Features of Water Exchange between the Black and Marmara Sea Basins Based on the Results of Numerical Simulation with a Simplified Representation of the Strait

Full Text

Введение

Водообмен через пролив Босфор двояко влияет на режим Черного моря. Прежде всего, совместно с речным стоком, осадками и испарением, а также с Керченским проливом он формирует водный и солевой баланс бассейна. Характерный масштаб времени этого процесса определяется отношением объема вод Черного моря к величине расхода через проливы и составляет несколько сотен лет.

Последние наблюдения свидетельствуют, однако, что поступающие через проливы воды дают также вклад в мезомасштабную изменчивость полей бассейна. Это проявляется в распространении на большие расстояния объемов жидкости, отличающихся по своим свойствам от окружающих вод [1].

Можно предположить, что требования к модели пролива различны в зависимости от временного масштаба исследуемого явления. При моделировании многолетних изменений стратификации Черного моря для достижения аккуратного количественного описания водообмена необходимо стараться воспроизвести геометрию проливов с как можно большей подробностью. Иначе небольшие неточности в воспроизведении потоков соли через проливы при длительном интегрировании будут накапливаться с течением времени и искажать тренды эволюции полей бассейна. Детальное описание геометрии проливов требует значительного измельчения расчетной сетки [2]. Однако чтобы сохранить разумное время расчетов, в отмеченной работе авторы загрубили разрешение модели для открытой части Черноморского бассейна.

В то же время для исследования вклада водообмена через проливы в мезомасштабную изменчивость полей Черного моря, как представляется, возможно использовать более грубое описание проливов по сравнению с работой [2].

Отметим также, что пространственного разрешения около 1 км должно быть достаточно для адекватного воспроизведения динамики вод Мраморного моря [3]. В настоящей работе ставится цель продемонстрировать, что более простое описание пролива, которое получается при использовании сетки с таким разрешением, позволяет тем не менее воспроизводить в нем существенные особенности временной изменчивости процессов массо-, тепло- и солепереноса. Таким образом, появляется возможность моделирования вклада водообмена через пролив в относительно высокочастотную изменчивость полей Черного моря. Выбор соответствующего пространственного разрешения модели позволяет адекватно описать изменчивость полей Черного моря, вызванную распространением поступающих через пролив соленых средиземноморских вод.

Материалы и методы

В работе используются результаты, полученные в региональной конфигурации комплекса междисциплинарного моделирования компонентов океанских (морских) систем Nucleus for European Modeling of the Ocean (NEMO) [4] с высоким пространственным разрешением, позволяющей воспроизводить мезо- и субмезомасштабную изменчивость гидрофизических полей в морях Эвксинского каскада. Расчетный домен представляет собой квазирегулярную сетку, покрывающую бассейны Мраморного, Черного и Азовского морей с шагами 1/96° × 1/69° в меридиональном и зональном направлениях соответственно [5]. Разрешение приблизительно соответствует 1,157 км в меридиональном направлении. В зональном направлении шаг меняется равномерно от 1100 м на севере до 1230 м на юге. Топография дна построена на основе цифрового массива рельефа дна EMODnet ¹ (рис. 1, а).

 

Р и с. 1. Топография дна для региональной конфигурации NEMO: для всего расчетного домена (a) и в акватории пролива (b). Конфигурация берегов в проливе приведена по данным сайта https://www.openstreetmap.org/; точками на фрагменте b отмечены положения станций по аналогии с работой [2]: BSS – Bosphorus Strait South, Sariyer – мыс Сарьер, BSN – Bosphorus Strait North; станция M7 взята из работы [6]

F i g. 1. Bottom topography for the NEMO regional configuration: for the entire numerical domain (a) and the strait water area (b). Configuration of the strait coasts is given according to the data from https://www.openstreetmap.org/; dots on fragment b indicate the station positions by analogy with [2]: BSS – Bosphorus Strait South, Sariyer – Cape Sarrier, BSN – Bosphorus Strait North; station M7 is taken from [6]

 

Моделирование водообмена через Босфор является сложной задачей ввиду существенной разницы пространственных масштабов процессов, развивающихся в проливе и в соединяемых им бассейнах. Тем не менее с использованием данного комплекса и с учетом принятой дискретизации по пространству возможно проводить расчеты в области пролива и, таким образом, рассматривать совместную динамику Черного и Мраморного морей. В построенной топографии конфигурация пролива учитывалась грубо (рис. 1, b, с), учитывалось только положение основных порогов у северного и южного входа в пролив. При этом глубина в проливе задавалась равной 48,5 м.

