Морской гидрофизический журнал. 2019; 35: 201-219
Энергетические переходы в двухслойной вихреразрешающей модели Черного моря
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-201-219Аннотация
Цель. Проведен энергетический анализ результатов численного эксперимента по моделированию крупномасштабной циркуляции в Черном море в рамках двухслойной вихреразрешающей модели под воздействием касательного напряжения ветра. Основная цель работы состоит в том, чтобы определить направление и величину переходов энергии, сопровождающих процессы формирования крупномасштабных течений и мезомасштабных вихрей в море.
Методы и результаты. Анализ проводится для периода статистического равновесия, в котором средние значения всех рассчитываемых в модели характеристик остаются постоянными во времени. С помощью метода осреднения Рейнольдса в модели произведено разделение энергетических характеристик (механической энергии и ее переходов) по масштабам движения на относящиеся к крупномасштабным течениям и к вихрям. Крупномасштабные течения определяются как средние потоки за некоторый выбранный временной интервал, а отклонения от них считаются вихрями. Анализируются осредненные по времени и/или по пространству энергетические характеристики. Для периода статистического равновесия рассчитаны энергетические диаграммы, демонстрирующие вклад крупномасштабных течений и вихрей в общую механическую энергию, величины и направления переходов энергии. Для того же периода построены осредненные по времени поля составляющих энергии и работы сил, участвующих в энергетическом балансе.
Выводы. Показано, что бароклинная неустойчивость крупномасштабного течения является основной причиной меандрирования Основного Черноморского течения, а переход энергии в нижний слой осуществляется вследствие бароклинной неустойчивости вихрей. Установлено, что бóльшую долю энергии от ветра море получает в его восточной половине, а теряет в западной и северо-западной области бассейна. Основная часть диссипации энергии обеспечивается работой сил трения на нижней границе верхнего слоя в области пересечения поверхности раздела слоев с дном.
Список литературы
1. Павлушин А. А. Численное моделирование крупномасштабной циркуляции и вихревых структур в Черном море // Труды государственного океанографического института. М. : Артифекс, 2018. Вып. 219. С. 174–194.
2. Павлушин А. А., Шапиро Н. Б., Михайлова Э. Н. Роль рельефа дна и β-эффекта в динамике Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. С. 27−39. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-27-39
3. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. I. A Preliminary Numerical Experiment // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, no. 4. P. 642–657. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1975)0050642:OTGOME2.0.CO;2
4. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. II. A Parameter Study // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, no. 4. P. 658–669. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1975)0050658:OTGOME2.0.CO;2
5. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 509 с.
6. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analyzing intraannual variations in the energy characteristics of circulation in the Black Sea // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52, iss. 4. P. 386–393. doi:10.1134/S0001433816040046
7. Chen R., Thompson A. F., Flierl G. R. Time-dependent eddy-mean energy diagrams and their application to the ocean // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, no. 9. P. 2827–2850. https://doi.org/10.1175/JPO-D-16-0012.1
8. Kang D., Curchitser E. N. Energetics of eddy–mean flow interactions in the Gulf Stream region // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, no. 4. P. 1103–1120. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0200.1
9. Energy Conversion Routes in the Western Mediterranean Sea Estimated from Eddy-Mean Flow Interactions / E. Capó [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2019. Vol. 49, no. 1. P. 247–267. https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0036.1
10. Ефимов В. В., Юровский А. В. Формирование завихренности поля скорости ветра в атмосфере над Черным морем // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. С. 3−12. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-3-12
11. Ефимов В. В., Анисимов А. Е. Климатические характеристики изменчивости поля ветра в Черноморском регионе – численный реанализ региональной атмосферной циркуляции // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47, № 3. С. 380–392.
12. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : МГИ НАН Украины, 2011. 212 c.
13. Изменчивость гидрофизических полей Черного моря / Под ред. ак. Б. А. Нелепо. Л. : Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.
14. Маркова Н. В., Багаев А. В. Оценка скоростей глубоководных течений в Черном море по данным дрейфующих буев-профилемеров Argo // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 3. С. 26−39. doi:10.22449/0233-7584-2016-3-26-39
15. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data / G. K. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C4. 3122. https://doi.org/10.1029/2002JC001508
16. Бассейновая циркуляция и мезомасштабная динамика Черного моря под ветровым воздействием / А. Г. Зацепин [и др.] // Современные проблемы динамики океана и атмосферы : Сб. статей, посвященный 100-летию со дня рождения проф. П. С. Линейкина / Под ред. А. В. Фролова, Ю. Д. Реснянского. М. : Триада ЛТД, 2010. С. 347–368.
17. Stanev E. V. Understanding Black Sea Dynamics: Overview of Recent Numerical Modeling // Oceanography. 2005. Vol. 18, no. 2. P. 56–75. https://doi.org/10.5670/oceanog.2005.42
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2019; 35: 201-219
Energy Transitions in the Two-Layer Eddy-Resolving Model of the Black Sea
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-201-219Abstract
Purpose. Performed is the energy analysis of the numerical experiment results obtained from modeling of the large-scale circulation in the Black Sea within the framework of a two-layer eddy-resolving model under the tangential wind stress forcing. The paper is aimed at determining directions and magnitudes of the energy transitions accompanying formation of the large-scale flows and mesoscale eddies in the sea.
