Оценки бюджета доступной потенциальной энергии в Черном море при различных схемах расчета адвективного переноса тепла и соли

О. А. Дымова

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

e-mail: olgdymova@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Проанализирована доступная потенциальная энергия и составляющие ее бюджета в Черном море по результатам численного моделирования циркуляции при использовании новой схемы аппроксимации температуры и солености в операторе адвективного переноса.

Методы и результаты. На основе версий модели МГИ, различавшихся схемами аппроксимации адвективных членов, проведено два численных эксперимента. Разница между схемами состоит в том, что в эксперименте 1 выполнялось условие сохранения температуры и солености в первой и второй степени, в эксперименте 2 – температуры в первой и третьей, солености в первой и пятой степени. Получено, что при использовании новой схемы запас доступной потенциальной энергии увеличивается в среднем за год на 30 %. Разница обусловлена уменьшением горизонтальной диффузии в теплый сезон года и уменьшением расхода доступной потенциальной энергии за счет работы силы плавучести в холодный сезон. Валидация результатов моделирования по данным измерений температуры и солености из Банка океанографических данных МГИ показала, что применение новой схемы аппроксимации позволяет уточнить поле плотности и энергетические характеристики в верхнем слое Черного моря. Ниже горизонта 300 м при незначительных расхождениях между модельными и натурными термохалинными характеристиками в двух расчетах выявлены качественные и количественные различия в энергетических полях: увеличивается разница в значениях доступной потенциальной энергии в центральной части и на периферии бассейна, возрастает площадь зон экстремальных значений работы силы плавучести.

Выводы. Использование новой схемы аппроксимации температуры и солености в операторе адвективного переноса позволяет уточнить поле плотности и, как следствие, получить более точные оценки доступной потенциальной энергии циркуляции. В верхнем слое Черного моря (слой постоянного пикноклина и выше) разница между полями энергетических характеристик, рассчитанных в двух экспериментах, обусловлена различиями в пространственном распределении аномалий плотности, при этом абсолютные значения аномалий и максимальные значения энергии в экспериментах близки по величинам. Ниже слоя пикноклина доступная потенциальная энергия увеличивается при использовании новой схемы вследствие того, что изменения температуры и солености приводят к увеличению нормальных к берегу градиентов аномалий плотности.

Ключевые слова

Черное море, моделирование, циркуляция, доступная потенциальная энергия, сила плавучести, аномалия плотности, термохалинные характеристики

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы госзадания ФГБУН ФИЦ МГИ № FNNN2024-0001.

Для цитирования

Дымова О. А. Оценки бюджета доступной потенциальной энергии в Черном море при различных схемах расчета адвективного переноса тепла и соли // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 5. С. 723–737. EDN WLDWWP.

Dymova, O.A., 2024. Estimates of Available Potential Energy Budget in the Black Sea Using Different Schemes for Calculating Heat and Salt Advective Transport. Physical Oceanography, 31(5), pp. 679-693.

Список литературы

  1. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.
  2. Гилл А. Динамика атмосферы и океана : в 2 т. М. : Мир, 1986. Т. 2. 415 с.
  3. An estimate of the Lorenz energy cycle for the World Ocean based on the 1/10° STORM/NCEP simulation / J.-S. von Storch [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 12. P. 2185–2205. https://doi.org/10.1175/JPO-D-12-079.1
  4. A global diagnosis of eddy potential energy budget in an eddy-permitting ocean model / Y. Guo [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2022. Vol. 52, iss. 8. P. 1731–1748. https://doi.org/10.1175/JPO-D-22-0029.1
  5. Cronin M., Watts D. R. Eddy-mean flow interaction in the Gulf Stream at 68°W. Part I: Eddy energetics // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, iss. 10. P. 2107–2131. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)026%3C2107:EFIITG%3E2.0.CO;2
  6. Mesoscale air-sea interaction and its role in eddy energy dissipation in the Kuroshio Extension / H. Yang [et al.] // Journal of Climate. 2019. Vol. 32, iss. 24. P. 8659–8676. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0155.1
  7. Holland W. R. Energetics of baroclinic oceans // Numerical models of ocean circulation : proceedings of a symposium held at Durham, New Hampshire, October 17–20, 1972. Washington : National Academy Press, 1975. P. 168–177.
  8. Демышев С. Г. Дискретное уравнение для доступной потенциальной энергии как точное следствие конечно-разностных уравнений модели динамики моря // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 3. С. 239–255. EDN TLFKED.
  9. Демышев С. Г. Нелинейные инварианты дискретной системы уравнений динамики моря в квазистатическом приближении // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 5. С. 557–583. EDN JWSUUM
  10. Демышев С. Г., Дымова О. А. Оценки бюджета доступной потенциальной энергии в Черном море при использовании новых схем аппроксимации уравнений адвекции-диффузии тепла и соли // Многофазные системы. 2023. Т. 18, № 4. С. 378–381. https://doi.org/10.21662/mfs2023.4.117
  11. Demyshev S., Dymova O. Analysis of the annual mean energy cycle of the Black Sea circulation for the climatic, basin-scale and eddy regimes // Ocean Dynamics. 2022. Vol. 72, iss. 3–4. P. 259–278. https://doi.org/10.1007/s10236-022-01504-0
  12. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence close model for geophysical fluid problems // Review of Geophysics. 1982. Vol. 20, iss. 4. Р. 851–875. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00851
  13. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 4. Черное море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Под ред. А. И. Симонова, Э. Н. Альтмана СПб. : Гидрометеоиздат, 1991. 426 c.
  14. High and ultra-high resolution processing of satellite sea surface temperature data over Southern European Seas in the framework of MyOcean project / B. Buongiorno Nardelli [et al.] // Remote Sensing Environment. 2013. Vol. 129. P. 1–16. https://doi.org/10.1016/j.rse.2012.10.012
  15. Arakawa A., Lamb V. R. A potential enstrophy and energy conserving scheme for the shallow water equations // Monthly Whether Review. 1981. Vol. 109, iss. 1. P. 18–36. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109%3C0018:APEAEC%3E2.0.CO;2
  16. Information resources of Marine Hydrophysical Institute, RAS: current state and development prospects / T.M. Bayankina [et al.] // Processes in GeoMedia – Volume II. Cham : Springer, 2021. P. 187–197. (Springer Geology). https://doi.org/10.1007/978-3-030-53521-6_22
  17. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 c.
  18. Demyshev S., Dymova O., Miklashevskaya N. Seasonal variability of the dynamics and energy transport in the Black Sea by simulation data // Water. 2022. Vol. 14, iss. 3. 338. https://doi.org/10.3390/w14030338
  19. Булгаков С. Н., Коротаев Г. К. Возможный механизм стационарной циркуляции вод Черного моря // Комплексные исследования Черного моря. Севастополь, 1984. C. 32–40.

Скачать статью в PDF-формате