THE BLACK SEA HYDROPHYSICAL FIELDS COMPUTATION BASED ON INTEGRATION OF THE VERTICAL TURBULENT EXCHANGE COEFFICIENTS DETERMINED FROM THE IN-SITU MEASUREMENTS AND THE MHI NUMERICAL MODEL

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The analysis of the results of numerical experiments on the calculation of hydrophysical fields in the north-eastern part of the Black Sea was carried out based on the Marine Hydrophysical Institute (MHI) three-dimensional ocean dynamics model.The fundamental novelty of the simulations presented is the use of vertical turbulent exchange coefficients, obtained from the experimental data based on the velocity and temperature fluctuations microstructural profiles obtained from “Sigma-1.5” sounding complex field observations. The measurements were carried out in the upper stratified sea layers during expeditionary research on the R/V Professor Vodyanitsky. A comparison of some simulations with the MHI model and the hydrological data obtained using SeaBird SBE-911plus CTD complex synchronously with the microstructural measurements shows greater reliability in the temperature and salinity fields simulated using the experimentally determined coefficients compared to simulations carried out with the use of Pacanowski-Philander turbulence parameterization. The presented results show the prospects of the proposed approach with the use of experimentally determined turbulent exchange coefficients for the stratified sea layers in the model.

About the authors

A. M Chukharev

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: alexchukh@mail.ru
Sevastopol, Russia

D. A Kazakov

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: engineer.dk@mail.ru
Sevastopol, Russia

