ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 1, с. 41-56
УДК 551.464.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ХОЛОДНОГО
ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РЕАНАЛИЗА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ЧЕРНОГО МОРЯ ЗА 1971-1993 гг. © 2014 г. Г. К. Коротаев, В. В. Кныш, А. И. Кубряков
Морской гидрофизический институт НАНУкраины 99011 Украина, Севастополь, ул. Капитанская, 2 E-mail: odop_mhi_nanu@mail.ru Поступила в редакцию 11.02.2013 г., после доработки 15.05.2013 г.
На основе реанализа гидрофизических полей за период 1971 — 1993 гг. исследуются механизмы формирования холодного промежуточного слоя (ХПС): адвективный — связанный с адвекцией холодных вод, формирующихся на северо-западном шельфе, и конвективный — обусловленный зимней конвекцией внутри циклонических круговоротов в центральной части моря. Рассматриваются периоды чередования атмосферного воздействия: аномально теплой зимы 1980—1981 гг., нормальной зимы 1987—1988 гг. и холодной зимы 1992—1993 гг. Выявлены межгодовые особенности пополнения и обновления вод "старого" ХПС, обусловленные этими механизмами. В частности, охлажденные шельфовые воды аномально теплой зимой 1980—1981 гг. опускаются вдоль материкового склона и сливаются с водами "старого" ХПС более, чем на месяц позже по сравнению с холодной зимой 1992— 1993 гг., и более, чем на три недели позже, чем нормальной зимой 1987—1988 гг. Севастопольский антициклонический вихрь и северо-западная ветвь Основного черноморского течения оказывают заметное влияние на трансформацию захватываемых холодных вод СЗШ, транспортируемых на юго-запад и в центральную часть бассейна. Выявлено, что процесс локального формирования холодных промежуточных вод обусловлен зимней проникающей конвекцией над куполообразными изоповерхно-стями температуры, солености и плотности, возникающими вследствие подъема постоянного га-локлина (пикноклина) в центрах циклонических круговоротов из-за интенсификации зимней циркуляции. Аномально холодная поверхностная вода, имея повышенную плотность, постепенно заглубляется. Анализ TS — индексов свидетельствует о том, что трансформированная холодная вода с течением времени растекается по изопикническим поверхностям, вовлекаясь в циклоническую циркуляцию и распространяясь по всему морю, обновляя воды "старого" ХПС.
Ключевые слова: промежуточный слой, реанализ, формирование ХПС, адвективный механизм, конвективный механизм, межгодовые особенности.
Б01: 10.7868/80002351513060102
ВВЕДЕНИЕ
Важным и интересным вопросом, относящимся к формированию гидрологической структуры вод деятельного слоя (ДС) Черного моря, является изучение процессов формирования холодного промежуточного слоя (ХПС). Большинством океанологов в настоящее время поддерживается как "адвекционная" гипотеза происхождения ХПС [1— 4], так и формирование холодных промежуточных вод в середине основных циклонических круговоротов вод моря [4—9], обусловленное процессами конвекции. Предположение об адвекционном формировании ХПС появилось в 50-х годах прошлого века [1]. В соответствии с ним холодные воды, которые образуются в мелководном северо-
западном районе моря в результате зимнего выхолаживания, вовлекаются в подповерхностный слой, захватываются течениями и разносятся по всей акватории. Отметим работы [2, 3], в которых адвективный процесс обновления вод холодного слоя был подтвержден и частично детализирован, основываясь на данных февральских съемок 1957 и 1958 гг. и февральско-мартовских съемок 1985 г. в западном и северо-западном районах моря. Работа [6], в которой по данным анализа температуры и солености на разрезе в восточной части моря сделан вывод о том, что основные очаги образования холодных вод в Черном море приурочены к центрам циклонических круговоротов, была первой в этом направлении исследований. Зимнее конвективное перемешивание и встречный подъ-
ем более соленых вод здесь способствуют постепенному проникновению поверхностных холодных вод вглубь. Такое пополнение вод ХПС подтверждено позже в работе [9] на основе данных полигонных измерений, выполненных в центральной и северо-восточной областях, а также на гидрологическом разрезе по нормали к Кавказскому побережью.
Работы, посвященные изучению особенностей формирования ХПС Черного моря на основе численных гидротермодинамических моделей немногочисленны. В [10] авторы описывают процессы формирования и эволюции ХПС в Черном море в рамках квазиизопикнической многослойной модели, учитывающей верхний квазиоднородный слой (ВКС), который в зависимости от внешних факторов может находиться в режимах вовлечения или субдукции. На основе построенной модели в [11] проводятся адаптационные расчеты с использованием среднемесячных климатических полей температуры и солености. Результаты моделирования показали, что ХПС формируется в определенных областях в результате субдукции вод из ВКС, образования слоев с относительно низкой температурой и распространения их по всему морю. Однако в этих работах процесс формирования и переноса холодных вод в центрах крупномасштабных циклонических круговоротов не обсуждается.
