Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 41-56
Сезонная и вертикальная изменчивость энергии течений в субме-зомасштабном диапазоне на шельфе и в центральной части Черного моря
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-41-56Аннотация
Цель. Цель данной работы – исследование сезонной изменчивости и вертикального распределения энергии субмезомасштабных течений (масштабы L = 1…10 км, T = 1…10 сут) в глубоководной и шельфовой зонах Черного моря.
Методы и результаты. Данные исследования проводятся на основе спектрального анализа результатов численных расчетов модели NEMO с высоким пространственным разрешением 1 км. Анализ показывает, что сезонная изменчивость энергии субмезомасштабных течений в исследуемых областях существенно различается. При этом сезонный ход энергии субмезомасштабных течений масштабом менее 10 км (Esp) в обоих районах хорошо согласуется с сезонной изменчивостью флуктуаций плотности на тех же масштабах. В центральной части моря высокие значения Esp в течение всего года сосредоточены в верхнем квазиоднородном слое. Пик Esp наблюдается в зимний период на глубинах 0–40 м, что свидетельствует о важной роли бароклинной неустойчивости, вызванной неоднородностью распределения верхнего квазиоднородного слоя в этот период, в генерации субмезомасштабных процессов в Черном море. В то же время в центральной части северо-западного шельфа в феврале наблюдается абсолютный минимум Esp, обусловленный полным перемешиванием и баротропизацией водной толщи. Максимальные значения Esp отмечаются в сентябре – октябре, что связывается с интенсификацией кросс-шельфового переноса опресненных вод от устьев рек под влиянием синоптических вихрей. При этом в указанном районе, как и в центральной части моря, в осенний период высокие значения Esp наблюдаются в слое большей толщины, чем в летний, совпадая с временным ходом толщины верхнего квазиоднородного слоя. Изменчивость энергии субмезомасштабных течений носит пульсационный характер с кратковременными интенсификациями и ослаблениями. Такая изменчивость значительно связана с прохождением синоптических фронтов и с кросс-шельфовым переносом вод под влиянием вихрей и апвеллингов, которые приводят к бароклинной неустойчивости вод.
Выводы. Сезонная и вертикальная изменчивость спектральной энергии в глубоководной и шельфовой зонах свидетельствует в пользу определяющей роли бароклинной неустойчивости вод, возникающей из-за неоднородности верхнего квазиоднородного слоя.
Список литературы
1. McWilliams J. C. Submesoscale currents in the ocean // Proceedings of the Royal Society A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 472, iss. 2189. 20160117. doi:10.1098/rspa.2016.0117
2. Klein P., Lapeyre G. The Oceanic Vertical Pump Induced by Mesoscale and Submesoscale Turbulence // Annual Review of Marine Science. 2009. Vol. 1. P. 351–375. doi:10.1146/annurev.marine.010908.163704
3. 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. https://doi.org/10.1175/2007JPO3672.1
4. Thomas L. N., Tandon A., Mahadevan A. Submesoscale processes and dynamics // Ocean Modeling in an Eddying Regime / eds. M. W. Hecht, H. Hasumi. Washington, D. C. : American Geophysical Union, 2008. С. 17–38. (Geophysical Monograph Series ; vol. 177). doi:10.1029/177GM04
5. Mahadevan A., Tandon A. An analysis of mechanisms for submesoscale vertical motion at ocean fronts // Ocean Modelling. 2006. Vol. 14, iss. 3–4. С. 241–256. doi:10.1016/j.ocemod.2006.05.006
6. Распространение вод из Керченского пролива в Черное море / А. А. Алескерова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. C. 53–64. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-53-64
7. Распределение взвешенного вещества у западного побережья Крыма при воздействии сильных ветров различных направлений / А. А. Алескерова [и др.] // Исследование Земли из космоса. 2019. № 2. C. 74–88. doi:10.31857/S0205-96142019274-88