Гидродинамический блок комплекса основан на системе уравнений гидротермодинамики в приближении Буссинеска, гидростатики и несжимаемости жидкости, подробно описанной в [4]. Конечно-разностные аналоги уравнений реализованы для произвольной квазиортогональной сетки по шаблону «C» по терминологии Аракавы. Дискретизация по времени осуществляется посредством модифицированной схемы «чехарда» [7].

Для описания перемешивания по вертикали используется модель k-ε уровня замыкания 2 [8]. Обмен по горизонтали описывается бигармоническим оператором, действующим вдоль поверхности геопотенциала, с отрицательными коэффициентами вязкости и диффузии тепла и соли, равными по модулю 4 × 10⁷ и 8 × 10⁶ м⁴/c соответственно. В качестве уравнения состояния применяется формула ЮНЕСКО ². Конфигурация, используемая в настоящей работе, фактически является «даунскейлингом» конфигурации с разрешением 1/24°, приведенной в работе [9]. Отличия заключались главным образом в параметрах горизонтального турбулентного обмена и в шаге по времени, который в данной работе составляет 60 с.

Задание граничных условий на поверхности выполнено на основе полей температуры и влажности воздуха на высоте 2 м, компонент горизонтальной скорости ветра на высоте 10 м, потоков нисходящего длинноволнового и коротковолнового излучения, осадков в жидкой и твердой фазах, полученных из глобального атмосферного реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) последнего поколения ERA5 ³. Этот продукт имеет достаточно высокое пространственное (1/4°) и временное (1 ч) разрешение, что может быть весьма важно для воспроизведения короткопериодных (внутрисуточных) процессов и дневного хода. Отмеченные метеопараметры с исходной дискретностью по времени использовались для расчета суммарных потоков тепла, массы и напряжения трения ветра посредством балк-формул протокола Coordinated Oceаn-ice Reference Experiments (CORE).

В настоящей работе не ставилась цель полного учета процесса ледообразования в зимний период. Для воспроизведения адекватных значений температуры на северо-западном шельфе Черного моря и в Азовском море использовалась коррекция потока тепла: при достижении температуры замерзания на поверхности ставится условие отсутствия потока тепла, что формально позволяет не описывать формирование ледяных полей.

Для бассейна Мраморного моря западнее о. Мармара (приблизительно вдоль 27,38° в. д.) задаются условия на открытой жидкой границе. Граничные условия для температуры и солености, уровня и скоростей течений были получены на основе ежесуточных продуктов Службы мониторинга состояния морской среды проекта Коперник (Copernicus Marine Environment Monitoring System, CMEMS) ⁴. Для этого по данным анализа за 2007–2016 гг. были получены среднемноголетние климатические значения (рис. 2). Отметим, что в температуре ярко выражен период зимнего выхолаживания, а также прогрев в весенний период и формирование летнего термоклина (рис. 2, a).

 

Р и с. 2. Внутригодовая изменчивость температуры (a) и солености (b) Мраморного моря, осредненных вдоль 27,38° в. д., по данным CMEMS ⁴ за 2007–2016 гг.

F i g. 2. Intra-annual variability of temperature (a) and salinity (b) in the Marmara Sea averaged along 27.38° E based on the CMEMS products ⁴ for 2007–2016

 

Поля солености по данным CMEMS демонстрируют типичную вертикальную халинную структуру вод в бассейне Мраморного моря, где соленость верхнего слоя определяется притоком и последующей трансформацией менее соленых черноморских водных масс. Глубже соленость значительно выше за счет поступления средиземноморских вод: перепад солености глубинных и поверхностных вод превышает 12 (рис. 2, b).

