Мезомасштабные вихревые структуры на акватории вдоль Кавказского побережья
Чёрного моря: спутниковые наблюдения, измерения in situ и моделирование.

Аннотация
Исследуются спутниковые наблюдения протрузии вихрей — явления, при котором мезомасштабный вихрь, образовавшийся в результате неустойчивости (меандрироания) среднего струйного течения (например, под влиянием резких изменений рельефа дна), пересекает крупномасштабную фронтальную зону. Для исследования эволюции мезомасштабной циркуляции, ее доминирующих свойств, используется модель циркуляции океана DieCAST (с низкой диссипативностью), адаптированная для Черного моря. Проведён анализ вихрей, проходящих через Основное черноморское течение (ОЧТ), где антициклонический вихрь, возникающий в результате нестабильности и меандрирования ОЧТ, пересекает прибрежное течение и проникает в прибрежные акватории. Процессы протрузии значительно усиливают возмущения гидрологических структур и перемешивание как в прибрежных, так и в открытых морских водах, тем самым способствуя механизмам самоочищения в шельфовой зоне. Это явление преимущественно наблюдается с конца осени до начала весны, что следует из спутниковых наблюдений и подтверждается .численным моделированием. Кроме того, рассматриваются случаи, когда, несмотря на выраженное меандрирование ОЧТ, вихри остаются стационарными в пространстве, не смещаясь вдоль траектории стрежня ОЧТ. Хотя это явление было первоначально выявлено по спутниковым снимкам сравнительно давно, исследований процесса при помощью численных и теоретических методов пока не было.

1.Введение. Мезомасштабные вихри на акватории вдоль кавказского побережья Чёрного моря.
Мезомасштабные вихри (МВ), возникающие вдоль побережий Чёрного моря (ЧМ), играют ключевую роль в процессах перемешивания морских вод. Вертикальные движения, вызванные мезомасштабными вихрями, способствуют вентиляции глубинных слоёв и регулируют вертикальное распределение тепла, солености, количества движения и различных примесей. Горизонтальные переносы в пределах мезо-масштабных морских структур сопоставимы с переносом за счёт крупномасштабной циклонической циркуляции ЧМ, называемой Основным черноморским течением (ОЧТ), [1, 2]. Хотя интенсивность этого течения меняется от сезона к сезону, но оно практически прослеживается в течение всего года [3, 4]. Баротропная и/или бароклинная неустойчивости ОЧТ порождает каскадные процессы передачи кинетической энергии к движениям с меньшими пространственно-временными масштабами. Вследствие меандрирования ОЧТ, образуются циклонические вихри (ЦВ) в прибрежной шельфовой зоне ЧМ и антициклонические вихри (АЦВ) мористее стрежня ОЧТ. Перемещаясь вдоль побережья эти вихри формируют сложные суб-мезомасштабные поля, иногда с выраженными структурами на поверхности моря. На спутниковых снимках наблюдаются разнообразные суб-мезомасштабные грибовидные структуры, спиральные вихри, струи, фронты, филаменты и другие формы.
Вся акватория Черного моря охвачена крупномасштабными течениями циклонической циркуляции ОЧТ, которая обусловлена преобладающими атмосферными процессами (экмановской накачкой). В результате бароклинной и/или баротропной неустойчивости ОЧТ вдоль прибрежных зон моря часто возникают циклонические и/или антициклонические вихри. Такие вихри, перемещаясь под действием среднего течения, могут формировать на поверхности моря видимые разнообразные структуры , например, четко выраженные струи, следы (вейки), филаменты и другие мезомасштабные формы, способные усиливать или замедлять процессы переноса вод [10].
Согласно данным экспериментальных и спутниковых наблюдений, в холодное время года, когда возрастает интенсивность экмановской накачки, количество циклонических (ЦВ) и антициклонических (АЦВ) вихрей уменьшается. Напротив, в летний период вихреобразование активизируется. В это время из-за снижения циклонической завихренности ветра и интенсивности экмановской накачки ОЧТ ослабевает, распадается на цепочки интенсивных антициклонических вихрей и практически не прослеживается как единый связный поток [8, 9].
Различные виды неустойчивости ОЧТ обычно приводят к образованию циклонических вихрей, зажатых между течением и побережьем. Однако, как показывают исследования с использованием спутниковой альтиметрии, при определенных условиях эти вихри могут проникать сквозь поток течения, вынося тем самым захваченные ими водные массы и вредные примеси от побережья.
Часть ОЧТ вдоль побережья Кавказа проходит сравнительно недалеко от береговой линии, и называется Кавказско-Керченское течение (ККТ) [5]. Пересекая открытое море по периферии Батумского антициклонического круговорота, ОЧТ прижимается к неширокому шельфу вдоль материкового склона на участке между Абхазией и Крымским полуостровом и является источником ККТ.
На акватории между полуостровами Искурия и Пицунда, периодически возникает антициклонический вихрь. Этот вихрь перемещается по течению ОЧТ в район Новороссийска и далее, к берегам Крыма. Подобное вихреобразование имеет ключевое значение для понимания процессов обмена водными массами. Отделившийся вихрь обычно движется вдоль побережья Кавказа на северо-запад со скоростью около 4–5 км/сут, а отрыв вихрей происходит в среднем каждые 14 дней. Многолетние измерения течений в данном районе указывают на прохождение в среднем 30 вихрей в год с характерным размером около 40 км. Однако, эти оценки носят весьма приближенный характер, поскольку статистические показатели в значительной степени зависят от времени года и сезонности.
На траверзе Новороссийска ОЧТ разветвляется: основная ветвь поворачивает на запад, а более слабый поток направлен на север. За Новороссийском ОЧТ поворачивает к западу, огибая прибрежный квазистационарный антициклонический вихрь. Пересекая кромку шельфа у Керченского пролива, ОЧТ вновь огибает антициклон, расположенный к востоку от Крымского полуострова. Этот антициклон при этом усиливается. Далее к западу, вдоль восточного побережья Крыма, формируется ряд антициклонических вихрей. Эти вихри известны как «тройка» (Ялтинский, Крымский и Керченский антициклонические вихри), которые часто объединяют в единый Крымский антициклонический вихрь у восточного побережья полуострова. Следует отметить, что, согласно результатам наблюдений, представленным в работах [6, 7], данные альтиметрии указывают на то, что Керченский и Кавказский вихри не являются полностью изолированными образованиями; они способны взаимодействовать друг с другом и с ОЧТ, являясь, таким образом, элементами единой динамически изменяющейся системы течений вдоль Кавказского побережья.
В данной работе рассматривается это явление, когда антициклонический вихрь пересекает ОЧТ и проникает во внутреннюю часть бассейна ЧМ. В ЧМ это явление было впервые зафиксировано и описано по данным спутниковых наблюдений в 2003 году [8, 9]. Однако, с тех пор оно не получило широкого освещения ни в численных, ни в теоретических исследованиях. Рассмотрены также предельные случаи, когда, несмотря на сильное меандрирование ОЧТ, вихри сохраняют свое положение вблизи берега, что препятствует рассеиванию антропогенных загрязнений из прибрежной зоны.

