Механизмы изменчивости циркуляции Черного и Мраморного морей на основе численного анализа энергетики

С. Г. Демышев, О. А. Дымова✉, Н. В. Маркова

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: olgdymova@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Проанализированы физические механизмы формирования структуры циркуляции в Черном и Мраморном морях на основе численных экспериментов с использованием климатических краевых условий.

Методы и результаты. Для исследования причин формирования особенностей циркуляции использовался энергетический подход, который позволил рассчитать работу сил, действующих на морскую среду. Расположение в одном географическом регионе обусловливает сходство атмосферных условий для Черного и Мраморного морей, а четко выраженная двухслойная стратификация вод в обоих бассейнах связана со значительным перепадом солености между черноморскими и средиземноморскими водами. Для анализа механизмов изменчивости циркуляции рассмотрены средние и вихревые поля, сформированные под воздействием климатического атмосферного форсинга и рассчитанные по численной модели динамики моря. Количественные оценки влияния ветра, термохалинных потоков на поверхности морей, работы силы плавучести, трения, диффузии выполнены на основе расчета компонентов энергетического цикла Лоренца. Обнаружены общие черты в механизмах мезомасштабной изменчивости и различия в механизмах изменчивости крупномасштабной циркуляции.

Выводы. Основным источником энергии средней циркуляции Черного моря является работа силы ветра, для Мраморного моря доминирующий фактор – работа силы плавучести. Изменчивость вихревой кинетической энергии, характеризующей мезомасштабную динамику, для обоих бассейнов определяется бароклинной неустойчивостью. При этом в Черном море около четверти доступной потенциальной энергии трансформируется в вихревую кинетическую энергию, а в Мраморном – примерно половина.

Ключевые слова

Черное море, Мраморное море, циркуляция, кинетическая энергия, доступная потенциальная энергия, энергетический цикл Лоренца, диссипация, бароклинная неустойчивость, плавучесть, ветровое воздействие

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме № FNNN-2021-0004.

Для цитирования

Демышев С. Г., Дымова О. А., Маркова Н. В. Механизмы изменчивости циркуляции Черного и Мраморного морей на основе численного анализа энергетики // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 6. С. 893–908. EDN RNCPPV.

Demyshev, S.G., Dymova, O.A. and Markova, N.V., 2023. Mechanisms of Variability of the Black and Marmara Seas Circulation Based on Numerical Energy Analysis. Physical Oceanography, 30(6), pp. 851-865.