Кроме граничных условий результаты глобального анализа CMEMS были использованы также для задания начальных условий полей. Для инициализации модели в Черном и Азовском морях была использована процедура комбинации различных источников, изложенная в работе [9]. Температура и соленость для Азовского моря построены посредством оптимальной интерполяции наблюдений in situ. В качестве начальных для бассейна Черного моря использованы поля температуры и солености из реанализа гидрофизических параметров Центра морских прогонозов Черного моря [10]. Кроме того, чтобы получить начальные поля на 15 августа 2007 г., был проведен адаптационный расчет по методике, предложенной А. С. Саркисяном. Исходное разрешение подготовленных полей составляло 1/24°, поскольку первоначально они готовились для долгосрочных численных экспериментов с грубым разрешением. Далее массивы были проинтерполированы на сетку новой конфигурации и выполнен предварительный прогностический расчет общей циркуляции каскада за период 15 августа – 31 декабря 2007 г. для адаптации модели к высокому разрешению. Ранее в численных экспериментах было показано, что она происходит в течение около четырех месяцев [11].

Основной численный эксперимент с использованием разработанной конфигурации был проведен за период 1 января 2008 г. – 31 декабря 2009 г. Результаты настоящей работы по времени соответствуют расчету из работы [2]. Это дает возможность провести их сопоставление, чтобы оценить качество моделирования пролива в его схематизированном представлении. Кроме того, период численного эксперимента частично совпал с временем проведения измерений из работы [6], которые также будут использованы для сопоставления. Положение станции M7 из указанной работы отмечено на рис. 1, b.

Анализ результатов

Несмотря на все неточности при воспроизведении конфигурации пролива (рис. 1, b), модель дает весьма правдоподобное распределение гидрологических характеристик вдоль оси пролива. В термохалинных полях отчетливо выделяются два слоя однородных водных масс, разделенных тонким слоем высоких градиентов. Это хорошо выражено на вертикальных разрезах солености вдоль пролива (рис. 3, фрагмент от 14.02.2008). Положение станций, вдоль которых построены разрезы, показано на рис. 1, b.

 

Р и с. 3. Распределение солености морской воды вдоль пролива Босфор в отдельные даты 2008–2009 гг.

F i g. 3. Distribution of seawater salinity along the Bosphorus Strait on certain dates in 2008–2009

 

Отметим, что в расчете воспроизводится сезонный ход общего транспорта через Босфор (рис. 4, а), обусловленный главным образом интенсификацией речного стока в Черном море в мае – июне [12]. Соотношение расходов верхне- и нижнебосфорского течений соответствует диаграммам из работы [2] (рис. 4, с).

Течения в проливе также имеют двухслойную структуру (рис. 3 и 4, b). В верхнем слое течения направлены из Черного моря в Мраморное. Этот слой заполнен водами Черного моря, которые постепенно трансформируются по мере переноса вдоль пролива. Течение в нижнем слое направлено в сторону Черного моря. Здесь содержится вода Мраморного моря, также трансформирующаяся по мере движения. Изменения меридиональной скорости со временем демонстрируют, однако, наличие периодов блокировки верхнебосфорского или нижнебосфорского течения в проливе (рис. 4, а, b).

 

Р и с. 4. Динамика вод в проливе Босфор: а – средняя кинетическая энергия (КЭ) поверхностных течений в Мраморном море и суммарный баротропный меридиональный транспорт в окрестности точки BSN; b – меридиональные течения в северной части (BSN); с – значения втока и оттока как функции значений суммарного транспорта. Вертикальными штриховыми линиями показан период проведения наблюдений из работы ⁶

F i g. 4. Water dynamics in the Bosphorus Strait: a – mean kinetic energy (CE) of surface currents in the Marmara Sea and total barotropic meridional transport in the vicinity of point BSN; b – meridional currents in the northern part (BSN); c – inflow and outflow values as the functions of total transport. Vertical dashed lines indicate the period of observations from [6]

 

Наши расчеты подтверждают также установленный в работе [2] механизм поддержания верхнебосфорского течения в зимний период. Он определяется подъемом уровня Черного моря в прибосфорском районе, обусловленным интенсификацией в это время Основного Черноморского течения (ОЧТ) (рис. 5).

 

Р и с. 5. Уровень Черного моря, осредненный по глубоководной (для глубин более 500 м) и прибосфорской акваториям

F i g. 5. The Black Sea surface level averaged over the deep-sea (deeper than 500 m) and near-Bosphorus areas

 

Сезонному ходу в нашем расчете подвержена также соленость нижнего слоя. В зимний период соленость может достигать 30–35 (рис. 3). При этом высокосоленая вода доходит по дну до порога на выходе из Босфора. Как правило, граница раздела слоев расширяется и поднимается к поверхности при подходе к Мраморному морю (рис. 3). В отдельные промежутки времени соленость у дна падает до 25–30 (рис. 3, фрагмент от 09.04.2008).

