Цель исследования

Продолжаются исследования гидродинамических процессов на акватории "Черноморского гидрофизического полигона Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН" (далее Полигон), расположенного в шельфово-склоновой зоне моря, на траверзе г. Геленджик (Зацепин и др., 2014). Используются архивы контактных измерений по новейшим технологиям, спутниковая информация (поля температуры поверхности моря(ТПМ), аномалий уровня моря, ветра), а также данные прибрежных метеорологических станций, Опыт проведённых работ показывает, что долговременные постановки являются рискованными и трудными, и, поэтому, данные контактных измерений остаются эпизодическими и фрагментарными.
Измерения in situ недостаточно подробны по пространству и очень дороги (Palazov et al., 2019). Спутники «видят» обширные акватории, но только на поверхности моря. К тому же, типичное разрешение осреднённых спутниковых «продуктов» (по горизонтали ~ 60 морских миль) не является удовлетворительным для исследования мезомасштабных процессов. В условиях таких ограничений трудно провести интерпретацию наблюдаемых разномасштабных флуктуаций океанографических параметров в рамках существующих известных представлений о сложных вихревых полях. Дополнительные возможности для изучения гидрометеорологической системы региона предоставляет численное моделирование гидродинамических процессов. Для этого применяется вихреразрешающая гидродинамическая модель DieCAST (Dietrich et al., 1997; Коротенко, 2015) с высоким разрешением (2 морские мили). Для ряда точек на нормальном к берегу разрезе от г. Геленджика, были рассчитаны гидрологические флуктуации, скорости течений и завихренность поля течений на всех глубинах.
Целью работы является исследование общих фундаментальных свойств многомасштабных гидродинамических процессов, каскадного переноса кинетической энергии по спектру в широкой полосе частот на основе обобщения различных региональных проявлений гидродинамических механизмов. В работе предоставляются результаты сопоставления расчётных и контактных измерений, а также проведено сравнение с многочисленными спутниковыми наблюдениями мезомасштабных структур и субсиноптических вихрей Чёрного моря (Коротенко et al., 2022).

Методы обработки данных

Обработка данных измерений включала в себя подготовку массивов данных (редакция, систематизация и архивирование), расчёт статистических характеристик временных рядов измеренных и производных параметров с использованием гистограмм, прогрессивно-векторных диаграмм, лагранжевых траекторий, традиционного спектрального анализа Фурье авто- и взаимных спектров, авто- и взаимных вэйвлет–диаграмм, скользящих спектрограмм. С учётом перемежаемости исследуемых процессов, были выделены отдельные реализации эволюции поля с яркими проявлениями процессов релаксации морской гидродинамической системы после выведения из равновесного состояния. С целью идентификации гидродинамических процессов, выявлены типичные фоновые сезонные трёхмерные гидрологические структуры поля в Голубой бухте, на шельфе и мористее, а также количественно оценены отклонения, связанные с другими составляющими изменчивости, такими как: краевые шельфовые волны, суточные, инерционные, полусуточные и короткопериодные внутренние волны, поверхностные волны.

