Russian Federation
Based on numerical modeling methods (a generalized three-dimensional barotropic linear model of Felsenbaum was used for the case of taking into account Rayleigh friction), the paper considers features of the structure of the current vectors field depending on wind conditions in an upwelling situation in the water area located along the northern coast of the Sevastopol seaside, between Capes Lukull and Tolsty. A two-layer transverse cell of water circulation, typical of upwelling, was identified. The currents were predominantly oriented down wind in the upper layer and in the opposite direction in the bottom layer. It is shown that in the analyzed water area upwelling was caused by northerly, north-easterly, easterly and south-easterly winds. Upwellings caused by the above winds differed in their location and area. Under a north-easterly wind, upwelling was most intense and widespread throughout the water area under consideration. Under a south-easterly wind, upwelling was formed in two small areas: in the bends of the coast, between Capes Margopulo and Lukull and north of Cape Tolsty. The modeling result was compared with data from expeditionary research. Their good agreement under a northerly wind was found.
wind, currents, upwelling, numerical modeling, thermohaline structure, cape Lukull, Black Sea
Введение
Апвеллинг – типичное для океанов и морей явление. Его виды на разных пространственно-временны́ х масштабах довольно хорошо изучены, а резуль- таты исследований отражены в многочисленных публикациях. Это, например, работы [1–6], базирующиеся на анализе экспериментальных контактных и спутниковых данных, и исследования [7, 8], в которых использованы методы
численного моделирования. Результаты изучения апвеллинга важны в приклад- ном плане и находят широкое применение в различных отраслях морской науки.
Согласно [9], сгонно-нагонные явления (соответственно ветровой апвел- линг и даунвеллинг) типичны для севастопольских бухт и открытых участков взморья. Апвеллинг в рассматриваемой небольшой прибрежной акватории исследуется впервые, он интересен и значим в промысловом отношении. Согласно результатам мониторинга черноморского промысла [10], на данном участке во время апвеллинга формируются плотные скопления шпрота, кото- рые успешно облавливаются траулерами среднего тоннажа.
Цели статьи:
- на основе численного моделирования выявить закономерности струк- туры локальной системы течений в ситуации апвеллинга в зависимости от ветровых условий в акватории, расположенной вдоль северного берега Се- вастопольского взморья между м. Лукулл и Толстый;
- оценить интенсивность апвеллинга;
- сравнить полученный результат с данными экспедиционных исследо- ваний.
Изучаемая акватория – прибрежная зона протяженностью около 12 миль вдоль северного берега Севастопольского взморья, расположенная между м. Лукулл и Толстый (рис. 1).
Приглубый берег – одна из основных морфометрических особенностей рассматриваемой акватории, определяющих динамику вод. Прибрежная мел- ководная область ограничена достаточно выраженным свалом глубин.
Известно, что в районах с подобным рельефом дна апвеллинг и даунвел- линг формируются как под действием ветров, имеющих нормальную состав- ляющую относительно береговой линии, так и под влиянием ветровых пото- ков, направленных под острым углом к побережью.
Р ис . 1. Географическое положение исследуемого региона и схема станций съемки, выполненной Морским гидрофизиче- ским институтом в сентябре 2019 г.
F i g. 1 . Geographical location of the study area and survey sta- tion map of the survey performed by Marine Hydrophysical Insti- tute in September 2019
Исходные данные и методы исследования
Постановка задачи
В севастопольских бухтах и на открытых участках взморья преобладают ветровые течения [11, 12]. Поэтому для расчета характеристик течений ис- пользована обобщенная на случай учета рэлеевского трения трехмерная ба- ротропная линейная модель1) Фельзенбаума [12]. Отметим, что численное моделирование гидрологических процессов в подобных бассейнах традици- онно используется отечественными [13, 14] и зарубежными [15–17] авторами для понимания закономерностей, выявленных на основе данных натурных наблюдений.
Учитывая, что на шельфе течения достаточно быстро перестраиваются с учетом ветрового воздействия (примерно за сутки), средние течения будем рассчитывать в рамках теории установившихся течений. В предлагаемой мо- дели учитываются основные факторы, влияющие на течения, как то: сила Ко- риолиса, рельеф дна, конфигурация берега, действие ветра (направление, ин- тенсивность и пространственная неравномерность), придонное и внутреннее трение.
