Морской гидрофизический журнал. 2024; 40: 108-129
Потоки энергии между средними течениями и мезомасштабными вихрями в восточной и западной частях Черного моря
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2024-1-108-129Аннотация
Цель. Целью данной работы является анализ потоков энергии между течениями разных масштабов в восточной и западной частях Черного моря.
Методы и результаты. Для определения составляющих энергетического баланса использовались результаты численного расчета полей течений в Черном море, выполненного с помощью двухслойной вихреразрешающей модели, возбуждаемой ветром с циклонической завихренностью. Полная нестационарная крупномасштабная циркуляция моря условно представлялась в виде суммы средних течений и мезомасштабных вихрей. Были рассчитаны переходы между кинетической и доступной потенциальной энергией, а также потоки энергии между крупномасштабными течениями и мезомасштабными вихрями отдельно для восточной и западной части Черного моря. Кроме того, были определены адвективные потоки энергии через меридиональную границу между двумя частями моря.
Выводы. Основной вклад в адвективный перенос потенциальной энергии из восточной части Черного моря в западную вносят мезомасштабные вихри. Этот адвективный перенос энергии приводит к возникновению различий в направлении потоков энергии между течениями разных масштабов в восточной и западной частях моря. В восточной части энергия передается от средних течений к мезомасштабным вихрям, а в западной наблюдается обратный поток энергии. Показано, что обмен кинетической энергией между различными масштабами обеспечивается работой силы Кориолиса, которая для исходных течений равна нулю, но оказывается не равной нулю отдельно для средних течений и мезомасштабных вихрей.
Список литературы
1. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 c.
2. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data / G. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C4. 3122. doi: 10.1029/2002JC001508
3. Коротенко К. А. Моделирование мезомасштабной циркуляции Черного моря // Океанология. 2015. Т. 55, № 6. С. 909–915. EDN UVEPDV. doi: 10.7868/S0030157415060076
4. Universal structure of mesoscale eddies in the ocean / Z. Zhang [et al.] // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 14. P. 3677–3681. doi: 10.1002/grl.50736
5. Chelton D. B., Schlax M. G., Samelson R. M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies // Progress in Oceanography. 2011. Vol. 91, iss. 2. P. 167–216. doi: 10.1016/j.pocean.2011.01.002
6. Chen G., Hou Y., Chu X. Mesoscale eddies in the South China Sea: Mean properties, spatiotemporal variability, and impact on thermohaline structure // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011. Vol. 116, iss. C6. C06018. doi: 10.1029/2010JC006716
7. Кубряков А. А., Станичный С. В. Синоптические вихри в Черном море по данным спутниковой альтиметрии // Океанология. 2015. Т. 55, № 1. С. 65–77. EDN TGWBIX. doi: 10.7868/S0030157415010104
8. Numerical Models of Oceans and Oceanic Processes / Ed. L. H. Kantha, C. A. Clayson. San-Diego : Academic Press, 2000. 940 p. (International Geophysics Series ; vol. 66). doi: 10.1016/s0074-6142(00)x8001-1
9. Павлушин А. А., Шапиро Н. Б., Михайлова Э. Н. Роль рельефа дна и β-эффекта в динамике Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. С. 27−39. EDN QHQKPF. doi: 10.22449/0233-7584-2017-6-27-39
10. Субмезомасштабные вихри на кавказском шельфе Черного моря и порождающие их механизмы / А. Г. Зацепин [и др.] // Океанология. 2011. Т. 51, № 4. С. 592–605. EDN NXXEQF.
11. Mesoscale to Submesoscale Transition in the California Current System. Part II: Frontal Processes / X. Capet [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 1. P. 44–64. doi: 10.1175/2007JPO3672.1
12. Влияние субмезомасштабных вихрей на перенос взвешенного вещества в прибрежной зоне Крыма по данным БПЛА, спутниковых и контактных измерений / А. А. Кубряков [и др.] // Океанология. 2021. Т. 61, № 2. С. 182–197. doi:10.31857/S0030157421020106
13. Калашник М. В., Курганский М. В., Чхетиани О. Г. Бароклинная неустойчивость в геофизической гидродинамике // Успехи физических наук. 2022. Т. 192, № 10. С. 1110–1144. doi: 10.3367/UFNr.2021.08.039046
14. Бассейновая циркуляция и мезомасштабная динамика Черного моря под ветровым воздействием / А. Г. Зацепин [и др.] // Современные проблемы динамики океана и атмосферы : сборник статей, посвященный 100-летию со дня рождения П. С. Линейкина. Москва: ТРИАДА ЛТД, 2010. С. 347–368. EDN TVXEMZ.
