Океанология, 2022, T. 62, № 6, стр. 857-868

ВВЕДЕНИЕ

Характерными морфологическими особенностями северо-восточной части Черного моря являются довольно узкий шельф и выраженный континентальный склон с резким перепадом глубин. Топография континентального склона (в частности, его ширина) оказывает значительное влияние на структуру и устойчивость пограничных морских течений, к которым относится и Основное черноморское течение (ОЧТ). Поэтому можно полагать, что степень влияния топографии континентального склона на структуру ОЧТ и изменчивость прибрежных шельфовых течений должна быть весьма ощутимой [3]. По данным измерений профилографа “Аквалог”, установленного в склоновой зоне акватории г. Геленджика, выявлено, что в глубоководной части моря преобладают крупномасштабные движения воды, связанные с меандрированием ОЧТ, динамикой мезомасштабных вихрей, а также изменчивостью общебассейновой циркуляции [5]. В структуре течений прибрежной шельфовой зоны также выделяются собственные моды колебаний. Анализ данных долгопериодных квазинепрерывных измерений скорости течений, выполненных с помощью акустического доплеровского профилографа ADCP [7], показал, что значительную часть времени прибрежные течения носят осциллирующий характер с характерными периодами колебаний от часов до нескольких суток. При этом в годовом цикле горизонтальные перемещения частиц для всего слоя воды практически близки к нулю, что может быть связано с присутствием на шельфе субмезомасштабных шельфовых вихрей, как циклонических, так и антициклонических, с диаметрами в пределах первого десятка километров и скоростями орбитального движения, достигающими 0.5 м/c. Эти вихри, как правило, не являются геострофическими, характеризуются высокими значениями числа Россби и имеют радиус деформации меньше локального бароклинного радиуса. В целом, сложные динамические взаимодействия в системе шельф – глубоководная часть моря ответственны за перераспределение загрязняющих веществ, процессы очищения вод и, в целом, экологическое состояние прибрежной зоны моря [4].

Исследования гидродинамического режима прибрежных вод осуществляются, как правило, средствами спутниковой и экспериментальной океанографии, а также методами математического моделирования. Альтиметрические спутниковые данные, а также результаты наблюдений в оптическом или инфракрасном диапазонах спектра позволяют анализировать динамику морских вод в масштабе всего моря (см., например, [8]), но при этом временна́я дискретность последовательных спутниковых снимков (как правило, сутки – несколько суток) недостаточна для рассмотрения короткопериодных особенностей динамики вод.

Контактные методы измерений гидродинамических параметров предоставляют широкий набор измеряемых величин, формирующих крайне важные ряды наблюдений, но с конкретной географической привязкой (точка постановки приборов, вертикальный разрез, пространственный полигон сравнительно небольших размеров). В этой связи отметим полигон “Геленджик”, расположенный на северо-восточном шельфе в районе г. Геленджика и являющийся, по сути, единственным в России специализированным экспериментальным центром по исследованию динамики вод [6]. Создание и успешное функционирование полигона позволило на качественно новом уровне проанализировать разнообразные гидродинамические процессы, протекающие в прибрежной зоне Черного моря, в частности [7, 9]:

• подтвержден реверсивный характер прибрежных течений, определяемый, в основном, квазипериодическим прохождением через точку наблюдений мезомасштабных антициклонических, а в шельфовых водах – субмезомасштабных вихрей;

• установлено, что основным механизмом образования циклонических или антициклонических шельфовых субмезомасштабных вихрей с диаметрами в пределах первого десятка километров является сдвиговая неустойчивость ОЧТ со стрежнем, расположенным над континентальным склоном, а также течений, возникающих на периферии более крупных мезомасштабных вихрей. Другие механизмы формирования субмезомасштабных структур связаны со взаимодействием затухающих прибрежных течений с неровностями линии берега (мысами, бухтами) и с пространственной неоднородностью поля ветра.

Существенным дополнением указанных подходов является численное моделирование, которое, с учетом физических ограничений и допущений, заложенных непосредственно в модели, выступает современным и эффективным инструментом исследований в широком диапазоне пространственно-временнóй изменчивости гидродинамических полей.

