Морской гидрофизический журнал. 2019; 35: 147-159
Пространственно-временная изменчивость инерционных течений в восточной части Черного моря в штормовой период
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-2-147-159Аннотация
Введение. Представлен анализ результатов численных расчетов развития инерционных колебаний в штормовой период в восточной части Черного моря в сравнении с данными наблюдений и аналитическими решениями. Расчеты подтверждают значительный вклад инерционных движений в формирование полей скорости течений. Показано, что инерционные движения не оказывают влияния на изменение уровня моря, а их характер зависит от вертикальной структуры верхнего квазиоднородного слоя.
Материалы и методы. Приводится сопоставление результатов с натурными дрифтерными наблюдениями в Черном море. Отмечено, что интенсивность инерционных движений в глубоководных областях моря значительно выше, чем в мелководных зонах, при этом вклад инерционных течений в общую циркуляцию Черного моря в глубоководной зоне сравним с вкладом мезомасштабных движений. Проведено исследование аналитического решения системы уравнений, описывающей инерционные колебания, с учетом ветрового воздействия и при его отсутствии.
Анализ результатов. Возбуждение инерционных движений вызывается резким изменением скорости ветра, причем гармонический характер амплитуды колебаний искажается с глубиной. После прекращения ветрового воздействия происходит баротропизация скорости течений при быстром переходе из одного квазистационарного состояния в другое. Показано, что инерционные движения обладают двумя временными масштабами, определяемыми вертикальной вязкостью.
Обсуждение и заключение. Первый, короткий временной масштаб, отвечает за быстрое формирование нового квазистационарного состояния. Он не зависит от коэффициента вязкости и приблизительно равен двум инерционным периодам. Другой, более длинный масштаб затухания инерционных колебаний, связан со стоком энергии квазистационарных колебаний из верхних в глубокие слои моря. Этот медленный процесс затухания пропорционален квадратному корню из времени.
Список литературы
1. Дианский Н. А., Фомин В. В. Особенности инерционных течений в период шторма 23– 28 марта 2013 г. в северо-восточной части Черного моря // Процессы в геосредах. 2016. № 1(5). C. 37–47. URL: http://www.geomediacenter.ru/media/PGM_1(5)_2016.pdf (дата обращения: 15.10.2018).
2. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : Морской гидрофизический институт, 2011. 209 с.
3. Бассейновая циркуляция и мезомасштабная динамика Черного моря под ветровым воздействием / А. Г. Зацепин [и др.] // Современные проблемы динамики океана и атмосферы. М. : Триада ЛТД, 2010. С. 347–368.
4. http://www.myocean.eu
5. Variability of water dynamics in the northeastern Black Sea and its effect on water exchange between the near-shore zone and open basin / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2002. Vol. 42, suppl. 1. P. S1–S15.
6. Циркуляция вод и характеристики разномасштабных течений в верхнем слое Черного моря по дрифтерным данным / В. М. Журбас [и др.] // Океанология. 2004. Т. 44, № 1. С. 34–48.
7. Дианский Н. А. Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия. М. : Физматлит, 2012. 272 с.
8. A Description of the Advanced Research WRF Version 3. NCAR Technical Note / William C. Skamarock [et al.]. Boulder, USA : National Center for Atmospheric Research, 2008. 125 p.
9. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov / V. B. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. Vol. 27, iss.1. P. 95–112. doi:10.1515/rnam-2012-0006
10. Мамаев О. И. Морские течения. М. : Издательство МГУ, 1986. 104 с.
11. Коротаев Г. К., Сабинин К. Д. Инерционные колебания на течении со сдвигом скорости произвольного профиля // Доклады Академии наук. 2017. Т. 475, № 2. С. 215–216. doi:10.7868/S086956521720021X
12. Sabinin K. D., Korotaev G. K. Inertial oscillations over the background of shear currents in the ocean // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2017. Vol. 53, iss. 3. Р. 352–358. doi:10.1134/S0001433817030100
13. Коротаев Г. К. Инерционные колебания и преобразование Галилея // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54, № 2. С. 227–231. doi:10.7868/S0003351518020125
14. Бондур В. Г., Сабинин К. Д., Гребенюк Ю. В. Характеристики инерционных колебаний по данным экспериментальных измерений течений на российском шельфе Черного моря // Известия РAН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 1. С. 135–142.
15. Ball F. K. Some general theorems concerning the finite motions of a shallow rotating liquid lying on a paraboloid // Journal of Fluid Mechanics. 1963. Vol. 17, iss. 2. P. 240–256. https://doi.org/10.1017/S0022112063001270
16. Pollard R. T., Millard R. C. Jr. Comparison between observed and simulated wind-generated inertial oscillations // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 813–821. https://doi.org/10.1016/0011-7471(70)90043-4
17. Halpern D. Variability of Near-Surface Currents in the Atlantic North Equatorial Countercurrent during GATE // Journal of Physical Oceanography. 1980. Vol. 10, no. 8. P. 1213–1220. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1980)0102.0.CO;2
18. Tikhonov A. N., Samarskii A. A. Equations of Mathematical Physics. New York : Dover Publications, Inc., 1990. 785 p.
19. Шулейкин В. В. Физика моря. М. : Наука, 1968. 1090 с.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2019; 35: 147-159
Spatial-Temporal Variability of Inertial Currents in the Eastern Part of the Black Sea in a Storm Period
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-2-147-159Abstract
Introduction. Analysis of numerical simulation of the inertial oscillations evolution in a storm period in the northeastern Black Sea is represented in comparison with the observations and the analytical solutions. The simulations confirm significant contribution of the inertial motions to formation of the velocity fields. It is shown that inertial oscillations do not affect the sea level changes and their character depends on vertical structure of the sea upper mixed layer.