15. Kang D., Curchitser E. N. Energetics of Eddy–Mean Flow Interactions in the Gulf Stream Region // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, iss. 4. P. 1103–1120. doi: 10.1175/JPO-D-14-0200.1
16. Демышев С. Г., Дымова О. А. Анализ энергетического цикла Лоренца для различных режимов циркуляции Черного моря // Труды Карельского научного центра РАН. 2022. № 6. С. 26–40. doi: 10.17076/lim1621
17. Павлушин А. А. Особенности и причины пространственной неоднородности потоков механической энергии в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 3. С. 328–341. EDN OSWDCN.
18. Павлушин А. А., Шапиро Н. Б., Михайлова Э. Н. Захваченные волны и меандрирование Основного Черноморского течения // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2019. № 4. С. 14–21. EDN SYNPMJ. doi: 10.22449/2413-5577-2019-4-14-21
19. Маркова Н. В., Багаев А. В. Оценка скоростей глубоководных течений в Черном море по данным дрейфующих буев-профилемеров Argo // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 3. С. 26–39. EDN WNAFSV.
20. Энергетический спектр скорости течения в глубокой части Черного моря / А. А. Клювиткин [и др.] // Доклады Академии наук. 2019. Т. 488, № 5. C. 550–554. EDN RUPYJT. doi: 10.31857/S0869-56524885550-554
21. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. I. A Preliminary Numerical Experiment // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, iss. 4. P. 642–657. doi: 10.1175/1520-0485(1975)005<0642:OTGOME>2.0.CO;2
22. Stanev E. V., Rachev N. H. Numerical study on the planetary Rossby modes in the Black Sea // Journal of Marine Systems. 1999. Vol. 21, iss. 1–4. P. 283–306. doi: 10.1016/S0924-7963(99)00019-6
23. Павлушин А. А. Автоколебания интенсивности крупномасштабной циркуляции в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 6. С. 605–619. EDN UFLDYX. URL: https://mhiras.elpub.ru/jour/article/view/795
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2024; 40: 108-129
Energy Flows between the Mean Currents and the Mesoscale Eddies in the Eastern and Western Parts of the Black Sea
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2024-1-108-129Abstract
Purpose. The study consists in analyzing the energy flows between the currents of different scales in the eastern and western parts of the Black Sea.
Methods and Results. The energy balance components were determined based on the results of numerical calculation of current fields in the Black Sea performed using a two-layer eddy-resolving model subjected to a forcing of a wind with cyclonic vorticity. A complete non-stationary large-scale sea circulation was represented conventionally as a sum of mean currents and mesoscale eddies. Conversions between the kinetic and available potential energy, as well as the energy flows between the mean currents and the mesoscale eddies were calculated separately for the eastern and western parts of the Black Sea. Besides, the advective energy flows across the meridional boundary between two parts of the sea were also calculated.
Conclusions. The main contribution to the potential energy advective transfer from the eastern part of the Black Sea to its western part is made by the mesoscale eddies. This advective energy transfer results in arising of differences in the energy flow directions in the currents of different scales in the eastern and western parts of the sea. In the Black Sea eastern part, energy is transferred from the mean currents to the mesoscale eddies, whereas in its western part, a reverse energy flow is observed. It is shown that the kinetic energy exchange between the movements of different scales is provided by the Coriolis force work, which for the initial currents is equal to zero, but turns out to be non-zero separately for the mean flows and the mesoscale eddies.
References
1. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol', 2011. 212 c.
2. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data / G. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C4. 3122. doi: 10.1029/2002JC001508
3. Korotenko K. A. Modelirovanie mezomasshtabnoi tsirkulyatsii Chernogo morya // Okeanologiya. 2015. T. 55, № 6. S. 909–915. EDN UVEPDV. doi: 10.7868/S0030157415060076
4. Universal structure of mesoscale eddies in the ocean / Z. Zhang [et al.] // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 14. P. 3677–3681. doi: 10.1002/grl.50736
5. Chelton D. B., Schlax M. G., Samelson R. M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies // Progress in Oceanography. 2011. Vol. 91, iss. 2. P. 167–216. doi: 10.1016/j.pocean.2011.01.002
6. Chen G., Hou Y., Chu X. Mesoscale eddies in the South China Sea: Mean properties, spatiotemporal variability, and impact on thermohaline structure // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011. Vol. 116, iss. C6. C06018. doi: 10.1029/2010JC006716
7. Kubryakov A. A., Stanichnyi S. V. Sinopticheskie vikhri v Chernom more po dannym sputnikovoi al'timetrii // Okeanologiya. 2015. T. 55, № 1. S. 65–77. EDN TGWBIX. doi: 10.7868/S0030157415010104
8. Numerical Models of Oceans and Oceanic Processes / Ed. L. H. Kantha, C. A. Clayson. San-Diego : Academic Press, 2000. 940 p. (International Geophysics Series ; vol. 66). doi: 10.1016/s0074-6142(00)x8001-1
9. Pavlushin A. A., Shapiro N. B., Mikhailova E. N. Rol' rel'efa dna i β-effekta v dinamike Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 6. S. 27−39. EDN QHQKPF. doi: 10.22449/0233-7584-2017-6-27-39
10. Submezomasshtabnye vikhri na kavkazskom shel'fe Chernogo morya i porozhdayushchie ikh mekhanizmy / A. G. Zatsepin [i dr.] // Okeanologiya. 2011. T. 51, № 4. S. 592–605. EDN NXXEQF.