Определим основные задачи настоящей работы:

1. На основании экспериментальных данных для условий шельфовой зоны северо-восточного побережья Черного моря верифицировать гидродинамическую численную модель морских течений.

2. Исследовать особенности колебаний скоростей течений в частотной области.

3. На основании осредненных полей течений оценить основные сезонные черты циркуляции вод в шельфовой зоне северо-восточного побережья Черного моря.

ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ

Основной метод исследований – математическое моделирование с использованием программного комплекса DHI MIKE 21/3 Coupled Model FM [10]. DHI MIKE является многокомпонентной вычислительной системой, в состав которой входят взаимосвязанные гидродинамический (модель течений) и волновой модули. Дадим краткую характеристику используемых моделей.

1. Трехмерная модель течений базируется на численном решении уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска. Модель состоит из уравнений движения, неразрывности, а также диффузии тепла и соли (плотности) с использованием турбулентной схемы замыкания.

2. Спектральная волновая модель. В модели в полной мере реализованы этапы зарождения, затухания и трансформации полей ветровых волн с учетом следующих физических механизмов: рефракция волновых лучей в поле переменной донной топографии и течений; блокирование и отражение волн на встречном течении; обрушение волн и забурунивание; диссипация волновой энергии за счет донного трения; трех- и четырехволновые взаимодействия.

3. Динамическое взаимодействие моделей осуществляется учетом на каждом заданном временно́м шаге: в гидродинамической модели – радиационных волновых напряжений, получаемых из спектральной модели; в спектральном волновом блоке – актуального уровня моря и течений, рассчитываемых по гидродинамической модели. Объединение моделей позволяет в наиболее полной форме описывать гидродинамические особенности прибрежных вод.

На основе батиметрической карты Черного и Азовского морей методом триангуляции построена неравномерная расчетная сетка, состоящая из 23 800 элементов со сгущением в районе шельфа в северо-восточной части Черного моря (рис. 1). Расчетная область ограничена координатами 40.5°– 47.5° с.ш., 27°–42° в.д. В вертикальной плоскости используется σ-координатная 20-слойная сетка. Характерные линейные размеры элементов в непосредственно шельфовой зоне составляют порядка 0.5–1.2 км.

Входными данными для моделирования являются:

• выборка из базы данных глобального атмосферного реанализа ERA-Interim, представленного Европейским центром среднесрочных прогнозов (http://apps.ecmwf.int), состоящая из полей компонентов приземного ветра, атмосферного давления, коротко- и длинноволновой радиации, температуры воздуха, относительной влажности, облачности, испарения, осадков. Пространственное разрешение полей по широте и долготе – 0.25°, временно́й шаг – 3 ч;

• средние расходы основных рек бассейна Черного моря [2];

• климатические поля температуры и солености на горизонтах 0, 50, 100, 200, 300, 400, 500 м [11].

Расчеты проведены за 5 лет, с января 2016 г. по декабрь 2020 г., при этом стартовая дата моделирования – октябрь 2015 г. Основными выходными расчетными величинами, используемыми в дальнейшем анализе, являются получасовые поля горизонтальных компонент (U, V) и модуля C скорости течений.

Для верификации численной модели использовались данные, полученные с помощью донной станции ADCP RDI WH 600 кГц (Teledyne RD Instruments), расположенной на глубине 26 м на траверсе Голубой бухты г. Геленджика (рис. 1). Донная станция, входящая в состав гидрофизического полигона ИО РАН и функционирующая с 2010 г., позволяет получать вертикальные профили скорости течений с дискретностью 0.5 м, исключая непосредственно поверхностный и придонный слои. К сожалению, функционирование донного ADCP связано с рядом чисто технических трудностей, приводящих к потере данных. Иногда пропуски могут быть краткосрочными (потеря питания, трудности интерпретации сигнала) или же составлять значительный период времени (к примеру, сервисный ремонт, требующий специализированного оборудования). В этих условиях отдельной задачей является выборка непрерывных репрезентативных данных за (желательно) продолжительный период. В итоге сформированы следующие ряды для скоростей (U, V, C) и направления течений: 1–28 января 2016 г., глубины – 1.5 и 18.5 м; 1–18 февраля 2016 г., 1.5 и 18.5 м; февраль–июнь 2018 г., 1.5 м. Результаты сравнения экспериментальных и модельных данных приведены на рис. 2–4.