2. Численная модель.
Для изучения взаимодействия ОЧТ с антициклоническими вихрями (АЦВ) использовалась z-координатная модель океанической циркуляции DieCAST с низким уровнем диссипации [10]. Подробное описание модели приведено в работах [11] и [12]; на детали адаптации модели к условиям Черного моря приведены в [11, 13, 14]. Расчетная сетка модели охватывает весь бассейн Черного моря (от 27,2° до 42° в.д. и от 40,9° до 46,6° с.ш.) и содержит 426 × 238 ячеек без горизонтального сглаживания. По вертикали модель имеет 30 уровней с неравномерным шагом.
Модель запускалась из состояния покоя (т.е. при нулевой скорости течения во всей области) и выводилась на рабочий режим с использованием среднемноголетних (месячных) данных о касательном напряжении ветра, потоках тепла, испарении, осадках и речном стоке [14]. Речной сток (учитывались 31 река по периметру Черного моря) задавался на основе климатических данных [15], интерполированных таким образом, чтобы обеспечить непрерывность годового цикла. На открытых границах моря двухслойный водообмен через пролив Босфор задавался аналогично работе [14], а среднегодовой приток воды из Азовского моря через Керченский пролив принимался равным 15,5 км³/год [14].
Время выхода модели на квазипериодический режим циркуляции составило 39 лет, хотя основные черты циркуляции вод Черного моря проявляются уже после пяти лет расчета. Более подробное описание модели приведено в работе [14].