8. Kubryakov A. A., Stanichny S. V., Zatsepin A. G. Interannual variability of Danube waters propagation in summer period of 1992–2015 and its influence on the Black Sea ecosystem // Journal of Marine Systems. 2018. Vol. 179. P. 10–30. doi:10.1016/j.jmarsys.2017.11.001
9. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea / A. Zatsepin [et al.] // Ocean Dynamics. 2019. Vol. 69, iss. 2. P. 253–266. doi:10.1007/s10236-018-1239-4
10. Lavrova O. Yu., Bocharova T. Yu. Satellite SAR observations of atmospheric and oceanic vortex structures in the Black Sea coastal zone // Advances in Space Research. 2006. Vol. 38, iss. 10. P. 2162–2168. doi:10.1016/j.asr.2006.03.022
11. Submesoscale circulation in the northern Gulf of Mexico: Surface processes and the impact of the freshwater river input / H. Luo [et al.] // Ocean Modelling. 2016. Vol. 101. P. 68–82. doi:10.1016/j.ocemod.2016.03.003
12. Investigation of fine spatial structure of currents and submesoscale eddies based on satellite radar data and concurrent acoustic measurements / O. Lavrova [et al.] // Proceedings of SPIE, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions. 2012. Vol. 8532. 85320L. doi:10.1117/12.970482
13. Karimova S. S., Lavrova O. Yu., Solov’ev D. M. Observation of eddy structures in the Baltic Sea with the use of radiolocation and radiometric satellite data // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2012. Vol. 48, iss. 9. P. 1006–1013. doi:10.1134/S0001433812090071
14. Алескерова А. А., Кубряков А. А., Станичный С. В. Распространение взвешенного вещества под влиянием штормовых ветров у западного побережья Крыма по оптическим данным высокого разрешения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 1. С. 63–71.
15. Submesoscale eddies at the caucasus Black Sea shelf and the mechanisms of their generation / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2011. Vol. 51, iss. 4. 554. doi:10.1134/S0001437011040205
16. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea / A. Zatsepin [et al.] // Ocean Dynamics. 2019. Vol. 69, iss. 2. P. 253–266. doi:10.1007/s10236-018-1239-4
17. Statistics of vertical vorticity, divergence, and strain in a developed submesoscale turbulence field / A. Y. Shcherbina [et al.] // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 17. P. 4706–4711. doi:10.1002/grl.50919
18. The seasonal cycle of submesoscale flows / L. Brannigan [et al.] // Ocean Modelling. 2015. Vol. 92. P. 69–84. doi:10.1016/j.ocemod.2015.05.002
19. Seasonality in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Nature Communications. 2015. Т. 6. 6862. doi:10.1038/ncomms7862
20. Seasonality of the submesoscale dynamics in the Gulf Stream region / J. A. Mensa [et al.] // Ocean Dynamics. 2013. Vol. 63, iss. 8. P. 923–941. doi:10.1007/s10236-013-0633-1
21. Open-Ocean Submesoscale Motions: A Full Seasonal Cycle of Mixed Layer Instabilities from Gliders / A. F. Thompson [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 4. P. 1285–1307. doi:10.1175/JPO-D-15-0170.1
22. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the mesoscale features of circulation in the Black Sea coastal zone // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. Vol. 49, iss. 6. P. 603–610. doi:10.1134/S0001433813060030
23. Моделирование субмезомасштабной изменчивости морских течений в прибрежной зоне Черного моря / Б. В. Дивинский [и др.] // Океанология. 2015. Т. 55, № 6. С. 903–908. doi:10.7868/S0030157415060039
24. Залесный В. Б., Гусев А. В., Агошков В. И. Моделирование циркуляции Черного моря с высоким разрешением прибрежной зоны // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52, № 3. С. 316–333. doi:10.7868/S0002351516030147
25. NEMO ocean engine / G. Madec [et al.]. IPSL, 2016. 386 p. (Note du pôle de modélisation IPSL, № 27). URL: http://www.nemo-ocean.eu/doc/ (date of access: 10.12.2020).
