Анализ климатических полей Черного моря ниже основного пикноклина, полученных на основе усвоения архивных данных по температуре и солености в численной гидродинамической модели

Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических

полей океана

УДК 551.464.4

С.Г. Демышев, В.А. Иванов, Н.В. Маркова

Анализ климатических полей Черного моря ниже основного пикноклина, полученных на основе усвоения архивных данных по температуре и солености в численной гидродинамической модели

В работе проводится анализ модельных климатических полей температуры, солености и поля течений в слое от 350 до 1000 м. Получены следующие особенности. В областях с антициклонической завихренностью наблюдаются более холодные воды, в циклонических - более теплые. Такой температурный эффект может быть объяснен увеличением температуры с глубиной ниже основного пикноклина. В области Севастопольского антициклона на глубинах ниже 500 м имеет место зона циклонического вращения вод. У Кавказского побережья в районе Геленджика на глубине 350 м обнаружено узкое струйное течение, существующее с марта по июль.

Введение. В связи с необходимостью промышленной разработки ресурсов Черного моря и прибрежных территорий необходима информация о вероятной гидродинамической ситуации в различных его частях. Использование только архивных массивов данных измерений, без привлечения трехмерных моделей динамики, не позволяет описать непрерывную по времени и пространству эволюцию основных гидрофизических полей. Построенные на основе только архивных данных среднемесячные климатические поля температуры и солености не дают представления об их мезомасштабной структуре и изменчивости на этих масштабах.

В работах [1, 2] была предложена процедура построения непрерывных по времени и пространству климатических гидрофизических полей Черного моря. Она основана на ассимиляции архивных среднемесячных климатических полей температуры и солености в трехмерной нелинейной модели [3]. На ее базе в статье [4] получен модельный климат Черного моря с высоким горизонтальным пространственным разрешением (5x5 км), что позволило проанализировать ряд крупномасштабных и мезомасштабных особенностей климатической циркуляции в верхнем деятельном слое моря [4]. В настоящей работе продолжено изучение результатов численного эксперимента. Проводится анализ модельных климатических поля температуры и поля течений в слое от 350 до 1000 м.

Параметры модели. Напомним основные параметры, при которых был проведен численный эксперимент. По горизонтали использовалось разрешение 5x5 км, по вертикали расчет проводился на 45 горизонтах с глубинами от 2,5 до 2100 м. Шаг по времени равнялся 5 мин.

© С.Г. Демышев, В.А. Иванов, Н.В. Маркова, 2009

3

Для задания краевых условий на поверхности моря использовались данные из следующих работ. Потоки влаги и тепла на поверхности моря взяты из работы [5], ветер был выбран таким же, как в статье [6]. Атлас [7] послужил источником данных о параметрах рек и проливов.

Турбулентная вязкость и диффузия по горизонтали задавались в виде би-гармонического оператора. Значение коэффициента горизонтального обмена импульсом менялось от 1017 см4/с на верхних горизонтах до 5-1017 см4/с на нижних, коэффициент горизонтальной диффузии в уравнениях адвекции -диффузии тепла и соли был равен константе: кн = 1017 см4/с.

Коэффициенты турбулентного обмена импульсом и турбулентной диффузии тепла и соли по вертикали имели значения, полученные в результате специальных численных экспериментов [8, 9]. В нашем численном эксперименте использовались среднемесячные климатические массивы данных по температуре и солености [10]. Эти данные были проинтерполированы на пространственную сетку модели. По ним были рассчитаны коэффициенты Фурье и восстановлены климатические поля температуры и солености на каждые сутки года. Ежесуточные климатические поля температуры и солености затем линейно интерполировались по времени с интервалом 3 ч. Таким образом, климатическая температура и соленость усваивались в модели периодически [11].

Время интегрирования уравнений модели определялось в соответствии с поведением интегральных характеристик. Время достижения квазипериодического режима составляет приблизительно 5100 дней и согласуется со временем выхода на указанный режим всех медленно устанавливаемых характеристик, например плотности кинетической энергии Е на нижнем горизонте 2100 м (рис.1). Этот период соответствует времени затухания первой барок-линной квазигеострофической моды собственных колебаний в Черном море. Общее время интегрирования составило 7200 сут.

