Морской гидрофизический журнал. 2019; 35: 646-661
Основные закономерности долговременной эволюции халинной стратификации Черного моря
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-6-646-661Аннотация
Цель. Процесс формирования халинной стратификации в Черном море в настоящее время исследован достаточно слабо. Считается, что современное состояние бассейна близко к равновесию. Однако анализ долговременных наблюдений показывает, что имеется тенденция к распреснению поверхностного слоя моря и осолонению его глубинных вод. Получить цельное представление о формировании халинной стратификации бассейна и характерных временных масштабов ее долговременной климатической эволюции – цель данной работы.
Материалы и методы. Численные расчеты циркуляции Черного моря, формирующейся под воздействием водообмена через Босфор, речного стока, осадков и испарений, на основе модели NEMO сопоставляются с полученными ранее результатами лабораторного моделирования. Показано, что время формирования верхне- и нижнебосфорского течений имеет характерный временной масштаб в 20 лет. Относительно небольшое время приспособления водообмена через Босфор к внешним условиям показывает, что на климатических масштабах пролив должен находиться в квазиравновесном состоянии. Результаты численных экспериментов показали также, что на фоне изначально заданной постоянной солености Черного моря происходит относительно быстрое формирование вертикальной халинной стратификации за счет распреснения верхнего 40-метрового слоя под влиянием речного стока. Это приводит к формированию халоклина в слое 10–40 м. Глубже соленость увеличивается медленно за счет притока мраморноморских вод. В каждом из расчетов интенсивное распреснение поверхностного слоя происходит в течение 70–80 лет, после чего его соленость начинает медленно увеличиваться.
Выводы. В итоге характерное время приспособления стратификации бассейна к изменению внешних условий составляет 70–100 лет. После достижения равновесного режима происходит медленная квазистационарная эволюция полей бассейна. Анализ результатов позволил получить уравнения для описания медленной эволюции халинной стратификации.Список литературы
1. Альтман Э. Н., Гертман И. Ф., Голубева З. А. Многолетние тенденции солености и температуры вод Черного моря в связи с изменениями стока рек (по данным натурных наблюдений) // Труды Государственного океанографического института. Вопросы гидро-логии и гидрохимии Черного моря. Л. : Гидрометеоиздат, 1988. Вып. 189. С. 39–53.
2. Полонский А. Б., Шокурова И. Г., Белокопытов В. Н. Десятилетняя изменчивость тем-пературы и солености в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2013. № 6. С. 27–41.
3. Ryan W. B., Pitman W. C. Noah’s Flood: The new scientific discoveries about the event that changed history. New York : Simon and Schuster, 1999. 319 p.
4. Сендеров М. В., Мизюк А. И. Влияние начальных условий на водообмен через Босфор и формирование вертикальной халинной структуры Черного моря // Экологическая без-опасность прибрежной и шельфовой зон моря. Севастополь : Морской гидрофизический институт РАН, 2017. Вып. 2. С. 82–89.
5. Korotaev G. K. Formation of salinity and density vertical stratification of the Black Sea // Jour-nal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1359, conference 1. 012003. doi:10.1088/1742-6596/1359/1/012003
6. Senderov M. V., Mizyuk A. I., Korotaev G. K. Study of the formation of the Black Sea haline stratification from the numerical simulations // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1359, conference 1. 012076. doi:10.1088/1742-6596/1359/1/012076
7. Водяницкий В. А. Основной водообмен и история формирования солености Черного мо-ря // Труды Севастопольской биологической станции. 1948. Т. VI. С. 386–432.
8. Булгаков С. Н., Коротаев Г. К. Роль халинных факторов в формировании циркуляции вод Черного моря // Моделирование гидрофизических процессов и полей в замкнутых водоемах и морях. М. : Наука, 1989. С. 71–79.
9. Ivanov L. I., Samodurov A. S. The role of lateral fluxes in ventilation of the Black Sea // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 159–174. doi:10.1016/S0924-7963(01)00051-3
10. Булгаков С. Н., Коротаев Г. К., Уайтхэд Дж. А. Роль потоков плавучести в формирова-нии крупномасштабной циркуляции и стратификации вод моря. Часть 2: Лабораторные эксперименты // Известия Академии наук. Физика атмосферы и океана. 1996. Т. 32, № 4. С. 557–564.
