Морской гидрофизический журнал. 2022; 38: 605-519
Автоколебания интенсивности крупномасштабной циркуляции в Черном море
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-6-605-619Аннотация
Цель. Цель настоящей работы – с помощью численного моделирования провести исследование влияния сезонной изменчивости завихренности касательного напряжения ветра на особенности формирования и интенсивность крупномасштабной циркуляции в Черном море.
Методы и результаты. Численные эксперименты в рамках двухслойной вихреразрешающей модели Черного моря проводились при воздействии на морскую поверхность периодического сезонно меняющегося поля касательного напряжения ветра, среднегодовая интенсивность которого в течение одного отдельно взятого эксперимента была постоянной, но отличалась в различных экспериментах. Расчеты велись на длительный период времени, достаточный для того, чтобы решение задачи можно было считать статистически равновесным. Интенсивность крупномасштабной циркуляции определялась по интегральным значениям энергетических характеристик модели – кинетической и доступной потенциальной энергий течений. В результате расчетов получены многолетние ряды мгновенных полей течений в двухслойном море при различной интенсивности ветрового воздействия, которые подвергались дальнейшему анализу.
Выводы. Установлено, что при определенных параметрах ветрового воздействия в Черном море могут возникать колебания интенсивности крупномасштабной циркуляции с периодом 6–8 лет, причиной которых не является межгодовая изменчивость среднегодовой величины завихренности касательного напряжения ветра. Учитывая тот факт, что возбуждающее ветровое воздействие в проведенных экспериментах имело только сезонную изменчивость и повторялось от года к году, полученные в модели многолетние колебания интенсивности крупномасштабных течений можно классифицировать как автоколебания – незатухающие колебания, поддерживаемые внешним источником энергии, поступление которой регулируется самой колебательной системой. Необходимый для существования автоколебаний механизм обратной связи в рассматриваемом случае обеспечивается зависимостью потока поступающей в море ветровой энергии от пространственного распределения поверхностных течений, которое может изменяться вследствие гидродинамической неустойчивости течений и генерации волн Россби.
Список литературы
1. Коротаев Г. К. О причине сезонного хода циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2001. № 6. С. 14–20. EDN YVONDN.
2. Stanev E. V. Understanding Black Sea Dynamics: Overview of Recent Numerical Modeling // Oceanography. 2005. Vol. 18, iss. 2. P. 56–75. doi:10.5670/oceanog.2005.42
3. Полонский А. Б. , Шокурова И. Г. Изменения сезонного хода геострофической циркуляции в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 1. С. 16–31. EDN RPJKSS.
4. Сезонная и межгодовая изменчивость гидрофизических полей Черного моря, восстановленных на основе реанализа за период 1971 –1993 гг. / В. В. Кныш [и др.] // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47, № 3. С. 433 –446.EDN NWCJDF.
5. Реанализ сезонной и межгодовой изменчивости полей Черного моря за 1993–2012 гг. / Г. К. Коротаев [и др.] // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52, № 4. С. 475–487. doi:10.7868/S0002351516040076
6. Бассейновая циркуляция и мезомасштабная динамика Черного моря под ветровым воздействием / А. Г. Зацепин [и др.] // Современные проблемы динамики океана и атмосферы : сборник статей, посвященный 100-летию со дня рождения П. С. Линейкина. Москва : Триада ЛТД, 2010. С. 347–368. EDN TVXEMZ.
7. Полонский А. Б., Шокурова И. Г. Многолетняя изменчивость завихренности касательного напряжения трения ветра над Черным морем по данным реанализа // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2011. № 24. С. 182–189. EDN WDNWEP.
8. Шокуров М. В., Шокурова И. Г. Завихренность напряжения трения ветра на поверхности Черного моря при различных ветровых режимах // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. С. 13–26. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-13-26
9. Павлушин А. А. Численное моделирование крупномасштабной циркуляции и вихревых структур в Черном море // Труды Государственного океанографического института. 2018. № 219. С. 174–194. EDN UTDXPY.
