Численное моделирование зимнего выхолаживания Черного моря

Д. А. Яровая✉, В. В. Ефимов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: darik777mhi-ras@mail.ru

Аннотация

Цель. Цель работы – численное исследование изменения термической структуры верхнего слоя Черного моря во время сезонного зимнего охлаждения на примере зимы 2009−2010 гг.

Методы и результаты. Использовалась совместная мезомасштабная модель море – атмосфера NEMO-OASIS-WRF (NOW) с разрешением 2 км, состоящая из морской модели NEMO и атмосферной модели WRF. Воспроизведены изменения, произошедшие в верхнем слое моря за период 01.12.2009–28.02.2010, и рассмотрен временной ход температуры воды на разных глубинах. Для характерной точки в глубоководной части моря продемонстрировано увеличение со временем толщины верхнего квазиоднородного слоя и опускание верхней границы холодного промежуточного слоя в результате вовлечения более холодной воды в верхний более теплый квазиоднородный слой. Также показано, что опускание верхней границы холодного промежуточного слоя сопровождалось повышением его температуры. Для описания эволюции этого слоя во время зимнего охлаждения предложены два критерия – минимальная температура в слое 0−120 м и разность между этой величиной и температурой поверхности моря. Получены вертикальные разрезы температуры на разных стадиях зимнего охлаждения и рассмотрены основные изменения, произошедшие в термической структуре верхнего слоя моря. В частности, показано, что в процессе зимнего охлаждения холодная, но менее соленая вода северо-западного шельфа не смешивалась с водами открытого моря из-за наличия большого горизонтального градиента плотности.

Выводы. При описании сезонного зимнего изменения верхнего квазиоднородного слоя необходимо учитывать не только теплоотдачу в атмосферу через верхнюю границу, но и вертикальный турбулентный обмен через нижнюю границу. Во время сезонного охлаждения верхнего квазиоднородного слоя не все накопленное за лето тепло уходит в атмосферу: часть, хотя и небольшая, передается на нижележащие уровни, приводя к уменьшению холодозапаса холодного промежуточного слоя. Влияние граничных условий в виде притока вод с другими свойствами из Мраморного моря может привести к появлению областей, где холодный промежуточный слой хотя и отсутствует формально как слой между двумя изотермами 8°С, но выделяется как промежуточный слой более холодной (на 3−4°С) воды по сравнению с верхним квазиоднородным слоем. В течение рассматриваемого периода перемешивание с вовлечением более теплых ипресных вод из верхнего квазиоднородного слоя на нижележащие уровни было более интенсивным в западной части моря. Предположительно это связано с неравномерным охлаждением моря в рассматриваемый период: поток тепла, направленный от поверхности моря в атмосферу, уменьшается от 200 Вт/м2 в северо-западной части моря до 50 Вт/м2 в юго-восточной.

Ключевые слова

мезомасштабное совместное моделирование, модель море – атмосфера NOW, холодный промежуточный слой, зимнее охлаждение, Черное море

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-0014 «Фундаментальные исследования процессов взаимодействия в системе океан – атмосфера, формирующих изменчивость физического состояния морской среды на различных пространственно-временных масштабах».

Для цитирования

Яровая Д. А., Ефимов В. В. Численное моделирование зимнего выхолаживания Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 1. С. 5–19, EDN DQGQSI.

Iarovaia, D.A. and Efimov, V.V., 2025. Numerical Modeling of Winter Cooling in the Black Sea. Physical Oceanography, 32 (1), pp. 3-16.