11. Mesoscale to Submesoscale Transition in the California Current System. Part II: Frontal Processes / X. Capet [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 1. P. 44–64. doi: 10.1175/2007JPO3672.1
12. Vliyanie submezomasshtabnykh vikhrei na perenos vzveshennogo veshchestva v pribrezhnoi zone Kryma po dannym BPLA, sputnikovykh i kontaktnykh izmerenii / A. A. Kubryakov [i dr.] // Okeanologiya. 2021. T. 61, № 2. S. 182–197. doi:10.31857/S0030157421020106
13. Kalashnik M. V., Kurganskii M. V., Chkhetiani O. G. Baroklinnaya neustoichivost' v geofizicheskoi gidrodinamike // Uspekhi fizicheskikh nauk. 2022. T. 192, № 10. S. 1110–1144. doi: 10.3367/UFNr.2021.08.039046
14. Basseinovaya tsirkulyatsiya i mezomasshtabnaya dinamika Chernogo morya pod vetrovym vozdeistviem / A. G. Zatsepin [i dr.] // Sovremennye problemy dinamiki okeana i atmosfery : sbornik statei, posvyashchennyi 100-letiyu so dnya rozhdeniya P. S. Lineikina. Moskva: TRIADA LTD, 2010. S. 347–368. EDN TVXEMZ.
15. Kang D., Curchitser E. N. Energetics of Eddy–Mean Flow Interactions in the Gulf Stream Region // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, iss. 4. P. 1103–1120. doi: 10.1175/JPO-D-14-0200.1
16. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analiz energeticheskogo tsikla Lorentsa dlya razlichnykh rezhimov tsirkulyatsii Chernogo morya // Trudy Karel'skogo nauchnogo tsentra RAN. 2022. № 6. S. 26–40. doi: 10.17076/lim1621
17. Pavlushin A. A. Osobennosti i prichiny prostranstvennoi neodnorodnosti potokov mekhanicheskoi energii v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2023. T. 39, № 3. S. 328–341. EDN OSWDCN.
18. Pavlushin A. A., Shapiro N. B., Mikhailova E. N. Zakhvachennye volny i meandrirovanie Osnovnogo Chernomorskogo techeniya // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2019. № 4. S. 14–21. EDN SYNPMJ. doi: 10.22449/2413-5577-2019-4-14-21
19. Markova N. V., Bagaev A. V. Otsenka skorostei glubokovodnykh techenii v Chernom more po dannym dreifuyushchikh buev-profilemerov Argo // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2016. № 3. S. 26–39. EDN WNAFSV.
20. Energeticheskii spektr skorosti techeniya v glubokoi chasti Chernogo morya / A. A. Klyuvitkin [i dr.] // Doklady Akademii nauk. 2019. T. 488, № 5. C. 550–554. EDN RUPYJT. doi: 10.31857/S0869-56524885550-554
21. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. I. A Preliminary Numerical Experiment // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, iss. 4. P. 642–657. doi: 10.1175/1520-0485(1975)005<0642:OTGOME>2.0.CO;2
22. Stanev E. V., Rachev N. H. Numerical study on the planetary Rossby modes in the Black Sea // Journal of Marine Systems. 1999. Vol. 21, iss. 1–4. P. 283–306. doi: 10.1016/S0924-7963(99)00019-6
23. Pavlushin A. A. Avtokolebaniya intensivnosti krupnomasshtabnoi tsirkulyatsii v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2022. T. 38, № 6. S. 605–619. EDN UFLDYX. URL: https://mhiras.elpub.ru/jour/article/view/795
