Получение новых представлений о синоптической, мезо- и субмезомасштабной изменчивости физических, химических и биологических характеристик в морях Эвксинского каскада (Азовское, Черное, Мраморное) в условиях непрерывного массо- и теплообмена бассейнов с учетом изменений в приводной атмосфере и экосистеме на основе современных инструментов математического моделирования, высокопроизводительных вычислений и данных наблюдений различного типа.

Развитие системы морских прогнозов Эвксинского каскада.

Для конфигурации модельного комплекса NEMO с разрешением 1/24 градуса реализована процедура усвоения данных псевдонаблюдений температуры и солености, полученых на основе спутниковой альтиметрии и наблюдений с буев-профилемеров и гидрографических съемок НИС «Профессор Водяницкий». Анализ гидрофизических полей Черного моря показал, что адаптация полей при включении процедуры ассимиляции данных требует периода порядка одного года. Анализ результатов демонстрирует заметные различия в пространственной изменчивости полей температуры и солености, которые в случае усвоения адаптируются к продукту спутниковой альтиметрии. Сравнение результатов эксперимента и данных буев-профилемеров показало улучшение точности моделирования полей в слое 100 – 300 м.

Рассчитаны энергетические характеристики для трех районов в Черном море: место образования Севастопольского вихря, вихрь у мыса Калиакра и Батумский антициклонический вихрь. Вихревая кинетическая энергия у Севастопольского вихря более выражена, чем у остальных вихрей. Вихревая доступная потенциальная энергия у Севастопольского вихря и антициклона у мыса Калиакра сопоставимы между собой. Максимум энергии получен в осенне-зимний период, в данный промежуток времени ее плотность выше, чем летом. Вихревая динамика у Севастопольского вихря генерируется за счет бароклинной неустойчивости (неоднородность плотности), за исключением начала 2008 г. и лета 2009 г. В случае Батумского антициклона и вихря Калиакра вихревая энергия генерируется за счет баротропной (сдвиг скорости) и бароклинной неустойчивостей. На основе новой системы диагноза и прогноза для Мирового океана и продукта из системы службы Copernicus рассчитана кинетическая энергия вихревых и средних движений. Полученные результаты сопоставлялись между собой. Анализ проводился для характерных течений в Мировом океане: Гольфстрим, Агульяс и Сомалийское. Установлено, что модель хорошо воспроизводит средние течения: струи и мезомасштабные вихри. Вихревая динамика для Гольфстрима и Агульяса воспроизводится хуже, в отличие от Сомалийского течения, где субмезомасштабные вихри соответствуют наблюдениям.

Разработана региональная конфигурация модельного комплекса NEMO, выполняющая расчеты в режиме каплинга с моделью термодинамики льда LIM3. Она использована для анализа ледовых полей в бассейне Азовского моря в аномально холодную зиму 2011 – 2012 гг., в период которой навигационная обстановка была усложнена. Основной целью ставилось исследование различий пространственной изменчивости ледовых полей при переходе к высокому разрешению. Для это выполнен численный эксперимент в режиме каплинга на период с 21.01.2012 по 04.09.2012. Условия на открытой границе подготовлены на основе расчётов с пространственным разрешением 1/24º. По результатам расчета в моделируемых ледовых полях с пространственным разрешением 1/96º как в Азовском море, так и в Керченском проливе более ярко выражены мелкомасштабные процессы такие как трещины и разводье. Полученные результаты в большинстве случаев лучше согласуется с оптическими снимками MODIS.

С использованием конфигурации с грубым разрешением (1/24) градуса и «вложенной» конфигурации южного берега Крыма (разрешение 1,5 км) реализована процедура двунаправленного нестинга. С использованием процедуры проведен численный эксперимент по моделированию динамики Черного моря в 2008 году. При сопоставлении результатов, полученных на разных сетках, установлено что в обоих расчетах отмечается воспроизведение характерных особенностей проникновения азовоморских вод в черноморский бассейн. При сравнении пространственной изменчивости полей на исходном разрешении хорошо выражен вклад динамики, полученной во «вложенном» домене.

