hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667321030114hydrophysics-35Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESСезонность субмезомасштабных когерентных вихрей в северной Балтике: модельное исследованиеSeasonality of Submesoscale Coherent Vortices in the Northern Baltic Proper: A Model StudyВялиГ.VäliG.

12618, Академиа тээ, 15A, г. Таллинн

12618, Akadeemia tee, 15A, Tallinn

ЖурбасВ. М.ZhurbasV. M.

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

zhurbas@ocean.ruТаллиннский технологический университет, Кафедра морских системЭстонияTallinn University of Technology, Department of Marine SystemsEstoniaИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, RASRussian Federation202129112021143122129Copyright © Вяли Г., Журбас В.М., 20212021Вяли Г., Журбас В.М.Väli G., Zhurbas V.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/35

Моделирование северной части собственно Балтийского моря с очень высоким разрешением показывает, что летом образуются циклонические и антициклонические субмезомасштабные когерентные вихри (СКВ) с экстремумом вертикальной завихренности в поверхностном слое, в то время как подповерхностные антициклонические СКВ в форме выпуклых линз в поле плотности преобладают над циклоническими СКВ – вогнутыми линзами с экстремумом вертикальной завихренности в холодном промежуточном слое ниже сезонного термоклина и выше перманентного галоклина. Зимой сезонный термоклин и холодный промежуточный слой сменяются относительно глубоким конвективно-перемешанным слоем, что делает невозможным образование подповерхностных вогнутых циклонических и выпуклых антициклонических линз. Вместо этого преобладают зимние циклонические СКВ с экстремальной вертикальной завихренностью на поверхности. Ядро зимних циклонических СКВ характеризуется отрицательной температурной аномалией во всем конвективно-перемешанном слое. В течение своего жизненного цикла длительностью до нескольких месяцев и более, смоделированный СКВ может многократно сливаться с другими СКВ того же знака завихренности, и слияние делает вихрь сильнее, тем самым способствуя его долговечности.

A very high-resolution modelling of the northern Baltic Proper shows that in summer the cyclonic and anticyclonic submesoscale coherent vortices (SCVs) with the extremum of vertical vorticity in the surface layer are formed, while the subsurface anticyclonic SCVs in the shape of convex lenses in the density field prevail over the cyclonic SCVs – concave lenses, with the vertical vorticity extremum in the cold intermediate layer below the seasonal thermocline and above the permanent halocline. In winter the seasonal thermocline and cold intermediate layer are replaced by a relatively deep convectively-mixed layer which makes the formation of subsurface concave cyclonic and convex anticyclonic lenses impossible there. Instead, the winter-time cyclonic SCVs with the vertical vorticity extremum at the surface dominate. The core of winter-time cyclonic SCVs is characterized by a negative temperature anomaly throughout the mixed layer. During its life cycle lasting up to several months and more, the modelled SCVs can repeatedly merge with other SCVs of the same sign of vorticity, and the merger makes the eddy stronger thereby contributing to its longevity.