26. Long-Term variability of thermohaline characteristics of the Azov Sea based on the numerical eddy-resolving model / A. I. Mizyuk [et al.] // Physical Oceanography. 2019. Vol. 26, iss. 5. P. 438–450. doi:10.22449/1573-160X-2019-5-438-450
27. 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
28. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1987. Vol. 92, iss. C5. P. 5305–5328. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p05305
29. Observations of Black Sea mesoscale eddies and associated horizontal mixing / A. G. Zatse-pin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C8. 3246. doi:10.1029/2002JC001390
30. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Seasonal and interannual variability of the Black Sea eddies and its dependence on characteristics of the large-scale circulation // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 97. P. 80–91. doi:10.1016/j.dsr.2014.12.002
31. Изменчивость гидрофизических полей Черного моря / [А. С. Блатов, Н. П. Булгаков, В. А. Иванов и др.]; под ред. Б. А. Нелепо. Л. : Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.
32. The role of mixed-layer instabilities in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 788. P. 5–41. doi:10.1017/jfm.2015.700
33. Титов В. Б. Интегральный эффект воздействия термического и динамического факто-ров атмосферы на гидрологическую структуру вод Черного моря // Океанология. 2004. Т. 44, № 6. C. 837–842.
34. Изменчивость толщины перемешанного слоя в Черном море и ее связь с динамикой вод и атмосферным воздействием / А. А. Кубряков [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 5. С. 449–468. doi:10.22449/0233-7584-2019-5-449-468
35. Three-Dimensional Identification of the Black Sea Mesoscale Eddies according to NEMO Numerical Model Calculations / A. A. Kubryakov [et al.] // Physical Oceanography. 2018. Vol. 25, iss. 1. P. 18–26. doi:10.22449/1573-160X-2018-1-18-26
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 41-56
Seasonal and Vertical Variability of Currents Energy in the Sub-Mesoscale Range on the Black Sea Shelf and in its Central Part
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-41-56Abstract
Purpose. The study is aimed at investigating seasonal variability and vertical distribution of the sub-mesoscale currents energy (scales L = 1 ... 10 km, T = 1 ... 10 days) in the deep and shelf zones of the Black Sea.
Methods and Results. The study is based on the spectral analysis of the results obtained from the NEMO model numerical calculations performed with high spatial resolution 1 km. The analysis shows that in the areas under investigation, seasonal variability of the sub-mesoscale currents energy is significantly different. At that, in both regions, seasonal variation of energy of the sub-mesoscale currents whose scale is less than 10 km (Esp) is in good agreement with that of the density fluctuations on the same scales. In the central part of the sea, the high values of (Esp) are concentrated in the upper mixed layer throughout the whole year. The (Esp) peak is observed in winter at the depths 0–40 m, which indicates the important role of baroclinic instability (induced by the inhomogeneous distribution of the upper mixed layer during this period) in generation of sub-mesoscale processes in the Black Sea. At the same time, in February in the central part of the northwestern shelf, an absolute minimum of (Esp) is observed due to complete mixing and barotropization of the water column. The (Esp) maximum values are noted in September – October, that is related to intensification of the desalinated water cross-shelf transport from the river mouths being affected by the synoptic eddies. At the same time, in the autumn period in this region, the (Esp) high values are observed in the layer, the thickness of which is higher than that in summer (as well as in the central part of the sea). Dynamics of the (Esp) values distribution corresponds to the time variation of the upper mixed layer thickness. Variability of the sub-mesoscale currents energy is of a pulsating character with the short-term intensifications and weakenings. Such variability is significantly related to passing of the synoptic fronts and the cross-shelf water transport being influenced by the eddies and upwellings, which lead to baroclinic instability of waters.
Conclusions. Seasonal and vertical variability of the spectral energy in the Black Sea deep and shelf zones testifies in favor of the decisive role of the water baroclinic instability arising due to heterogeneity of the upper mixed layer.