Как сезонная, так и высокочастотная изменчивость солености в нижнем слое пролива обусловлены особенностью вертикального строения солености в Мраморном море. В силу поступления более пресных черноморских вод в верхние слои бассейна и высокосоленых вод Эгейского моря в его нижние слои в Мраморном море формируется почти двухслойная стратификация. Колебания положения границы раздела между слоями в районе устья Босфора в Мраморном море определяют изменения солености в нижнем слое пролива.

Для сопоставления с результатами работы [2] рассмотрим разрезы солености вдоль пролива на 26 октября и 2 ноября 2008 г. (рис. 6). Для октября наш расчет показывает несколько более протяженное распространение вод Мраморного моря на север по сравнению с расчетом из работы [2]. Тем не менее в нашем расчете так же, как и в указанной работе, наблюдается блокирование черноморских вод на границе с Мраморным морем. В обоих расчетах видна тенденция подъема границы раздела в период с октября по ноябрь. Придонные воды в наших результатах оказались более холодными (рис. 7). В температуре хуже проявляется процесс вовлечения более соленых, но при этом более теплых мраморноморских вод в бассейн Черного моря.

 

Р и с. 6. Распределение солености вдоль пролива 26 октября и 2 ноября 2008 г. по расчетам из работы ² (a, b) и настоящей работы (c, d)

F i g. 6. Distribution of seawater salinity along the strait on 26.10.2008 and 02.11.2008 based on simulations in [2] (a, b) and in this paper (c, d)

 

Р и с. 7. Распределение температуры (°C) вдоль пролива 26 октября и 2 ноября 2008 г. по расчетам из работы ² (a, b) и настоящей работы (c, d)

F i g. 7. Distribution of seawater temperature (°C) along the strait on 26.10.2008 and 02.11.2008 based on simulations in [2] (a, b) and in this paper (c, d)

 

Граница раздела слоев значительно колеблется во времени. Иногда она поднимается к свободной поверхности и верхнебосфорское течение полностью блокируется (рис. 3, фрагмент от 26.02.2009). В работе [6] показано, что такие события связаны с воздействием ветра. В ней на основе непосредственных наблюдений скорости течений выделены периоды времени, когда верхнебосфорское течение полностью блокировалось. Их сопоставление с результатами настоящей работы (рис. 8) демонстрирует неплохое соответствие: в период проведения наблюдений согласуются события блокировки верхне- и нижнебосфорского течений. При этом отметим, что положение границы раздела этих течений заметно отличается вследствие несоответствия модельной глубины реальной для данной станции.

 

Р и с. 8. Сравнение с данными наблюдений: меридиональные течения (м/с) в северной части про-лива в период 9 сентября 2008 г. – 3 февраля 2009 г. по результатам моделирования (а) и измерениям из работы ⁶ (b)

F i g. 8. Comparison with observational data: meridional currents (m/s) in the northern part of the strait in the period September 9, 2008 – February 3, 2009 based on the results of simulation (a) and measurements from [6] (b)

 

Примерно 7 октября и 22 ноября 2008 г. блокировка верхнебосфорского течения наблюдалась как на южной, так и на северной оконечности пролива, где были выставлены буи с измерителями течений [6]. В анализируемых результатах в эти дни воды Мраморного моря занимают пролив Босфор по всей его глубине – от южного устья и почти до северной оконечности (рис. 3, фрагменты от 7 октября и 22 ноября 2008 г.). Кроме того, из наблюдений, приведенных в [6], следует, что с сентября 2008 г. по февраль 2009 г. наблюдалось еще три случая блокировки верхнебосфорского течения у южной оконечности пролива. В то же время на севере пролива в эти дни, как обычно, в верхнем слое наблюдался перенос черноморских вод в направлении Мраморного моря. Согласно нашему расчету, в эти дни в районе южной оконечности пролива также наблюдается либо исчезновение верхнего слоя, либо существенное уменьшение его толщины.

