Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 423-435
Оценка климатических полей температуры и солености вод Черного моря для современного периода (1991–2020)
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-4-423-435Аннотация
Цель. Основной целью исследования является оценка нового массива климатических полей температуры и солености вод Черного моря, рассчитанных по данным гидрологических наблюдений, для современного стандартного 30-летнего климатического периода 1991–2020 гг. (по определению Всемирной метеорологической организации для расчета климатических норм).
Методы и результаты. Оценка нового массива климатических температуры и солености проводилась на основе анализа результатов численных экспериментов. В эксперименте численной моделью воспроизводился годовой ход гидрофизических полей Черного моря, при расчете использовалась схема ассимиляции данных оцениваемого массива температуры и солености. В отличие от осредненных данных натурных наблюдений получаемые модельные поля были согласованы с точки зрения уравнений движения морской среды. Кроме трехмерных полей температуры и солености моделью воспроизводились трехмерные климатические поля течений Черного моря на каждые сутки года, что невозможно осуществить только по данным инструментальных измерений. Выполнен анализ пространственно-временной изменчивости воспроизведенных моделью трехмерных полей, исследованы интегральные характеристики динамики вод Черного моря за современный 30-летний климатический период и сопоставлены с аналогичными характеристиками за предыдущее столетие. Для проведения численного моделирования использована трехмерная нелинейная модель динамики Черного моря, разработанная в Морском гидрофизическом институте. Моделирование проводилось на сетке с горизонтальным разрешением 5 км с использованием батиметрии EMODNet. Результаты анализа проведенных расчетов показали, что увеличение пространственного разрешения климатического массива температуры и солености в современный период позволило более детально воспроизвести динамику вод Черного моря во всех его слоях. Вместе с тем в полях солености присутствовала существенная мелкомасштабная изменчивость, наиболее выраженная на глубоководных горизонтах.
Выводы. По сравнению с расчетом с усвоением предыдущего варианта климатического массива температуры и солености в воспроизводимых моделью полях отмечено увеличение интегральной температуры верхнего перемешанного слоя с утончением и «разрывом» холодного промежуточного слоя в центральной части моря, что говорит о потеплении верхнего слоя вод в последние 30 лет. Наибольшая зашумленность, выявленная на глубоководных горизонтах в воспроизводимых полях солености в эксперименте с ассимиляцией нового массива климатических полей, связана с количеством и качеством данных о солености, получаемых в ходе натурных наблюдений. С учетом недостаточного метрологического обеспечения измерений электропроводности морской воды для следующей версии климатического массива необходима более строгая процедура проверки и фильтрации данных наблюдений в глубинных слоях.
Список литературы
1. Демышев С. Г., Коротаев Г. К. Численная энергосбалансированная модель бароклинных течений океана с неровным дном на сетке С // Численные модели и результаты калибровочных расчетов течений в Атлантическом океане : Атмосфера – Океан – Космос. Программа «Разрезы». Mосква : Институт вычислительной математики РАН, 1992. С. 163–231.
2. Демышев С. Г., Кныш В. В., Коротаев Г. К. Результаты расчета адаптированных полей Черного моря на основе ассимиляции в модели данных по климатической температуре и солености // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42, № 5. С. 604–617.
3. Кныш В. В., Демышев С. Г., Коротаев Г. К. Методика реконструкции климатической сезонной циркуляции Черного моря на основе ассимиляции гидрологических данных в модели // Морской гидрофизический журнал. 2002. № 2. C. 36–52. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=683 (дата обращения: 20.07.2021).
4. Долговременные изменения термохалинных и динамических характеристик Черного моря по климатическим данным температуры и солености и их ассимиляции в модели / В. В. Кныш [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 3. С. 11–30. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=819 (дата обращения: 22.07.2021).
5. Демышев С. Г., Кныш В. В., Инюшина Н. В. Сезонная изменчивость и трансформация с глубиной климатических горизонтальных течений Черного моря по результатам ассимиляции в модели новых климатических данных температуры и солености // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 6. C. 28–45. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=841 (дата обращения: 20.07.2021).
6. Дорофеев В. Л., Коротаев Г. К. Ассимиляция данных спутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2004. № 1. С. 52–68. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=766 (дата обращения: 26.07.2021).
7. Построение поля течений в Черном море на основе вихреразрешающей модели с ассимиляцией климатических полей температуры и солености / С. Г. Демышев [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2007. Вып. 15. С. 215–226.
