Морской гидрофизический журнал. 2023; 39: 384-398
Особенности изменчивости плотности доступной потенциальной энергии и работы силы плавучести в верхнем 300-метровом слое Черного моря по результатам численного моделирования
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-3-384-398Аннотация
Цель. Основная цель исследования – выявление возможных физических механизмов изменчивости плотности доступной потенциальной энергии и потоков плавучести в верхнем деятельном слое Черного моря.
Методы и результаты. Исследование пространственного распределения плотности доступной потенциальной энергии и потоков плавучести проводилось на основе анализа термохалинных характеристик циркуляции Черного моря в 2011 и 2016 гг., полученных в результате численных экспериментов. Расчеты выполнены с помощью модели динамики Черного моря, разработанной в Морском гидрофизическом институте. В модели использовались батиметрия EMODNet и данные системы SKIRON о скорости ветра, потоках тепла, осадков, испарения и температуры поверхности моря. В результате численных экспериментов получены ежесуточные поля скорости течений, температуры и солености, по которым вычислялись плотность доступной потенциальной энергии и работа силы плавучести. Показано, что пространственно-временна́я изменчивость плотности доступной потенциальной энергии в Черном море формируется различными механизмами для верхнего 30-метрового слоя и слоя основного галоклина. Выявлена сезонная изменчивость работы силы плавучести.
Выводы. В верхнем слое изменчивость плотности доступной потенциальной энергии связана прежде всего с распространением распресненных речных вод, тогда как в слое основного галоклина (75–150 м) структура поля определяется мезомасштабной динамикой. В первом случае повышенные значения плотности доступной потенциальной энергии в течение года наблюдаются в районе северо-западного шельфа и на периферии бассейна; в центральной части моря распределение плотности доступной потенциальной энергии определяется атмосферными условиями. В слое ниже горизонта 75 м максимальные значения плотности доступной потенциальной энергии соответствуют антициклоническим круговоротам. Вследствие интенсивного перемешивания вод верхнего деятельного слоя в холодный период года работа силы плавучести определяется вертикальной скоростью. В весенне-летний период наблюдается двухслойная структура поля, определяемая знаком аномалий плотности. Толщина верхнего слоя составляет 20–30 м и соответствует глубине сезонного термоклина. В основном галоклине наибольшие абсолютные значения работы силы плавучести наблюдаются в зонах интенсивных мезомасштабных антициклонов.
Список литературы
1. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.
2. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. В 2 т. Пер. с англ. М. : Мир, 1986. Т. 2. 415 с.
3. Holland W. R. Energetics of baroclinic oceans // Numerical models of ocean circulation : proceedings of a symposium held at Durham, New Hampshire, October 17-20, 1972. Washington : National Academy Press, 1975. P. 168–177.
4. The global mesoscale eddy available potential energy field in models and observations // C. Luecke [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 11. P. 9126– 9143. https://doi.org/10.1002/2017JC013136
5. Li Q., Zhou L., Xie L. Seasonal and interannual variability of EAPE inthe South China Sea derived from ECCO2 data from 1997 to 2019 // Water. 2021. Vol. 13, iss. 7. 926. https://doi.org/10.3390/w13070926
6. Травкин В. С., Белоненко Т. В. Исследование вихревой изменчивости в Лофотенской котловине на основе анализа доступной потенциальной и кинетической энергии // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 3. С. 318–332. doi:10.22449/0233-7584-2021-3- 318-332
7. Available potential energy and mixing in density-stratified fluids / K. B. Winters [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 1995. Vol. 289. P. 115–128. https://doi.org/10.1017/S002211209500125X
8. Tailleux R. Irreversible compressible work and available potential energy dissipation in turbu- lent stratified fluid // Physica Scripta. 2013. Vol. 2013, no. T155. 014033. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2013/T155/014033
9. Bishop S. P., Small R. J., Bryan F. O. The global sink of available potential energy by mesoscale air-sea interaction // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2020. Vol. 12, iss. 10. e2020MS002118. https://doi.org/10.1029/2020MS002118
10. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. IV. Черное море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Под ред. А. И. Симонова, Э. Н. Альтмана. СПб. : Гидрометеоиздат, 1991. 428 с.
11. Суворов А. М., Шокурова И. Г. Годовая и междесятилетняя изменчивость доступной потенциальной энергии в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2004. № 2. С. 29–41.
12. Stanev E. V. On the mechanisms of the Black Sea circulation // Earth-Science Reviews. 1990. Vol. 28, iss. 4. P. 285–319. https://doi.org/10.1016/0012-8252(90)90052-W
13. 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. EDN PGCNXF.