Оценки объемов холодных водных масс, образовавшихся в четырех областях Черного моря и пополнявших ХПС в период 1991—1995 гг., выполнены в работах [12, 13] на основе модельных численных расчетов. Использовались численная модель циркуляции MOM [14] и данные об атмосферном воздействии UKMO (United Kingdom Meteorological Office, Handley Center). Расчеты проводились для западного континентального склона, центральной области с циклоническим вращением вод, северо-западной области и восточного района с учетом конвективного перемешивания.
В работах [15, 16] представлены результаты анализа адвективного и конвективного процессов пополнения и обновления холодного промежуточного слоя Черного моря на основе данных, полученных в расчетах по трехмерной численной модели с использованием среднесезонных климатических полей атмосферных параметров. Выявлено, что наряду с зимней конвекцией пополнение и обновление холодного промежуточного слоя в центральной части моря происходит также за счет транспорта течениями образующихся на северо-западе холодных вод. Пренебрежение влиянием рек и Босфора является недостатком работ [15, 16].
Анализ сезонной изменчивости климатических полей ДС моря, реконструированных посредством ассимиляции климатических температуры и солености в модели [17], в которой учтено влияние рек и проливов, также подтвердил конвективное и адвективное формирование ХПС.
До настоящего времени многие вопросы, связанные с определением очагов зарождения холодных промежуточных вод, установлением их приоритетности, а также с физикой их формирования при реальной межгодовой изменчивости атмосферного воздействия, до конца не выяснены. Например, роль кросс-фронтального переноса, антициклонических прибрежных вихрей и др. Целью настоящей работы является исследование механизмов формирования ХПС: адвективного — связанного с адвекцией холодных вод, формирующихся на северо-западном шельфе, и конвективного — обусловленного зимней конвекцией внутри циклонических круговоротов в центральной части моря, на основе анализа данных ретроспективного расчета эволюции гидрофизических полей за более чем двадцатилетний период, рассматривая отрезки времени, в которых происходило чередование атмосферного воздействия: аномально теплой зимы 1980—1981 гг., нормальной зимы 1987—1988 гг. и холодной зимы 1992— 1993 гг.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ РЕАНАЛИЗА
Для определения очагов зарождения холодных вод анализировались поля температуры, солености, плотности и течений, воспроизведенные в ретроспективном анализе гидрофизических полей моря за период 1971—1993 гг. [18]. Реанализ для Черного моря выполнен посредством ассимиляции в ст-координатной модели циркуляции вод среднемесячных данных наблюдений температуры и солености, восстановленных методом оптимальной интерполяции по измерениям на гидрофизических полигонах [19]. Используемая численная модель циркуляции [20] включает в себя модель турбулентности, поэтому она позволяет достаточно правильно воспроизводить термодинамику верхнего слоя моря. Расчеты проводились на сетке с шагами по горизонтали 8.1 км вдоль параллели и 6.95 км вдоль меридиана. По вертикали использовалось 26 ст-поверхностей, значения рассчитанных гидрофизических параметров с которых интерполировались для проведения анализа на 36 горизонтов: 0, 5, 10, 16, ..., 52, 60, 68, ..., 100, 110, 120, 135, 150, 175, 200, 250, 300, 400, ..., 600, 750, ..., 1350, 1550, ..., 2150 м. Атмосферное воздействие задавалось на основе ре-
зультатов глобального реанализа ERA-40, проведенного в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды ЕСМ^Г [21] с пространственном разрешением 1.125° х 1.125° и временной дискретностью 6 часов за период 1958—2002 гг. Использовались данные реанализа, полученные с дискретностью по времени сутки. Важно отметить, что неизбежный, хоть и незначительный, дрейф модели вдоль собственной фазовой траектории при прогностическом режиме интегрирования уравнений нивелировался ассимилируемыми данными наблюдений температуры и солености. Кроме того, модель продемонстрировала способность эффективно воспроизводить процессы субдукции, применяя стандартную параметризацию диффузии, без использования специальной ее аппроксимации вдоль изопикнических поверхностей.
В работе [18] на основе анализа межгодовой и сезонной изменчивости средней по горизонтам температуры в слое 0—300 м получена косвенная оценка холодозапаса холодного промежуточного слоя моря. Выявлено, что 1976, 1985, 1987, 1989, 1992 и 1993 гг. характеризуются повышенным холо-дозапасом ХПС, обусловленным холодными (1976, 1985, 1992, 1993 гг.) и нормальными (1987, 1988, 1989 гг.) зимними термическими условиями в атмосфере [22]. Низкий холодозапас отмечается в 1971, 1975, 1977, 1980, 1981, 1982 и 1984 гг. Самый малый холодозапас ХПС наблюдается в 1981 г., в котором термические условия зимы были аномально теплыми [22].
Выявленные межгодовые особенности холодо-запаса ХПС предоставляют возможность выбрать для детального анализа гидрофизических полей характерные годы,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.