Уравнения линейной теории установившихся течений в однородной жидкости с учетом внутреннего трения, пропорционального скорости тече- ния, запишем в виде
− fv = g ς x + Auzz − ru, fu = g ς y + Avzz − rv,
ux + vy + wz = 0.
Здесь f – параметр Кориолиса; u, v, w – составляющие скорости течения; g – ускорение силы тяжести; ς – понижение уровня; А – кинематический коэф- фициент вертикальной вязкости; r – коэффициент внутреннего трения.
На поверхности моря, представляющей собой поверхность тока, танген- циальное напряжение ветра уравновешивается турбулентным трением в мор- ской воде, так что
при z = 0 Auz = − tx, Avz = − ty, w = 0,
где tx, ty – составляющие тангенциального напряжения ветра, отнесенные к плотности морской воды.
На дне принимается условие прилипания, на твердых границах бассейна (на берегу) – условие непротекания, на открытых жидких границах – условие свободного протекания.
Решение трехмерной задачи о течениях сводится к решению двумерной задачи для интегральной функции тока. Компоненты скорости течения вы- числяются по аналитическим формулам, что позволяет проводить расчеты на сравнительно мелкой сетке и описывать особенности прибрежных течений и течений в бухтах. Расчет проведен послойно для восьми основных румбов умеренных ветров со скоростью 7 м/с в условиях реального рельефа дна. Подробности алгоритма и использованные параметры изложены в работе 1).
Данные наблюдений
Для подтверждения репрезентативности результатов численного экспе- римента, мы использовали данные съемки, проведенной Морским гидрофи- зическим институтом (МГИ) 17 сентября 2019 г. при действии северного вет- ра. Еще четыре съемки рассматриваемого участка Севастопольского взморья, данные которых имеются в нашем распоряжении, были выполнены в штиле- вую и маловетреную погоду.
Согласно данным гидрометеорологического центра Wetterzentrale (URL: http://old.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html), синоптическая ситу- ация над Черным морем в течение первой и второй декад сентября 2019 г. определялась восточной периферией Азорского максимума. Над исследуемой акваторией наблюдался умеренный северный ветер со средней суточной ско- ростью 4–7 м/с.
Съемка выполнена по схеме, включившей 47 дрейфовых станций (рис. 1). Забортные работы проведены с борта маломерного судна «Гладиатор». Диа- пазон исследованных глубин 4–37 м. Массив исходной эмпирической ин- формации сформирован при помощи зондирующего комплекса «Кондор» 2). Температура, соленость и другие параметры состояния водной среды измеря- лись in situ в зондирующем режиме с шагом по глубине 0.1 м. Точность опре- деления температуры ±0.01 °С, солености ±0.005 ЕПС. Представления о ре- альной циркуляции вод под действием северного ветра получены на основе косвенного метода – анализа структуры полей температуры и солености.
Результаты и обсуждение
Как показали результаты модельного эксперимента, апвеллинг наблю- дался в четырех из восьми вариантов расчета, соответствующих следующим направлениям ветра: северному, северо-восточному, восточному, юго-восточ- ному.
В условиях действия этих ветров была выявлена двухслойная характер- ная для апвеллинга поперечная ячейка циркуляции, проявляющаяся оттоком вод от берега в море в верхнем слое и компенсационным потоком в придон- ном слое. Зоны (очаги) апвеллинга идентифицировались в расчетном поле векторов течений в придонном слое по положению потоков, направленных по нормали к береговой линии (рис. 2–5).
Рассмотрим структуру локальной системы течений для каждого из обо- значенных выше направлений ветра.
В верхнем слое вод независимо от направления ветра расчетные вектор- ные поля обладали одинаковым свойством. Течения были ориентированы преимущественно по ветру и имели скорость 5–25 см/с (рис. 2–5).
Северный ветер (рис. 2). В верхнем слое вод наблюдается направленный к югу вдольбереговой поток.