Список литературы

  1. Stanev E. V., Grashorn S., Zhang Y. J. Cascading ocean basins: numerical simulations of the circulation and interbasin exchange in the Azov-Black-Marmara-Mediterranean Seas system // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 8. P. 1003–1025. https://doi.org/10.1007/s10236-0171071-2
  2. Долгопериодная изменчивость термохалинных характеристик Азовского моря на основе численной вихреразрешающей модели / А. И. Мизюк [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 5. С. 496–510. EDN XHZXAR. https://doi.org/10.22449/02337584-2019-5-496-510
  3. Система морских ретроспективных расчетов и прогнозов гидрометеорологических характеристик Азовского моря и Керченского пролива / Н. А. Дианский [и др.] // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Геоинформационные технологии и космический мониторинг. 2020. Т. 2, № 5. С. 131–140. EDN GBWEBF. https://doi.org/10.23885/2500-123X2020-2-5-131-140
  4. Modeling of the Turkish Strait System Using a High Resolution Unstructured Grid Ocean Circulation Model / M. Ilicak [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9, iss. 7. 769. https://doi.org/10.3390/jmse9070769
  5. Cessi P., Pinardi N., Lyubartsev V. Energetics of Semienclosed Basins with Two-Layer Flows at the Strait // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 3. P. 967–979. https://doi.org/10.1175/JPO-D-13-0129.1
  6. Stanev E. V. On the mechanisms of the Black Sea circulation // Earth-Science Reviews. 1990. Vol. 28, iss. 4. P. 285–319. https://doi.org/10.1016/0012-8252(90)90052-W
  7. 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. EDN PGCNXF.
  8. 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
  9. 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. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-41-56
  10. Circulation of the Turkish Straits System between 2008-2013 under complete atmospheric forcings / A. Aydogdu [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 5. P. 999–1019. https://doi.org/10.5194/os-14-999-2018
  11. Демышев С. Г., Довгая С. В. Анализ сезонных энергетических характеристик динамики верхнего слоя вод Мраморного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 5. С. 509–524. EDN MBKNOV. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-509-524
  12. Демышев С. Г. Численная модель оперативного прогноза течений в Черном море // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 1. С. 137–149. EDN OOWHLL.
  13. Pacanowski R. C., Philander S. G. H. Parameterization of vertical mixing in numerical models of tropical oceans // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 11. P. 1443−1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011%3C1443:POVMIN%3E2.0.CO;2
  14. Оценки параметров краевых внутренних волн в Черном море / В. М. Грузинов [и др.] // Труды Государственного океанографического института. 2018. Вып. 219. С. 205–226. EDN XSEMDZ.
  15. Ефимов В. В., Тимофеев Н. А. Теплобалансовые исследования Черного и Азовского морей. Обнинск : ВНИИГМИ-МЦД, 1990. 236 с.
  16. Staneva J. V., Stanev E. V. Oceanic response to atmospheric forcing derived from different climatic data sets. Intercomparison study for the Black Sea // Oceanologica Acta. 1998. Vol. 21, iss. 3. P. 393–417. https://doi.org/10.1016/S0399-1784(98)80026-1
  17. Дорофеев В. Л., Коротаев Г. К. Ассимиляция данных спутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2004. № 1. С. 52–68. EDN YXQYNN.
  18. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. IV. Черное море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Под ред. А. И. Симонова, Э. Н. Альтмана. СПб. : Гидрометеоиздат, 1991. 428 с.
  19. Демышев С. Г., Иванов В. А., Маркова Н. В. Анализ климатических полей Черного моря ниже основного пикноклина, полученных на основе усвоения архивных данных по температуре и солености в численной гидродинамической модели // Морской гидрофизический журнал. 2009. № 1. С. 3–15. EDN VOAIVZ.
  20. The circulation and hydrography of the Marmara Sea / S. T. Besiktepe [et al.] // Progress in Oceanography. 1994. Vol. 34, iss. 4. P. 285–334. https://doi.org/10.1016/0079-6611(94)90018-3
  21. Запевалов А. C. Сезонная изменчивость вертикальных распределений температуры и солености в Мраморном море // Метеорология и гидрология. 2005. № 2. С. 78−84. EDN KUHKQB.
  22. 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
  23. Пузина О. С., Мизюк А. И. Исследование влияния придонного трения на крупномасштабную циркуляцию Черного моря на основе численного моделирования // Комплексные исследования Мирового океана : Материалы IV Всероссийской научной конференции молодых ученых. Севастополь : ФГБУН МГИ, 2019. С. 145–146. EDN YKWNFQ.
  24. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 c.
  25. Oguz T., Malanotte-Rizzoli P., Aubrey D. Wind and thermohaline circulation of the Black Sea driven by yearly mean climatological forcing // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C4. P. 6845–6863. https://doi.org/10.1029/95JC00022
  26. Effect of bottom slope and wind on the near-shore current in a rotating stratified fluid: laboratory modeling for the Black Sea / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2005. Vol. 45, suppl. 1. P. S13– S26. EDN LJLSWD.
  27. Long-term variations of the Black Sea dynamics and their impact on the marine ecosystem / A. A. Kubryakov [et al.] // Journal of Marine Systems. 2016. Vol. 163. P. 80–94. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2016.06.006
  28. Sannino G., Sözer A., Özsoy E. A high-resolution modelling study of the Turkish Straits System // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 3–4. P. 397–432. https://doi.org/10.1007/s10236017-1039-2
  29. Alpar D., Yuce H. Sea-level variations and their interactions between the Black Sea and the Aegean Sea // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1998. Vol. 46, iss. 5. P. 609–619. https://doi.org/10.1006/ecss.1997.0285

Скачать статью в PDF-формате