11. Whitehead J. A., Korotaev G. K., Bulgakov S. N. Convective circulation in mesoscale abyssal basins // Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics. 1998. Vol. 89, iss. 3–4. P. 169–203. doi:10.1080/03091929808203685
12. Pedlosky J., Whitehead J. A., Veitch G. Thermally driven motions in a rotating stratified fluid: theory and experiment // Journal of Fluid Mechanics. 1997. Vol. 339. P. 391–411. doi:10.1017/S0022112097005168
13. NEMO ocean engine / G. Madec [et al.]. IPSL, 2016. 386 p. (Note du Pôle de modélisation de l'Institut Pierre-Simon Laplace No. 27). URL: http://www.nemo-ocean.eu/doc/ (date of access: 07.05.2019).
14. Algorithms for computation of fundamental properties of seawater. Paris : UNESCO, 1983. 53 p. (Unesco technical papers in marine science 44). URL: http://hdl.handle.net/11329/109 (date of access: 07.05.2019).
15. Roullet G., Madec G. Salt conservation, free surface, and varying levels: A new formulation for ocean general circulation models // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2000. Vol. 105, iss. C10. Р. 23927–23942. https://doi.org/10.1029/2000JC900089
16. Mesinger F., Arakawa A. Numerical methods used in atmospheric models. Vol. I. WMO-ICSU Joint Organizing Committee, 1976. 64 p. (GARP Publications Series No. 17). URL: http://twister.ou.edu/CFD2003/Mesinger_ArakawaGARP.pdf (date of access: 07.05.2019).
17. Zalesak S. T. Fully multidimensional flux-corrected transport algorithms for fluids // Journal of Computational Physics. 1979. Vol. 31, iss. 3. P. 335–362. https://doi.org/10.1016/0021-9991(79)90051-2
18. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // Journal of Geophysical Research. 1987. Vol. 92, iss. C5. P. 5305–5328. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p05305
19. Авдеев А. И. Разработка методологии исследования рельефа дна Черного моря и его вли-яние на процессы, протекающие в зоне сопряжения суша – море // Экологическая без-опасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ, 2001. Вып. 4. С. 179–187.
20. Senderov M. V., Mizyuk A. I., Korotaev G. K. The Bosphorus exchange flow impact on the river runoff // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1128, conference 1. 012149. doi:10.1088/1742-6596/1128/1/012149
21. Korotaev G. K. Circulation in Semi-Enclosed Seas Induced by Buoyancy Flux through a Strait // Sensitivity to Change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea / E. Özsoy, A. Mikaelyan (eds). (NATO ASI Series (Series 2: Environment), vol. 27). Dordrecht : Springer, 1997. P. 395–401. https://doi.org/10.1007/978-94-011-5758-2_30
22. Колесников А. Г. К вычислению годового хода температуры воды в южных морях // Труды Морского гидрофизического института Академии наук СССР. М. : Изд-во Академии наук СССР, 1953. Т. III. С. 106–127.
23. Овчинников И. М., Попов Ю. И. Формирование холодного промежуточного слоя в Черном море // Океанология. 1987. Т. XXVII, вып. 5. С. 739–747.
24. Observations of Black Sea mesoscale eddies and associated horizontal mixing / A. G. Za-tsepin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C8. 3246. https://doi.org/10.1029/2002JC001390
25. Кубрякова Е. А., Коротаев Г. К. Сезонная изменчивость циркуляции и формирование солености поверхностных вод Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2013. № 3. С. 3–12.
26. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov / V. В. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. Vol. 27, iss. 1. P. 95–112. https://doi.org/10.1515/rnam-2012-0006
27. Залесный В. Б., Гусев А. В., Фомин В. В. Численная модель негидростатической морской динамики, основанная на методах искусственной сжимаемости и многокомпонентного расщепления // Океанология. 2016. Т. 56, № 6. С. 959–971. doi10.7868/S0030157416050178
28. Гусев А. В., Залесный В. Б., Фомин В. В. Методика расчета циркуляции Черного моря с улучшенным разрешением в районе полигона ИО РАН // Океанология. 2017. Т. 57, № 6. С. 978–989. doi10.7868/S0030157417060120
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2019; 35: 646-661
Basic Regularities of the Haline Stratification Long-Term Evolution in the Black Sea
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-6-646-661Abstract
Purpose. At present the process of formation of haline stratification in the Black Sea is poorly studied. The current state of the basin is considered to be close to equilibrium. However, having been analyzed, the long-term observations testify to a tendency towards desalination of the sea surface layer and salination of the deep waters. The goal of the study is to obtain a complete pattern of the haline stratification formation in the basin and the characteristic time scales of its long-term climatic evolution.