После успешной адаптации процедуры двунаправленного нестинга была реализована конфигурация с двумя вложенными доменами в районе пролива Босфор. В качестве «родительского» домена использовалась хорошо отлаженная конфигурация с грубым разрешением (1/24) градуса, пространственное разрешение первого вложенного домена 1,5 км, второго вложенного домена – 0,5 км. Проведен численный эксперимент по моделированию динамики Черного моря за 2008 - 2009 года с двумя вложенными доменами. Созданная конфигурация позволила подробнее изучить водообмен через пролив Босфор. Благодаря использованию процедуры двунаправленного нестинга и системы вложенных сеток, воспроизводятся линзы соленой мраморноморской воды, которая проникает в черноморский бассейн через нижнебосфорское течение. Глубина залегания линз составляет порядка 50 м. Они отрываются от основного потока высокосоленых мраморноморских вод и распространяются на северо-запад. В среднем время существования подобных линз по результатам численного моделирования составляют 5-7 дней. Также в результате численного моделирования воспроизводятся субмезомасштабные структуры, которые проявляются во всех доменах.

Подготовлена конфигурация модели NEMO с пространственным разрешением по горизонтали 0.25°, позволяющая выполнять расчеты в режиме каплинга с моделью BFM. Одной из особенностей Черного моря является наличие субкислородной зоны, для описания которой в модель были включены окислительно-восстановительные реакции с учетом кислорода, нитратов, сероводорода, аммония, растворенного и взвешенного марганца. Начальные поля фосфатов, нитратов, марганца, аммония, сероводорода заданы согласно данным предыдущих работ и значениям из Базы данных МГИ с учетом начального поля плотности. Рассчитанная сезонная изменчивость значений концентрации хлорофилла «а» была сопоставлена с данными буев Био-Арго. Результаты моделирования позволили воспроизвести осеннее и весеннее цветения фитопланктона, летний подповерхностный пик концентрации хлорофилла «а», наблюдаемый по данным буев Био-Арго. В разработанную конфигурацию модели также включен расчет концентраций мелких и крупных диатомовых водорослей, кокколитофорид, мезо- и микрозоопланктона, бактериопланктона. В модель были добавлены параметризации для описания процессов осмотрофии и фотодеградации. Это позволило воспроизвести сезонную изменчивость кокколитофорид, характерную для центральной части Черного моря: развитие цветения с конца апреля по июль в верхнем 20-метровом слое, что согласуется с данными буев Био-Арго; в отдельные годы наблюдается зимнее цветение кокколитофорид.

Lishaev P.N., Knysh V.V., Korotaev G.K. Reconstruction of temperature and salinity in the upper layer of the Black Sea using pseudo-measurements on the underlying horizons // Physical Oceanography. – 2019. – V. 26, N. 2. – P. 104-122. doi:10.22449/1573-160X-2019-2-104-122.

Mizyuk A.I., Korotaev G.K., Grigoriev A.V., Puzina O.S., Lishaev P.N. Long-term variability of thermohaline characteristics of the Azov Sea based on the numerical eddy-resolving model // Physical Oceanography. – 2019. – V. 26, N. 5. – P. 496-510. doi: 10.22449/1573-160X-2019-5-438-450.

Mizyuk A.I., Senderov M.V., Korotaev G.K. Basic regularities of the haline stratification long-term evolution in the Black Sea // Physical oceanography. – 2019. – V. 26. № 6. – P. 646-661. doi:10.22449/1573-160X-2019-6-569-583.

Ratner Y.B., Kholod A.L. Investigation of the spatio-temporal variability of the Black Sea upper mixed layer thickness based on the results of numerical calculations // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Volume 1359, Issue 1. – Номер статьи 0121264, doi: 10.1088/1742-6596/1359/1/012126.

Mizyuk A.I., Puzina O.S. Sea ice modelling in the Sea of Azov for study of long-term variability // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. – 2019. – 386:012023. doi:10.1088/1755-1315/386/1/012023.

Senderov M.V. The impact of different types of open boundary conditions in numerical simulation of the Black Sea coastal circulation // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – 386:012023. doi:10.1088/1755-1315/386/1/012024.

Demyshev S.G., Dymova O.A., Markova N.V., Senderov M.V., Korshenko E.A., Turko N.A., Ushakov K.V. Undercurrents in the northeastern Black sea detected on the basis of multi-model experiments and observations // Journal of Marine Science and Engineering. – 2021. – Vol. 9. № 9. – P. 933. doi: 10.3390/jmse9090933.

Puzina, O.S.; Kubryakov, A.A., Mizyuk, A.I. Seasonal and vertical variability of currents energy in the sub-mesoscale range on the Black sea shelf and in its central part // Physical Oceanography. – 2021. – Vol. 28. №. 1. – P. 37-51. doi: 10.22449/1573-160X-2021-1-37-51.