Морской гидрофизический журнал. 2023; 39: 893-908
Механизмы изменчивости циркуляции Черного и Мраморного морей на основе численного анализа энергетики
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2023-6-893-908Аннотация
Цель. Проанализированы физические механизмы формирования структуры циркуляции в Черном и Мраморном морях на основе численных экспериментов с использованием климатических краевых условий.
Методы и результаты. Для исследования причин формирования особенностей циркуляции использовался энергетический подход, который позволил рассчитать работу сил, действующих на морскую среду. Расположение в одном географическом регионе обусловливает сходство атмосферных условий для Черного и Мраморного морей, а четко выраженная двухслойная стратификация вод в обоих бассейнах связана со значительным перепадом солености между черноморскими и средиземноморскими водами. Для анализа механизмов изменчивости циркуляции рассмотрены средние и вихревые поля, сформированные под воздействием климатического атмосферного форсинга и рассчитанные по численной модели динамики моря. Количественные оценки влияния ветра, термохалинных потоков на поверхности морей, работы силы плавучести, трения, диффузии выполнены на основе расчета компонентов энергетического цикла Лоренца. Обнаружены общие черты в механизмах мезомасштабной изменчивости и различия в механизмах изменчивости крупномасштабной циркуляции.
Выводы. Основным источником энергии средней циркуляции Черного моря является работа силы ветра, для Мраморного моря доминирующий фактор – работа силы плавучести. Изменчивость вихревой кинетической энергии, характеризующей мезомасштабную динамику, для обоих бассейнов определяется бароклинной неустойчивостью. При этом в Черном море около четверти доступной потенциальной энергии трансформируется в вихревую кинетическую энергию, а в Мраморном – примерно половина.
Список литературы
1. Stanev E. V., Grashorn S., Zhang Y. J. Cascading ocean basins: numerical simulations of the circulation and interbasin exchange in the Azov-Black-Marmara-Mediterranean Seas system // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 8. P. 1003–1025. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1071-2
2. Долгопериодная изменчивость термохалинных характеристик Азовского моря на основе численной вихреразрешающей модели / А. И. Мизюк [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 5. С. 496–510. EDN XHZXAR. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-5-496-510
3. Система морских ретроспективных расчетов и прогнозов гидрометеорологических характеристик Азовского моря и Керченского пролива / Н. А. Дианский [и др.] // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Геоинформационные технологии и космический мониторинг. 2020. Т. 2, № 5. С. 131–140. EDN GBWEBF. https://doi.org/10.23885/2500-123X-2020-2-5-131-140
4. Modeling of the Turkish Strait System Using a High Resolution Unstructured Grid Ocean Circulation Model / M. Ilicak [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9, iss. 7. 769. https://doi.org/10.3390/jmse9070769
5. Cessi P., Pinardi N., Lyubartsev V. Energetics of Semienclosed Basins with Two-Layer Flows at the Strait // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 3. P. 967–979. https://doi.org/10.1175/JPO-D-13-0129.1
6. 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
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. EDN PGCNXF.
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. EDN JMCPHB. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-201-219
9. 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. EDN COEHRO. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-41-56
10. Circulation of the Turkish Straits System between 2008-2013 under complete atmospheric forcings / A. Aydogdu [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 5. P. 999–1019. https://doi.org/10.5194/os-14-999-2018
11. Демышев С. Г., Довгая С. В. Анализ сезонных энергетических характеристик динамики верхнего слоя вод Мраморного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 5. С. 509–524. EDN MBKNOV. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-509-524
12. 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.
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, iss. 11. P. 1443−1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011<1443:POVMIN>2.0.CO;2
14. Оценки параметров краевых внутренних волн в Черном море / В. М. Грузинов [и др.] // Труды Государственного океанографического института. 2018. Вып. 219. С. 205–226. EDN XSEMDZ.
15. Ефимов В. В., Тимофеев Н. А. Теплобалансовые исследования Черного и Азовского морей. Обнинск : ВНИИГМИ-МЦД, 1990. 236 с.
16. Staneva J. V., Stanev E. V. Oceanic response to atmospheric forcing derived from different climatic data sets. Intercomparison study for the Black Sea // Oceanologica Acta. 1998. Vol. 21, iss. 3. P. 393–417. https://doi.org/10.1016/S0399-1784(98)80026-1
17. Дорофеев В. Л., Коротаев Г. К. Ассимиляция данных спутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2004. № 1. С. 52–68. EDN YXQYNN.
18. 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.
19. Демышев С. Г., Иванов В. А., Маркова Н. В. Анализ климатических полей Черного моря ниже основного пикноклина, полученных на основе усвоения архивных данных по температуре и солености в численной гидродинамической модели // Морской гидрофизический журнал. 2009. № 1. С. 3–15. EDN VOAIVZ.