Результаты

Гидрология и течения рассматриваемой акватории в широком диапазоне пространственно-временных масштабов формируются в значительной степени в результате атмосферных воздействий, в числе которых, тепло- и влагообмен, ветровое напряжение, атмосферное давление. С использованием данных стандартных метеорологических измерений в период 1998-2011 гг. на 134 прибрежных метеорологических станциях вокруг всего побережья Черного моря, включая более продолжительные (1938-2022 гг.) измерения на метеорологической станции г. Геленджика, баз данных NCEP-NCAR, QuickSCAT и PathFinder v5, а также данных измерений при помощи различных зондов на гидрофизическом Полигоне на Черном море, исследовался процесс формирования климатической изменчивости системы атмосфера-море из многообразия синоптических состояний. Были обнаружены характерные для северо-восточной части региона ветровые циклы - смены северо-восточного ветра на юго-восточный и обратно. Такие циклы имеют различную продолжительность и бывают внутрисезонными, сезонными (годовыми) и климатическими (многолетними). Подобие временной структуры циклических изменений ветра разной продолжительности рассматривается как фрактальность (самоподобие) изменчивости ветра. Фрактальность связана с повторяемостью типовых региональных синоптических процессов. К вопросу о происхождении климатических колебаний и связей с "центрами атмосферных действий" было показано, что зональная компонента долговременного ветра статистически связана с индексом атмосферной циркуляции NAO(North Atlantic Oscillation), а меридиональная – с индексом EAWR(East Atlantic–West Russia pattern). В зимние сезоны прослеживается влияние Сибирского антициклона. Межгодовые температуры воздуха и воды изменяются в соответствии с изменениями направления меридионального переноса воздуха. Несколько многолетних ветровых циклов в период 1968-2022 гг. составили климатическую "волну". Показано, что региональные ветры обусловлены циркуляционными механизмами в Северном полушарии согласно классификации Б.Л. Дзердзеевского.
Преобладающие ветры Черного моря порождают ряд гидрофизических явлений, таких как Основное Черноморское течения(ОЧТ), вихреобразование, апвеллинги, ХПС и др. По данным метеостанций вокруг Черного моря, климатический ветер имеет циклоническую завихренность, причем центр вращения расположен примерно над Турцией. Такая пространственная структура ветра должна вызывать низкочастотную (многолетнюю) циклоническую циркуляцию Черного моря. Показано также, что апвеллинги в северо-восточной части ЧМ возникают в соответствии с внутрисезонными ветровыми циклами примерно через 20-25 дней, а процесс образования ХПС при более сильных норд-остах усиливается.
Влияние изменчивости ветрового режима и термических условий на структуру и динамику вод в северо-восточной части Черного моря изучалось на основе экспериментальных данных, полученных за период 1994–2009 гг. на стандартном 100-мильном разрезе на траверзе Геленджика. Проанализирована изменчивость атмосферных процессов, оказывающих определяющее влияние на температуру воздуха и характеристики ветра в северо-восточной части Черного моря. Выявлены особенности гидрологической структуры и циркуляции вод, обусловленные многолетними колебаниями температуры воздуха. По данным отдельных съемок, выполненных в холодные и теплые периоды, оценено влияние преобладающих направлений ветров на формирование циркуляции вод. Исследование модельных временных рядов удельной кинетической энергии показало, что эпизодически происходит отрыв ОЧТ от берега. При этом между стрежнем ОЧТ и берегом образуется антициклонический круговорот (размером порядка ~50 км), который растет в размерах и уходит вниз по течению, а на его месте образуется новый, и т.д. Между этим вихрем и берегом образуются субмезомасштабные (400 м) обнаруживаются слабые (~1 см/с) противотечения. Значительные (~20 см/с) противотечения формируются вдоль береговой линии, причём релаксация их сопровождается колебаниями скорости с инерционной частотой.

Благодарности

Работа выполнена в рамках госзадания Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН по теме № FMWE-2021-0001 «Динамика внутренних и окраинных морей, взаимодействие океана и суши, прибрежные и шельфовые процессы: роль синоптических и мезомасштабных явлений в формировании гидрофизического и экологического состояния прибрежной зоны океана и внутренних морей России на основе специализированных натурных экспериментов, моделирования и дистанционного зондирования» под рук. Завьялова П.О., а также по теме FMWE-2021-0002 «Механизмы формирования циркуляционных структур Мирового океана: ключевые процессы в пограничных слоях и их роль в динамике океана на основе экспедиционных исследований, численного и лабораторного моделирования» под рук. Зацепина А.Г., а также при выполнении темы 4.6.11 Государственного океанографического института им. Н.Н. Зубова Росгидромета. Авторы благодарны поддержке со стороны Мин. Науки, грант № 0149-2019-0002, а также поддержке РНФ, проект № 18-17-00156.