Е, эрг/см3 2.0 г

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

0.8 0.6 0.4 0.2

i

t , сут

3000 4000 5000 6000 7000

Р и с. 1. Средняя кинетическая энергия на нижнем горизонте 2100 м

Результаты эксперимента. Рассмотрим горизонты 350, 500 и 1000 м. Основная особенность полученных результатов - воспроизведение мезомас-штабной структуры климатических полей. В основном мезомасштабные вихри и струи наблюдаются в прибрежных районах, в областях впадения крупных рек и проливов. Здесь в различные периоды года выявляются отдельные теплые и холодные мезомасштабные вихри (группы вихрей). Рассмотрим сезонную эволюцию климатических полей на указанных горизонтах.

Температура на горизонтах 350, 500 и 1000 м. В январе - феврале по периферии моря прослеживается несколько особенностей в поле температуры. В слое 350 - 500 м это Сочинский холодный вихрь, три-четыре холодных вихря в области Батумского антициклона и Севастопольский антициклон. На глубине 500 м в районе Новороссийска - Геленджика в это время появляется холодное вихревое образование, которое сохраняется всю весну. Как будет показано далее, все эти вихревые структуры имеют антициклоническую направленность и в их центральной части наблюдается опускание вод. Вместе с тем на рассматриваемых горизонтах температура воды увеличивается с глубиной. Поэтому в зонах с антициклонической завихренностью более холодные воды вышележащих горизонтов, опускаясь (рис. 2), приводят к образованию областей с более низкой температурой. Соответственно в областях циклонических вихрей наблюдается подъем более теплых глубинных вод.

с.ш. —г

29° 31° 33° 35° 37° 39° 41° в.д

Р и с. 2. Поле вертикальной скорости на горизонте 350 м

Так, на горизонте 1000 м в январе в центрах восточного и западного круговоротов находится более теплая (рис. 3, а) и соленая (рис. 3, б) вода по сравнению с окружающими водами. Холодные и более пресные воды находятся в районах Батумского антициклона и Геленджика, к юго-востоку от Крыма.

5

44° 43° 42°

с.ш. 45е

расчет

в.Д. 29

Р и с. 3. Температура (а) и соленость (б) на горизонте 1000 м 15 января

наблюдения

наблюдения

С.ш.

45°

расчет

8.944

22.281

22.276

22.271

22.266

8.959 8.954 8.949

И Й

О Ьо Оо Оо

¿1

Оо

К

Чз о

¡5 Чз

О О

40 &

К концу зимы на глубине 1000 м сформированы холодные вихри Батум-ского антициклона и в районе Новороссийска - Геленджика. В юго-восточной области моря в этот период достигается минимум температуры (и солености). Теплый вихрь у юго-восточной части Крымского побережья, существующий зимой, к середине марта исчезает. В марте в поле температуры на глубинах от 350 до 500 м обнаруживаются два мезомасштабных вихря к западу от Севастополя. Батумский антициклон в поле температуры представлен тремя холодными вихревыми образованиями. Также в это время возникает холодный вихрь в устье р. Сакарья (Турция), который просуществует вплоть до середины декабря (рис. 4).

В апреле в слое 350 - 500 м (рис. 5) три вихревых образования с более низкой температурой располагаются вдоль Кавказского побережья (первое -в районе побережья между Новороссийском и Геленджиком, второе - между Туапсе и Сочи, третье - между Сухуми и Поти). Еще более холодные воды находятся в районе действия Батумского антициклона, который в это время имеет трехъядерную структуру. Воды в районе действия Севастопольского антициклона с температурой ядра 8,853°С холоднее вод северной ветви Основного Черноморского течения на 0,007°С. Холодный вихрь расположен также в районе впадения в море Сакарьи. Ниже, на горизонте 1000 м, в апреле в полях температуры и солености по сравнению с началом года значительных качественных изменений не происходит.

7

с.ш.

41°t

44°

43°

42°

с.ш.

Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

41°

44°

43°

42°

28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° в.д.

Р и с. 5. Температура на горизонте 350 м 15 апреля

К маю на горизонте 350 м исчезают самый северный антициклонический вихрь у кавказского берега и вихрь в устье Сакарьи, а в июне - холодная вихревая структура в прибрежной части между Сухуми и Поти. На горизонте 1000 м в мае и в июне в полях температуры и солености отражены два основных классических циклонических круговорота, западный и восточный, причем западный - более теплый и соленый. Холодные вихри сохраняются в районах Новороссийска - Геленджика, Батуми и к западу от Севастополя, появляется вихрь и в восточной части Южного берега Крыма.