Data and methods. Comparison the simulation results to the drift observations in the Black Sea were represented. It is noted that intensity of inertial oscillations in the deep-sea areas significantly exceeds the one in the shallow areas. At that contribution of the inertial currents to the Black Sea general circulation in the deep-sea zone is comparable to that of the mesoscale motions. Analytical solution of the inertial oscillations’ equation system (taking into account wind and its absence) was studied.
Results. Inertial oscillations are excited in the velocity module due to an abrupt change of the wind speed. Moreover, harmonic oscillations are disturbed with depth. After the wind affect is over, the current velocity is barotropized due to fast transition from a quasi-stationary state to another one. It is shown that inertial oscillations are of two time scales conditioned by vertical viscosity.
Discussion and conclusion. The first, short time scale is responsible for rapid formation of a new quasi-stationary state. It does not depend on the viscosity coefficient and is approximately equal to two inertial periods. The other, longer scale of the inertial oscillations attenuation, is associated with the energy drain of quasi-stationary oscillations from the upper layers of the sea to the deeper ones. This slow process of attenuation is proportional to the root of time.
References
1. Dianskii N. A., Fomin V. V. Osobennosti inertsionnykh techenii v period shtorma 23– 28 marta 2013 g. v severo-vostochnoi chasti Chernogo morya // Protsessy v geosredakh. 2016. № 1(5). C. 37–47. URL: http://www.geomediacenter.ru/media/PGM_1(5)_2016.pdf (data obrashcheniya: 15.10.2018).
2. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol' : Morskoi gidrofizicheskii institut, 2011. 209 s.
3. Basseinovaya tsirkulyatsiya i mezomasshtabnaya dinamika Chernogo morya pod vetrovym vozdeistviem / A. G. Zatsepin [i dr.] // Sovremennye problemy dinamiki okeana i atmosfery. M. : Triada LTD, 2010. S. 347–368.
4. http://www.myocean.eu
5. Variability of water dynamics in the northeastern Black Sea and its effect on water exchange between the near-shore zone and open basin / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2002. Vol. 42, suppl. 1. P. S1–S15.
6. Tsirkulyatsiya vod i kharakteristiki raznomasshtabnykh techenii v verkhnem sloe Chernogo morya po drifternym dannym / V. M. Zhurbas [i dr.] // Okeanologiya. 2004. T. 44, № 1. S. 34–48.
7. Dianskii N. A. Modelirovanie tsirkulyatsii okeana i issledovanie ego reaktsii na korotkoperiodnye i dolgoperiodnye atmosfernye vozdeistviya. M. : Fizmatlit, 2012. 272 s.
8. A Description of the Advanced Research WRF Version 3. NCAR Technical Note / William C. Skamarock [et al.]. Boulder, USA : National Center for Atmospheric Research, 2008. 125 p.
9. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov / V. B. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. Vol. 27, iss.1. P. 95–112. doi:10.1515/rnam-2012-0006
10. Mamaev O. I. Morskie techeniya. M. : Izdatel'stvo MGU, 1986. 104 s.
11. Korotaev G. K., Sabinin K. D. Inertsionnye kolebaniya na techenii so sdvigom skorosti proizvol'nogo profilya // Doklady Akademii nauk. 2017. T. 475, № 2. S. 215–216. doi:10.7868/S086956521720021X
12. Sabinin K. D., Korotaev G. K. Inertial oscillations over the background of shear currents in the ocean // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2017. Vol. 53, iss. 3. R. 352–358. doi:10.1134/S0001433817030100
13. Korotaev G. K. Inertsionnye kolebaniya i preobrazovanie Galileya // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2018. T. 54, № 2. S. 227–231. doi:10.7868/S0003351518020125
14. Bondur V. G., Sabinin K. D., Grebenyuk Yu. V. Kharakteristiki inertsionnykh kolebanii po dannym eksperimental'nykh izmerenii techenii na rossiiskom shel'fe Chernogo morya // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2017. T. 53, № 1. S. 135–142.
15. Ball F. K. Some general theorems concerning the finite motions of a shallow rotating liquid lying on a paraboloid // Journal of Fluid Mechanics. 1963. Vol. 17, iss. 2. P. 240–256. https://doi.org/10.1017/S0022112063001270
16. Pollard R. T., Millard R. C. Jr. Comparison between observed and simulated wind-generated inertial oscillations // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 813–821. https://doi.org/10.1016/0011-7471(70)90043-4
17. Halpern D. Variability of Near-Surface Currents in the Atlantic North Equatorial Countercurrent during GATE // Journal of Physical Oceanography. 1980. Vol. 10, no. 8. P. 1213–1220. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1980)0102.0.CO;2
18. Tikhonov A. N., Samarskii A. A. Equations of Mathematical Physics. New York : Dover Publications, Inc., 1990. 785 p.
19. Shuleikin V. V. Fizika morya. M. : Nauka, 1968. 1090 s.