20. The circulation and hydrography of the Marmara Sea / S. T. Besiktepe [et al.] // Progress in Oceanography. 1994. Vol. 34, iss. 4. P. 285–334. https://doi.org/10.1016/0079-6611(94)90018-3
21. Запевалов А. C. Сезонная изменчивость вертикальных распределений температуры и солености в Мраморном море // Метеорология и гидрология. 2005. № 2. С. 78−84. EDN KUHKQB.
22. Lorenz E. N. Available potential energy and the maintenance of the general circulation // Tellus. 1955. Vol. 7, iss. 2. P. 157–167. https://doi.org/10.3402/tellusa.v7i2.8796
23. Пузина О. С., Мизюк А. И. Исследование влияния придонного трения на крупномасштабную циркуляцию Черного моря на основе численного моделирования // Комплексные исследования Мирового океана : Материалы IV Всероссийской научной конференции молодых ученых. Севастополь : ФГБУН МГИ, 2019. С. 145–146. EDN YKWNFQ.
24. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 c.
25. Oguz T., Malanotte-Rizzoli P., Aubrey D. Wind and thermohaline circulation of the Black Sea driven by yearly mean climatological forcing // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C4. P. 6845–6863. https://doi.org/10.1029/95JC00022
26. Effect of bottom slope and wind on the near-shore current in a rotating stratified fluid: laboratory modeling for the Black Sea / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2005. Vol. 45, suppl. 1. P. S13– S26. EDN LJLSWD.
27. Long-term variations of the Black Sea dynamics and their impact on the marine ecosystem / A. A. Kubryakov [et al.] // Journal of Marine Systems. 2016. Vol. 163. P. 80–94. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2016.06.006
28. Sannino G., Sözer A., Özsoy E. A high-resolution modelling study of the Turkish Straits System // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 3–4. P. 397–432. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1039-2
29. Alpar D., Yuce H. Sea-level variations and their interactions between the Black Sea and the Aegean Sea // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1998. Vol. 46, iss. 5. P. 609–619. https://doi.org/10.1006/ecss.1997.0285
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2023; 39: 893-908
Mechanisms of Variability of the Black and Marmara Seas Circulation Based on Numerical Energy Analysis
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2023-6-893-908Abstract
Purpose. The study is purposed at analyzing the physical mechanisms of formation of the Black and Marmara seas circulation structures based on the numerical experiments with climatic boundary conditions.
Methods and Results. To investigate the reasons for formation of the circulation features, the energetic approach was applied that permitted to calculate the work of the forces affecting the marine environment. Location in the same geographical region determines similarity of the atmospheric conditions for the Black and Marmara seas, and the clearly pronounced two-layer water stratification in both basins is related to a significant difference in salinity of the Black Sea and Mediterranean waters. To analyze the mechanisms of circulation variability, the mean and eddy fields formed under the impact of climatic atmospheric forcing and calculated using a numerical model of sea dynamics were considered. Wind influence, thermohaline fluxes on the sea surface, buoyancy work, friction, and diffusion were quantitatively assessed based on calculation of the Lorenz energy cycle components. The common features were found in the mechanisms of mesoscale variability, and the differences – in the mechanisms of large-scale circulation variability.
Conclusions. It is shown that the main source of energy for the Black Sea mean circulation is the wind stress work, and as for the Marmara Sea, the dominant factor is the buoyancy work. For both basins, variability of the eddy kinetic energy characterizing the mesoscale dynamics is conditioned by baroclinic instability. At that, about a quarter of the available potential energy in the Black Sea, and about a half of it in the Marmara Sea is transformed into the eddy kinetic energy.
References
1. Stanev E. V., Grashorn S., Zhang Y. J. Cascading ocean basins: numerical simulations of the circulation and interbasin exchange in the Azov-Black-Marmara-Mediterranean Seas system // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 8. P. 1003–1025. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1071-2
2. Dolgoperiodnaya izmenchivost' termokhalinnykh kharakteristik Azovskogo morya na osnove chislennoi vikhrerazreshayushchei modeli / A. I. Mizyuk [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 5. S. 496–510. EDN XHZXAR. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-5-496-510
3. Sistema morskikh retrospektivnykh raschetov i prognozov gidrometeorologicheskikh kharakteristik Azovskogo morya i Kerchenskogo proliva / N. A. Dianskii [i dr.] // Ekologiya. Ekonomika. Informatika. Seriya: Geoinformatsionnye tekhnologii i kosmicheskii monitoring. 2020. T. 2, № 5. S. 131–140. EDN GBWEBF. https://doi.org/10.23885/2500-123X-2020-2-5-131-140
4. Modeling of the Turkish Strait System Using a High Resolution Unstructured Grid Ocean Circulation Model / M. Ilicak [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9, iss. 7. 769. https://doi.org/10.3390/jmse9070769
5. Cessi P., Pinardi N., Lyubartsev V. Energetics of Semienclosed Basins with Two-Layer Flows at the Strait // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 3. P. 967–979. https://doi.org/10.1175/JPO-D-13-0129.1
6. 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
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. EDN PGCNXF.