Количественной оценкой соответствия расчетных величин экспериментальным данным служат: средняя ошибка (Bias), среднеквадратичное отклонение (RMS) и коэффициент корреляции (R). Статистические оценки указанных параметров выполнены по соотношениям:

где S_i и O_i – соответственно расчетные и наблюденные значения; $\overline {~S} $ и $\bar {O}$ – их средние значения. Рассчитанные статистические данные для рядов скоростей течений приведены в табл. 1.

Данные таблицы показывают систематическое занижение моделью V-компонента горизонтальной скорости течения и завышение U-компонента, что может быть связано с недостаточной воспроизводимостью глобальной атмосферной моделью ERA местных ветровых условий. Удобной графической иллюстрацией данных таблицы является диаграмма Тейлора [12], представленная на рис. 5. Диаграмма построена в терминах “стандартное отклонение” – “коэффициент корреляции”. Коэффициент корреляции (круговая ось графика) приведен в логарифмическом масштабе. Для удобства сравнения используется нормализованное стандартное отклонение. Статистические характеристики рядов экспериментальных наблюдений расположены в одной точке (0, 1), что позволяет визуально оценить качество модели применительно ко всем станциям наблюдения.

Как следует из рис. 5, модель в целом демонстрирует неплохое соответствие натурным данным как для подповерхностного слоя (1.5 м), так и глубинного (18.5 м). Учитывая сложность, многофакторность и взаимосвязь физических процессов, протекающих на границе раздела океан – атмосфера, а также упрощения, положенные в основу модели, коэффициент корреляции, составляющий 0.5–0.7, вполне можно считать приемлемым. На возможные критические замечания по этому поводу укажем, что сам по себе факт прямого сравнения временны́х рядов скоростей течений трудно назвать распространенным в практике моделирования. В этой связи отметим работу [1], в которой, в числе прочего, для глубины в 35 м сравниваются результаты модельных расчетов и экспериментальные данные, полученные с помощью заякоренного зондирующего комплекса “Аквалог” ИО РАН, установленного в прибрежной зоне г. Геленджика.

Сравним спектральные характеристики экспериментальных серий наблюдений и данных моделирования. Для выявления особенностей, связанных с временно́й структурой колебаний скорости течений, воспользуемся распространенным методом Уэлча. Все дальнейшие вычисления по периодограммному методу спектрального анализа Уэлча проведены в среде Matlab.

Укажем на характерные особенности метода Уэлча:

• использование весовой функции в значительной степени предотвращает растекание спектра и уменьшает смещение получаемой оценки спектральных составляющих ценой незначительного ухудшения разрешающей способности;

• разбиение сигнала на перекрывающиеся фрагменты позволяет увеличить общее число сегментов и уменьшает, таким образом, дисперсию оценки.

На рис. 6 представлены спектры модулей горизонтальных скоростей течений на глубине 1.5 м за январь (6а) и также февраль–июнь 2018 г. (6б). Данные рис. 6 демонстрируют общее соответствие спектральной структуры колебаний экспериментальных и расчетных модулей скорости течения. В январе 2016 г. (6а) наибольшей энергией обладали колебания с периодом порядка 7 и 3–4 сут. В пятимесячных рядах скоростей за 2018 г. (6б) обнаруживаются преобладающие колебания в 23–29, 14–15 и 7–8 сут.