References
1. McWilliams J. C. Submesoscale currents in the ocean // Proceedings of the Royal Society A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 472, iss. 2189. 20160117. doi:10.1098/rspa.2016.0117
2. Klein P., Lapeyre G. The Oceanic Vertical Pump Induced by Mesoscale and Submesoscale Turbulence // Annual Review of Marine Science. 2009. Vol. 1. P. 351–375. doi:10.1146/annurev.marine.010908.163704
3. 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. https://doi.org/10.1175/2007JPO3672.1
4. Thomas L. N., Tandon A., Mahadevan A. Submesoscale processes and dynamics // Ocean Modeling in an Eddying Regime / eds. M. W. Hecht, H. Hasumi. Washington, D. C. : American Geophysical Union, 2008. S. 17–38. (Geophysical Monograph Series ; vol. 177). doi:10.1029/177GM04
5. Mahadevan A., Tandon A. An analysis of mechanisms for submesoscale vertical motion at ocean fronts // Ocean Modelling. 2006. Vol. 14, iss. 3–4. S. 241–256. doi:10.1016/j.ocemod.2006.05.006
6. Rasprostranenie vod iz Kerchenskogo proliva v Chernoe more / A. A. Aleskerova [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 6. C. 53–64. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-53-64
7. Raspredelenie vzveshennogo veshchestva u zapadnogo poberezh'ya Kryma pri vozdeistvii sil'nykh vetrov razlichnykh napravlenii / A. A. Aleskerova [i dr.] // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2019. № 2. C. 74–88. doi:10.31857/S0205-96142019274-88
8. Kubryakov A. A., Stanichny S. V., Zatsepin A. G. Interannual variability of Danube waters propagation in summer period of 1992–2015 and its influence on the Black Sea ecosystem // Journal of Marine Systems. 2018. Vol. 179. P. 10–30. doi:10.1016/j.jmarsys.2017.11.001
9. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea / A. Zatsepin [et al.] // Ocean Dynamics. 2019. Vol. 69, iss. 2. P. 253–266. doi:10.1007/s10236-018-1239-4
10. Lavrova O. Yu., Bocharova T. Yu. Satellite SAR observations of atmospheric and oceanic vortex structures in the Black Sea coastal zone // Advances in Space Research. 2006. Vol. 38, iss. 10. P. 2162–2168. doi:10.1016/j.asr.2006.03.022
11. Submesoscale circulation in the northern Gulf of Mexico: Surface processes and the impact of the freshwater river input / H. Luo [et al.] // Ocean Modelling. 2016. Vol. 101. P. 68–82. doi:10.1016/j.ocemod.2016.03.003
12. Investigation of fine spatial structure of currents and submesoscale eddies based on satellite radar data and concurrent acoustic measurements / O. Lavrova [et al.] // Proceedings of SPIE, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions. 2012. Vol. 8532. 85320L. doi:10.1117/12.970482
13. Karimova S. S., Lavrova O. Yu., Solov’ev D. M. Observation of eddy structures in the Baltic Sea with the use of radiolocation and radiometric satellite data // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2012. Vol. 48, iss. 9. P. 1006–1013. doi:10.1134/S0001433812090071
14. Aleskerova A. A., Kubryakov A. A., Stanichnyi S. V. Rasprostranenie vzveshennogo veshchestva pod vliyaniem shtormovykh vetrov u zapadnogo poberezh'ya Kryma po opticheskim dannym vysokogo razresheniya // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2015. T. 12, № 1. S. 63–71.