Methods and Results. Numerical calculations of the Black Sea circulation which is formed being influenced by water exchange through the Bosporus, river runoff, precipitation and evaporation, are compared with the laboratory simulation results obtained previously using the NEMO model. It is shown that the time period of formation of the upper and lower Bosporus currents is of a characteristic time scale 20 years. Relatively short period of adaptation of the Bosporus water exchange to the external conditions testifies that on the climatic scale, the strait should be in a quasi-equilibrium state. The results of the numerical experiments also show that, against the background of the initially preset constant salinity of the Black Sea, the vertical haline stratification is formed rather rapidly due to the fact that the upper forty-meter layer is desalinated by the river runoffs. This leads to formation of a halocline in the 10–40 m layer. In the deeper layers, salinity increases slowly owing to the Marmora Sea water inflow. Each of the calculations shows that intense desalination of the surface layer lasts 70–80 years, whereupon its salinity grows slowly.
Conclusions. As a result, the characteristic adaptation period of the basin stratification to the changes in the external factors constitutes 70–100 years. After the equilibrium regime is settled, slow quasi-stationary evolution of the basin fields takes place. Analysis of the obtained results enabled us to deduce the equations for describing slow evolution of the haline stratification.
References
1. Al'tman E. N., Gertman I. F., Golubeva Z. A. Mnogoletnie tendentsii solenosti i temperatury vod Chernogo morya v svyazi s izmeneniyami stoka rek (po dannym naturnykh nablyudenii) // Trudy Gosudarstvennogo okeanograficheskogo instituta. Voprosy gidro-logii i gidrokhimii Chernogo morya. L. : Gidrometeoizdat, 1988. Vyp. 189. S. 39–53.
2. Polonskii A. B., Shokurova I. G., Belokopytov V. N. Desyatiletnyaya izmenchivost' tem-peratury i solenosti v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2013. № 6. S. 27–41.
3. Ryan W. B., Pitman W. C. Noah’s Flood: The new scientific discoveries about the event that changed history. New York : Simon and Schuster, 1999. 319 p.
4. Senderov M. V., Mizyuk A. I. Vliyanie nachal'nykh uslovii na vodoobmen cherez Bosfor i formirovanie vertikal'noi khalinnoi struktury Chernogo morya // Ekologicheskaya bez-opasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. Sevastopol' : Morskoi gidrofizicheskii institut RAN, 2017. Vyp. 2. S. 82–89.
5. Korotaev G. K. Formation of salinity and density vertical stratification of the Black Sea // Jour-nal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1359, conference 1. 012003. doi:10.1088/1742-6596/1359/1/012003
6. Senderov M. V., Mizyuk A. I., Korotaev G. K. Study of the formation of the Black Sea haline stratification from the numerical simulations // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1359, conference 1. 012076. doi:10.1088/1742-6596/1359/1/012076
7. Vodyanitskii V. A. Osnovnoi vodoobmen i istoriya formirovaniya solenosti Chernogo mo-rya // Trudy Sevastopol'skoi biologicheskoi stantsii. 1948. T. VI. S. 386–432.
8. Bulgakov S. N., Korotaev G. K. Rol' khalinnykh faktorov v formirovanii tsirkulyatsii vod Chernogo morya // Modelirovanie gidrofizicheskikh protsessov i polei v zamknutykh vodoemakh i moryakh. M. : Nauka, 1989. S. 71–79.
9. Ivanov L. I., Samodurov A. S. The role of lateral fluxes in ventilation of the Black Sea // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 159–174. doi:10.1016/S0924-7963(01)00051-3
10. Bulgakov S. N., Korotaev G. K., Uaitkhed Dzh. A. Rol' potokov plavuchesti v formirova-nii krupnomasshtabnoi tsirkulyatsii i stratifikatsii vod morya. Chast' 2: Laboratornye eksperimenty // Izvestiya Akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 1996. T. 32, № 4. S. 557–564.