3.Процесс протрузии по данным спутниковой альтиметрии.
В ходе моделирования было установлено, что случаи протрузии вихрей происходили преимущественно поздней осенью и/или зимой,в периоды, когда качество оптических изображений весьма низкое. В связи с этим, для визуализации структур и эволюции процесса использовались данные спутниковой альтиметрии, полученные со спутника NOAA-14. Дана связная картинка эволюции уровня морской поверхности, в процессе протрузии вихря. На рис. представлены два фрагмента, демонстрирующие последовательные положения вихря и его перемещение: сначала он пересекает ОЧТ, затем продвигается к юго-западу и, наконец, исчезает в Восточном круговороте ЧМ. Следует отметить, что эти этапы удалось зафиксировать только благодаря использованию альтиметрии, а не данных о температуре поверхности океана, так как в момент съемки поверхность была закрыта облаками.
Согласно данным работ [7, 16], вдоль побережья Анатолии в начале января 1998 года , наблюдался аналогичный выступ в структуре уровенной поверхности моря. В течение недели этот элемент слился с антициклоническим вихрем (АЦВ), расположенным в открытой части моря, образовав новый филамент, который простирался почти до побережья Кавказа. Месяц спустя отделившийся вихрь слился с меандром у кавказского побережья, сформировав новый филамент, уходящий от северного побережья в открытое море. В конечном итоге, примерно через два месяца, эта структура трансформировалась в обособившийся антициклонический вихрь, занявший центральную часть восточного бассейна ЧМ.

4.Результаты
4.1.Формирование изолированных антициклонических вихрей (АЦВ) и их перемещение вдоль ККТ.
Анализ результатов расчетов показывает, что используемая модель адекватно воспроизводит практически все разномасштабные элементы циркуляции ЧМ , как глобальной, так и мезомасштабной. Расчеты по модели подтверждают тенденцию к образованию АЦВ.
Приводится мгновенный снимок распределения вихрей и потенциальной плотности в Черном море на 100-й день модельного 39-го года.
Рисунок представлен в виде псевдотрехмерного графика: в верхней части показано горизонтальное распределение циклонических (теплая цветовая гамма) и антициклонических (холодная цветовая гамма) вихрей. Нижняя часть рисунка (соответствующая красной линии на широте 41,5° с.ш. и охватывающая толщу воды от поверхности до дна) демонстрирует вертикальное распределение потенциальной плотности. На врезке в правом верхнем углу рис. показана область детального исследования процесса выдвижения АЦВ при их перемещении вдоль ККТ. Изолинии плотности отражают характерное поведение, связанное с типом вращения вихрей: их подъем при циклоническом вращении и опускание при антициклоническом. Следует отметить, что антициклонические вихри проникают на значительно большую глубину, чем циклонические; последние распространяются лишь до глубин порядка 200–400 м.
Этот процесс усиливался в летний период, когда Кавказское течение (ККТ) теряет устойчивость и активно меандрирует. Следует отметить, что в ходе численных экспериментов не было зафиксировано случаев протрузии вихрей через ККТ. Напротив, в зимний сезон, при усиленном ветровом воздействии, КТ представляет собой устойчивую струю, прижатую к материковому склону. Несмотря на то, что интенсивность генерации АЦВ [6, 7] существенно снизилась, случаи их протрузии продолжали наблюдаться.
Приводятся результаты, демонстрирующие способность модели DieCAST воспроизводить мезомасштабные структуры во всей акватории Черного моря. Основное внимание в исследовании было уделено моделированию процессов в зоне ККТ, то есть на северо-восточном участке от побережья Абхазиии до Керченского пролива (Крым).
Особое внимание в работе уделено зоне Кавказского побережья, где АЦВ возникают в результате прохода ОЧТ над участками с с резким перепадом глубин материкового склона Кавказского шельфа. Этот участок, между мысами Пицунда и Искурия, создает благоприятные условия для образования так называемых Топографически генерируемых вихрей (ТГВ), преимущественно антициклонического характера. Этот процесс усиливается, когда ОЧТ подходит вплотную к берегу. В результате прохода течения над материковым склоном порождаются мощные ТГВ. Приводится пример конкретного изолированного антициклонического ТГВ, проявляющемуся в период с поздней осени до ранней весны. После отделения от основного потока, этот вихрь перемещался вдоль Кавказского побережья.

