Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 509-524
Анализ сезонных энергетических характеристик динамики верхнего слоя вод Мраморного моря
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-509-524Аннотация
Цель. Цель настоящей работы – оценка роли основных сил в формировании динамических структур верхнего слоя вод Мраморного моря в различные гидрологические сезоны.
Методы и результаты. С помощью численной модели Морского гидрофизического института Российской академии наук рассчитаны гидродинамические и энергетические характеристики циркуляции моря. Пространственное разрешение по горизонтали составило 1,22 × 0,83 км, по вертикали использовалось 18 горизонтов, шаг по времени 0,5 мин. Характеристики поступающих через проливы Босфор и Дарданеллы вод соответствовали доступным данным наблюдений. На поверхности моря задавались средние ежесуточные поля тангенциального напряжения трения ветра, потоков тепла, осадков и испарения для 2008 г., рассчитанные по региональной атмосферной модели ММ5. Рассматривались пространственные распределения вихревых структур и соответствующие им энергетические потоки в верхнем слое моря для различных сезонов. Анализ среднесезонных пространственных распределений поля скорости течения и составляющих бюджета кинетической энергии показал, что вихри в верхнем слое моря в течение года формируются главным образом с помощью двух механизмов. В центральной части моря генерация крупномасштабного антициклона и его сезонная изменчивость в основном определяются работой силы ветра, а формирование и эволюция прибрежных циклонических круговоротов обусловлены работой силы плавучести. В полях работы сил плавучести, давления и трения выделяются зоны локальных экстремумов. Две из этих зон – районы поступления вод из проливов Босфор и Дарданеллы. Наибольшая изменчивость наблюдается в районе Босфора, что обусловлено влиянием втекающих черноморских вод на сезонный характер мраморноморской циркуляции. Другие зоны экстремальных значений обусловлены неоднородностями береговой черты, что приводит к формированию прибрежных вихрей, источником энергии для которых является доступная потенциальная энергия.
Выводы. По результатам анализа проведенного численного эксперимента можно заключить, что в верхнем слое Мраморного моря формирование и изменчивость центрального антициклона определяются ветровым воздействием, а прибрежных циклонов – работой силы плавучести.
Список литературы
1. The circulation and hydrography of the Marmara Sea / S. T. Beşiktepe [et al.] // Progress in Oceanography. 1994. Vol. 34, iss. 4. P. 285–334. https://doi.org/10.1016/0079-6611(94)90018-3
2. Демышев С. Г., Довгая С. В., Иванов В. А. Численное моделирование влияния обмена через проливы Босфор и Дарданеллы на гидрофизические поля Мраморного моря // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 4. С. 471–480.
3. Dynamics of the circulation in the Sea of Marmara: numerical modeling experiments and observations from the Turkish straits system experiment / J. Chiggiato [et al.] // Ocean Dynamics. 2012. Vol. 62, iss. 1. P. 139−159. https://doi.org/10.1007/s10236-011-0485-5
4. Zalesny V. B., Gusev A. V., Fomin V. V. Numerical model of nonhydrostatic ocean dynamics based on methods of artificial compressibility and multicomponent splitting // Oceanology. 2016. Vol. 56, iss. 6. P. 876–887. https://doi.org/10.1134/S0001437016050167
5. Sannino G., Sözer A., Özsoy E. A high-resolution modelling study of the Turkish Straits System // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 3–4. P. 397–432. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1039-2
6. Stanev E., Grashorn S., Zhang Y. Cascading ocean basins: numerical simulations of the circulation and interbasin exchange in the Azov-Black-Marmara-Mediterranean Seas system // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 8. P. 1003–1025. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1071-2
7. Circulation of the Turkish Straits System under interannual atmospheric forcing / A. Aydoğdu [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 5. P. 999–1019. https://doi.org/10.5194/os-14-999-2018
8. OSSE for a sustainable marine observing network in the Sea of Marmara / A. Aydoğdu [et al.] // Nonlinear Processes in Geophysics. 2018. Vol. 25, iss. 3. P. 537–551. https://doi.org/10.5194/npg-25-537-2018
9. Демышев С. Г. Энергетика климатической циркуляции Черного моря. Ч. I. Дискретные уравнения скорости изменения кинетической и потенциальной энергий // Метеорология и гидрология. 2004. № 9. С. 65–80.