N. V Markova

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Sevastopol, Russia

O. A Dymova

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Sevastopol, Russia

References

  1. Wunsch C., Ferrari R. Vertical mixing, energy, and the general circulation of the ocean // Annu. Rev. Fluid Mech. 2004. 36. P. 281–314. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.36.050802.122121
  2. Samodurov A.S., Chukharev A.M. Vertical turbulent exchange features in the layer of seasonal pycnocline in the northwestern part of the Black Sea // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1128. 012148. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1128/1/012148
  3. Самодуров А.С., Глобина Л.В. Оценка зависимости скорости диссипации турбулентной энергии от стратификации на континентальном склоне и шельфе // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2011. № 25-2. С. 182–189. EDN: WBCLUN
  4. Самодуров А.С., Чухарев А.М., Носова А.В., Глобина Л.В. Интенсификация внутренних волн в зоне сопряжения шельфа и континентального склона как фактор интенсификации вертикального обмена // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. Т. 6. № 2. С. 12–24. EDN: QIQRGV
  5. Самодуров А.С. Придонный пограничный слой в Черном море: формирование стационарного состояния // Морской гидрофизический журнал. 2009. № 1. С. 16–25. EDN: VOAIWJ.
  6. Самодуров А.С., Кульша О.Е., Белокопытов В.Н. Стационарная модель вертикального обмена в Черном море для реальной геометрии бассейна // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2006. № 14. С. 517–523. EDN: ZBOAUJ
  7. Самодуров А.С., Глобина Л.В. Зависимость скорости диссипации турбулентной энергии и вертикального обмена от стратификации по обобщенным экспериментальным данным (сравнение с существующими моделями) // Морской гидрофизический журнал. 2012. № 6. С. 17–34. EDN: TTHGUN
  8. Самодуров А.С. Интрузионное расслоение и вертикальный обмен в Черном море за счет геотермального потока тепла на наклонном дне // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2003. № 8. С. 152–156. EDN: FVNQBK
  9. Самодуров А.С. Взаимодополняемость различных подходов для оценки интенсивности вертикального турбулентного обмена в естественных стратифицированных бассейнах // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 6. С. 37–48. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2016-6-37-48
  10. Казаков Д.А., Самодуров А.С. Оценка интенсивности вертикального турбулентного обмена в слое основного пикноклина на прикерченском участке шельфа Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2021. № 2. С. 94–105. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2021-2-94-105. EDN: RFDEWU
  11. Pacanowski R.C., Philander S.G.H. Parameterization of vertical mixing in numerical models of tropical oceans // J. Phys. Oceanogr. 1981. V. 11. Iss. 11. P. 1443-1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)011<1443:POVMIN>2.0.CO;2
  12. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence close model for geophysical fluid problems // Rev. Geophys. Space Phys. 1982. 20. Р. 851–875. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00851
  13. McEwen A.D. The kinematics of stratified mixing through internal wave breaking // Journal of Fluid Mechanics. 1983. No. 128. P. 47–57. https://doi.org/10.1017/S0022112083000373
  14. Demyshev S., Dymova O. Analysis of the annual mean energy cycle of the Black Sea circulation for the climatic, basinscale and eddy regimes // Ocean Dynamics. 2022. V. 72. P. 259–278. https://doi.org/10.1007/s10236-022-01504-0
  15. Osborn T.R. Estimations of local rate of vertical diffusion from dissipation measurements // J. Phys. Oceanogr. 1980. V. 10. P. 83–89. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1980)010<0083:EOTLRO>2.0.CO;2
  16. Chukharev A.M. Multitime scale model of turbulence in the sea surface layer // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. V. 49. No. 4. P. 439–449. https://doi.org/10.1134/S0001433813040026
  17. Евстигнеева Н.А., Дымова О.А. Анализ полей течений и концентрации бериллия-7 в прибрежном районе южного берега Крыма летом 2016 г. по результатам моделирования // Процессы в геосредах, 2023. Т. 4(38). С. 2199–2206. EDN: CPYCXE
  18. Самодуров А.С., Дыкман В.З., Барабаш В.А., Ефремов О.И., Зубов А.Г., Павленко О.И., Чухарев А.М. Измерительный комплекс “Сигма-1” для исследования мелкомасштабных характеристик гидрофизических полей в верхнем слое моря // Морcкой гидрофизический журнал. 2005. № 5. С. 60–71. EDN: VSBWXN
  19. Welch P.D. The use of Fast Fourier Transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms // IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics. 1967. V. 15. No. 2. P. 70–73. https://doi.org/10.1109/TAU.1967.1161901
  20. Craig P.D., Banner M.L. Modelling of wave-enhanced turbulence in the ocean surface layer // J. Phys. Oceanogr. 1994. 24. No. 12. P. 2546–2559. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1994)024<2546:MWETIT>2.0.CO;2
  21. Benilov A.Y., Ly L.N. Modeling of surface waves breaking effects in the ocean upper layer // Math. Comput.Model. 2002. 35. P. 191–213. https://doi.org/10.1016/S0895-7177(01)00159-5
  22. Kudryavtsev V., Shrira V., Dulov V., Malinovsky V. On the vertical structure of wind-driven sea currents // J. Phys. Oceanogr. 2008. V. 38. No. 10. P. 2121–144. https://doi.org/10.1175/2008JPO3883.1
  23. Rodi W. Examples of calculation methods for flow and mixing in stratified fluids //J. Geophys. Res. 1987. V. 92. C5. P. 5305–5328. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p05305
  24. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. Руководство по расчету режимных характеристик морского ветрового волнения. Руководящий документ № РД 52.10.865-2017, Российская Федерация: утвержден Руководителем Росгидромета 10.07.2017, введен в действие приказом Росгидромета от 08.08.2017 № 396; зарегистрирован в ФГБУ “НПО Тайфун” от 19.07.2017 за № РД 52.10.865-2017. https://docs.cntd.ru/document/552150117?ysclid=ls7ttofag65936785 (дата обращения 22.05.2024).
  25. Katsaros K.B., Atakturk S.S. Dependence of wave breaking statistics on wind stress and wave development / In: Breaking Waves, M. L. Banner and R. H. J. Grimshaw, Eds., Springer. 1992. P. 119–132. https://doi.org/10.1007/978-3-642-84847-6_9
  26. Copernicus Climate Change Service. ECMWF Reanalysis v5 (ERA5). 2023. [online] Available at: https://www.ecmwf.int/en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5 [Accessed: 22 May 2024]. https://doi.org/10.24381/cds.adbb2d47
  27. Маркова Н.В., Дымова О.А. Условия формирования глубоководных противотечений в северо-восточной части Черного моря // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2023. № 5. С. 25–36. https://doi.org/10.31857/S1024708423600057 EDN: TSHOAY
  28. Демышев С.Г. Моделирование сезонной изменчивости гидрофизических полей Черного моря с гармонической и бигармонической параметризацией силы трения по горизонтали // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. Т. 39. № 2. С. 278–288. EDN OOCIGZ.
  29. Коротаев Г.К., Еремеев В.Н. Введение в оперативную океанологию Черного моря. Севастополь: НПЦ “ЭКОСИ-Гидрофизика”, 2006. 382 с. ISBN: 966-02-3926-2
  30. Кныш В.В., Моисеенко В.А., Саркисян А.С., Тимченко И.Е. Комплексное использование измерений на гидрофизических полигонах океана в четырехмерном анализе // Докл. АН СССР. 1970. Т. 252. №4. С. 832–836.
  31. Артамонов Ю.В., Скрипалева Е.А., Федирко А.В., Шутов С.А., Шаповалов Р.О., Щербаченко С.В. Циркуляция вод северной части Черного моря в летний сезон 2016 года (по материалам 87-го рейса НИС “Профессор Водяницкий”) // Морской гидрофизический журнал. 2018. 34. № 1. С. 57–70. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2018-1-57-70

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences