного побережья Крыма по оптическим данным высокого разрешения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 1. С. 63–71.
  15. Submesoscale eddies at the caucasus Black Sea shelf and the mechanisms of their generation / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2011. Vol. 51, iss. 4. 554. doi:10.1134/S0001437011040205
  16. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea / A. Zatsepin [et al.] // Ocean Dynamics. 2019. Vol. 69, iss. 2. P. 253–266. doi:10.1007/s10236-018-1239-4
  17. Statistics of vertical vorticity, divergence, and strain in a developed submesoscale turbulence field / A. Y. Shcherbina [et al.] // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 17. P. 4706–4711. doi:10.1002/grl.50919
  18. The seasonal cycle of submesoscale flows / L. Brannigan [et al.] // Ocean Modelling. 2015. Vol. 92. P. 69–84. doi:10.1016/j.ocemod.2015.05.002
  19. Seasonality in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Nature Communications. 2015. Т. 6. 6862. doi:10.1038/ncomms7862
  20. Seasonality of the submesoscale dynamics in the Gulf Stream region / J. A. Mensa [et al.] // Ocean Dynamics. 2013. Vol. 63, iss. 8. P. 923–941. doi:10.1007/s10236-013-0633-1
  21. Open-Ocean Submesoscale Motions: A Full Seasonal Cycle of Mixed Layer Instabilities from Gliders / A. F. Thompson [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 4. P. 1285–1307. doi:10.1175/JPO-D-15-0170.1
  22. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the mesoscale features of circulation in the Black Sea coastal zone // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. Vol. 49, iss. 6. P. 603–610. doi:10.1134/S0001433813060030
  23. Моделирование субмезомасштабной изменчивости морских течений в прибрежной зоне Черного моря / Б. В. Дивинский [и др.] // Океанология. 2015. Т. 55, № 6. С. 903–908. doi:10.7868/S0030157415060039
  24. Залесный В. Б., Гусев А. В., Агошков В. И. Моделирование циркуляции Черного моря с высоким разрешением прибрежной зоны // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52, № 3. С. 316–333. doi:10.7868/S0002351516030147
  25. NEMO ocean engine / G. Madec [et al.]. IPSL, 2016. 386 p. (Note du pôle de modélisation IPSL, № 27). URL: http://www.nemo-ocean.eu/doc/ (date of access: 10.12.2020).
  26. Long-Term variability of thermohaline characteristics of the Azov Sea based on the numerical eddy-resolving model / A. I. Mizyuk [et al.] // Physical Oceanography. 2019. Vol. 26, iss. 5. P. 438–450. doi:10.22449/1573-160X-2019-5-438-450
  27. 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
  28. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1987. Vol. 92, iss. C5. P. 5305–5328. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p05305
  29. Observations of Black Sea mesoscale eddies and associated horizontal mixing / A. G. Zatse-pin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C8. 3246. doi:10.1029/2002JC001390
  30. 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 Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 97. P. 80–91. doi:10.1016/j.dsr.2014.12.002
  31. Изменчивость гидрофизических полей Черного моря / [А. С. Блатов, Н. П. Булгаков, В. А. Иванов и др.]; под ред. Б. А. Нелепо. Л. : Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.
  32. The role of mixed-layer instabilities in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 788. P. 5–41. doi:10.1017/jfm.2015.700
  33. Титов В. Б. Интегральный эффект воздействия термического и динамического факторов атмосферы на гидрологическую структуру вод Черного моря // Океанология. 2004. Т. 44, № 6. C. 837–842.
  34. Изменчивость толщины перемешанного слоя в Черном море и ее связь с динамикой вод и атмосферным воздействием / А. А. Кубряков [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 5. С. 449–468. doi:10.22449/0233-7584-2019-5-449-468
  35. Three-Dimensional Identification of the Black Sea Mesoscale Eddies according to NEMO Numerical Model Calculations / A. A. Kubryakov [et al.] // Physical Oceanography. 2018. Vol. 25, iss. 1. P. 18–26. doi:10.22449/1573-160X-2018-1-18-26

Скачать статью в PDF-формате