10. Павлушин А. А., Шапиро Н. Б., Михайлова Э. Н. Влияние сезонной изменчивости завихренности ветра на структуру циркуляции в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 5. С. 373–388. doi:10.22449/0233-7584-2018-5-373-388
11. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : МГИ НАН Украины, 2011. 212 c. EDN XPERZR.
12. Ефимов В. В., Анисимов А. Е. Климатические характеристики изменчивости поля ветра в Черноморском регионе – численный реанализ региональной атмосферной циркуляции // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47, № 3. С. 380–392. EDN NWCJAN.
13. 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
14. Ferrari R., Wunsch C. Ocean Circulation Kinetic Energy: Reservoirs, Sources, and Sinks //Annual Review of Fluid Mechanics. 2009. Vol. 41. P. 253–282. doi:10.1146/annurev.fluid.40.111406.102139
15. Modulation of Wind Work by Oceanic Current Interaction with the Atmosphere / L. Renault [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 6. P. 1685–1704. doi:10.1175/JPO-D-15-0232.1
16. Павлушин А. А., Шапиро Н. Б., Михайлова Э. Н. Энергетические переходы в двухслойной вихреразрешающей модели Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 3. С. 201 –219. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-201 -219
17. Numerical Models of Oceans and Oceanic Processes / Eds. L. H. Kantha, C. A. Clayson. Elsevier Inc., 2000. P. 1 –940. (International Geophysics Book series; vol. 66). doi:10.1016/s0074-6142(00)x8001 -1
18. Белоненко Т. В. , Колдунов В. В., Фукс В. Р. О cтояче-поступательных волнах Россби в море и океане // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География. 2012. № 2. С. 91 –103. EDN OZGGKX.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2022; 38: 605-519
Self-Oscillations of Large-Scale Circulation Intensity in the Black Sea
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-6-605-619Abstract
Purpose. The work is aimed at investigating the influence of seasonal variability of tangential wind stress vorticity on the features of formation and intensity of the large-scale circulation in the Black Sea using the numerical simulation method.
Methods and Results. Numerical experiments within the framework of the two-layer eddy-resolving model of the Black Sea were carried with the sea surface subjected to a periodical seasonally changing field of tangential wind stress, the average annual intensity of which was constant during one individual experiment, but was various in different experiments. Numerical integration over time was performed for a long time period, which was sufficient for the model solution to be considered statistically equilibrium. The large-scale circulation intensity was determined from the integral values of the model energy characteristics, namely the kinetic and available potential energies. The calculations have resulted in the long-term series of instantaneous current fields in the two-layer sea at different wind forcing intensity, which were subjected to further analysis.
Conclusions. It has been established that in the Black Sea at certain parameters of wind forcing, the fluctuations can be induced in the large-scale circulation intensity with a period 6–8 years; at that the interannual variability of the average annual value of the tangential wind stress vorticity is not a reason of this phenomena. Taking into account the fact that the exciting wind forcing in the performed experiments was only of seasonal variability and repeated from year to year, the model-obtained long-term fluctuations in the large-scale currents intensity could be classified as the self-oscillations. The latter are the non-damped oscillations supported by an external energy source, the supply of which is regulated by the oscillatory system itself. In the case under consideration, the feedback mechanism required for the existence of self-oscillations, is provided by the dependence of the wind energy flow entering the sea upon the spatial distribution of surface currents, which can change in consequence of hydrodynamic instability of the currents and generation of the Rossby waves.
References
1. Korotaev G. K. O prichine sezonnogo khoda tsirkulyatsii Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2001. № 6. S. 14–20. EDN YVONDN.
2. Stanev E. V. Understanding Black Sea Dynamics: Overview of Recent Numerical Modeling // Oceanography. 2005. Vol. 18, iss. 2. P. 56–75. doi:10.5670/oceanog.2005.42
3. Polonskii A. B. , Shokurova I. G. Izmeneniya sezonnogo khoda geostroficheskoi tsirkulyatsii v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2010. № 1. S. 16–31. EDN RPJKSS.