10. Демышев С. Г., Довгая С. В., Шокуров М. В. Влияние потоков тепла, осадков и испарения на динамику поверхностных вод Мраморного моря // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 3. С. 3–15. doi:10.22449/0233-7584-2016-3-3-15
11. Демышев С. Г., Довгая С. В., Шокуров М. В. Энергетические характеристики циркуляции вод Мраморного моря в 2008 году // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 4. С. 307–321. doi:10.22449/0233-7584-2019-4-307-321
12. The Mediterranean Sea heat and mass budgets: Estimates, uncertainties and perspectives / G. Jordà [et al.] // Progress in Oceanography. 2017. Vol. 156. P. 174–208. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2017.07.001
13. Modeling of Hydraulically Controlled Exchange Flow in the Bosphorus Strait / T. Oguz [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 20, iss. 7. P. 945–965. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1990)020<0945:MOHCEF>2.0.CO;2
14. Запевалов А. C. Сезонная изменчивость вертикальных распределений температуры и солености в Мраморном море // Метеорология и гидрология. 2005. № 2. С. 78−84.
15. Beşiktepe T. Ş. Density currents in the two-layer flow: an example of Dardanelles outflow // Oceanologica Acta. 2003. Vol. 26, iss. 3. P. 243–253. https://doi.org/10.1016/S0399-1784(03)00015-X
16. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 509 с.
17. Саркисян А. С., Иванов В. Ф. Совместный эффект бароклинности и рельефа дна как важный фактор в динамике морских течений // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7, № 2. С. 173–188.
18. Саркисян А. С. Сорок лет открытию роли совместного эффекта бароклинности и рельефа дна в моделировании климатических характеристик океана // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42, № 5. С. 582–603.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 509-524
Analysis of Seasonal Energy Characteristics of the Marmara Sea Upper Layer Dynamics
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-509-524Abstract
Purpose. The aim of the work is to assess the role of the basic forces in formation of the dynamic structures of the upper layer in the Marmara Sea in different hydrological seasons.
Methods and Results. The numerical model developed in Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences, was used to calculate the hydrodynamic and energy characteristics of the sea circulation. The horizontal spatial resolution was 1.22 × 0.83 km, 18 horizons were used vertically, and the time step was 0.5 min. The characteristics of the waters inflowing through the Bosporus and Dardanelles straits corresponded to the available observational data. On the sea surface, the daily average fields of tangential wind stress, heat fluxes, precipitation and evaporation for 2008 were preset; these parameters were calculated using the regional atmospheric model MM5. Spatial distributions of the vortex structures and the corresponding energy flows in the upper sea layer for different seasons were considered. Having been analyzed, the average seasonal spatial distributions of the current velocity fields and the components of the kinetic energy budget showed that during the year, the vortices in the upper sea layer were formed mainly by two mechanisms. In the central part of the sea, generation of a large-scale anticyclone and its seasonal variability are basically conditioned by the wind forcing, whereas formation and evolution of coastal cyclonic eddies are caused by the buoyancy force. In the fields where the buoyancy, pressure and friction forcing takes place, the zones of local extremes are distinguished. Two of them are the areas of water inflow through the Bosphorus and Dardanelles straits. The strongest variability is observed in the Bosporus region that is certainly conditioned by the fact that the inflowing Black Sea waters have a decisive influence on seasonal nature of the Marmara Sea circulation. The extreme values in the other zones are the result of the coastline structure heterogeneities, that leads to formation of the coastal eddies, the energy source for which is the available potential energy.
Conclusions. Analysis of the results of the performed numerical experiment makes it possible to conclude that in the upper layer of the Marmara Sea, formation and variability of the central anticyclone are conditioned by the wind forcing, while those of the coastal cyclones – by the buoyancy effect.