14. 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. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-201-219
15. Демышев С. Г., Дымова О. А. Численный анализ мезомасштабных особенностей циркуляции в прибрежной зоне Черного моря // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 6. С. 655–663. EDN RFWNFH. https://doi.org/10.7868/S0002351513060035
16. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the Black Sea currents and mesoscale eddies in 2006 and 2011 // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68, iss. 10. P. 1335–1352. https://doi.org/10.1007/s10236-018-1200-6
17. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analysis of the annual mean energy cycle of the Black Sea circulation for the climatic, basin‑scale and eddy regimes // Ocean Dynamics. 2022. Vol. 72, iss. 3–4. P. 259–278. https://doi.org/10.1007/s10236-022-01504-0
18. Demyshev S., Dymova O., Miklashevskaya N. Seasonal variability of the dynamics and energy transport in the Black Sea by simulation data // Water. 2022. Vol. 14, iss. 3. 338. https://doi.org/10.3390/w14030338
19. Stanev E. V., Staneva J. V. The impact of the baroclinic eddies and basin oscillations on the transitions between different quasi-stable states of the Black Sea circulation // Journal of Marine Systems. 2000. Vol. 24, iss. 1–2. P. 3–26. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(99)00076-7
20. Демышев С. Г. Численная модель оперативного прогноза течений в Черном море // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 1. С. 137–149. EDN OOWHLL
21. The regional weather forecasting system SKIRON: an overview / G. Kallos [et al.] // Proceedings of the International Symposium on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments (Athens, Greece, 15–17 October 1997). Athens, 1997. Р. 109–122.
22. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 c.
23. Мамаев О. И. T, S-анализ вод Мирового океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1970. 364 с.
24. New estimates of the available potential energy in the world ocean / A. H. Oort [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C3. P. 3187–3200. https://doi.org/10.1029/JC094iC03p03187
25. Thermohaline structure, transport and evolution of the Black Sea eddies from hydrological and satellite data / A. A. Kubryakov [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 44–63. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2018.07.007
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2023; 39: 384-398
Variability of Available Potential Energy Density and Buoyancy Work in the Upper 300-m Layer of the Black Sea Based on the Simulation Results
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-3-384-398Abstract
Purpose. The study is aimed at identifying possible physical mechanisms for the variability of available potential energy density and buoyancy fluxes in the upper active layer of the Black Sea.
Methods and Results. Spatial distribution of the available potential energy density and buoyancy fluxes was studied based on analyzing the thermohaline characteristics of the Black Sea circulation in 2011 and 2016 resulted from the numerical experiments performed using the Black Sea dynamics model developed in the Marine Hydrophysical Institute. The model included the EMODNet bathymetry and the SKIRON system data on wind velocity, heat fluxes, precipitation, evaporation, and sea surface tem- perature. The numerical experiments provided the daily fields of current velocities, temperature and salinity based on which the density of available potential energy and the buoyancy work were calcu- lated. It is shown that the spatial-temporal variability of the available potential energy density in the Black Sea was formed by the mechanisms different for the upper 30-m layer and for the main halocline layer. The buoyancy work was revealed to be of seasonal variability.
Conclusions. In the upper layer, the variability of available potential energy density is related primarily to the propagation of freshened river waters, whereas in the main halocline layer (75–150 m), the field structure is conditioned by mesoscale dynamics. In the first case, the increased values of the available potential energy density are observed during a year on the northwestern shelf and on the basin periph- ery; in the central part of the sea, the distribution of available potential energy density is determined by the atmospheric conditions. In the layer below 75 m, the maximum values of the available potential energy density correspond to the anticyclonic eddies. In consequence of the intensive water mixing in the upper active layer during the cold period of a year, the buoyancy work is conditioned by vertical velocity. In a spring-summer period, a two-layer structure of the field is observed which is governed by the sign of density anomalies. The upper layer thickness constitutes 20–30 m and corresponds to the depth of seasonal thermocline. In the main halocline, the highest absolute values of the buoyancy work are observed in the zones of intense mesoscale anticyclones.
References
1. Kamenkovich V. M., Koshlyakov M. N., Monin A. S. Sinopticheskie vikhri v okeane. L. : Gidrometeoizdat, 1982. 264 s.
2. Gill A. Dinamika atmosfery i okeana. V 2 t. Per. s angl. M. : Mir, 1986. T. 2. 415 s.
3. Holland W. R. Energetics of baroclinic oceans // Numerical models of ocean circulation : proceedings of a symposium held at Durham, New Hampshire, October 17-20, 1972. Washington : National Academy Press, 1975. P. 168–177.
