Purpose. The work is aimed at studying the changes in thermal structure of the Black Sea upper layer during seasonal winter cooling in 2009−2010.
Methods and Results. The NEMO-OASIS-WRF (NOW) coupled sea-atmosphere mesoscale model with the 2 km horizontal resolution is used. The changes in the sea upper layer during the 01.12.2009--28.02.2010 period are reproduced and the temporal variability of water temperature at different depths is considered. For a characteristic point in the deep-sea part, it has been shown that the upper mixed layer thickness increased with time, whereas the cold intermediate layer upper boundary lowered as a result of the entrainment of colder water from below to the upper warmer mixed layer. It is also indicated that lowering of the cold intermediate layer upper boundary is accompanied by an increase of its temperature. In order to describe the cold intermediate layer evolution during winter cooling, two criteria are proposed: minimum water temperature in the 0−120 m layer and difference between this value and the sea surface temperature. Vertical temperature profiles at different stages of winter cooling are obtained and the main changes in thermal structure of the sea upper layer are considered. It is particularly shown that in course of winter cooling, the cold but less salty water at the northwestern shelf does not mix with the open sea waters due to a large horizontal density gradient.
Conclusions. When describing the seasonal winter changes in the upper mixed layer, it is necessary to take into account not only heat transfer to the atmosphere through its upper boundary, but also the vertical turbulent exchange through its lower boundary. The heat accumulated during summer in the upper mixed layer is transferred not only to the atmosphere; its small part also goes to the lower levels, which leads to an increase of the cold intermediate layer temperature. The influence of boundary conditions, namely the inflow of waters with different features from the Marmara Sea, can result in the formation of areas where the cold intermediate layer, though formally absent as a layer between two 8°С isotherms, exists as an intermediate layer of colder (by 3−4°С) water as compared to the upper mixed layer. During the period under consideration, vertical mixing including the transfer of warmer and less salty waters from the upper mixed layer to the lower ones was most intensive in the western part of the sea. This fact is assumed to be a result of the inhomogeneous sea cooling: heat flux directed from the sea surface to the atmosphere decreases from 200 W/m^2^ in the northwestern part of the sea up to 50 W/m^2^ in its southeastern part.
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 и пресных 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/м^2^ в северо-западной части моря до 50 Вт/м^2^ в юго-восточной.