8. Демышев С. Г., Кныш В. В. Реконструкция адаптированной вертикальной скорости Черного моря на базе синтеза модели циркуляции и климатических данных по температуре и солености // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2004. Вып. 11. С. 93–104.
9. Мамаев О. И. T, S-анализ вод Мирового океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1970. 364 с.
10. Staneva J. V., Stanev E. V. Oceanic response to atmospheric forcing derived from different climatic data sets. Intercomparison study for the Black Sea // Oceanologia Acta. 1998. Vol. 21, iss. 3. P. 393–417. doi:10.1016/S0399-1784(98)80026-1
11. Ефимов В. В., Тимофеев Н. А. Теплобалансовые исследования Черного и Азовского морей. Обнинск : ВНИИГМИ-МЦД, 1990. 236 с.
12. Pacanowski R. C., Philander S. G. H. Parameterization of Vertical Mixing in Numerical Models of Tropical Oceans // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 11. P. 1443−1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011<1443:POVMIN>2.0.CO;2
13. Arakawa A., Lamb V. R. A Potential Enstrophy and Energy Conserving Scheme for the Shallow Water Equation // Monthly Weather Review. 1981. Vol. 109, iss. 1. Р. 18–36. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109%3C0018:APEAEC%3E2.0.CO;2
14. The MyOcean Black Sea from a scientific point of view / S. Demyshev [et al.] // Mercator Ocean Quarterly Newsletter. 2010. Vol. 39. P. 16–24. URL: http://marine.copernicus.eu/wpcontent/uploads/2016/06/r63_9_quarterly_letter-_issue_39.pdf (date of access: 08.07.2021).
15. Operational system for diagnosis and forecast of hydrophysical characteristics of the Black Sea / G. K. Korotaev [et al.] // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52. P. 542–549. https://doi.org/10.1134/S0001433816050078
16. Белокопытов В. Н. Ретроспективный анализ термохалинных полей Черного моря на основе методов эмпирических ортогональных функций // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 5. С. 412–421. doi:10.22449/0233-7584-2018-5-412-421
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 423-435
Assessment of the Black Sea Temperature and Salinity Climatic Fields for the Recent Climatological Period (1991–2020)
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-4-423-435Abstract
Purpose. The study is aimed at assessing a new climatic array of the Black Sea temperature and salinity calculated using hydrological observations for the standard (according to the World Meteorological Organization definition) 30-year climatological period 1991–2020.
Methods and Results. New array of the temperature and salinity climatic fields was assessed based on analyzing the results of numerical experiments. In the experiment, annual variation of the Black Sea hydrophysical parameters was reproduced by the numerical model. Modeling included the scheme of assimilating the data of the climatic temperature and salinity array assessed. In contrast to the averaged data of the field observations, the model fields were matched from the viewpoint of the motion equations. Besides the temperature and salinity three-dimensional fields, the three-dimensional climatic fields of the Black Sea currents were also reproduced for each day of a climatic year that is quite impossible using the instrumental measurements data only. Spatial-temporal variability of the modeled three-dimensional fields was analyzed. The integral characteristics of the Black Sea water dynamics for the recent 30-year climatic period were studied and compared with the analogous ones for the previous century. Simulation was performed at the grid with the 5 km horizontal resolution using the EMODNet bathymetry by means of the three-dimensional non-linear model of the Black Sea dynamics developed in Marine Hydrophysical Institute. Having been analyzed, the performed calculations showed that the increased spatial resolution of the temperature and salinity climatic array for the recent period made it possible to reproduce dynamics in all the layers of the Black Sea waters in more details. At the same time, a significant small-scale variability, most pronounced at the deep-water horizons, was present in the salinity fields.
Conclusions. As compared to the experiment with assimilation of the previous version of the climatic array, the modeling based on the new array of the thermohaline fields revealed increase in the integral temperature of the upper mixed layer. At that, thinning and «break» of the cold intermediate layer found in the central part of the sea, indicates warming of the sea upper layer during the last 30 years. The highest noisiness detected at the deep-water horizons in the modeled salinity fields is related to quantity and quality of the salinity data resulted from the field observations. Taking into account insufficient metrological facilities for measuring seawater electrical conductivity, the next version of climatic array requires a more strict procedure for verifying and processing the observation data obtained in the deep-sea layers.