У дна в мористой области течение направлено на северо-восток. По мере приближения к берегу этот поток разворачивается по часовой стрелке,
Р ис . 2 . Векторы течений в поверхностном (a) и придонном (b) слоях в условиях северного ветра. Зеленым контуром обозначен очаг апвеллинга
F i g. 2. Currents vectors in the surface (a) and bottom (b) layers under
a northerly wind. The upwelling area is contoured in green
обусловливая выход придонных вод на мелководье, где формируется вдоль- береговая струя течения южного направления.
Зона апвеллинга площадью ~ 6 кв. миль (протяженность 6 миль и ширина 1 миля) расположена вдоль прямолинейного участка береговой линии, между м. Маргопуло и Толстый. К северу и югу от зоны апвеллинга в изгибах бе- реговой линии наблюдаются две антициклонические вихревые ячейки. Од- на – в изгибе берега между м. Маргопуло и Лукулл, другая – севернее м. Тол- стого (рис. 2, b).
Северо-восточный ветер (рис. 3). В этой ветровой ситуации в верхнем слое на мелководье течение омывает береговую линию и направлено на юго-юго- запад. С удалением от берега оно отклоняется к западо-юго-западу (рис. 3, a).
В придонном слое во всей акватории течение направлено по нормали к берегу, обеспечивая максимальный перенос, подъем и распространение придонных вод на мелководье. Зона апвеллинга имеет максимальную площадь
~ 36 (12 × 3) кв. миль и распространена во всей анализируемой акватории. Вдольбереговые струи течений и вихревые ячейки отсутствуют (рис. 3, b).
Р ис . 3 . Векторы течений в поверхностном (a) и придонном (b) слоях в условиях северо-восточного ветра. Зеленым контуром обозначен очаг апвеллинга
F i g. 3. Currents vectors in the surface (a) and bottom (b) layers under
a north-easterly wind. The upwelling area is contoured in green
В данной ветровой ситуации апвеллинг наиболее интенсивный.
Восточный ветер (рис. 4). Под действием этого ветра в верхнем слое вод течение направлено по ветру с небольшим отклонением влево.
У дна в мористой области течение ориентировано на юго-восток, на мел- ководье – к берегу. Апвеллинг не столь интенсивен, как в ситуации действия северо-восточного ветра, поскольку перенос вод по нормали к берегу сосредо- точен в более узкой прибрежной полосе площадью около 11 (11 × 1) кв. миль. Явно выраженные вдольбереговые струи течения и вихревые ячейки не наблю- даются (рис. 4, b).
Юго-восточный ветер (рис. 5). В этой ветровой ситуации в верхнем слое моря течение следует на северо-северо-запад.
Апвеллинг формируется на двух небольших участках – в изгибах берега к северу от м. Толстого и между м. Маргопуло и Лукулл. Здесь вектор юго- восточного ветра ориентирован по нормали к береговой линии,
Р ис . 4 . Векторы течений в поверхностном (a) и придонном (b) слоях в условиях восточного ветра. Зеленым контуром обозначен очаг апвеллинга
F i g. 4 . Currents vectors in the surface (a) and bottom (b) layers under an easterly wind. The upwelling area is contoured in green
и вследствие ветрового сгона развиваются два небольших очага апвеллинга. Площадь каждого оценивается в 2–3 кв. мили (рис. 5).
На рис. 6 показано распределение температуры и солености в поверх- ностном слое моря рассматриваемой акватории в условиях умеренного устой- чивого северного ветра. Распределение построено по данным экспедиции МГИ, проведенной 17 сентября 2019 г.
Сравнение элементов термохалинной структуры вод (рис. 6) с результатом численного эксперимента (см. рис. 2) показывает их хорошее соответствие.
На прямолинейном участке между м. Маргопуло и Толстый отчетливо видна прибрежная полоса вод пониженной (на 0.6–0.8 °С) температуры отно- сительно окружающего фона, что могло быть следствием апвеллинга.
В изгибе береговой линии севернее м. Толстого наблюдались локальные экстремумы температуры и солености, что косвенно свидетельствует о при- сутствии на этом участке вихревой ячейки.