References
1. The circulation and hydrography of the Marmara Sea / S. T. Beşiktepe [et al.] // Progress in Oceanography. 1994. Vol. 34, iss. 4. P. 285–334. https://doi.org/10.1016/0079-6611(94)90018-3
2. Demyshev S. G., Dovgaya S. V., Ivanov V. A. Chislennoe modelirovanie vliyaniya obmena cherez prolivy Bosfor i Dardanelly na gidrofizicheskie polya Mramornogo morya // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2012. T. 48, № 4. S. 471–480.
3. Dynamics of the circulation in the Sea of Marmara: numerical modeling experiments and observations from the Turkish straits system experiment / J. Chiggiato [et al.] // Ocean Dynamics. 2012. Vol. 62, iss. 1. P. 139−159. https://doi.org/10.1007/s10236-011-0485-5
4. Zalesny V. B., Gusev A. V., Fomin V. V. Numerical model of nonhydrostatic ocean dynamics based on methods of artificial compressibility and multicomponent splitting // Oceanology. 2016. Vol. 56, iss. 6. P. 876–887. https://doi.org/10.1134/S0001437016050167
5. Sannino G., Sözer A., Özsoy E. A high-resolution modelling study of the Turkish Straits System // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 3–4. P. 397–432. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1039-2
6. Stanev E., Grashorn S., Zhang Y. Cascading ocean basins: numerical simulations of the circulation and interbasin exchange in the Azov-Black-Marmara-Mediterranean Seas system // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 8. P. 1003–1025. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1071-2
7. Circulation of the Turkish Straits System under interannual atmospheric forcing / A. Aydoğdu [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 5. P. 999–1019. https://doi.org/10.5194/os-14-999-2018
8. OSSE for a sustainable marine observing network in the Sea of Marmara / A. Aydoğdu [et al.] // Nonlinear Processes in Geophysics. 2018. Vol. 25, iss. 3. P. 537–551. https://doi.org/10.5194/npg-25-537-2018
9. Demyshev S. G. Energetika klimaticheskoi tsirkulyatsii Chernogo morya. Ch. I. Diskretnye uravneniya skorosti izmeneniya kineticheskoi i potentsial'noi energii // Meteorologiya i gidrologiya. 2004. № 9. S. 65–80.
10. Demyshev S. G., Dovgaya S. V., Shokurov M. V. Vliyanie potokov tepla, osadkov i ispareniya na dinamiku poverkhnostnykh vod Mramornogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2016. № 3. S. 3–15. doi:10.22449/0233-7584-2016-3-3-15
11. Demyshev S. G., Dovgaya S. V., Shokurov M. V. Energeticheskie kharakteristiki tsirkulyatsii vod Mramornogo morya v 2008 godu // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 4. S. 307–321. doi:10.22449/0233-7584-2019-4-307-321
12. The Mediterranean Sea heat and mass budgets: Estimates, uncertainties and perspectives / G. Jordà [et al.] // Progress in Oceanography. 2017. Vol. 156. P. 174–208. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2017.07.001
13. Modeling of Hydraulically Controlled Exchange Flow in the Bosphorus Strait / T. Oguz [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 20, iss. 7. P. 945–965. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1990)020<0945:MOHCEF>2.0.CO;2
14. Zapevalov A. C. Sezonnaya izmenchivost' vertikal'nykh raspredelenii temperatury i solenosti v Mramornom more // Meteorologiya i gidrologiya. 2005. № 2. S. 78−84.
15. Beşiktepe T. Ş. Density currents in the two-layer flow: an example of Dardanelles outflow // Oceanologica Acta. 2003. Vol. 26, iss. 3. P. 243–253. https://doi.org/10.1016/S0399-1784(03)00015-X
16. Kamenkovich V. M., Koshlyakov M. N., Monin A. S. Sinopticheskie vikhri v okeane. L. : Gidrometeoizdat, 1987. 509 s.
17. Sarkisyan A. S., Ivanov V. F. Sovmestnyi effekt baroklinnosti i rel'efa dna kak vazhnyi faktor v dinamike morskikh techenii // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 1971. T. 7, № 2. S. 173–188.
18. Sarkisyan A. S. Sorok let otkrytiyu roli sovmestnogo effekta baroklinnosti i rel'efa dna v modelirovanii klimaticheskikh kharakteristik okeana // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2006. T. 42, № 5. S. 582–603.