Наблюдения, приведенные в [6], показали также, что в районе северной оконечности пролива с конца декабря 2008 г. по середину января 2009 г. наблюдалось несколько случаев блокировки нижнебосфорского течения. Согласно работе [6], полная блокировка переноса в направлении Черного моря наблюдалась в конце декабря (рис. 8). Разрезы солености вдоль пролива (рис. 3) показывают, что в это время нижнебосфорское течение полностью блокируется на его северной оконечности.

Примерно между 5 и 14 января 2009 г. нижнебосфорское течение на севере пролива, согласно работе [6], блокируется почти до дна (рис. 8). В нашем расчете в эти дни нижний слой не исчезает полностью, но его толщина существенно уменьшается. Вместе с тем в расчетах наблюдается и полная блокировка нижнебосфорского течения почти по всей длине пролива (рис. 3, фрагмент от 26.02.2009).

В целом анализ меридиональных течений в проливе за два года демонстрирует, что блокировки верхнебосфорского течения происходят начиная с сентября (рис. 4, b), что, по-видимому, вызвано интенсификацией течений в Мраморном море к этому времени (рис. 4, a), обусловленной ветровым воздействием. При этом далее, как видно из рис. 5, происходит ослабление ОЧТ. При ослаблении мраморноморской циркуляции можно наблюдать явления блокировки нижнебосфорского течения.

Обсуждение

Анализ меридиональных течений в проливе демонстрирует, что блокировки верхнебосфорского течения происходят начиная с сентября, что может быть вызвано интенсификацией обусловленных ветровым воздействием течений в Мраморном море и последующим ослаблением ОЧТ. Это приводит к поступлению соленых мраморноморских вод в бассейн Черного моря и формированию в нем линз соленой воды, воспроизведенных в представленном численном эксперименте [5]. Это также может быть объяснением интрузий соленой воды, выявленных в этот период по измерениям буев-профилемеров [1]. При ослаблении мраморноморской циркуляции в зимне-весенний период можно наблюдать обратные явления, при которых возникают события блокировки нижнебосфорского течения.

Выводы

Приведенное в настоящей работе сопоставление гидрофизических полей в проливе Босфор с наблюдениями показывает, что предложенная модель весьма неплохо воспроизводит ситуации блокировки верхнебосфорского или нижнебосфорского течения по сравнению с конечно-элементными моделями, позволяющими учитывать более сложную конфигурацию пролива. При этом соотношения расходов верхне- и нижнебосфорского течений, полученные на основе конечно-элементных моделей и по результатам нашего численного эксперимента, количественно согласуются. Подтвержден механизм поддержания верхнебосфорского течения в зимний период. Он определяется подъемом уровня Черного моря в прибосфорском районе, обусловленным интенсификацией ОЧТ.

Основываясь на результатах такой калибровки предлагаемой региональной конфигурации модели NEMO, можно полагать, что она качественно верно описывает реакцию пролива на изменения как ветрового воздействия, так и плотности морской воды в окрестности северного и южного входов в пролив.

 

¹ URL: http://www.emodnet-bathymetry.eu (date of access: 16.10.2016).

² Fofonoff N. P., Millard Jr, R. C. Algorithms for the computation of fundamental properties of seawater. Paris, France : UNESCO, 1983. 53 p. (UNESCO Technical Papers in Marine Sciences ; vol. 44). https://doi.org/10.25607/OBP-1450

³ ERA5: Fifth generation of ECMWF atmospheric reanalyses of the global climate // Copernicus Climate Change Service Climate Data Store (CDS) : site. 2017. URL: https://cds.climate.copernicus.eu/ (date of access: 22.08.2018).

⁴ Global Ocean 1/12° Physics Analysis And Forecast Updated Daily. 2018. URL: http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products/?option=com_csw& view=details&product_id=GLOBAL_ANALYSIS_FORECAST_PHY_001_02 (date of access: 22.08.2018).

About the authors

A. I. Mizyuk

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: artem.mizyuk@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0003-4885-354X
SPIN-code: 8285-8260

ведущий научный сотрудник, отдел динамики океанических процессов, кандидат физико-математических наук

Russian Federation, Sevastopol

G. K. Korotaev

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: gkorotaev@gmail.com
SPIN-code: 9861-2241

научный руководитель, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор

Russian Federation, Sevastopol

References

Supplementary files