Морской гидрофизический журнал. 2024; 40: 130-145
Численное моделирование реакции Черного моря на вторжение аномально холодного воздуха 23–25 января 2010 года
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2024-1-130-145Аннотация
Цель. Цель работы – исследовать реакцию верхнего слоя Черного моря на вторжение холодного воздуха 23–25 января 2010 г.
Методы и результаты. Для численного исследования морских полей использовалась совместная мезомасштабная модель море – атмосфера NOW с разрешением 1 км. Воспроизведено изменение температуры поверхности моря 23–25 января 2010 г. вследствие холодного вторжения. Рассмотрены и количественно оценены основные факторы, которые повлияли на изменение температуры верхнего слоя: горизонтальная адвекция, охлаждение поверхности моря за счет потоков явного и скрытого тепла и влияние вертикального турбулентного перемешивания. Исследованы основные изменения, которые произошли в холодном промежуточном слое.
Выводы. Рассмотрено изменение вертикального распределения среднемесячной температуры, солености и плотности по данным реанализа Copernicus за 2009–2010 гг. и показано наличие холодного промежуточного слоя на средней глубине 60 м во все месяцы за исключением переходного зимне-весеннего периода. По результатам моделирования NOW показано, что понижение температуры поверхности на большей части моря произошло в результате тепло- и массообмена с атмосферой. Влияние горизонтальной адвекции и перемешивания через нижнюю границу холодного промежуточного слоя проявилось только в отдельных небольших областях, т. е. имело локальный эффект. Конвективное охлаждение захватило квазиоднородный поверхностный слой до глубин около 40–45 м и составило ~ 1 °С. Кроме того, показано, что за время холодного вторжения произошло понижение глубины залегания холодного промежуточного слоя. Подтверждено представление о вторичности локальных холодных вод в мелководной северо-западной части моря как источника формирования холодного промежуточного слоя. Плотность более холодной, но менее соленой прибрежной воды препятствует ее опусканию до верхней границы холодного промежуточного слоя.
Список литературы
1. 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 РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 1. С. 41–56. EDN RTOUVN. doi: 10.7868/S0002351513060102
2. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том IV : Черное море, вып. 2 : Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биологической продуктивности / Ред. А. И. Симонов, А. И. Рябинина, Д. Е. Гершанович. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 219 с. (Проект «Моря СССР»).
3. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 209 с.
4. Куклев С. Б., Зацепин А. Г., Подымов О. И. Формирование холодного промежуточного слоя в шельфово-склоновой зоне северо-восточной части Черного моря // Океанологические исследования. 2019. Т. 47, № 3. С. 58–71. EDN YTCWVR. doi: 10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(3).5
5. Овчинников И. М., Попов Ю. И. Формирование холодного промежуточного слоя в Черном море // Океанология. 1987. Т. 27, № 5. С. 739–746.
6. Реакция термохалинных характеристик деятельного слоя Черного моря на зимнее выхолаживание / В. Б. Пиотух [и др.] // Океанология. 2011. Т. 51, № 2. С. 232–241. EDN NSYLOJ.
7. Титов В. Б. Зоны формирования и объемы вод холодного промежуточного слоя в Черном море с учетом суровости зим // Метеорология и гидрология. 2006. № 6. С. 62–68. EDN KUHNLN.
8. 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. doi: 10.1016/J.Dsr.2017.04.002
9. Bruciaferri D., Shapiro G. I., Wobus F. A multi-envelope vertical coordinate system for numerical ocean modelling // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68, Iss. 10. P. 1239–1258. doi: 10.1007/S10236-018-1189-X
10. The development of a 3d computational mesh to improve the representation of dynamic processes: The Black Sea test case / D. Bruciaferri [et al.] // Ocean Modelling. 2020. Vol. 146. 101534. doi:10.1016/j.ocemod.2019.101534
11. Formation and changes of the black sea cold intermediate layer / S. Miladinova [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 11–23. doi:10.1016/j.pocean.2018.07.002
12. 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. doi:10.1029/2019JC015076
13. 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. doi: 10.22449/0233-7584-2019-5-409-422
14. Ефимов В. В., Яровая Д. А. Численное моделирование конвекции в атмосфере при вторжении холодного воздуха над Черным морем // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 6. С. 692–703. EDN SYYYLX. doi: 10.7868/S0002351514060078
15. Яровая Д. А., Ефимов В. В. Облачные ячейки по данным спутниковых измерений и баланс конвективной энергии при вторжении холодного воздуха в атмосферу над Черным морем // Исследование Земли из космоса. 2017. № 6. С. 54–64. EDN ZVMLNR. doi: 10.7868/S0205961417060057
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. doi: 10.1002/2014MS000324
17. Яровая Д. А., Ефимов В. В. Развитие холодной аномалии температуры поверхности Черного моря // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. T. 57, № 4. С. 471–483. EDN YAJJOC. doi: 10.31857/S0002351521040118
18. Ефимов В. В., Яровая Д. А., Барабанов В. С. Численное моделирование апвеллинга у Южного берега Крыма 24–25 сентября 2013 года // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2023. № 1. С. 6–19. EDN SSUZXG. URL: http://ecological-safety.ru/repository/issues/2023/01/01/?ysclid=lto8pbjbi7434831780
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2024; 40: 130-145
Numerical Modeling of the Black Sea Response to the Intrusion of Abnormally Cold Air in January 23–25, 2010
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2024-1-130-145Abstract
Purpose. The work is purposed at studying the response of the Black Sea upper layer to the intrusion of cold air in January 23–25, 2010.