15. Submesoscale eddies at the caucasus Black Sea shelf and the mechanisms of their generation / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2011. Vol. 51, iss. 4. 554. doi:10.1134/S0001437011040205
16. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea / A. Zatsepin [et al.] // Ocean Dynamics. 2019. Vol. 69, iss. 2. P. 253–266. doi:10.1007/s10236-018-1239-4
17. Statistics of vertical vorticity, divergence, and strain in a developed submesoscale turbulence field / A. Y. Shcherbina [et al.] // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 17. P. 4706–4711. doi:10.1002/grl.50919
18. The seasonal cycle of submesoscale flows / L. Brannigan [et al.] // Ocean Modelling. 2015. Vol. 92. P. 69–84. doi:10.1016/j.ocemod.2015.05.002
19. Seasonality in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Nature Communications. 2015. T. 6. 6862. doi:10.1038/ncomms7862
20. Seasonality of the submesoscale dynamics in the Gulf Stream region / J. A. Mensa [et al.] // Ocean Dynamics. 2013. Vol. 63, iss. 8. P. 923–941. doi:10.1007/s10236-013-0633-1
21. Open-Ocean Submesoscale Motions: A Full Seasonal Cycle of Mixed Layer Instabilities from Gliders / A. F. Thompson [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 4. P. 1285–1307. doi:10.1175/JPO-D-15-0170.1
22. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the mesoscale features of circulation in the Black Sea coastal zone // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. Vol. 49, iss. 6. P. 603–610. doi:10.1134/S0001433813060030
23. Modelirovanie submezomasshtabnoi izmenchivosti morskikh techenii v pribrezhnoi zone Chernogo morya / B. V. Divinskii [i dr.] // Okeanologiya. 2015. T. 55, № 6. S. 903–908. doi:10.7868/S0030157415060039
24. Zalesnyi V. B., Gusev A. V., Agoshkov V. I. Modelirovanie tsirkulyatsii Chernogo morya s vysokim razresheniem pribrezhnoi zony // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2016. T. 52, № 3. S. 316–333. doi:10.7868/S0002351516030147
25. NEMO ocean engine / G. Madec [et al.]. IPSL, 2016. 386 p. (Note du pôle de modélisation IPSL, № 27). URL: http://www.nemo-ocean.eu/doc/ (date of access: 10.12.2020).
26. Long-Term variability of thermohaline characteristics of the Azov Sea based on the numerical eddy-resolving model / A. I. Mizyuk [et al.] // Physical Oceanography. 2019. Vol. 26, iss. 5. P. 438–450. doi:10.22449/1573-160X-2019-5-438-450
27. 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
28. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1987. Vol. 92, iss. C5. P. 5305–5328. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p05305
29. Observations of Black Sea mesoscale eddies and associated horizontal mixing / A. G. Zatse-pin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C8. 3246. doi:10.1029/2002JC001390
30. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Seasonal and interannual variability of the Black Sea eddies and its dependence on characteristics of the large-scale circulation // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 97. P. 80–91. doi:10.1016/j.dsr.2014.12.002
31. Izmenchivost' gidrofizicheskikh polei Chernogo morya / [A. S. Blatov, N. P. Bulgakov, V. A. Ivanov i dr.]; pod red. B. A. Nelepo. L. : Gidrometeoizdat, 1984. 240 s.
32. The role of mixed-layer instabilities in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 788. P. 5–41. doi:10.1017/jfm.2015.700
33. Titov V. B. Integral'nyi effekt vozdeistviya termicheskogo i dinamicheskogo fakto-rov atmosfery na gidrologicheskuyu strukturu vod Chernogo morya // Okeanologiya. 2004. T. 44, № 6. C. 837–842.
34. Izmenchivost' tolshchiny peremeshannogo sloya v Chernom more i ee svyaz' s dinamikoi vod i atmosfernym vozdeistviem / A. A. Kubryakov [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 5. S. 449–468. doi:10.22449/0233-7584-2019-5-449-468
35. Three-Dimensional Identification of the Black Sea Mesoscale Eddies according to NEMO Numerical Model Calculations / A. A. Kubryakov [et al.] // Physical Oceanography. 2018. Vol. 25, iss. 1. P. 18–26. doi:10.22449/1573-160X-2018-1-18-26