11. Whitehead J. A., Korotaev G. K., Bulgakov S. N. Convective circulation in mesoscale abyssal basins // Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics. 1998. Vol. 89, iss. 3–4. P. 169–203. doi:10.1080/03091929808203685
12. Pedlosky J., Whitehead J. A., Veitch G. Thermally driven motions in a rotating stratified fluid: theory and experiment // Journal of Fluid Mechanics. 1997. Vol. 339. P. 391–411. doi:10.1017/S0022112097005168
13. NEMO ocean engine / G. Madec [et al.]. IPSL, 2016. 386 p. (Note du Pôle de modélisation de l'Institut Pierre-Simon Laplace No. 27). URL: http://www.nemo-ocean.eu/doc/ (date of access: 07.05.2019).
14. Algorithms for computation of fundamental properties of seawater. Paris : UNESCO, 1983. 53 p. (Unesco technical papers in marine science 44). URL: http://hdl.handle.net/11329/109 (date of access: 07.05.2019).
15. Roullet G., Madec G. Salt conservation, free surface, and varying levels: A new formulation for ocean general circulation models // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2000. Vol. 105, iss. C10. R. 23927–23942. https://doi.org/10.1029/2000JC900089
16. Mesinger F., Arakawa A. Numerical methods used in atmospheric models. Vol. I. WMO-ICSU Joint Organizing Committee, 1976. 64 p. (GARP Publications Series No. 17). URL: http://twister.ou.edu/CFD2003/Mesinger_ArakawaGARP.pdf (date of access: 07.05.2019).
17. Zalesak S. T. Fully multidimensional flux-corrected transport algorithms for fluids // Journal of Computational Physics. 1979. Vol. 31, iss. 3. P. 335–362. https://doi.org/10.1016/0021-9991(79)90051-2
18. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // Journal of Geophysical Research. 1987. Vol. 92, iss. C5. P. 5305–5328. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p05305
19. Avdeev A. I. Razrabotka metodologii issledovaniya rel'efa dna Chernogo morya i ego vli-yanie na protsessy, protekayushchie v zone sopryazheniya susha – more // Ekologicheskaya bez-opasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : MGI, 2001. Vyp. 4. S. 179–187.
20. Senderov M. V., Mizyuk A. I., Korotaev G. K. The Bosphorus exchange flow impact on the river runoff // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1128, conference 1. 012149. doi:10.1088/1742-6596/1128/1/012149
21. Korotaev G. K. Circulation in Semi-Enclosed Seas Induced by Buoyancy Flux through a Strait // Sensitivity to Change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea / E. Özsoy, A. Mikaelyan (eds). (NATO ASI Series (Series 2: Environment), vol. 27). Dordrecht : Springer, 1997. P. 395–401. https://doi.org/10.1007/978-94-011-5758-2_30
22. Kolesnikov A. G. K vychisleniyu godovogo khoda temperatury vody v yuzhnykh moryakh // Trudy Morskogo gidrofizicheskogo instituta Akademii nauk SSSR. M. : Izd-vo Akademii nauk SSSR, 1953. T. III. S. 106–127.
23. Ovchinnikov I. M., Popov Yu. I. Formirovanie kholodnogo promezhutochnogo sloya v Chernom more // Okeanologiya. 1987. T. XXVII, vyp. 5. S. 739–747.
24. Observations of Black Sea mesoscale eddies and associated horizontal mixing / A. G. Za-tsepin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C8. 3246. https://doi.org/10.1029/2002JC001390
25. Kubryakova E. A., Korotaev G. K. Sezonnaya izmenchivost' tsirkulyatsii i formirovanie solenosti poverkhnostnykh vod Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2013. № 3. S. 3–12.
26. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov / V. V. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. Vol. 27, iss. 1. P. 95–112. https://doi.org/10.1515/rnam-2012-0006
27. Zalesnyi V. B., Gusev A. V., Fomin V. V. Chislennaya model' negidrostaticheskoi morskoi dinamiki, osnovannaya na metodakh iskusstvennoi szhimaemosti i mnogokomponentnogo rasshchepleniya // Okeanologiya. 2016. T. 56, № 6. S. 959–971. doi10.7868/S0030157416050178
28. Gusev A. V., Zalesnyi V. B., Fomin V. V. Metodika rascheta tsirkulyatsii Chernogo morya s uluchshennym razresheniem v raione poligona IO RAN // Okeanologiya. 2017. T. 57, № 6. S. 978–989. doi10.7868/S0030157417060120