4.2. События, благоприятствующие образованию протрузий.
Предварительное моделирование показало, что период с поздней осени до ранней весны благоприятен для возникновения вихревых протрузий. Анализ истории процесса показывает,что в этот период ОЧТ подходит очень близко к мысам Искурия и Пицунда и, набегая на участок с резким перепадом глубин, генерирует мощный изолированный АЦВ (на модельный 315-й день). Перемещаясь вдоль Кавказского побережья, АЦВ быстро увеличивался в размерах, так что через 12 дней после высвобождения его ядро занимало область протяженностью около 60 км. Примечательно, что АЦВ окружен меандром, который играет важную роль в дальнейших процессах протрузии и отрыва вихря.

4.3. Протрузия АЦВ через ОЧТ.
Прежде чем детально анализировать процесс протрузии вихря, кратко рассмотрим наиболее интересные особенности циркуляции вод Черного моря. Общая система циркуляции характеризуется наличием ряда квазиустойчивых и/или периодически возникающих антициклонических вихрей (АЦВ), привязанных к прибрежной зоне бассейна. На рис. показано распределение линий тока и уровня моря (SSH), иллюстрирующее развитие циклонической струи пограничного течения (СПТ) и антициклонических вихрей по обе стороны от нее. Видно, что мезомасштабные циклонические вихри располагаются с внутренней (обращенной к открытому морю) стороны СПТ, тогда как антициклонические вихри находятся с внешней (прибрежной) стороны. Особый интерес представляют эпизодические явления, мезомасштабные вихри (МВ) и АЦВ, выявленные в ходе численного моделирования и подтвержденные данными наблюдений: процессы образования и слияния вихрей, поверхностные струи и струйные выбросы (сквирты).
Акватория Черного моря насыщена антициклоническими вихрями; крупнейшими из них (диаметром около 100–120 км) являются Батумский и Севастопольский АЦВ. К числу мезомасштабных вихрей, расположенных со стороны побережья относительно зоны СПТ, относятся Босфорский, Сухумский, Кавказский, Керченский, Крымский, Дунайский, Констанцский и Калиакрский АЦВ [5]. Все эти вихри, а также процессы их генерации и перемещения, играют важную роль в поддержании экологической устойчивости и контроле загрязнения морской среды.
Данная работа посвящена исследованию специфического явления, связанного с проникновением прибрежного вихря, который перемещается от берега, пересекает струю пограничного течения и входит во внутреннюю водную массу, называемую Восточным круговоротом. К 10-му дню (рис. 3) можно наблюдать первые признаки деформации АЦВ: его округлая форма становится заметно вытянутой.
Приводится последовательность карт распределения линий тока и уровня моря (SSH), в качестве иллюстрации эволюции изолированного кавказского антициклонического вихря (CAE) вдоль Кавказского течения (ККТ). В правом верхнем углу панели указан день моделирования (например, «day 10»).
На 20-й день антициклонический вихрь (ACE) находился прямо напротив Новороссийска. Важная деталь: у самого побережья располагался небольшой антициклонический вихрь, который впоследствии послужил причиной разделения обоих вихрей.
На 25-й день вытянутый, выступающий вихрь (ACE) и расширившийся прибрежный вихрь соприкоснулись вследствие увеличения их размеров.
На 30-й день связь между выступающим вихрем и прибрежным вихрем постепенно ослабевала, в результате чего меандр между ними превратился в тонкую линию.
К 35-му дню стали заметны первые признаки полного отделения выступающего вихря, поскольку оба вихря начали двигаться независимо друг от друга. Первый (выступающий) вихрь смещался на юго-запад, тогда как второй, меньший по размеру, практически оставался у побережья.
Результаты численного моделирования для 40-го, 50-го и последующих дней показали, что на этих этапах происходило постепенное восстановление ОЧТ, в то время как прибрежный вихрь полностью исчез к 45-му дню. Остатки выступающего вихря в районе турецкого побережья были различимы даже на 50-й день.
Увеличенные фрагменты карт, отображают фазы, предшествовавшие событию отделения выступающего вихря (произошедшему на 35-й день).
Изображения охватывают пятидневный период и включают следующие стадии:
1) Формирование и рост кавказского антициклонического вихря (CAE) внутри меандра (к 20-му дню).
2) Постепенное расширение вихря в сторону центральной части восточного бассейна и его незначительное смещение на северо-запад. Этот процесс сопровождался спонтанным образованием нового короткоживущего вихря вдоль мористой стороны меандра (к 25–30-м суткам).
3) Выдвинувшийся вихрь впоследствии отделяется (35-е сутки) и окончательно поглощается внутрибассейновой циркуляцией (60-е сутки; на рисунке не показано).
4) Появление небольшого прибрежного вихря, который временно задержался у порта Новороссийск, где и рассеялся позднее, на 50-е сутки. Следует отметить, что явление выдвижения вихря в Черном море было впервые точно задокументировано в 2003 году с использованием данных альтиметрии.