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. EDN JMCPHB. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-201-219
9. 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. EDN COEHRO. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-41-56
10. Circulation of the Turkish Straits System between 2008-2013 under complete atmospheric forcings / A. Aydogdu [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 5. P. 999–1019. https://doi.org/10.5194/os-14-999-2018
11. Demyshev S. G., Dovgaya S. V. Analiz sezonnykh energeticheskikh kharakteristik dinamiki verkhnego sloya vod Mramornogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2021. T. 37, № 5. S. 509–524. EDN MBKNOV. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-509-524
12. 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.
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, iss. 11. P. 1443−1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011<1443:POVMIN>2.0.CO;2
14. Otsenki parametrov kraevykh vnutrennikh voln v Chernom more / V. M. Gruzinov [i dr.] // Trudy Gosudarstvennogo okeanograficheskogo instituta. 2018. Vyp. 219. S. 205–226. EDN XSEMDZ.
15. Efimov V. V., Timofeev N. A. Teplobalansovye issledovaniya Chernogo i Azovskogo morei. Obninsk : VNIIGMI-MTsD, 1990. 236 s.
16. Staneva J. V., Stanev E. V. Oceanic response to atmospheric forcing derived from different climatic data sets. Intercomparison study for the Black Sea // Oceanologica Acta. 1998. Vol. 21, iss. 3. P. 393–417. https://doi.org/10.1016/S0399-1784(98)80026-1
17. Dorofeev V. L., Korotaev G. K. Assimilyatsiya dannykh sputnikovoi al'timetrii v vikhrerazreshayushchei modeli tsirkulyatsii Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2004. № 1. S. 52–68. EDN YXQYNN.
18. 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.
19. Demyshev S. G., Ivanov V. A., Markova N. V. Analiz klimaticheskikh polei Chernogo morya nizhe osnovnogo piknoklina, poluchennykh na osnove usvoeniya arkhivnykh dannykh po temperature i solenosti v chislennoi gidrodinamicheskoi modeli // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2009. № 1. S. 3–15. EDN VOAIVZ.
20. The circulation and hydrography of the Marmara Sea / S. T. Besiktepe [et al.] // Progress in Oceanography. 1994. Vol. 34, iss. 4. P. 285–334. https://doi.org/10.1016/0079-6611(94)90018-3
21. Zapevalov A. C. Sezonnaya izmenchivost' vertikal'nykh raspredelenii temperatury i solenosti v Mramornom more // Meteorologiya i gidrologiya. 2005. № 2. S. 78−84. EDN KUHKQB.
22. Lorenz E. N. Available potential energy and the maintenance of the general circulation // Tellus. 1955. Vol. 7, iss. 2. P. 157–167. https://doi.org/10.3402/tellusa.v7i2.8796
23. Puzina O. S., Mizyuk A. I. Issledovanie vliyaniya pridonnogo treniya na krupnomasshtabnuyu tsirkulyatsiyu Chernogo morya na osnove chislennogo modelirovaniya // Kompleksnye issledovaniya Mirovogo okeana : Materialy IV Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii molodykh uchenykh. Sevastopol' : FGBUN MGI, 2019. S. 145–146. EDN YKWNFQ.
24. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol', 2011. 212 c.
25. Oguz T., Malanotte-Rizzoli P., Aubrey D. Wind and thermohaline circulation of the Black Sea driven by yearly mean climatological forcing // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C4. P. 6845–6863. https://doi.org/10.1029/95JC00022
26. Effect of bottom slope and wind on the near-shore current in a rotating stratified fluid: laboratory modeling for the Black Sea / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2005. Vol. 45, suppl. 1. P. S13– S26. EDN LJLSWD.
27. Long-term variations of the Black Sea dynamics and their impact on the marine ecosystem / A. A. Kubryakov [et al.] // Journal of Marine Systems. 2016. Vol. 163. P. 80–94. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2016.06.006
28. Sannino G., Sözer A., Özsoy E. A high-resolution modelling study of the Turkish Straits System // Ocean Dynamics. 2017. Vol. 67, iss. 3–4. P. 397–432. https://doi.org/10.1007/s10236-017-1039-2
29. Alpar D., Yuce H. Sea-level variations and their interactions between the Black Sea and the Aegean Sea // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1998. Vol. 46, iss. 5. P. 609–619. https://doi.org/10.1006/ecss.1997.0285