В июле - августе на горизонтах 350 и 500 м в районе Сухуми наблюдается зона теплых вод. Структура поля температуры в районе Батумского антициклона носит сложный характер, который заключается в наличии областей теплых и холодных вод. Поле вертикальной скорости для середины июля представлено на рис. 6.

Согласно расчетным данным, к концу лета на глубине 1000 м внутри западного и восточного циклонических круговоротов по-прежнему находятся более теплые и соленые, по сравнению с окружающими, воды. В июле - августе более теплые и соленые воды располагаются также в районах к северу от устья Сака-рьи и г. Трабзон (Турция). Эти особенности исчезают к середине сентября.

В середине августа более низкую температуру, по сравнению с фоновыми значениями, имеют воды, находящиеся в центральной части Анатолийского побережья (район к северо-востоку от г. Синоп, Турция), у кавказского берега (район Геленджика), к юго-востоку от Крыма, а также в зоне действия Батумского антициклона.

Р и с. 6. Поле вертикальной скорости на горизонте 350 м

Осенью и зимой поле температуры более гладкое, исчезает большинство особенностей, имевших место в летний период года. На горизонте 350 м в поле температуры нет явных границ, определяющих Батумский антициклон, но на 500 м (рис. 7) он четко прослеживается в виде области холодных вод. В центрах основных циклонических круговоротов температура воды по-прежнему выше, чем на их периферии. Максимальное различие между модельными и исходными климатическими значениями температуры для центральной области моря в декабре составляет 0,004°С. с.ш.

Р и с. 7. Температура на горизонте 500 м 15 ноября

Воды Севастопольского антициклона остаются более холодными относительно окружающих вод в течение всего года.

Течения на горизонтах 350, 500 и 1000 м. При анализе результатов эксперимента была рассмотрена сезонная изменчивость течений на указанных горизонтах.

На горизонте 350 м в начале года находятся несколько вихревых образований разного знака завихренности. Так, в январе - феврале на свале глубин юго-западнее Севастополя определяется глубинная часть Севастопольского антициклона диаметром около 115 - 125 км. Горизонтальные скорости внутри вихря достигают 3 см/с. Весной (середина апреля - май) и летом (июнь -июль) горизонтальный размер антициклонического вихря больше относительно конца зимы примерно в полтора раза. Величины скоростей сохраняются прежними.

С середины августа активность Севастопольского антициклона на данной глубине ослабевает и возобновляется только во второй половине сентября. Значения скоростей от 0,5 до 2 см/с. К декабрю диаметр антициклона уменьшается до 75 - 80 км, а скорости внутри него - до 0,5 см/с. Активность данного вихря вновь возрастает к середине января.

Основное Черноморское течение на глубине 350 м наблюдается от Южного берега Крыма вдоль всей западной части моря до середины Анатолийского побережья (рис. 8). Течение распространяется до Синопа с сентября по май. Скорости в нем достигают 8 см/с, наибольшая его интенсивность приходится на период с января по апрель (юго-западная часть моря, прибосфор-ский район).

с.ш.

28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° в.д.

Р и с. 8. Поле течений на горизонте 350 м 15 февраля

В центральной части моря в разное время наблюдаются одно или несколько вихревых образований. Так, зимой в восточной части моря формируется циклон с горизонтальными размерами около 110 - 115 км в зональном направлении и 330 - 335 км — в меридиональном. К апрелю он смещается в

10

центральную часть моря, а в мае преобразуется в диполь. В июне диполь смещается на запад, антициклоническая его часть значительно увеличивается, а циклоническая - уменьшается. К середине августа активность данных вихрей угасает, величины скоростей составляют менее 1,5 см/с. В это время в центральной части моря формируется новое циклоническое образование с максимальными скоростями около 6 см/с в сентябре. В дальнейшем данный циклон, имеющий максимальный размер около 180 км, ослабевает и к декабрю, когда начинается формирование циклона в восточной части моря, его размер и скорости вдвое меньше максимальных. Сформированные в центральной и восточной частях моря вихри, трансформируясь и ослабевая, постепенно смещаются на запад. Результатом такого движения является наличие в западной части моря не одного, а нескольких мезомасштабных вихрей преимущественно циклонического направления завихренности.

