PHYSICAL OCEANOGRAPHY

Морской гидрофизический журнал

0233-7584 1573-160X

106367

WNMFEK

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЭКСПЕДИЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

EXPERIMENTAL AND EXPEDITIONAL RESEARCH

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЭКСПЕДИЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Vertical Mixing in the Lower Part of Main Pycnocline in the Black Sea

Вертикальное перемешивание в нижней части основного пикноклина Черного моря

https://orcid.org/0000-0001-9022-3379

Морозов

Алексей Николаевич

Morozov

Aleksey Nikolaevich

anmorozov@mhi-ras.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

Морской Гидрофизический Институт РАН Sevastopol’ Россия Marine Hydrophysical Institute RAS Sevastopol’ Russian Federation

11 07 2025

41 5 586 598 07 11 2024 18 02 2025

https://mhi-ras.editorum.ru/en/nauka/article/106367/view

Цель. Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии в нижней части основного пикноклина в районе континентального склона и в глубоководной зоне Черного моря – цель настоящей работы. Методы и результаты. Использованы данные, собранные в 87-м рейсе НИС «Профессор Во-дяницкий», проходившем в центральном секторе северной части Черного моря с 30 июня по 18 июля 2016 г. Профили температуры, солености и скорости течения измерялись CTD/LADCP-зондами. Предложен способ применения параметризации G03 для слоя толщиной ~ 200 м между изопикнами со значениями условной плотности 15,5 и 16,8 кг/м3. Для подавления шумов изме-рения использовались изопикническое осреднение по ансамблю станций и аппроксимация ре-зультирующих профилей параметров степенными функциями. Различие передаточных функций обработки CTD- и LADCP-данных учитывалось при интегрировании канонического спектра внутренних волн. По данным 20 глубоководных станций получен изопикнически осредненный профиль частоты плавучести, демонстрирующий слои ее степенной и экспоненциальной зависи-мости от глубины. Детально с представлением графического материала обсуждаются методиче-ские вопросы применения параметризации G03 в нижней части основного пикноклина Черного моря. Профили коэффициента вертикальной турбулентной диффузии показывают его почти постоянное значение ~ 210−6 м2/с в районе континентального склона и линейное возраста-ние с глубиной от 110−6 до 210−6 м2/с в глубоководной части моря. Максимальное значение рассчитанных потоков тепла составляет 12 мВт/м2, что подтверждает их незначительное влияние на прогрев холодного промежуточного слоя. Поток соли на верхней границе слоя в районе кон-тинентального склона составил 610−5 г/(м2с), в глубоководной части моря ~ 310−5 г/(м2с). На нижней границе слоя потоки соли почти одинаковы для двух районов, они составили ~ 510−6 г/(м2с). Отношение сдвиг/деформация проявляет резкое увеличение с глубиной и подчеркивает значительное различие природы мелкомасштабных процессов на границах нижней части основ-ного пикноклина. Выводы. Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии с применением парамет-ризации G03 хорошо согласуется со значениями, полученными в других районах моря по дан-ным микроструктурных зондов. Вопрос сопоставимости оценок тем не менее остается открытым и требует проведения синхронных измерений микроструктурными и CTD/LADCP-зондами.

Purpose. The purpose of the study is to assess the vertical turbulent diffusion coefficient in the lower part of main pycnocline in the areas of continental slope and deep part of the Black Sea. Methods and Results. The data collected during the 87th cruise of R/V “Professor Vodyanitsky” which was conducted in the central sector of the northern Black Sea from June 30 to July 18 in 2016, are used. The profiles of temperature, salinity and current velocity were measured by CTD/LADCP probes. A method for applying the G03 parameterization to the ~ 200 m thickness layer located between the iso-pycns with conditional density 15.5 and 16.8 kg/m3 is proposed. To suppress measurement noise, the isopycnal averaging over the station ensemble as well as the approximation of the resulting parameter profiles by power functions are applied. The difference between the transfer functions of CTD and LADCP data processing is taken into account when integrating the canonical spectrum of internal waves. The data from 20 deep-sea stations permitted to obtain the buoyancy frequency profile averaged over the isopycns, which demonstrated the layers of its power and exponential dependences on depth. The methodological problems in applying the G03 parameterization to the lower part of the Black Sea main pycnocline are discussed in detail including the graphic presentation of data. The profiles of verti-cal turbulent diffusion coefficient show its almost constant value of ~ 210-6 m2/s in the region of continental slope and its linear increase with depth from 110-6 m2/s to 210-6 m2/s in the deep part of the sea. The maximum value of calculated heat fluxes reaches 12 mW/m2 and confirms their insignificant effect on the heating of cold intermediate layer. The salt flux at the layer upper boundary in the area of continental slope is 610-5 g/(m2s) and in the deep part of the sea – ~ 310-5 g/(m2s). At the layer lower boundary, the salt fluxes are almost the same for both areas and constitute ~ 510-6 g/(m2s). As for the shear-to-strain ratio, its sharp increase with depth is evident, and a significant difference in the nature of small-scale processes at the boundaries of lower part of the main pycnocline is clearly pronounced. Conclusions. The estimate of vertical turbulent diffusion coefficient obtained using the G03 parameteri-zation is in good agreement with the values resulted from the microstructural sounding in other sea re-gions. However, the issue of comparability of the estimates remains open and requires synchronous measurements with microstructural and CTD/LADCP probes.

Черное море основной пикноклин вертикальное турбулентное перемешивание Основное Черноморское течение сдвиг скорости течения деформация

Black Sea main pycnocline vertical turbulent mixing Rim Current current velocity shear strain

работа выполнена в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-0012 «Оперативная океанология».

The study was carried out within the framework of theme of state assignment of FSBSI FRC MHI FNNN-2024-0012 “Operational Oceanology”

Влияние динамики течений на гидрофизическую структуру вод и вертикальный обмен в деятельном слое Черного моря / А. Г. Зацепин [и др.] // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 327–339. EDN IAFSJJ.

Vliyanie dinamiki techeniy na gidrofizicheskuyu strukturu vod i vertikal'nyy obmen v deyatel'nom sloe Chernogo morya / A. G. Zacepin [i dr.] // Okeanologiya. 2007. T. 47, № 3. S. 327–339. EDN IAFSJJ.

Munk W. H. Abyssal recipes // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1966. Vol. 13, iss. 4. P. 707–730. https://doi.org/10.1016/0011-7471(66)90602-4

Munk W. H., Anderson E. R. Notes on the theory of the thermocline // Journal of Marine Re-search. 1948. Vol. 7, iss. 3. P. 276–295.

Finescale parameterizations of turbulent dissipation / K. L. Polzin [et al.] // Journal of Geophys-ical Research: Oceans. 2014. Vol. 119, iss. 2. P. 1383–1419. https://doi.org/10.1002/2013JC008979

Turbulent diapycnal fluxes as a pilot Essential Ocean Variable / A. Le Boyer [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2023. Vol. 10. 10:1241023. https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1241023

Turbulence Across the Antarctic Circumpolar Current in the Indian Southern Ocean: Micro-Temperature Measurements and Finescale Parameterizations / Y. Sasaki [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2024. Vol. 129, iss. 2. e2023JC019847. https://doi.org/10.1029/2023JC019847

Takahashi A., Hibiya T. Assessment of Finescale Parameterizations of Deep Ocean Mixing in the Presence of Geostrophic Current Shear: Results of Microstructure Measurements in the Antarctic Circumpolar Current Region // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018. Vol. 124, iss. 1. P. 135–153. https://doi.org/10.1029/2018JC014030

Gregg M. C., Yakushev E. Surface ventilation of the Black Sea’s cold intermediate layer in the middle of the western gyre // Geophysical Research Letters. 2005. Vol. 32, iss. 3. L03604. https://doi.org/10.1029/2004GL021580

Вертикальный турбулентный обмен в Черном море: экспериментальные исследования и моделирование / А. С. Самодуров [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 6. С. 735–759. EDN LCDZNK.

Vertikal'nyy turbulentnyy obmen v Chernom more: eksperimental'nye issledovaniya i modelirovanie / A. S. Samodurov [i dr.] // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2023. T. 39, № 6. S. 735–759. EDN LCDZNK.

10.