Р ис . 5 . Векторы течений в поверхностном (a) и придонном (b) слоях в условиях юго-восточного ветра. Зеленым контуром обозначен очаг ап- веллинга
F i g. 5. Currents vectors in the surface (a) and bottom (b) layers under
a south-easterly wind. The upwelling area is contoured in green
Результат численного эксперимента показал, что ветровой апвеллинг – типичное явление для рассмотренной акватории Севастопольского взморья, наблюдаемое в течение значительной части года. Так, согласно розе ветров Севастопольского региона, суммарная повторяемость выявленных нами вет- ров, вызывающих апвеллинг, в течение всего года равна 49 % (рис. 7).
Соответственно данным комплексного мониторинга промысловой обста- новки в Черном море, в районе м. Лукулл (включая исследуемый участок), летом при развитии апвеллинга формируются плотные скопления шпрота, которые облавливаются промысловым флотом. При этом гидродинамические характеристики и температурный режим вод являются надежными предикто- рами для прогнозирования промысловой обстановки c заблаговременностью 5–7 сут [10].
Р ис . 6 . Распределение температуры (a) и солености (b) в поверх- ностном слое моря в условиях умеренного устойчивого северного ветра 17 сентября 2019 г.
F i g. 6. Distribution of temperature (a) and salinity (b) in the surface sea layer under a moderate stable northerly wind on 17 September 2019
Р ис . 7 . Роза ветров Севастопольского регио- на (URL: https://sevastopol.press/2007/05/24/v- kakuju-storonu-veter-duet/)
F i g. 7. Wind rose of the Sevastopol region (Adopted from: https://sevastopol.press/2007/05/24/v- kakuju-storonu-veter-duet/)
Заключение
На основе численных экспериментов рассмотрены особенности апвел- линга в прибрежной акватории Севастопольского взморья между м. Лукулл и Толстый.
Показано, что на анализируемом участке апвеллинг вызывают ветры северного, северо-восточного, восточного и юго-восточного направлений. Апвеллинги, обусловленные указанными ветрами, различаются локацией и площадью очага.
Северный ветер вызывает возникновение апвеллинга на прямолинейном участке береговой линии между м. Маргопуло и Толстый с площадью очага 6 кв. миль. При этом в изгибах берега между м. Маргопуло и Лукулл и север- нее м. Толстого формируются две антициклонические вихревые ячейки.
Под действием северо-восточного ветра апвеллинг наиболее интенсивен и распространен во всей рассматриваемой акватории. Его площадь оценива- ется в 36 кв. миль.
Восточный ветер вызывает апвеллинг, хорошо выраженный, но менее интенсивный по сравнению с ситуацией, определяемой северо-восточным ветром. Его очаг занимает более узкую прибрежную полосу всей рассматри- ваемой акватории площадью в 11 кв. миль.
При юго-восточном ветре апвеллинг формируется только на двух неболь- ших по площади (2–3 кв. мили) участках – в изгибах берега, между м. Марго- пуло и Лукулл, и севернее м. Толстого.
Модельный эксперимент с северным ветром сопоставлен с результатом анализа структуры термохалинного поля по материалам экспедиции МГИ, проведенной в аналогичных ветровых условиях. При сопоставлении подтвер- дились следующие результаты исследования: на прямолинейном участке ис- следуемой акватории находится очаг апвеллинга, а в изгибе береговой линии к северу от м. Толстого – вихревая ячейка.
Показано, что ветровой апвеллинг – характерное явление для северной части Севастопольского взморья, наблюдаемое в течение 49 % всего време- ни года.
Результаты настоящего исследования могут быть использованы для про- гнозирования качества промысловой обстановки по вылову шпрота в иссле- дуемой акватории на основе прогноза ветра. Ветры в северном и юго-восточ- ном секторе, которые вызывают апвеллинг, создают более благоприятные условия для промысла по сравнению с ветрами других направлений.
1. Bogdanova A. K., Korpachev L. N. Sgonno-nagonnaya cirkulyaciya i ee rol' v gidro- logicheskom rezhime Chernogo morya // Meteorologiya i gidrologiya. 1959. № 4. S. 26–32.
2. Blatov A. S., Ivanov V. A. Gidrologiya i gidrodinamika shel'fovoy zony Cherno- go morya (na primere Yuzhnogo berega Kryma). Kiev : Naukova dumka, 1992. 241 s.