Methods and Results. The coupled mesoscale sea – atmosphere model NOW with the 1 km resolution was used to study numerically the sea fields. The change in sea surface temperature in January 23–25, 2010 resulted from the cold intrusion was reproduced. The basic factors which had influenced the change in the upper layer temperature, namely horizontal advection, cooling of the sea surface due to the sensible and latent heat fluxes, and the impact of vertical turbulent mixing were considered and quantitatively assessed. The main changes that took place in the cold intermediate layer were investigated.
Conclusions. The change in vertical distribution of the monthly average temperature, salinity and density is considered based on the Copernicus reanalysis data for 2009–2010. The presence of a cold intermediate layer at the average depth 60 m in all the months except for the transitional winter-spring period is shown. The results of NOW modeling reveal the fact that decrease in the surface temperature over the most of the sea area occurred as a result of heat and mass exchange with the atmosphere. The influence of horizontal advection and mixing through the lower boundary of the cold intermediate layer was manifested only in certain small areas, in other words, it produced a local effect. Convective cooling spanned the upper mixed layer up to the depths about 40–45 m and amounted to ~ 1 °С. Besides, it is shown that during the cold air intrusion, the depth of cold intermediate layer increased. The notion that the local cold waters in the shallow northwestern part of the sea are secondary as a source of formation of the cold intermediate layer has been confirmed. The density of colder, but less saline coastal water prevents its sinking to the upper boundary of cold intermediate layer.
References
1. Korotaev G. K., Knysh V. V., Kubryakov A. I. Issledovanie protsessov formirovaniya kholodnogo promezhutochnogo sloya po rezul'tatam reanaliza gidrofizicheskikh polei Chernogo morya za 1971–1993 gg. // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2014. T. 50, № 1. S. 41–56. EDN RTOUVN. doi: 10.7868/S0002351513060102
2. Gidrometeorologiya i gidrokhimiya morei SSSR. Tom IV : Chernoe more, vyp. 2 : Gidrokhimicheskie usloviya i okeanologicheskie osnovy formirovaniya biologicheskoi produktivnosti / Red. A. I. Simonov, A. I. Ryabinina, D. E. Gershanovich. SPb.: Gidrometeoizdat, 1992. 219 s. (Proekt «Morya SSSR»).
3. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol': EKOSI-Gidrofizika, 2011. 209 s.
4. Kuklev S. B., Zatsepin A. G., Podymov O. I. Formirovanie kholodnogo promezhutochnogo sloya v shel'fovo-sklonovoi zone severo-vostochnoi chasti Chernogo morya // Okeanologicheskie issledovaniya. 2019. T. 47, № 3. S. 58–71. EDN YTCWVR. doi: 10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(3).5
5. Ovchinnikov I. M., Popov Yu. I. Formirovanie kholodnogo promezhutochnogo sloya v Chernom more // Okeanologiya. 1987. T. 27, № 5. S. 739–746.
6. Reaktsiya termokhalinnykh kharakteristik deyatel'nogo sloya Chernogo morya na zimnee vykholazhivanie / V. B. Piotukh [i dr.] // Okeanologiya. 2011. T. 51, № 2. S. 232–241. EDN NSYLOJ.
7. Titov V. B. Zony formirovaniya i ob\"emy vod kholodnogo promezhutochnogo sloya v Chernom more s uchetom surovosti zim // Meteorologiya i gidrologiya. 2006. № 6. S. 62–68. EDN KUHNLN.
8. 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. doi: 10.1016/J.Dsr.2017.04.002
9. Bruciaferri D., Shapiro G. I., Wobus F. A multi-envelope vertical coordinate system for numerical ocean modelling // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68, Iss. 10. P. 1239–1258. doi: 10.1007/S10236-018-1189-X
10. The development of a 3d computational mesh to improve the representation of dynamic processes: The Black Sea test case / D. Bruciaferri [et al.] // Ocean Modelling. 2020. Vol. 146. 101534. doi:10.1016/j.ocemod.2019.101534
11. Formation and changes of the black sea cold intermediate layer / S. Miladinova [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 11–23. doi:10.1016/j.pocean.2018.07.002
12. 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. doi:10.1029/2019JC015076
13. Efimov V. V., Komarovskaya O. I., Bayankina T. M. Vremennye kharakteristiki i sinopticheskie usloviya obrazovaniya ekstremal'noi novorossiiskoi bory // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 5. S. 409–422. doi: 10.22449/0233-7584-2019-5-409-422
14. Efimov V. V., Yarovaya D. A. Chislennoe modelirovanie konvektsii v atmosfere pri vtorzhenii kholodnogo vozdukha nad Chernym morem // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2014. T. 50, № 6. S. 692–703. EDN SYYYLX. doi: 10.7868/S0002351514060078
15. Yarovaya D. A., Efimov V. V. Oblachnye yacheiki po dannym sputnikovykh izmerenii i balans konvektivnoi energii pri vtorzhenii kholodnogo vozdukha v atmosferu nad Chernym morem // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2017. № 6. S. 54–64. EDN ZVMLNR. doi: 10.7868/S0205961417060057
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. doi: 10.1002/2014MS000324
17. Yarovaya D. A., Efimov V. V. Razvitie kholodnoi anomalii temperatury poverkhnosti Chernogo morya // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2021. T. 57, № 4. S. 471–483. EDN YAJJOC. doi: 10.31857/S0002351521040118
18. Efimov V. V., Yarovaya D. A., Barabanov V. S. Chislennoe modelirovanie apvellinga u Yuzhnogo berega Kryma 24–25 sentyabrya 2013 goda // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2023. № 1. S. 6–19. EDN SSUZXG. URL: http://ecological-safety.ru/repository/issues/2023/01/01/?ysclid=lto8pbjbi7434831780