4. Sezonnaya i mezhgodovaya izmenchivost' gidrofizicheskikh polei Chernogo morya, vosstanovlennykh na osnove reanaliza za period 1971 –1993 gg. / V. V. Knysh [i dr.] // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2011. T. 47, № 3. S. 433 –446.EDN NWCJDF.
5. Reanaliz sezonnoi i mezhgodovoi izmenchivosti polei Chernogo morya za 1993–2012 gg. / G. K. Korotaev [i dr.] // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2016. T. 52, № 4. S. 475–487. doi:10.7868/S0002351516040076
6. Basseinovaya tsirkulyatsiya i mezomasshtabnaya dinamika Chernogo morya pod vetrovym vozdeistviem / A. G. Zatsepin [i dr.] // Sovremennye problemy dinamiki okeana i atmosfery : sbornik statei, posvyashchennyi 100-letiyu so dnya rozhdeniya P. S. Lineikina. Moskva : Triada LTD, 2010. S. 347–368. EDN TVXEMZ.
7. Polonskii A. B., Shokurova I. G. Mnogoletnyaya izmenchivost' zavikhrennosti kasatel'nogo napryazheniya treniya vetra nad Chernym morem po dannym reanaliza // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. 2011. № 24. S. 182–189. EDN WDNWEP.
8. Shokurov M. V., Shokurova I. G. Zavikhrennost' napryazheniya treniya vetra na poverkhnosti Chernogo morya pri razlichnykh vetrovykh rezhimakh // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 6. S. 13–26. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-13-26
9. Pavlushin A. A. Chislennoe modelirovanie krupnomasshtabnoi tsirkulyatsii i vikhrevykh struktur v Chernom more // Trudy Gosudarstvennogo okeanograficheskogo instituta. 2018. № 219. S. 174–194. EDN UTDXPY.
10. Pavlushin A. A., Shapiro N. B., Mikhailova E. N. Vliyanie sezonnoi izmenchivosti zavikhrennosti vetra na strukturu tsirkulyatsii v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 5. S. 373–388. doi:10.22449/0233-7584-2018-5-373-388
11. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol' : MGI NAN Ukrainy, 2011. 212 c. EDN XPERZR.
12. Efimov V. V., Anisimov A. E. Klimaticheskie kharakteristiki izmenchivosti polya vetra v Chernomorskom regione – chislennyi reanaliz regional'noi atmosfernoi tsirkulyatsii // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2011. T. 47, № 3. S. 380–392. EDN NWCJAN.
13. 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
14. Ferrari R., Wunsch C. Ocean Circulation Kinetic Energy: Reservoirs, Sources, and Sinks //Annual Review of Fluid Mechanics. 2009. Vol. 41. P. 253–282. doi:10.1146/annurev.fluid.40.111406.102139
15. Modulation of Wind Work by Oceanic Current Interaction with the Atmosphere / L. Renault [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 6. P. 1685–1704. doi:10.1175/JPO-D-15-0232.1
16. Pavlushin A. A., Shapiro N. B., Mikhailova E. N. Energeticheskie perekhody v dvukhsloinoi vikhrerazreshayushchei modeli Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 3. S. 201 –219. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-201 -219
17. Numerical Models of Oceans and Oceanic Processes / Eds. L. H. Kantha, C. A. Clayson. Elsevier Inc., 2000. P. 1 –940. (International Geophysics Book series; vol. 66). doi:10.1016/s0074-6142(00)x8001 -1
18. Belonenko T. V. , Koldunov V. V., Fuks V. R. O ctoyache-postupatel'nykh volnakh Rossbi v more i okeane // Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Seriya 7. Geologiya. Geografiya. 2012. № 2. S. 91 –103. EDN OZGGKX.
