Моделирование распространения речного плюма в прибрежной зоне бесприливного моря

М. В. Цыганова✉, Е. М. Лемешко, В. В. Фомин, Ю. Н. Рябцев

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: m.tsyganova@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Изучение распространения речных вод при впадении в море, формирования плюма и вдольберегового плотностного течения, оценка характеристик плюмов и параметров их эволюции в зависимости от расхода реки и гидрологических условий северо-западного шельфа Черного моря в отсутствие ветрового воздействия являются целью работы.

Методы и результаты. Формирование и распространение плюма исследовались с помощью численного моделирования на основе трехмерной σ-координатной численной модели POM для расчета циркуляции в прибрежной зоне с учетом стока реки. Проведена серия численных экспериментов, учитывающих влияние сезонных изменений расходов и солености реки, а также стратификации морских вод на динамику плюма в диапазоне чисел Фруда Fr ≤ 1. Расчеты выполнены для прямоугольной области. В качестве входных параметров модели использованы среднеклиматические данные расхода реки, температуры и солености речной и морской воды. Получены количественные оценки характеристик плюмов и параметров их эволюции, оценки глубины, радиуса и положения центра плюма в зависимости от величины баланса сил плавучести (число Бургера) и инерции (числа Фруда и Россби), которые согласуются с данными гидрологических наблюдений, выполненных в условиях слабых ветров (со скоростью менее 5 м/с). Использование TVD-схем в модели обеспечило монотонность численного решения для областей с большими пространственными градиентами гидрофизических параметров и существенно снизило вычислительную вязкость. Установлено, что расходы пресной воды, переносимой прибрежным течением, пропорциональны квадрату его доступной потенциальной энергии, зависимость описывается уравнением линейной регрессии с высокими коэффициентами детерминации (~ 0,95) и корреляции (~ 0,97).

Выводы. Полученные соотношения для глубины и ширины плюма, расхода прибрежного течения можно использовать для оценки этих параметров по гидрологической информации или спутниковым данным при скорости ветра менее 5 м/с. В среднем через ~ 10 дней формируется квазистационарный режим плюма, при котором расход прибрежного течения стабилизируется на уровне ~ 40 % от расхода реки, при этом ~ 60 % продолжает циркулировать в пределах плюма. Полученные результаты могут использоваться при планировании морских экспедиций, оценке влияния катастрофических сбросов воды в реках на гидрохимический режим и экологическое состояние прибрежной зоны.

Ключевые слова

прибрежная зона, речной плюм, морской шельф, материковый сток, гидрофронт, численное моделирование, Дунай, Черное море, циркуляция вод

Благодарности

Работа была выполнена в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-0016.

Для цитирования

Моделирование распространения речного плюма в прибрежной зоне бесприливного моря / М. В. Цыганова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 5. С. 658–680. EDN ZJJIJC.

Tsyganova, M.V., Lemeshko, E.M., Fomin, V.V. and Ryabtsev, Yu.N., 2025. Modeling of River Plume Propagation in the Coastal Zone of Non-Tidal Sea. Physical Oceanography, 32(5), pp. 668-689.