5. Обсуждение
В данном исследовании рассматривается динамика антициклонических вихрей (ACE) в период усиления течения RC (течение у восточного побережья Кореи), особое внимание уделяется процессам их выдвижения (протрузии) и последующего перемещения в восточный циклонический круговорот после пересечения основного потока течения. Для моделирования процесса выдвижения ACE через RC мы использовали версию модели DieCAST с низким уровнем диссипации и разрешением сетки 1/30°.
Установлено, что процесс выдвижения вихря проходит через четыре основные стадии: (1) зарождение антициклонического вихря, (2) рост окружающего его антициклонического меандра, (3) выдвижение антициклонического вихря через RC и его отделение от основного потока, и (4) окончательная диссипация свободного ACE в восточном циклоническом круговороте. Примечательно, что наряду с выдвигающимся ACE появился небольшой вихрь, наблюдавшийся в пространстве между берегом и выдвигающимся вихрем еще до начала процесса выдвижения. По-видимому, этот вихрь служит триггером, инициирующим и усиливающим процесс выдвижения, что иллюстрируют рис. 3 и 4.
Еще одним интересным результатом моделирования стало то, что выдвижение вихрей обычно происходило в холодный период года; этот вывод также подтверждается данными спутниковой альтиметрии. Для интерпретации этого результата мы переходим к обсуждению эволюции течения ОЧТ в холодный период, когда исчезал вихрь BAE (вихрь в заливе Бакхан), а само течение ОЧТ простиралось до самой восточной границы моря (ЧМ).
Наши результаты согласуются с данными работ [6, 7, 16], в которых для анализа эволюции явления выдвижения вихрей использовались спутниковые наблюдения и обработанные данные. Рассматриваемый в этих работах период выдвижения совпадает с периодом, полученным в нашей модели. Характерные временные параметры и длительность процесса выдвижения также весьма близки к значениям, определенным в ходе моделирования.
Однако существуют определенные ограничения, препятствующие широкому использованию спутниковых методов. Частая облачность в осенне-зимний период приводит к получению снимков температуры поверхности моря (SST) низкого качества, что затрудняет получение или обработку четких изображений процесса эволюции вихрей. Исследование выдвижения вихрей с помощью спутников может быть ограничено такими факторами, как пространственное разрешение, атмосферные помехи и трудности интерпретации данных, полученных дистанционным методом. Эффективность спутниковых наблюдений также может ограничиваться параметрами орбиты спутника и особенностями используемых технологий.

6.Заключение
Для моделирования процессов выноса антициклонических вихрей (АЦВ) за пределы Основного черноморского течения (ОЧТ) использовалась версия модели DieCAST с низким уровнем диссипации и пространственным разрешением (1/30)°. Расчеты и сопоставление со спутниковыми данными показали, что модель реалистично воспроизводит эволюцию АЦВ при их взаимодействии с ОЧТ. Пространственно-временные характеристики и динамика развития АЦВ хорошо согласуются с результатами спутниковых наблюдений, описанными в работах [7, 8, 16].
В данной работе моделирование ограничивалось районом Кавказского побережья; в дальнейшем планируется применить этот подход для исследования других областей Черного моря. Еще одним интересным регионом для изучения является юго-западное побережье Черного моря, где расположены подводные каньоны и хребты.
Практическая значимость исследования заключается в выявлении сезонной зависимости процесса выноса вихрей. Численные эксперименты показывают, что этот процесс возникает и развивается в холодный период года — преимущественно с конца осени до начала зимы. Полученные результаты согласуются с данными спутниковых наблюдений.
В заключение следует отметить, что механизм переноса загрязняющих веществ из прибрежной зоны в открытое море, связанный с процессами выноса АЦВ, необходимо рассматривать наряду с другими механизмами. Так, в работах [17–19] перенос загрязняющих веществ объясняется главным образом их вовлечением в орбитальное движение синоптических антициклонов, которые перемещаются в потоке ОЧТ и переносят примеси по своей периферии в открытое море.
7. Благодарности
Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (темы FMWE-2024-0015 и FMWE-2024-0016). А также, по теме 4.6.11 ГОИН им. Н.Н. Зубова Росгидромета.