Летом усиливается деятельность Батумского антициклона, скорости внутри которого на данном горизонте в течение зимы не превышают 3 см/с. В апреле - мае они увеличиваются до 4 см/с, а к июлю достигают 5 см/с. Заметим, что в июне - июле к юго-западу от основного вихря Батумского антициклона формируется меньший по масштабу циклон, который исчезает к сентябрю.

С марта по июль у Кавказского побережья в районе Геленджика существует течение со скоростями от 2,5 до 4 см/с, направленное на юго-восток. Указанное течение (рис. 9) имеет протяженность около 70 км с северо-запада на юго-восток и ширину от 10 до 20 км.

Р и с. 9. Течение на горизонте 350 м 15 июня в районе Геленджика

На горизонтах 500 и 1000 м в январе в поле течений выделяются несколько особенностей. В центральной части моря наблюдается достаточно развитый восточный круговорот. Западный круговорот в качестве единого целого отсутствует, на его месте располагаются три циклонических образования. Батумский антициклон также состоит из двух-трех антициклонических

37.5°

38.0°

38.5°

39.0° вд.

вихрей. На этих глубинах необходимо отметить наличие двух циклонов (рис. 10, а) в той области моря, где на более высоких горизонтах находится Севастопольский антициклон (рис. 10, б). Динамика моря в данном районе ранее уже изучалась в ряде работ, в частности в [12]. Однако эффект смены знака завихренности на глубинах 400 - 550 м (в зависимости от сезона) обнаруживается впервые.

с.ш.

с.ш.

б

Р и с. 10. Циклонические вихри в январе на горизонте 1000 м (а) и антициклонические вихри в январе на горизонте 350 м (б) к юго-западу от Севастополя

В феврале - марте вихрь восточного циклонического круговорота смещается к центру моря. Батумский антициклон несколько ослабевает и представляет собой двухъядерное антициклоническое образование. В районе к западу от Севастополя находятся один-два циклона и антициклон меньшей мощности.

12

В апреле циклон в центре моря эволюционирует, образуя систему из двух циклонов. Батумский антициклон и восточный круговорот слабы. К западу от Севастополя находится циклонический вихрь. В мае восточный круговорот представляет собой совокупность двух антициклонов и одного циклона. Западный круговорот состоит из двух циклонических образований.

В июне - июле восточный круговорот на данной глубине объединяется с Батумским антициклоном и представляет собой систему пяти антициклонических образований. В западной части моря находятся циклон и антициклон, переместившийся сюда из центрального района моря. В юго-западной области сформирован циклонический вихрь.

К августу образуется единый восточный циклонический круговорот. В начале осени в центре моря находится циклон с горизонтальным масштабом около 100 км (рис. 11), к декабрю его размер уменьшается вдвое.

с.ш.

47°-

46°-45°-44°-43°-

42°-

41°-

28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° в.д. Р и с. 11. Поле течений на горизонте 1000 м в сентябре

В зимнее время активность восточного круговорота усиливается, а Батумского антициклона - снижается, максимальные скорости внутри него не выше 2 см/с. Скорости течений на горизонте 1000 м не превышают 3 - 3,5 см/с.

Заключение. Модельные климатические поля значительно более полно описывают термохалинную структуру вод Черного моря в сравнении с исходными архивными климатическими полями температуры и солености. Получена непрерывная по времени и пространству (с точностью до шага сетки) картина изменчивости основных гидрофизических полей ниже 300 м с высоким пространственным разрешением.

В климатическом поле температуры на глубинах от 350 до 1000 м обнаружены мезомасштабные особенности (более низкая относительно окружающих вод температура) в районах Геленджика (с января по май), Сочи

(с января по август) и к западу от Севастополя (весь год на горизонтах 350 и 500 м и в зимне-весенний период на глубине 1000 м). К юго-востоку от Крыма на горизонте 1000 м в феврале и марте находится область теплой воды, а с августа по ноябрь значения температуры здесь ниже фоновых. Батумский антициклон в течение года представлен набором нескольких отдельных вихревых образований (преимущественно холодных), осенью неоднородности поля температуры в этом районе проявляются ниже 400 м.

