Морской гидрофизический журнал. 2019; 35: 307-321
Энергетические характеристики циркуляции вод Мраморного моря в 2008 году
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-4-307-321Аннотация
Цель. Главными задачами данных исследований были проведение анализа энергетики Мраморного моря и определение основных причин формирования особенностей его циркуляции в 2008 г.
Методы и результаты. На основе вихреразрешающей нелинейной гидродинамической модели Морского гидрофизического института (МГИ) проведен численный эксперимент по моделированию циркуляции Мраморного моря и расчету ее энергетических характеристик на примере 2008 г. Разрешение модели по горизонтали составило 1,22 × 0,83 км, по вертикали использовалось 18 горизонтов, шаг по времени – 0,5 мин. Температура, соленость и расход воды через проливы Босфор и Дарданеллы задавались в соответствии с доступными данными измерений. Используемые поля атмосферного воздействия были получены из расчета по региональной атмосферной модели MM5. Проанализированы проинтегрированные по объему и осредненные за год вклады слагаемых в уравнениях бюджета кинетической и потенциальной энергий. Основными факторами изменения кинетической энергии Мраморного моря были работа силы плавучести, ветер, вертикальное и горизонтальное перемешивание. Анализ средних по объему слагаемых в уравнении скорости изменения кинетической энергии показал, что приток энергии от ветра в основном компенсировался трением по вертикали, работа силы плавучести – трением по горизонтали. Изменение потенциальной энергии в среднем за год происходило преимущественно за счет ее горизонтального переноса, обусловленного воздействием течений в предпроливных областях моря, вертикальной диффузии и работы силы плавучести. По результатам анализа энергетических переходов получено, что в верхнем слое моря мезомасштабные вихри могут формироваться непосредственно под влиянием ветра и в результате бароклинной неустойчивости течений. На генерацию субмезомасштабных круговоротов в прибрежных районах влияние оказывали процессы бароклинной неустойчивости. В прибосфорском районе в результате втока менее плотных черноморских вод наблюдалось усиление горизонтальных градиентов в поле плотности и как следствие – интенсификация динамических процессов.
Выводы. Изучение энергетических характеристик циркуляции вод Мраморного моря позволило заключить, что бароклинная неустойчивость и ветер являются одними из основных источников вихреобразования в этом бассейне.
Список литературы
1. The circulation and hydrography of the Marmara Sea / T. S. 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. 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
4. 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
5. Circulation of the Turkish Straits System under interannual atmospheric forcing / A. Aydoğdu [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 5. P. 9999–1019. https://doi.org/10.5194/os-2018-7
6. 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
7. 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.
8. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analyzing intra-annual variations in the energy characteristics of circulation in the Black Sea // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52, iss. 4. P. 386–393. https://doi.org/10.1134/S0001433816040046
9. Modeling of Hydraulically Controlled Exchange Flow in the Bosphorus Strait / T. Oguz [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 20, no. 7. P. 945–965. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1990)020<0945:MOHCEF>2.0.CO;2
10. Запевалов А. C. Сезонная изменчивость вертикальных распределений температуры и солености в Мраморном море // Метеорология и гидрология. 2005. № 2. С. 78−84.
11. Beşiktepe T. S. 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
12. Beşiktepe Ş., Özsoy E., Ünlüata Ü. Filling of the Marmara Sea by the Dardanelles lower layer inflow // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1993. Vol. 40, iss. 9. P. 1815−1838. https://doi.org/10.1016/0967-0637(93)90034-Z
13. Pacanowski R. C., Philander S. G. H. Parameterization of Vertical Mixing in Numerical Models of Tropical Oceans // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, no. 11. P. 1443–1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011<1443:POVMIN>2.0.CO;2
14. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 509 с.
15. Thomas L. N., Tandon A., Mahadevan A. Submesoscale Processes and Dynamics // Ocean Modeling in an Eddying Regime / Eds. M. W. Hecht, H. Hasumi. Washington, DC : American Geophysical Union, 2008. P. 17−38. (Geophysical Monograph Series, vol. 177). doi:10.1029/177GM04
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2019; 35: 307-321
Energy Characteristics of the Marmara Sea Water Circulation in 2008
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-4-307-321Abstract
Purpose. The main objectives of the study consisted in analyzing the Marmara Sea energy and in identifying the basic reasons for formation of its circulation features in 2008.