Подспутниковый полигон для изучения гидрофизических процессов в шельфово-склоновой зоне Черного моря / А. Г. Зацепин [и др.] // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 1. С. 16–29. EDN RTOUUT. https://doi.org/10.7868/S0002351513060163

Podsputnikovyy poligon dlya izucheniya gidrofizicheskih processov v shel'fovo-sklonovoy zone Chernogo morya / A. G. Zacepin [i dr.] // Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2014. T. 50, № 1. S. 16–29. EDN RTOUUT. https://doi.org/10.7868/S0002351513060163

11.

Подымов О. И., Зацепин А. Г., Островский А. Г. Вертикальный турбулентный обмен в Черноморском пикноклине и его связь с динамикой вод // Океанология. 2017. Т. 57, № 4. С. 546–559. EDN ZCRXXJ. https://doi.org/10.7868/S0030157417040049

Podymov O. I., Zacepin A. G., Ostrovskiy A. G. Vertikal'nyy turbulentnyy obmen v Chernomorskom piknokline i ego svyaz' s dinamikoy vod // Okeanologiya. 2017. T. 57, № 4. S. 546–559. EDN ZCRXXJ. https://doi.org/10.7868/S0030157417040049

12.

Podymov O. I., Zatsepin A. G., Ostrovskii A. G. Fine Structure of Vertical Density Distribution in the Black Sea and Its Relationship with Vertical Turbulent Exchange // Journal of Marine Science and Engineering. 2023. Vol. 11, iss. 1. 170. https://doi.org/10.3390/jmse11010170

13.

Морозов А. Н., Лемешко Е. М. Методические аспекты использования акустического до-плеровского измерителя течений (ADCP) в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2006. № 4. С. 31–48. EDN YOFQNN.

Morozov A. N., Lemeshko E. M. Metodicheskie aspekty ispol'zovaniya akusticheskogo do-plerovskogo izmeritelya techeniy (ADCP) v Chernom more // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2006. № 4. S. 31–48. EDN YOFQNN.

14.

Gregg M. C., Sanford T. B., Winkel D. P. Reduced mixing from the breaking of internal waves in equatorial waters // Nature. 2003. Vol. 422. P. 513–515. https://doi.org/10.1038/nature01507

15.

Dissipation Rate Estimates from Microstructure and Finescale Internal Wave Observations along the A25 Greenland–Portugal OVIDE Line / B. Ferron [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2014. Vol. 31, iss. 11. P. 2530–2543. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-14-00036.1

16.

Microstructure Mixing Observations and Finescale Parameterizations in the Beaufort Sea / E. C. Fine [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2021. Vol. 51, iss. 1. P. 19–35. https://doi.org/10.1175/JPO-D-19-0233.1

17.

Validation Finescale Parameterizations for the Eastern Arctic Ocean Internal Wave Field / T. M. Baumann [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2023. Vol. 128, iss. 11. e2022JC018668. https://doi.org/10.1029/2022JC018668

18.

Henyey F. S., Wright J., Flatté S. M. Energy and action flow through the internal wave field: An eikonal approach // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1986. Vol. 91, iss. C7. P. 8487–8495. https://doi.org/10.1029/JC091iC07p08487

19.

Polzin K. L., Toole J. M., Smith R. W. Finescale Parameterizations of Turbulent Dissipation // Journal of Physical Oceanography. 1995. Vol. 25, iss. 3. P. 306–328. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1995)025<0306:FPOTD>2.0.CO;2

20.

Морозов А. Н., Маньковская Е. В. Характеристики придонного конвективного слоя Чер-ного моря по натурным данным (июль 2016 года) // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 5. С. 548–561. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-5-548-561

Morozov A. N., Man'kovskaya E. V. Harakteristiki pridonnogo konvektivnogo sloya Cher-nogo morya po naturnym dannym (iyul' 2016 goda) // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2022. T. 38, № 5. S. 548–561. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-5-548-561

21.

Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь, 2011. 212 с.

Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol', 2011. 212 s.

22.

Морозов А. Н., Маньковская Е. В. Пространственные характеристики холодного проме-жуточного слоя Черного моря летом 2017 года // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 4. С. 436–446. EDN BCSYUB. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-4-436-446

Morozov A. N., Man'kovskaya E. V. Prostranstvennye harakteristiki holodnogo prome-zhutochnogo sloya Chernogo morya letom 2017 goda // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2021. T. 37, № 4. S. 436–446. EDN BCSYUB. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-4-436-446

23.