Подводя итог, можем заключить, что объединенная модель DHI MIKE 21/3 Coupled Model FM верифицирована для условий Черного моря и может использоваться как инструмент дальнейших исследований.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенного моделирования для всего Черного моря получены трехмерные поля морских течений за период с 2016 по 2020 гг. Для анализа пространственно-временно́й изменчивости поверхностных течений на северо-восточном шельфе выбраны 24 точки, равномерно расположенные на глубине 25 м от Новороссийска до Сухума. Для этих точек сформированы 5-летние ряды модулей горизонтальной скорости течений с дискретностью в 0.5 ч. В рядах удалены трендовые составляющие, проведена фильтрация данных с полосой пропускания 0.5–45 сут и далее методом Уэлча построены спектры колебаний. Предварительный анализ показал, что полученные таким образом спектры обладают некими общими чертами. Это позволило усреднить спектры по нескольким соседним точкам и получить представление об изменчивости колебаний скорости течений вдоль северо-восточного побережья. На рис. 7 представлены спектры колебаний модуля горизонтальной скорости течений, осредненные по трем районам: Новороссийск – Туапсе (7а), Туапсе – Адлер (7б), Адлер – Сухум (7в).

Как следует из рис. 7, на участке шельфа от Новороссийска до Туапсе (рис. 7a) преобладают колебания с периодом в 13, 6.5, 4.5, 2.7–3.6 сут, от Туапсе до Адлера (рис. 7б) – 18.5, 11.6, 6.7, 4.4–5.4, 2.8–3.5 сут, от Адлера до Сухума (рис. 7в) доминирующим является пик с периодом около 17 сут, также здесь присутствуют колебания в 10 сут и менее выраженные – с периодами 5.5 и 2.8 сут. В спектрах скоростей течений юго-восточнее Туапсе (рис. 7б и особенно 7в) проявляются околоинерционные колебания с периодами порядка 17 ч.

Эффективным средством исследования процессов в частотно-временно́й области является wavelet-преобразование. На рис. 8 представлены wavelet-спектры 5-летних рядов модулей скоростей течений для трех участков северо-восточного шельфа: Новороссийск – Туапсе (рис. 8а), Туапсе – Адлер (рис. 8б), Адлер – Сухум (рис. 8в). В прибрежной зоне северо-восточного побережья Черного моря участок от Новороссийска до Туапсе является динамически наиболее активным (рис. 8а). В спектрах скоростей течений присутствуют колебания в широком диапазоне изменчивости. Наиболее ярко колебания на субмезомасштабном (2.8–4.4 сут) и мезомасштабном (7–13 сут) интервалах проявляются во второй половине осени и зимой. В весенние месяцы подобное доминирование выражено в меньшей степени, за исключением весны 2020 г. На участке от Туапсе до Адлера (рис. 8б) наибольший пик колебаний (суб- и мезомасштабных) приходится на зимние периоды и начало весны, от Адлера до Сухума (рис. 8в) – на осень, и это, как правило, мезомасштабные осцилляции. В летние периоды, что вполне ожидаемо, на всем шельфе наблюдается уменьшение динамической активности. В целом, пространственная неоднородность структуры течений на всем шельфе от Новороссийска до Сухума протяженностью порядка 300 км определяется множеством факторов: батиметрическими (непосредственно шириной шельфой зоны на конкретном участке, рис. 1), морфологическими (изрезанностью береговой линии, наличием препятствий в виде мысов), атмосферными (местными ветрами). Отметим, что, к сожалению, существенным ограничением анализа является крайняя недостаточность прямых инструментальных наблюдений характеристик течений на всем северо-восточном шельфе.

Тем не менее, основываясь на данных численного моделирования, зададимся вопросом: существуют ли географические и сезонные особенности в формировании всей гидродинамической структуры поверхностных течений на северо-восточном шельфе? Некие динамические структуры, в случае наличия как постоянно (вернее, квазистационарно) действующих, так и регулярно формирующихся в определенных местах вихрей определенного знака, должны проявляться на осредненных полях течений. На рис. 9, в качестве примера, отображены средние поля течений за весну 2018 г., а на рис. 10 представлены поля течений (в виде линий тока), осредненные за конкретные сезоны.