3. Pribrezhnyy apvelling v severo-zapadnoy chasti Chernogo morya / A. I. Ginzburg [i dr.] // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 1997. № 6. S. 66–72.
4. Struktura i mezhgodovaya izmenchivost' harakteristik pribrezhnogo chernomor- skogo apvellinga na osnove dannyh sputnikovogo monitoringa / R. V. Borovskaya [i dr.] // Issledovaniya Zemli iz kosmosa. 2008. № 2. S. 26–36. EDN IJUSQN.
5. Csanady G. T. Intermittent “full” upwelling in Lake Ontario // Journal of Geophysical Research. 1977. Vol. 82, iss. 3. P. 397–419. https://doi.org/10.1029/JC082i003p00397
6. Raspredelenie vzveshennogo veschestva u zapadnogo poberezh'ya Kryma pri vozdey- stvii sil'nyh vetrov razlichnyh napravleniy / A. A. Aleskerova [i dr.] // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2019. № 2. S. 74–88. EDN ZIPMWT. https://doi.org/10.31857/S0205-96142019274-88
7. Kosnyrev V. K., Mihaylova E. N., Stanichnyy S. V. Apvelling v Chernom more po rezul'tatam chislennyh eksperimentov i sputnikovym dannym // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 1996. № 5. S. 34–46.
8. Sur H. İ., Özsoy E., Ünlüata Ü. Boundary current instabilities, upwelling, shelf mixing and eutrophication processes in the Black Sea // Progress in Oceanography. 1994. Vol. 33, iss. 4. P. 249–302. https://doi.org/10.1016/0079-6611(94)90020-5
9. Gidrologo-gidrohimicheskiy rezhim Sevastopol'skoy buhty i ego izmeneniya pod vozdeystviem klimaticheskih i antropogennyh faktorov / V. A. Ivanov [i dr.]. Sevastopol' : MGI, 2006. 90 s. URL: http://mhi-ras.ru/assets/files/gidrologo- gidrohimicheskij_rezhim_sevastopolskoj_buhty_2006.pdf (data obrascheniya: 11.05.2024).
10. Panov B. N, Spiridonova E. O. Vozmozhnosti kratkosrochnogo prognozirovaniya vylova chernomorskogo shprota u zapadnyh beregov Kryma // Vodnye bioresursy i sreda obitaniya. 2021. T. 4, № 2. S. 80–88. EDN ZMEUIX. https://doi.org/10.47921/2619-1024_2021_4_2_80
11. Mihaylova E. N., Shapiro N. B. Yuschenko S. A. Modelirovanie rasprostraneniya passivnoy vzvesi v sevastopol'skih buhtah // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 1999. № 3. S. 29–42.
12. Shapiro N. B. Modelirovanie techeniy na sevastopol'skom vzmor'e // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. 2006. Vyp. 14. S. 119–134. EDN ZBOAEP.
13. Fomin V. V., Repetin L. N. Chislennoe modelirovanie vetrovyh techeniy i rasprostraneniya primesi v Balaklavskoy buhte // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2005. № 4. S. 43–58. EDN YUHIZF.
14. Belokopytov V. N., Kubryakov A. I., Pryahina S. F. Modelirovanie rasprostraneniya zagryaznyayuschey primesi v Sevastopol'skoy buhte // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2019. № 1. S. 5–15. EDN VVXROK. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-5-15
15. Burchard H., Rennau H. Comparative quantification of physically and numerically induced mixing in ocean models // Ocean Modelling. 2008. Vol. 20, iss. 3. P. 293–311. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2007.10.003
16. Hofmeister R., Beckers J.-M., Burchard H. Realistic modeling of the exceptional inflows into the central Baltic Sea in 2003 using terrain-following coordinates // Ocean Modelling. 2011. Vol. 39, iss. 3–4. P. 233–247. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2011.04.007
17. Plume spreading test case for coastal ocean models / V. Fofonova [et al.] // Geoscientific Model Development. 2021. Vol. 14, iss. 11. P. 6945–6975. https://doi.org/10.5194/gmd- 14-6945-2021
