Вертикальное перемешивание в деятельном слое Черного моря по данным мелкомасштабных измерений

А. Н. Морозов*, Е. В. Маньковская

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

*e-mail: anmorozov@mhi-ras.ru

Аннотация

Рассмотрены методические вопросы использования параметризации G03 для оценки коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным о скорости течения и плотностной стратификации, собранным с разрешением 4 м по глубине. На основе экспедиционных материалов, полученных в 87-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий», проходившем с 30 июня по 18 июля 2016 г. в центральном секторе северной части Черного моря, выполнена оценка значений этого коэффициента на верхней границе холодного промежуточного слоя и в слое глубин 350–390 м. В качестве исходных данных о скорости течения были использованы результаты измерений в режиме выдержки акустического доплеровского профилометра течений у поверхности моря и в нижней точке зондирования. В верхнем слое моря при потенциальной плотности 14.2 кг/м3 значение коэффициента составило 7.26·10−6 м2/с, что близко к его значению 6·10−6 м2/с в ядре холодного промежуточного слоя, оцененному из уравнения теплопроводности по результатам измерений экспедиций 2017 г. Соответствующий поток тепла в холодный промежуточный слой равен 1.79 Вт/м2. Косвенная оценка коэффициента в сезонном термоклине составила 2.26·10−7 м2/с – значение, сопоставимое с коэффициентом молекулярной диффузии тепла. Поток соли при значении потенциальной плотности 14.2 кг/м3 равен 2977 г/(м2·год), соответствующий перенос соли через изопикническую поверхность – 1.1·1015 г/год, или около 22 % массы соли, приносимой в Черное море нижнебосфорским течением за год. В слое глубин 350–390 м при значении потенциальной плотности около 16.9 кг/м3 оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии составила 2.66·10–6 м2/с. Соответствующий поток тепла равен 3.9·10−3 Вт/м2, или около 10 % геотермального потока. Поток соли 4.1·10−6 г/(м2·с) соответствует ее переносу через изопикническую поверхность в размере 3.9·1013 г/год и составляет 0.75 % от массы соли, приносимой нижнебосфорским течением за год. Установлено отношение кинетической энергии мелкомасштабных процессов к их потенциальной энергии, которое равно 1.53 для верхнего слоя и 11 для нижней точки зондирования. Такая изменчивость определяет почти трехкратное усиление вертикального перемешивания в верхней точке измерений в соответствии с параметризацией G03.

Ключевые слова

Черное море, вертикальное перемешивание, сдвиг скорости течения, скорость течения, поток тепла, поток соли

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по темам ФГБУН ФИЦ МГИ № 0555-2021-0003 «Оперативная океанология», № 0555-2021-0005 «Прибрежные исследования».

Для цитирования

Морозов А. Н., Маньковская Е. В. Вертикальное перемешивание в деятельном слое Черного моря по данным мелкомасштабных измерений // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2022. № 4. С. 25–38. EDN TRZMDQ. doi:10.22449/2413-5577-2022-4-25-38

Morozov, A.N. and Mankovskaya, E.V., 2022. Vertical Mixing in the Black Sea Active Layer from Small-Scale Measurement Data. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (4), pp. 25–38. doi:10.22449/2413-5577-2022-4-25-38