Methods and Results. The numerical experiment on modeling the Marmara Sea circulation and evaluating its energy characteristics on the example of 2008 was carried out based on the eddy-resolving nonlinear hydrodynamic model of Marine Hydrophysical Institute, RAS. The horizontal resolution of the model was 1.22 × 0.83 km, 18 horizons were used over vertical and the time step was 0.5 min. Temperature, salinity and water discharge through the Bosporus and the Dardanelles were preset according to the available measurement data. The applied fields of atmospheric forcing were obtained from the calculation by the regional atmospheric model MM5. The volume-integrated and yearaveraged contributions of the terms in the equations of the kinetic and potential energy budgets were analyzed. The basic factors of change in the Marmara Sea kinetic energy consisted in the buoyancy force action, wind, and vertical and horizontal mixing. Having been analyzed, the volume-average summands in the equation of rate of the kinetic energy change have shown that the wind-induced energy influx was compensated mainly by vertical friction, and the buoyancy force action – by horizontal friction. On the average, in course of a year the potential energy changed mainly due to its horizontal transport conditioned by the effect of the currents located in front of the straits, vertical diffusion and the buoyancy force impact. The results of analysis of the energy transitions permitted to reveal that in the upper sea layer, the mesoscale vortices were formed directly under the wind influence and as a result of the currents’ baroclinic instability. Generation of the sub-mesoscale vortices in the coastal regions was affected predominantly by the processes of baroclinic instability. In the region near the Bosporus, increase of the horizontal gradients in the density field and, consequently, intensification of dynamic processes are the results of inflow of the Black Sea waters with lower density.
Conclusions. Study of the energy characteristics of the Marmara Sea water circulation permitted to conclude that baroclinic instability and wind are two of the basic sources of eddy formation in this basin.
References
1. The circulation and hydrography of the Marmara Sea / T. S. 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. 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
4. 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
5. Circulation of the Turkish Straits System under interannual atmospheric forcing / A. Aydoğdu [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 5. P. 9999–1019. https://doi.org/10.5194/os-2018-7
6. 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
7. 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.
8. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analyzing intra-annual variations in the energy characteristics of circulation in the Black Sea // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52, iss. 4. P. 386–393. https://doi.org/10.1134/S0001433816040046
9. Modeling of Hydraulically Controlled Exchange Flow in the Bosphorus Strait / T. Oguz [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 20, no. 7. P. 945–965. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1990)020<0945:MOHCEF>2.0.CO;2
10. Zapevalov A. C. Sezonnaya izmenchivost' vertikal'nykh raspredelenii temperatury i solenosti v Mramornom more // Meteorologiya i gidrologiya. 2005. № 2. S. 78−84.
11. Beşiktepe T. S. 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
12. Beşiktepe Ş., Özsoy E., Ünlüata Ü. Filling of the Marmara Sea by the Dardanelles lower layer inflow // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1993. Vol. 40, iss. 9. P. 1815−1838. https://doi.org/10.1016/0967-0637(93)90034-Z
13. Pacanowski R. C., Philander S. G. H. Parameterization of Vertical Mixing in Numerical Models of Tropical Oceans // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, no. 11. P. 1443–1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011<1443:POVMIN>2.0.CO;2
14. Kamenkovich V. M., Koshlyakov M. N., Monin A. S. Sinopticheskie vikhri v okeane. L. : Gidrometeoizdat, 1987. 509 s.
15. Thomas L. N., Tandon A., Mahadevan A. Submesoscale Processes and Dynamics // Ocean Modeling in an Eddying Regime / Eds. M. W. Hecht, H. Hasumi. Washington, DC : American Geophysical Union, 2008. P. 17−38. (Geophysical Monograph Series, vol. 177). doi:10.1029/177GM04