Так как ниже сезонного термоклина температура в Черном море увеличивается с глубиной, то на этих глубинах в областях с разным знаком завихренности наблюдается следующая структура поля температуры. По сравнению с окружающими водами в антициклонических вихрях формируются области более холодной, в циклонических - более теплой воды.

В поле течений в слое 350 - 1000 м получены следующие особенности. На глубинах ниже 500 м в поле течений наблюдается зона циклонического вращения вод к западу от Севастополя. На более высоких горизонтах здесь располагается Севастопольский антициклон. Смена знака вращения происходит на горизонтах 400 - 550 м.

В западной и восточной частях моря на более высоких горизонтах преобладают циклонические круговороты, ниже 300 м они преобразуются в вихри более мелкого масштаба. В течение года их пространственная структура заметно эволюционирует, величины скоростей здесь на порядок ниже, чем на поверхности.

У Кавказского побережья в районе Геленджика в модельном климатическом поле скоростей на глубине 350 м обнаружено течение со скоростями от 2,5 до 4 см/с, направленное вдоль побережья на юго-восток. Течение имеет длину около 70 км, ширину от 10 до 20 км и существует с марта по июль.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Korotaev G.K., Demyshev S.G., Knysh V. V. Three-dimensional climate of the Black Sea // Black Sea Ecosystem Processes and Forecasting. - Operational Workshop and Project Evaluation Meeting. - METU, IMS, Erdemli, 2000. - P. 1 - 10.

2. Knysh V.V., Demyshev S.G., Rorotaev G.K., Sarkisyan A.S. Four-dimensional climate of seasonal Black Sea circulation // Rus. J. Numer. Anal. Math. Model. - 2001. - 16, №5. -Р. 409 - 426.

3. Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Численная знергосбалансированная модель бароклинных течений океана с неровным дном на сетке С // Численные модели и результаты калибровочных расчетов течений в Атлантическом океане. - М.: ИВМ РАН, 1992. - С. 163 - 231.

4. Демышев С.Г., Иванов В.А., Маркова Н.В. и др. Построение поля течений в Черном море на основе вихреразрешающей модели с ассимиляцией климатических полей температуры и солености // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2007. - Вып. 15. -С. 215 - 226.

5. Staneva J.V., StanevE.V. Oceanic response to atmospheric forcing derived from different climatic data sets. Intercomparison study for the Black sea // Oceanologia. - 1998. -21(3). - P. 383 - 417.

6. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К. Ассимиляция данных спутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журнал. -2004. - №1. - С. 52 - 68.

7. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т.1У. Черное море. Вып.1. Гидрометеорологические условия. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 103 - 262.

14

8. PacanowskiR.C., PhilanderS.G.H. Parameterization of vertical mixing in numerical models of tropical oceans // J. Phys. Oceanogr. - 1981.- 11, №11. - P. 1443 - 1451.

9. Демышев С.Г., Кныш В.В., Коротаев Г.К. Моделирование сезонной изменчивости температурного режима верхнего деятельного слоя Черного моря // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 2004. - 40, №2. - С. 259 - 270.

10. Белокопытов В.Н. Термохалинная и гидролого-акустическая структура вод Черного моря // Дис. ... канд. геогр. наук. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. - 160 с.

11. Демышев С. Г., Кныш В. В., Коротаев Г. К. Результаты расчета адаптированных полей Черного моря на основе ассимиляции в модели данных по климатической температуре и солености // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 2006.- 42, №5. - С. 604 - 617.

12. Иванов В.А., Коснырев В.К., Михайлова Э.Н. и др. Численное моделирование апвеллингов на северо-западном шельфе и в районе материкового склона в Черном море // Диагноз состояния среды прибрежных и шельфовых зон Черного моря. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 1996. - С. 17 - 30.

Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил

Севастополь в редакцию 19.05.07

После доработки 25.10.07

ABSTRACT Model climatic fields of temperature, salinity and currents in the 350 - 1000 m layer are analyzed. The following features of the fields are obtained: cold water is observed in the anticyclonic vorticity areas and warm water - in the cyclonic vorticity ones. Such temperature effect can be explained by temperature increase with depth below the main pycnocline. In the region of Sevastopol anticyclone, below 500 m, a cyclonic rotation is observed. Near Gelendzhik (the Caucasian coast) on the 350 m depth, a narrow stream current existing in March - July is found.

15