Уточним терминологию: “зима 2016 г.” включает в себя декабрь 2015 г., январь и февраль 2016 г.; по остальным годам – аналогично. Как следует из рис. 10, Основное черноморское течение наиболее близко подходит к кромке шельфа в осенний период. При этом между стрежнем ОЧТ и берегом формируются мезомасштабные антициклоны. Зимой 2016 г. наблюдались два антициклона: южнее Новороссийска и Сухума. В остальные годы осредненные карты по зимним периодам не выявили подобных устойчивых антициклонических образований, возможно, в силу их непродолжительного присутствия. В весенние месяцы происходит ослабление ОЧТ, а также общий сдвиг стрежня течения в более глубоководную часть моря, в результате чего образуется довольно устойчивая картина по направлению от глубокой воды к побережью: ОЧТ, полоса антициклонов, цепочка циклонов. Естественно, речь идет о квазистационарных структурах, поскольку на протяжении сезона меандрирование ОЧТ может приводить к образованию мезомасштабных вихрей различного знака. В летний период ОЧТ представляет собой, по сути, малоградиентное поле, прибрежные вихри могут являть собой как мезомасштабные структуры, охватывающие значительную часть шельфовой зоны, так и субмезомасштабные (циклонические и антициклонические).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная цель работы заключалась в исследовании пространственно-временнóй структуры морских течений шельфово-склоновой зоны северо-восточной части Черного моря. Исследования проведены методами численного моделирования с использованием объединенной гидродинамической и спектральной волновой моделей, входящих в расчетный комплекс DHI MIKE. Модель верифицирована по данным натурных наблюдений, выполненных средствами гидрофизического полигона ИО РАН. По итогам моделирования получены получасовые поля скоростей и направлений течений за период с января 2016 по декабрь 2020 гг.

В результате исследований установлено:

1. На участке шельфа от Новороссийска до Туапсе доминируют колебания скоростей поверхностных течений с периодами в 13, 6.5, 4.5, 2.7–3.6 сут, от Туапсе до Адлера – 18.5, 11.6, 6.7, 4.4–5.4, 2.8–3.5 сут, от Адлера до Сухума преобладает пик с периодом около 17 сут, также здесь присутствуют колебания в 10 сут и менее выраженные – с периодами 5.5 и 2.8 сут. В спектрах скоростей течений юго-восточнее Туапсе проявляются околоинерционные колебания с периодами порядка 17 ч.

2. В рамках календарного года район от Новороссийска до Туапсе является динамически наиболее активным, при этом в спектрах скоростей течений присутствуют колебания в довольно широком диапазоне изменчивости. Наиболее интенсивно колебания на субмезомасштабном (2.8– 4.4 сут) и мезомасштабном (7–13 сут) интервалах проявляются во второй половине осени и зимой. В весенние месяцы подобное доминирование выражено в меньшей степени. На участке от Туапсе до Адлера наибольший пик колебаний приходится на зимние периоды и начало весны, от Адлера до Сухума – на осень. В летние периоды, и это вполне ожидаемо, динамическая активность на всем шельфе ослабевает.

3. В осенний период Основное черноморское течение наиболее близко подходит к кромке шельфа, что приводит к формированию между стрежнем ОЧТ и берегом мезомасштабных антициклонов. В зимние периоды подобные устойчивые антициклонические образования не выявлены (кроме 2016 г.), что связано, возможно, с их непродолжительным присутствием. В весенние месяцы происходит сдвиг стрежня ОЧТ в более глубоководную часть моря, результатом чего является образование довольно устойчивой связки: ОЧТ, антициклоны на периферии ОЧТ и, наконец, субмезомасштабные циклоны, прижатые к береговой линии. В летний период ОЧТ выражено слабо, прибрежные вихри могут являть собой как мезомасштабные структуры, охватывающие значительную часть шельфовой зоны, так и субмезомасштабные (циклонические и антициклонические).

Отметим, что выводы, полученные в результате численного моделирования, качественно согласуются с результатами исследований динамической структуры вод, проведенных на основе экспериментальных данных и с привлечением спутниковой информации [3, 9].

Источники финансирования. Постановка задачи выполнена по соглашению № 13.2251.21.0008 Минобрнауки РФ “Комплексные исследования экологического состояния вод прибрежной зоны северо-восточного шельфа Чёрного моря в рамках участия в международном проекте DOORS”, математическое моделирование и вычислительная часть – в соответствии с темой госзадания № FMWE-2021-0013.