Список литературы

  1. Akpinar A., Fach B. A., Oguz T. Observing the subsurface thermal signature of the Black Sea cold intermediate layer with Argo profiling floats // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2017. Vol. 124. P. 140–152. https://doi.org/ 10.1016/j.dsr.2017.04.002
  2. Ivanov L. I., Beşiktepe Ș., Özsoy E. The Black Sea Cold Intermediate Layer // Sensitivity to Change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea / Eds. E. Özsoy, A. Mikaelyan. Dordrecht : Springer, 1997. P. 253–264. (NATO ASI Series ; vol. 27). https://doi.org/10.1007/978-94-011-5758-2\_20
  3. Овчинников И. М., Попов Ю. И. Формирование холодного промежуточного слоя в Черном море // Океанология. 1987. Т. 27, № 5. С. 739–746.
  4. Control of Black Sea intermediate water mass formation by dynamics and topography: Comparison of numerical simulations, surveys and satellite data / E. V. Stanev [et al.] // Journal of Marine Research. 2003. Vol. 61, iss. 1. P. 59–99. https://doi.org/10.1357/002224003321586417
  5. Staneva J. V., Stanev E. V. Cold Intermediate Water formation in the Black Sea. Analysis on Numerical Model Simulations // Sensitivity to Change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea / Eds. E. Özsoy, A. Mikaelyan. Dordrecht : Springer, 1997. P. 375–393. (NATO ASI Series ; vol. 27). https://doi.org/10.1007/978-94-011-5758-2_29
  6. Коротаев Г. К., Кныш В. В., Кубряков А. И. Исследование процессов формирования холодного промежуточного слоя по результатам реанализа гидрофизических полей Черного моря за 1971–1993 гг. // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 1. С. 41–56. EDN RTOUVN. https:/doi.org/10.7868/S0002351513060102
  7. Ефимов В. В., Яровая Д. А. Численное моделирование реакции Черного моря на вторжение аномально холодного воздуха 23–25 января 2010 года // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 1. С. 130–145. EDN GAKMLD.
  8. Ефимов В. В., Яровая Д. А. Численное моделирование конвекции в атмосфере при вторжении холодного воздуха над Черным морем // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 6. С. 692–703. EDN SYYYLX. https://doi.org/10.7868/S0002351514060078
  9. Ефимов В. В., Комаровская О. И., Баянкина Т. М. Временные характеристики и синоптические условия образования экстремальной новороссийской боры // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 5. С. 409–422. EDN XAHKNF. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-5-409-422
  10. Белокопытов В. Н. Межгодовая изменчивость обновления вод холодного промежуточного слоя Черного моря в последние десятилетия // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 5. С. 33–41. EDN TOERWX.
  11. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Изучение долговременной изменчивости динамики Чёрного моря на основе ассимиляции дистанционных измерений в модели циркуляции // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 2. С. 254−264. EDN YRWQMX. https://doi.org/ 10.7868/S000235151702002X
  12. Black Sea thermohaline properties: Long-term trends and variations / S. Miladinova [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 7. P. 5624–5644. https://doi.org/10.1002/2016JC012644
  13. Демышев С. Г., Коротаев Г. К., Кныш В. В. Эволюция холодного промежуточного слоя Черного моря по результатам ассимиляции климатических данных в модели // Морской гидрофизический журнал. 2002. № 4. С. 3–19. EDN YWOJVR.
  14. Formation and changes of the Black Sea cold intermediate layer / S. Miladinova [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 11–23. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2018.07.002
  15. Stanev E. V., Peneva E., Chtirkova B. Climate Change and Regional Ocean Water Mass Disappearance: Case of the Black Sea // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2019. Vol. 124, iss. 7. P. 4803–4819. https://doi.org/10.1029/2019JC015076
  16. The NOW regional coupled model: Application to the tropical Indian Ocean climate and tropical cyclone activity / G. Samson [et al.] // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2014. Vol. 6, iss. 3. P. 700–722. https://doi.org/10.1002/2014MS000324
  17. Kraus E. B., Turner J. S. A one-dimensional model of the seasonal thermocline II. The general theory and its consequences // Tellus. 1967. Vol. 19, iss. 1. P. 98–106. https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1967.tb01462.x
  18. Морозов А. Н., Маньковская Е. В. Холодный промежуточный слой Черного моря по данным экспедиционных исследований 2016–2019 годов // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 2. С. 5–16. EDN RALEUS. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2020-2-5-16

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.