References
1. Demyshev S. G., Korotaev G. K. Chislennaya energosbalansirovannaya model' baroklinnykh techenii okeana s nerovnym dnom na setke S // Chislennye modeli i rezul'taty kalibrovochnykh raschetov techenii v Atlanticheskom okeane : Atmosfera – Okean – Kosmos. Programma «Razrezy». Moskva : Institut vychislitel'noi matematiki RAN, 1992. S. 163–231.
2. Demyshev S. G., Knysh V. V., Korotaev G. K. Rezul'taty rascheta adaptirovannykh polei Chernogo morya na osnove assimilyatsii v modeli dannykh po klimaticheskoi temperature i solenosti // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2006. T. 42, № 5. S. 604–617.
3. Knysh V. V., Demyshev S. G., Korotaev G. K. Metodika rekonstruktsii klimaticheskoi sezonnoi tsirkulyatsii Chernogo morya na osnove assimilyatsii gidrologicheskikh dannykh v modeli // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2002. № 2. C. 36–52. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=683 (data obrashcheniya: 20.07.2021).
4. Dolgovremennye izmeneniya termokhalinnykh i dinamicheskikh kharakteristik Chernogo morya po klimaticheskim dannym temperatury i solenosti i ikh assimilyatsii v modeli / V. V. Knysh [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2005. № 3. S. 11–30. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=819 (data obrashcheniya: 22.07.2021).
5. Demyshev S. G., Knysh V. V., Inyushina N. V. Sezonnaya izmenchivost' i transformatsiya s glubinoi klimaticheskikh gorizontal'nykh techenii Chernogo morya po rezul'tatam assimilyatsii v modeli novykh klimaticheskikh dannykh temperatury i solenosti // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2005. № 6. C. 28–45. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=841 (data obrashcheniya: 20.07.2021).
6. Dorofeev V. L., Korotaev G. K. Assimilyatsiya dannykh sputnikovoi al'timetrii v vikhrerazreshayushchei modeli tsirkulyatsii Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2004. № 1. S. 52–68. URL: http://xn--c1agq7a.xn--p1ai/index.php/repository?id=766 (data obrashcheniya: 26.07.2021).
7. Postroenie polya techenii v Chernom more na osnove vikhrerazreshayushchei modeli s assimilyatsiei klimaticheskikh polei temperatury i solenosti / S. G. Demyshev [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2007. Vyp. 15. S. 215–226.
8. Demyshev S. G., Knysh V. V. Rekonstruktsiya adaptirovannoi vertikal'noi skorosti Chernogo morya na baze sinteza modeli tsirkulyatsii i klimaticheskikh dannykh po temperature i solenosti // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2004. Vyp. 11. S. 93–104.
9. Mamaev O. I. T, S-analiz vod Mirovogo okeana. L. : Gidrometeoizdat, 1970. 364 s.
10. Staneva J. V., Stanev E. V. Oceanic response to atmospheric forcing derived from different climatic data sets. Intercomparison study for the Black Sea // Oceanologia Acta. 1998. Vol. 21, iss. 3. P. 393–417. doi:10.1016/S0399-1784(98)80026-1
11. Efimov V. V., Timofeev N. A. Teplobalansovye issledovaniya Chernogo i Azovskogo morei. Obninsk : VNIIGMI-MTsD, 1990. 236 s.
12. Pacanowski R. C., Philander S. G. H. Parameterization of Vertical Mixing in Numerical Models of Tropical Oceans // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 11. P. 1443−1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011<1443:POVMIN>2.0.CO;2
13. Arakawa A., Lamb V. R. A Potential Enstrophy and Energy Conserving Scheme for the Shallow Water Equation // Monthly Weather Review. 1981. Vol. 109, iss. 1. R. 18–36. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1981)109%3C0018:APEAEC%3E2.0.CO;2
14. The MyOcean Black Sea from a scientific point of view / S. Demyshev [et al.] // Mercator Ocean Quarterly Newsletter. 2010. Vol. 39. P. 16–24. URL: http://marine.copernicus.eu/wpcontent/uploads/2016/06/r63_9_quarterly_letter-_issue_39.pdf (date of access: 08.07.2021).
15. Operational system for diagnosis and forecast of hydrophysical characteristics of the Black Sea / G. K. Korotaev [et al.] // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52. P. 542–549. https://doi.org/10.1134/S0001433816050078
16. Belokopytov V. N. Retrospektivnyi analiz termokhalinnykh polei Chernogo morya na osnove metodov empiricheskikh ortogonal'nykh funktsii // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 5. S. 412–421. doi:10.22449/0233-7584-2018-5-412-421