Stanev E. V., Chtirkova B., Peneva E. Geothermal Convection and Double Diffusion Based on Profiling Floats in the Black Sea // Geophysical Research Letters. 2021. Vol. 48, iss. 2. e2020GL091788. https://doi.org/10.1029/2020GL091788

24.

Самодуров А. С. Взаимодополняемость различных подходов для оценки интенсивности вертикального турбулентного обмена в естественных стратифицированных бассейнах // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 6. С. 37–48. EDN XGXULL. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2016-6-37-48

Samodurov A. S. Vzaimodopolnyaemost' razlichnyh podhodov dlya ocenki intensivnosti vertikal'nogo turbulentnogo obmena v estestvennyh stratificirovannyh basseynah // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2016. № 6. S. 37–48. EDN XGXULL. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2016-6-37-48

25.

Garrett C., Munk W. Space-time scales of internal waves: A progress report // Journal of Geo-physical Research. 1975. Vol. 80, iss. 3. P. 291–297. https://doi.org/10.1029/JC080i003p00291

26.

Cairns J. L., Williams G. O. Internal wave observations from a midwater float, 2 // Journal of Geophysical Research. 1976. Vol. 81, iss. 12. P. 1943–1950. https://doi.org/10.1029/JC081i012p01943

27.

Морозов А. Н. Вертикальное перемешивание в основном пикноклине Черного моря в летний сезон // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 3. С. 251–263. EDN POFJIH.

Morozov A. N. Vertikal'noe peremeshivanie v osnovnom piknokline Chernogo morya v letniy sezon // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2025. T. 41, № 3. S. 251–263. EDN POFJIH.

28.

Global Abyssal Mixing Inferred from Lowered ADCP Shear and CTD Strain Profiles / E. Kunze [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36, iss. 8. P. 1553–1576. https://doi.org/10.1175/JPO2926.1

29.

Gregg M. C. Scaling turbulent dissipation in the thermocline // Journal of Geophysical Re-search: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C7. P. 9686–9698. https://doi.org/10.1029/JC094iC07p09686

30.

Fer I. Scaling turbulent dissipation in an Arctic fjord. // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 1–2. P. 77–95. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.01.003

31.

Chinn B. S., Girton J. B., Alford M. H. The Impact of Observed Variations in the Shear-to-Strain Ratio of Internal Waves on Inferred Turbulent Diffusivities // Journal of Physical Ocean-ography. 2016. Vol. 46, iss. 11. P. 3299–3320. https://doi.org/10.1175/JPO-D-15-0161.1

32.

Циркуляция вод и характеристики разномасштабных течений в верхнем слое Черного моря по дрифтерным данным / В. М. Журбас [и др.] // Океанология. 2004. Т. 44, № 1. С. 34–48. EDN OWJSRJ.

Cirkulyaciya vod i harakteristiki raznomasshtabnyh techeniy v verhnem sloe Chernogo morya po drifternym dannym / V. M. Zhurbas [i dr.] // Okeanologiya. 2004. T. 44, № 1. S. 34–48. EDN OWJSRJ.

33.

Seasonal Variability of Near-Inertial Internal Waves in the Deep Central Part of the Black Sea / E. Khimchenko [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2022. Vol. 10, iss. 5. 557. https://doi.org/10.3390/jmse10050557

34.

Khimchenko E., Ostrovskii A. Observations of Near-Inertial Internal Waves over the Continental Slope in the Northeastern Black Sea // Journal of Marine Science and Engineering. 2024. Vol. 12, iss. 3. 507. https://doi.org/10.3390/jmse12030507

35.

Морозов А. Н., Маньковская Е. В., Федоров С. В. Инерционные колебания в северной части Черного моря по данным натурных наблюдений // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 1. С. 43–53. EDN UCLNDV. https://doi.org/10.7868/S2073667321010044

Morozov A. N., Man'kovskaya E. V., Fedorov S. V. Inercionnye kolebaniya v severnoy chasti Chernogo morya po dannym naturnyh nablyudeniy // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2021. T. 14, № 1. S. 43–53. EDN UCLNDV. https://doi.org/10.7868/S2073667321010044