4. The global mesoscale eddy available potential energy field in models and observations // C. Luecke [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 11. P. 9126– 9143. https://doi.org/10.1002/2017JC013136
5. Li Q., Zhou L., Xie L. Seasonal and interannual variability of EAPE inthe South China Sea derived from ECCO2 data from 1997 to 2019 // Water. 2021. Vol. 13, iss. 7. 926. https://doi.org/10.3390/w13070926
6. Travkin V. S., Belonenko T. V. Issledovanie vikhrevoi izmenchivosti v Lofotenskoi kotlovine na osnove analiza dostupnoi potentsial'noi i kineticheskoi energii // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2021. T. 37, № 3. S. 318–332. doi:10.22449/0233-7584-2021-3- 318-332
7. Available potential energy and mixing in density-stratified fluids / K. B. Winters [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 1995. Vol. 289. P. 115–128. https://doi.org/10.1017/S002211209500125X
8. Tailleux R. Irreversible compressible work and available potential energy dissipation in turbu- lent stratified fluid // Physica Scripta. 2013. Vol. 2013, no. T155. 014033. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2013/T155/014033
9. Bishop S. P., Small R. J., Bryan F. O. The global sink of available potential energy by mesoscale air-sea interaction // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2020. Vol. 12, iss. 10. e2020MS002118. https://doi.org/10.1029/2020MS002118
10. Gidrometeorologiya i gidrokhimiya morei SSSR. T. IV. Chernoe more. Vyp. 1. Gidrometeorologicheskie usloviya / Pod red. A. I. Simonova, E. N. Al'tmana. SPb. : Gidrometeoizdat, 1991. 428 s.
11. Suvorov A. M., Shokurova I. G. Godovaya i mezhdesyatiletnyaya izmenchivost' dostupnoi potentsial'noi energii v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2004. № 2. S. 29–41.
12. Stanev E. V. On the mechanisms of the Black Sea circulation // Earth-Science Reviews. 1990. Vol. 28, iss. 4. P. 285–319. https://doi.org/10.1016/0012-8252(90)90052-W
13. 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. EDN PGCNXF.
14. 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. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-201-219
15. Demyshev S. G., Dymova O. A. Chislennyi analiz mezomasshtabnykh osobennostei tsirkulyatsii v pribrezhnoi zone Chernogo morya // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2013. T. 49, № 6. S. 655–663. EDN RFWNFH. https://doi.org/10.7868/S0002351513060035
16. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the Black Sea currents and mesoscale eddies in 2006 and 2011 // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68, iss. 10. P. 1335–1352. https://doi.org/10.1007/s10236-018-1200-6
17. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analysis of the annual mean energy cycle of the Black Sea circulation for the climatic, basin‑scale and eddy regimes // Ocean Dynamics. 2022. Vol. 72, iss. 3–4. P. 259–278. https://doi.org/10.1007/s10236-022-01504-0
18. Demyshev S., Dymova O., Miklashevskaya N. Seasonal variability of the dynamics and energy transport in the Black Sea by simulation data // Water. 2022. Vol. 14, iss. 3. 338. https://doi.org/10.3390/w14030338
19. Stanev E. V., Staneva J. V. The impact of the baroclinic eddies and basin oscillations on the transitions between different quasi-stable states of the Black Sea circulation // Journal of Marine Systems. 2000. Vol. 24, iss. 1–2. P. 3–26. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(99)00076-7
20. Demyshev S. G. Chislennaya model' operativnogo prognoza techenii v Chernom more // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2012. T. 48, № 1. S. 137–149. EDN OOWHLL
21. The regional weather forecasting system SKIRON: an overview / G. Kallos [et al.] // Proceedings of the International Symposium on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments (Athens, Greece, 15–17 October 1997). Athens, 1997. R. 109–122.
22. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol', 2011. 212 c.
23. Mamaev O. I. T, S-analiz vod Mirovogo okeana. L. : Gidrometeoizdat, 1970. 364 s.
24. New estimates of the available potential energy in the world ocean / A. H. Oort [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C3. P. 3187–3200. https://doi.org/10.1029/JC094iC03p03187
25. Thermohaline structure, transport and evolution of the Black Sea eddies from hydrological and satellite data / A. A. Kubryakov [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 44–63. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2018.07.007