Methods and Results. The analysis is carried out for the period of statistical equilibrium in which the average values of all the characteristics calculated in the model remain constant in time. According to the motion scales, the Reynolds averaging method permits to divide the energy characteristics (mechanical energy and its transitions) into those relating to the large-scale flows and – to the eddies. The large-scale currents are defined as average flows over a certain selected time interval, and the deviations from them are considered to be the vortices. The energy characteristics averaged over time and/or space, are analyzed. For the period of statistical equilibrium, calculated are the energy diagrams showing contribution of the large-scale currents and the vortices to the total mechanical energy, to the magnitudes and directions of energy transitions. The time-averaged fields both of the energy components and the forces involved in the energy balance were constructed for the same period.
Conclusions. It is shown that baroclinic instability of a large-scale flow is the main cause of the Rim Current meandering, and the energy is transferred to the bottom layer due to baroclinic instability of the eddies. It has been revealed that a large portion of wind energy falls on the eastern part of the sea, whereas the energy losses take place in the western and northwestern regions of the basin. The basic part of energy dissipation takes place due to the friction forces’ work on the lower boundary of the up-per layer in the area where the layers’ interfaces intersect the bottom.
References
1. Pavlushin A. A. Chislennoe modelirovanie krupnomasshtabnoi tsirkulyatsii i vikhrevykh struktur v Chernom more // Trudy gosudarstvennogo okeanograficheskogo instituta. M. : Artifeks, 2018. Vyp. 219. S. 174–194.
2. Pavlushin A. A., Shapiro N. B., Mikhailova E. N. Rol' rel'efa dna i β-effekta v dinamike Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 6. S. 27−39. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-27-39
3. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. I. A Preliminary Numerical Experiment // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, no. 4. P. 642–657. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1975)0050642:OTGOME2.0.CO;2
4. Holland W. R., Lin L. B. On the Generation of Mesoscale Eddies and their Contribution to the Oceanic General Circulation. II. A Parameter Study // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, no. 4. P. 658–669. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1975)0050658:OTGOME2.0.CO;2
5. Kamenkovich V. M., Koshlyakov M. N., Monin A. S. Sinopticheskie vikhri v okeane. L. : Gidrometeoizdat, 1987. 509 s.
6. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analyzing intraannual variations in the energy characteristics of circulation in the Black Sea // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52, iss. 4. P. 386–393. doi:10.1134/S0001433816040046
7. Chen R., Thompson A. F., Flierl G. R. Time-dependent eddy-mean energy diagrams and their application to the ocean // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, no. 9. P. 2827–2850. https://doi.org/10.1175/JPO-D-16-0012.1
8. Kang D., Curchitser E. N. Energetics of eddy–mean flow interactions in the Gulf Stream region // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, no. 4. P. 1103–1120. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0200.1
9. Energy Conversion Routes in the Western Mediterranean Sea Estimated from Eddy-Mean Flow Interactions / E. Capó [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2019. Vol. 49, no. 1. P. 247–267. https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0036.1
10. Efimov V. V., Yurovskii A. V. Formirovanie zavikhrennosti polya skorosti vetra v atmosfere nad Chernym morem // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 6. S. 3−12. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-3-12
11. Efimov V. V., Anisimov A. E. Klimaticheskie kharakteristiki izmenchivosti polya vetra v Chernomorskom regione – chislennyi reanaliz regional'noi atmosfernoi tsirkulyatsii // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2011. T. 47, № 3. S. 380–392.
12. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol' : MGI NAN Ukrainy, 2011. 212 c.
13. Izmenchivost' gidrofizicheskikh polei Chernogo morya / Pod red. ak. B. A. Nelepo. L. : Gidrometeoizdat, 1984. 240 s.
14. Markova N. V., Bagaev A. V. Otsenka skorostei glubokovodnykh techenii v Chernom more po dannym dreifuyushchikh buev-profilemerov Argo // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2016. № 3. S. 26−39. doi:10.22449/0233-7584-2016-3-26-39
15. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data / G. K. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C4. 3122. https://doi.org/10.1029/2002JC001508
16. Basseinovaya tsirkulyatsiya i mezomasshtabnaya dinamika Chernogo morya pod vetrovym vozdeistviem / A. G. Zatsepin [i dr.] // Sovremennye problemy dinamiki okeana i atmosfery : Sb. statei, posvyashchennyi 100-letiyu so dnya rozhdeniya prof. P. S. Lineikina / Pod red. A. V. Frolova, Yu. D. Resnyanskogo. M. : Triada LTD, 2010. S. 347–368.
17. Stanev E. V. Understanding Black Sea Dynamics: Overview of Recent Numerical Modeling // Oceanography. 2005. Vol. 18, no. 2. P. 56–75. https://doi.org/10.5670/oceanog.2005.42