DOI

10.22449/2413-5577-2022-4-25-38

Список литературы

  1. Колесников А. Г., Богуславский С. Г. Вертикальный перенос в Черном море // Морские гидрофизические исследования. 1978. № 2 (81). С. 33–46.
  2. Богуславский С. Г., Жоров В. А., Иващенко И. К. Формирование вертикального профиля солености Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 1993. № 6. С. 46–52.
  3. Gregg M. C., Yakushev E. Surface ventilation of the Black Sea’s cold intermediate layer in the middle of the western gyre // Geophysical Research Letters. 2005. Vol. 32, iss. 3. L03604. https://doi.org/10.1029/2004GL021580
  4. Влияние динамики течений на гидрофизическую структуру вод и вертикальный обмен в деятельном слое Черного моря / А. Г. Зацепин [и др.] // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 327–339. EDN IAFSJJ.
  5. Морозов А. Н., Лемешко Е. М. Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 1. С. 58–67. EDN TDXUUT.
  6. Подымов О. И., Зацепин А. Г., Островский А. Г. Вертикальный турбулентный обмен в черноморском пикноклине и его связь с динамикой вод // Океанология. 2017. Т. 57, № 4. С. 546–559. EDN ZCRXXJ. doi:10.7868/S0030157417040049
  7. Самодуров А. С., Чухарев А. М., Казаков Д. А. Основные закономерности вертикального турбулентного обмена в квазиоднородных и стратифицированных слоях Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 4. С. 405–422. EDN MGYDHW. doi:10.22449/0233-7584-2021-4-405-422
  8. Gregg M. C. Scaling turbulent dissipation in the thermocline // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C7 . P. 9686–9698. https://doi.org/10.1029/JC094iC07p09686
  9. Polzin K. L., Toole J. M., Schmitt R. W. Finescale Parameterizations of Turbulent Dissipation // Journal of Physical Oceanography. 1995. Vol. 25, iss. 3. P. 306–328. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1995)0250306:FPOTD2.0.CO;2
  10. Gregg M. C., Sanford T. B., Winkel D. P. Reduced mixing from the breaking of internal waves in equatorial waters // Nature. 2003. Vol. 422. P. 513–515. https://doi.org/10.1038/nature01507
  11. Global abyssal mixing inferred from lowered ADCP shear and CTD strain profiles / E. Kunze [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36, iss. 8. P. 1553–1576. https://doi.org/10.1175/JPO2926.1
  12. Dissipation rate estimates from microstructure and finescale internal wave observations along the A25 Greenland–Portugal OVIDE line / B. Ferron [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2014. Vol. 31, iss. 11. P. 2530–2543. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-14-00036.1
  13. Морозов А. Н., Маньковская Е. В. Холодный промежуточный слой Черного моря по данным экспедиционных исследований 2016–2019 годов // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 2. С. 5–16. EDN RALEUS. doi:10.22449/2413-5577-2020-2-5-16
  14. Морозов А. Н., Маньковская Е. В. Современные исследования динамики вод в северо-западной части Черного моря по данным LADCP // ИнтерКарто. ИнтерГИС. Геоинформационное обеспечение устойчивого развития территорий : Материалы Международной конференции. М. : Географический факультет МГУ, 2021. Т. 27. Ч. 3. С. 5–15. EDN XRBYDE. Doi:10.35595/2414-9179-2021-3-27-5-15
  15. Структура течений в Черном море по результатам наблюдений LADCP в 2004–2014 гг. / А. Н. Морозов [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 1. С. 27–42. EDN XSWBAD. doi:10.22449/0233-7584-2017-1-27-42
  16. Морозов А. Н., Маньковская Е. В. Сезонная изменчивость структуры течений в северной части Черного моря по данным натурных наблюдений 2016 г. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 1. С. 15–20. EDN TCIRMJ. doi:10.7868/S2073667319010027
  17. Морозов А. Н., Лемешко Е. М. Методические аспекты использования акустического доплеровского измерителя течений (ADCP) в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2006. № 4. С. 31–48. EDN YOFQNN.
  18. Морозов А. Н. Статистика чисел Ричардсона по данным наблюдений с океанографической платформы // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2018. Вып. 2. С. 39–46. EDN YLLQKT. doi:10.22449/2413-5577-2018-2-39-46
  19. Miles J. W. On the stability of heterogeneous shear flows // Journal of Fluid Mechanics. 1961. Vol. 10, iss. 4. P. 496–508. doi:10.1017/S0022112061000305
  20. Toole J., Schmitt R. Small-scale structures in the north-west Atlantic sub-tropical front // Nature. 1987. Vol. 327. P. 47–49. https://doi.org/10.1038/327047a0
  21. Garrett C., Munk W. Space-time scales of internal waves: A progress report // Journal of Geophysical Research. 1975. Vol. 80, iss. 3. P. 291–297. https://doi.org/10.1029/JC080i003p00291
  22. Cairns J. L., Williams G. O. Internal wave observations from a midwater float, 2 // Journal of Geophysical Research. 1976. V ol. 81, iss. 12. P. 1943–1950. https://doi.org/10.1029/JC081i012p01943
  23. Fer I. Scaling turbulent dissipation in an Arctic fjord // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 1–2. P. 77–95. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.01.003
  24. Munk W., Wunsch C. Abyssal recipes II: energetics of tidal and wind mixing // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1998. Vol. 45, iss. 12. P. 1977–2010. https://doi.org/10.1016/S0967-0637(98)00070-3
  25. Морозов А. Н., Маньковская Е. В., Федоров С. В. Инерционные колебания в северной части Черного моря по данным натурных наблюдений // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 1. С. 43–53. EDN UCLNDV. doi:10.7868/S2073667321010044
  26. Munk W. H., Anderson E. R. Notes on a theory of the thermocline // Journal of Marine Research. 1948. Vol. 7, iss. 3. P. 276–295.
  27. Kunze E., Williams III A. J., Briscoe M. G. Observations of shear and vertical stability from a neutrally buoyant float // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1990. Vol. 95, iss. C10. P. 18127–18142. https://doi.org/10.1029/JC095iC10p18127
  28. Polzin K. Statistic of the Richardson number: mixing models and finestructure // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, iss. 8. P. 1409–1425. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)0261409:SOTRNM2.0.CO;2
  29. Морозов А. Н. Спектральные характеристики инерционных колебаний в Черном море // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь, 2001. Вып. 2. С. 61–69. EDN WPTWDE.
  30. Энергетический спектр скорости течения в глубокой части Черного моря / А. А. Клювиткин [и др.] // Доклады Академии наук. 2019. Т. 488, № 5. C. 550–554. EDN RUPYJT. doi:10.31857/S0869-56524885550-554
  31. Seasonal variability of near-inertial internal waves in the deep central part of the Black Sea / E. Khimchenko [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2022. Vol. 10, iss. 5. 557. https://doi.org/10.3390/jmse10050557
  32. Turbulent diapycnal mixing in the Nordic seas / A. C. Naveira Garabato [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2004. Vol. 109, iss. C12. C12010. https://doi.org/10.1029/2004JC002411
  33. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 с. EDN XPERZR.
  34. Кутас Р. И. Геотермические условия бассейна Черного моря и его обрамления // Геофизический журнал. 2010. Т. 32, № 6. С. 135–158. EDN ZRSZKJ.
  35. Stanev E. V., Chtirkova B., Peneva E. Geothermal convection and double diffusion based on profiling floats in the Black Sea // Geophysical Research Letters. 2021. Vol. 48, iss. 2. e2020GL091788. https://doi.org/10.1029/2020GL091788
  36. Пространственная структура течений у Гераклейского полуострова по данным ADCP-наблюдений 2015 г. / А. Н. Морозов [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. Севастополь : МГИ РАН, 2016. Вып. 1. С. 73–79. EDN VUYZOP.
  37. Late summer stratification, internal waves, and turbulence in the Yellow Sea / Zh. Liu [et al.] // Journal of Marine Systems. 2009. Vol. 77, iss. 4. P. 459–472. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2008.11.001

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)