Морской гидрофизический журнал. 2023; 39: 328-341
Особенности и причины пространственной неоднородности потоков механической энергии в Черном море
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-3-328-341Аннотация
Цель. Цель работы состоит в определении причин пространственной неоднородности потоков механической энергии, возникающих при формировании и эволюции крупномасштабных течений в Черном море. Неравномерность распределения потоков энергии по акватории моря была выявлена при анализе осредненных по времени полей энергетических характеристик, полученных методом численного моделирования.
Методы и результаты. С использованием данных экспериментов, проведенных с помощью двухслойной вихреразрешающей модели, рассчитаны составляющие энергетического баланса восточной и западной частей Черного моря. В результате осреднения энергетических характеристик по времени и по площади в пределах выбранных областей построена интегральная схема потоков механической энергии. Для подтверждения гипотезы о влиянии β-эффекта на перераспределение энергетических потоков проведен дополнительный эксперимент с постоянным параметром Кориолиса и рассчитаны балансы энергии методом, аналогичным применяемому в первом эксперименте.
Выводы. Установлено, что в Черном море под влиянием β-эффекта происходит перераспределение потоков энергии по площади бассейна. В восточной половине моря осуществляется накачка течений энергией ветра и идет процесс формирования потенциальной энергии, которая затем вследствие адвекции горизонтальными течениями переносится на запад. В западной части моря перенесенная с востока потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию течений, значительная часть которой диссипирует вследствие придонного трения и горизонтальной турбулентной вязкости. Оставшаяся часть кинетической энергии переносится течением в верхнем слое моря обратно в восточную половину бассейна, где снова участвует в процессе формирования потенциальной энергии.
Список литературы
1. 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. P. 386–393. doi:10.1134/S0001433816040046
2. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the Black Sea energy budget in 2011 // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 899, iss. 2. 022004. doi:10.1088/1742- 6596/899/2/022004
3. Kang D., Curchitser E. N. Energetics of Eddy–Mean Flow Interactions in the Gulf Stream Region // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, iss. 4. P. 1103–1120. doi:10.1175/JPO-D-14-0200.1
4. Травкин В. С., Жмур В. В., Белоненко Т. В. Вклад мезомасштабных вихрей Лофотенской котловины в ее энергетику // Russian Journal of Earth Sciences. 2022. T. 22, № 4. ES4002. doi:10.2205/2022ES000802
5. 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, iss. 9. P. 2827– 2850. doi:10.1175/JPO-D-16-0012.1
6. 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. doi:10.1007/s10236-018-1200-6
7. Демышев С. Г., Дымова О. А. Анализ энергетического цикла Лоренца для различных режимов циркуляции Черного моря // Труды Карельского научного центра РАН. 2022. № 6. С. 26–40. doi:10.17076/lim1621
8. 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
9. Oey L.-Y. Loop Current and Deep Eddies // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 7. P. 1426–1429. doi:10.1175/2007JPO3818.1
10. Mesoscale to Submesoscale Transition in the California Current System. Part II: Frontal Processes / X. Capet [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 1. P. 44–64. doi:10.1175/2007JPO3672.1
11. Пузина О. С., Кубряков А. А., Мизюк А. И. Сезонная и вертикальная изменчивость энергии течений в субмезомасштабном диапазоне на шельфе и в центральной части Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 1. С. 41–56. doi:10.22449/0233- 7584-2021-1-41-56
12. 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
13. Павлушин А. А. Численное моделирование крупномасштабной циркуляции и вихревых структур в Черном море // Труды Государственного океанографического института. 2018. № 219. С. 174–194. EDN UTDXPY
14. Коротенко К. А. Моделирование мезомасштабной циркуляции Черного моря // Океанология. 2015. Т. 55, № 6. С. 909–915. doi:10.7868/S0030157415060076
15. 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
16. 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
17. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 c.
18. 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
19. Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. В 2-х т. М. : Мир, 1984.
20. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. М. : Мир, 1986. Т. 2. 415 с.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2023; 39: 328-341
Features and Reasons for Spatial Heterogeneity of Mechanical Energy Flows in the Black Sea
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-3-328-341Abstract
Purpose. The work is aimed at determining the reasons for the spatial inhomogeneity of mechanical energy flows that arise during formation and evolution of the large-scale currents in the Black Sea. The uneven distribution of energy flows over the sea area was revealed in the analysis of time-averaged fields of the energy characteristics resulted from numerical simulation.
Methods and Results. The data of numerical experiments performed using the two-layer eddy-resolving model permitted to calculate the energy balance components in the eastern and western parts of the Black Sea. Averaging the energy characteristics over time and area within the selected areas made it possible to construct an integrated scheme of mechanical energy flows. To confirm the hypothesis on influence of the β-effect on the redistribution of energy flows, an additional experiment including the constant Coriolis parameter was carried out, and the energy balances were calculated by the method similar to the one applied in the first experiment.
Conclusions. It is revealed that under the impact of the β-effect, the energy flows are redistributed over the Black Sea basin area. In the eastern half of the sea, the currents are pumped with wind energy and there is the process of formation of potential energy, which later, due to advection, is transferred to the west by the currents. In the western part of the sea, the potential energy that had been transported from the eastern half of the basin is converted into the kinetic energy of currents, a significant part of which dissipates due to the bottom friction and the horizontal turbulent viscosity. The rest of the kinetic energy is transported back to the basin eastern part by the current in the sea upper layer, where it again participates in the process of forming the potential energy.
References
1. 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. P. 386–393. doi:10.1134/S0001433816040046
2. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the Black Sea energy budget in 2011 // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 899, iss. 2. 022004. doi:10.1088/1742- 6596/899/2/022004
3. Kang D., Curchitser E. N. Energetics of Eddy–Mean Flow Interactions in the Gulf Stream Region // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, iss. 4. P. 1103–1120. doi:10.1175/JPO-D-14-0200.1
4. Travkin V. S., Zhmur V. V., Belonenko T. V. Vklad mezomasshtabnykh vikhrei Lofotenskoi kotloviny v ee energetiku // Russian Journal of Earth Sciences. 2022. T. 22, № 4. ES4002. doi:10.2205/2022ES000802
5. 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, iss. 9. P. 2827– 2850. doi:10.1175/JPO-D-16-0012.1
6. 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. doi:10.1007/s10236-018-1200-6
7. Demyshev S. G., Dymova O. A. Analiz energeticheskogo tsikla Lorentsa dlya razlichnykh rezhimov tsirkulyatsii Chernogo morya // Trudy Karel'skogo nauchnogo tsentra RAN. 2022. № 6. S. 26–40. doi:10.17076/lim1621
8. 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
9. Oey L.-Y. Loop Current and Deep Eddies // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 7. P. 1426–1429. doi:10.1175/2007JPO3818.1
10. Mesoscale to Submesoscale Transition in the California Current System. Part II: Frontal Processes / X. Capet [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 1. P. 44–64. doi:10.1175/2007JPO3672.1
11. Puzina O. S., Kubryakov A. A., Mizyuk A. I. Sezonnaya i vertikal'naya izmenchivost' energii techenii v submezomasshtabnom diapazone na shel'fe i v tsentral'noi chasti Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2021. T. 37, № 1. S. 41–56. doi:10.22449/0233- 7584-2021-1-41-56
12. 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
13. Pavlushin A. A. Chislennoe modelirovanie krupnomasshtabnoi tsirkulyatsii i vikhrevykh struktur v Chernom more // Trudy Gosudarstvennogo okeanograficheskogo instituta. 2018. № 219. S. 174–194. EDN UTDXPY
14. Korotenko K. A. Modelirovanie mezomasshtabnoi tsirkulyatsii Chernogo morya // Okeanologiya. 2015. T. 55, № 6. S. 909–915. doi:10.7868/S0030157415060076
15. 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
16. 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
17. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol', 2011. 212 c.
18. 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
19. Pedloski Dzh. Geofizicheskaya gidrodinamika. V 2-kh t. M. : Mir, 1984.
20. Gill A. Dinamika atmosfery i okeana. M. : Mir, 1986. T. 2. 415 s.