Список литературы

  1. Завьялов П., Маккавеев П. Речные плюмы в акватории Сочи // Наука в России. 2014. № 2. С. 4–12. EDN STAQAB.
  2. Osadchiev A., Sedakov R., Barymova A. Response of a small river plume on wind forcing // Frontiers in Marine Science. 2021. Vol. 8. 809566. https://doi.org/10.3389/fmars.2021.809566
  3. Кондратьев С. И. Три характерные гидролого-гидрохимические ситуации возле устья Дуная по данным экспедиционных исследований Морского гидрофизического института в 1997–2013 годах // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 4. С. 367–383. EDN BTJNWV. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-4-367-383
  4. Осадчиев А. А. Речные плюмы. Москва : Научный мир, 2021. 286 с.
  5. О переносе стока малых рек вдольбереговым бароклинным морским течением / В. М. Журбасс [и др.] // Океанология. 2011. Т. 51, № 3. С. 440–449. EDN NWCMRX.
  6. Whitehead J. A. The deflection of a baroclinic jet by a wall in a rotating fluid // Journal of Fluid Mechanics. 1985. Vol. 157. P. 79–93. https://doi.org/10.1017/S0022112085002312
  7. Garvine R. W. Estuary plumes and fronts in shelf waters: a layer model // Journal of Physical Oceanography. 1987. Vol. 17, iss. 11. P. 1877–1896. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1987)017%3C1877:EPAFIS%3E2.0.CO;2
  8. Garvine R. W. A dynamical system for classifying buoyant coastal discharges // Continental Shelf Research. 1995. Vol. 15, iss. 13. P. 1585–1596. https://doi.org/10.1016/0278-4343(94)00065-U
  9. Yankovsky A. E., Chapman D. C. A simple theory for the fate of buoyant coastal discharges // Journal of Physical Oceanography. 1997. Vol. 27, iss. 7. P. 1386–1401. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1997)027%3C1386:ASTFTF%3E2.0.CO;2
  10. Horner-Devine A. R., Hetland R. D., MacDonald D. G. Mixing and transport in coastal river plumes // Annual Review of Fluid Mechanics. 2015. Vol. 47. P. 569–594. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-010313-141408
  11. Михайлов В. Н., Михайлова М. В., Фролова Н. Л. Смешение речных и морских вод на устьевом взморье крупной реки // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 1985. № 6. С. 37–42. EDN UDCWCF.
  12. Garvine R. W. Physical features if the Connecticut River outflow during high discharge // Journal of Geophysical Research. 1974. Vol. 79, iss. 6. P. 831–846. https://doi.org/10.1029/JC079i006p00831
  13. Horner-Devine A. R. The bulge circulation in the Columbia River plume // Continental Shelf Research. 2009. Vol. 29, iss. 1. P. 234–251. https://doi.org/10.1016/j.csr.2007.12.012
  14. Kourafalou, V. H., Stanev E. V. Modeling the impact of atmospheric and terrestrial inputs on the western Black Sea coastal dynamics // Annales Geophysicae. 2001. Vol. 19, iss. 2. P. 245–256. https://doi.org/10.5194/angeo-19-245-2001
  15. Yankovsky A., Lemeshko E., Ilyin Y. The influence of shelfbreak forcing on the alongshelf penetration of the Danube buoyant water, Black sea // Continental Shelf Research. 2004. Vol. 24, iss. 10. P. 1083–1098. https://doi.org/10.1016/j.csr.2004.03.007
  16. Avicola G., Huq P. Scaling analysis for the interaction between a buoyant coastal current and the continental shelf: experiments and observations // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 11. P. 3233–3248. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)0323233:SAFTIB2.0.CO;2
  17. Pathways and mixing of the north western river waters in the Black Sea / S. Miladinova [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2020. Vol. 236. 106630. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2020.106630
  18. Моделирование распресняющего эффекта речного стока во время весеннего половодья на северо-западном шельфе Черного моря / В. А. Иванов [и др.] // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1996. Т. 32, № 1. С. 152–160.
  19. Romanian coastal dynamics during cold and warm seasons analyzed by means of a numerical model / I. Dinu [et al.] // Geo-Eco-Marina. 2017. Vol. 23. P. 71–102. https://doi.org/10.5281/zenodo.1194142
  20. Tsyganova M. V., Lemeshko E. M. Interannual variability of the wind field on the Black Sea north western shelf and its impact on river plume formation for decade 2011–2020 // Proceedings of SPIE. Tomsk : SPIE, 2021. Vol. 11916 : 27th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics. 119163G. https://doi.org/10.1117/12.2603268
  21. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 4. Черное море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Под ред. А. И. Симонова и Э. И. Альтмана. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1991. 430 с.
  22. Косарев А. Н., Архипкин В. С., Катышева М. В. Гидрологическая структура вод северо-западной части Черного моря // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2001. № 5. С. 50–54.
  23. Джаошвили Ш. Реки Черного моря. Тбилиси : Европейское агентство по охране окружающей среды, 2002. 58 с. (Технический отчет № 71).
  24. Tsyganova M. V., Zavialov P. O., Lemeshko E. M. The interannual variability of suspended matter concentration in the North-Western part of the Black Sea // Proceedings of SPIE. Tomsk : SPIE, 2018. Vol. 10833 : 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 1083328. https://doi.org/10.1117/12.2504485
  25. Comparative analysis of the first baroclinic Rossby radius in the Baltic, Black, Okhotsk, and Mediterranean seas / A. Kurkin [et al.] // Russian Journal of Earth Sciences. 2020. Vol. 20. ES4008. https://doi.org/10.2205/2020ES000737
  26. The Columbia River plume study: Subtidal variability in the velocity and salinity fields / B. M. Hickey [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1998. Vol. 103, iss. C5. P. 10339–10368. https://doi.org/10.1029/97JC03290
  27. An observational study of the Mississippi-Atchafalaya Coastal Plume. Final Report / S. P. Murray, ed. New Orleans, LA : US Department of the Interior, 1998. 544 p. (OCS Study MMS 98-0040).
  28. Fong D. A., Geyer W. R. The alongshore transport of freshwater in a surface-trapped river plume // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 3. P. 957–972. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)0320957:TATOFI2.0.CO;2
  29. River-induced particle distribution in the northwestern Black Sea (September 2002 and 2004) / A. P. Karageorgis [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2009. Vol. 114, iss. C12. C12003. https://doi.org/10.1029/2009JC005460
  30. Фомин В. В., Полозок А. А. Особенности формирования речного плюма в мелководной лагуне (на примере залива Сиваш, Азовское море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2022. № 3. С. 28–42. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2022-3-28-42
  31. Иванов В. А., Фомин В. В. Математическое моделирование динамических процессов в зоне море – суша. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2008. 363 с.
  32. Цыганова М. В., Лемешко Е. М., Рябцев Ю. Н. Влияние апвеллинга на развитие речного плюма в прибрежной зоне северо-западного шельфа Черного моря на основе численного моделирования // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2023. № 1. С. 20–30. EDN SYKFPE. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2023-1-20-30
  33. Plume spreading test case for coastal ocean models / V. Fofonova [et al.] // Geoscientific Model Development. 2021. Vol. 14, iss. 11. P. 6945–6975. https://doi.org/10.5194/gmd-14-6945-2021

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.