Балтийское моречисленное моделирование с очень высоким разрешениемсубмезомасштабный когерентный вихрьгравитационная конвекция во вращающейся жидкостиBaltic Seavery high-resolution numerical modellingsubmesoscale coherent vortexgravitational convection in rotating fluidThe allocation of computing time on High Performance Computing cluster by the Tallinn University of Technology and by the University of Tartu is gratefully acknowledged. GETM community in Leibniz Institute of Baltic Sea Research (IOW) is acknowledged for their technical support and the maintenance of model code. Germo Väli was supported by the Estonian Research Council (grant no. PRG602 and grant no. IUT19-6). Victor Zhurbas was supported by the budgetary financing of the Shirshov Institute of Oceanology RAS (Project No. 0128-2021-0001).ReferencesMcWilliams J.C. Submesoscale, coherent vortices in the ocean // Rev. Geophys. 1985. V. 23. P. 165—182. doi: 10.1029/RG023i002p00165McWilliams J.C. Submesoscale, coherent vortices in the ocean. Rev. Geophys. 1985, 23, 165—182. doi: 10.1029/RG023i002p00165McWilliams J.C. Vortex generation through balanced adjustment // J. Phys. Oceanogr. 1988. V. 18. P. 1178—1192. doi: 10.1175/1520—0485(1988)018<1178:VGTBA>2.0.CO;2McWilliams J.C. Vortex generation through balanced adjustment. J. Phys. Oceanogr. 1988, 18, 1178—1192. doi: 10.1175/1520-0485(1988)018<1178:VGTBA>2.0.CO;2Armi L., Hebert D., Oakey N., Price J.F., Richardson P.L., Rossby H.T., Rudduck B. Two years in the life of a Mediterraneam salt lens // J. Phys. Oceanogr. 1989. V. 19. P. 354—370. doi: 10.1175/1520—0485(1989)019<0354:TYITLO>2.0.CO;2Armi L., Hebert D., Oakey N., Price J. F., Richardson P. L., Rossby H. T., Rudduck B. Two years in the life of a Mediterraneam salt lens. J. Phys. Oceanogr. 1989, 19, 354—370. doi: 10.1175/1520-0485(1989)019<0354:TYITLO>2.0.CO;2Бенилов А.Ю., Сафрай А.С., Филюшкин Б.Н., Кожелупова Н.Г. О нелинейной динамике линз средиземноморской воды «медди» // Фундам. прикл. гидрофиз. 2020. Т. 13, № 3. С. 20—42. doi: 10.7868/S2073667320030028Benilov A.Yu., Safray A.S., Filyushkin B.N., Kojelupova N.G. On nonlinear dynamics of Meddies. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2020, 13, 3, 20—42 (in Russian). doi: 10.7868/S2073667320030028McWilliams J.C. Submesoscale currents in the ocean // Proc. R. Soc. A. 2016. V. 472. 20160117. doi: 10.1098/rspa.2016.0117McWilliams J.C. Submesoscale currents in the ocean. Proc. R. Soc. A. 2016, 72, 20160117. doi: 10.1098/rspa.2016.0117Журбас В.М., Кузьмина Н.П. О растекании перемешанного пятна во вращающейся устойчиво стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР, сер. ФАО. 1981. Т. 17, № 3. С. 286—295.Zhurbas V.M., Kuzmina N.P. On the spreading of a mixed patch in a rotating stably stratified fluid. Izv. Acad. Sci. SSSR, Atmos. and Oceanic Phys. 1981, 17(3), 211–217.D’Asaro E. Generation of submesoscale vortices: a new mechanism // J. Geophys. Res. 1988. V. 93. P. 6685—6693. doi: 10.1029/JC093iC06p06685D’Asaro E. Generation of submesoscale vortices: a new mechanism. J. Geophys. Res. 1988, 93, 6685—6693. doi: 10.1029/JC093iC06p06685Gula J., Molemaker M.J., McWilliams J.C. Gulf Stream dynamics along the southeastern U. S. Seaboard // J. Phys. Oceanogr. 2015. V. 45. P. 690—715. doi: 10.1175/JPO-D-14-0154.1Gula J., Molemaker M.J., McWilliams J.C. Gulf Stream dynamics along the southeastern U. S. Seaboard. J. Phys. Oceanogr. 2015, 45, 690—715. doi: 10.1175/JPO-D-14-0154.1Elken J., Pajuste M., Kõuts T. On intrusive lenses and their role in mixing in the Baltic deep layers // Proceedings of the Conference of the Baltic Oceanographers, Kiel. 1988. 1. P. 367—376.Elken J., Pajuste M., Kõuts T. On intrusive lenses and their role in mixing in the Baltic deep layers. Proceedings of the Conference of the Baltic Oceanographers, Kiel. 1988, 1, 367—376.Zhurbas V.M., Paka V.T. Mesoscale thermohaline variability in the Eastern Gotland Basin following the 1993 major Baltic inflow // J. Geophys. Res. 1997. V. 102(C9). P. 20917—20926. doi: 10.1029/97JC00443Zhurbas V.M., Paka V.T. Mesoscale thermohaline variability in the Eastern Gotland Basin following the 1993 major Baltic inflow. J. Geophys. Res. 1997, 102(C9), 20917—20926. doi: 10.1029/97JC00443Sellschopp J., Arneborg L., Knoll M., Fiekas V., Gerdes F., Burchard H., Lass H.U., Mohrholz V., Umlauf L. Direct observations of medium-intensity inflow into the Baltic Sea // Cont. Shelf Res. 2006. V. 26. P. 2393—2414. doi: 10.1016/j.csr.2006.07.004Sellschopp J., Arneborg L., Knoll M., Fiekas V., Gerdes F., Burchard H., Lass H.U., Mohrholz V., Umlauf L. Direct observations of medium-intensity inflow into the Baltic Sea. Cont. Shelf Res. 2006, 26, 2393—2414. doi: 10.1016/j.csr.2006.07.004Piechura J., Beszczyńska-Möller A. Inflow waters in the deep regions of the Southern Baltic Sea – transport and transformations // Oceanologia. 2003. V. 45(4). P. 593—621.Piechura J., Beszczyńska-Möller A. Inflow waters in the deep regions of the Southern Baltic Sea – transport and transformations. Oceanologia. 2003, 45(4), 593—621.Zhurbas V., Stipa T., Mälkki P., Paka V., Golenko N., Hense I., Sklyarov V. Generation of subsurface cyclonic eddies in the southeast Baltic Sea: observations and numerical experiments // J. Geophys. Res. Oceans. 2004. 109. C05033. doi: 10.1029/2003JC002074Zhurbas V., Stipa T., Mälkki P., Paka V., Golenko N., Hense I., Sklyarov V. Generation of subsurface cyclonic eddies in the southeast Baltic Sea: observations and numerical experiments. J. Geophys. Res. Oceans. 2004, 109, C05033. doi: 10.1029/2003JC002074Zhurbas V.M., Oh I.S., Paka V.T. Generation of cyclonic eddies in the Eastern Gotland Basin of the Baltic Sea following dense water inflows: numerical experiments // J. Mar. Sys. 2003. V. 38. P. 323—336. doi: 10.1016/S0924-7963(02)00251-8Zhurbas V.M., Oh I.S., Paka V.T. Generation of cyclonic eddies in the Eastern Gotland Basin of the Baltic Sea following dense water inflows: Numerical experiments. J. Mar. Sys. 2003, 38, 323—336. doi: 10.1016/S0924-7963(02)00251-8Zhurbas V., Elken J., Paka V., Piechura J., Väli G., Chubarenko I., Golenko N., Shchuka S. Structure of unsteady overflow in the Słupsk Furrow of the Baltic Sea // J. Geophys. Res. Oceans. 2012. V. 117. C04027. doi: 10.1029/2011JC007284Zhurbas V., Elken J., Paka V., Piechura J., Väli G., Chubarenko I., Golenko N., Shchuka S. Structure of unsteady overflow in the Słupsk Furrow of the Baltic Sea. J. Geophys. Res. Oceans. 2012, 117, C04027. doi: 10.1029/2011JC007284Spall M.A., Price J.F. Mesoscale variability in the Denmark Strait: the PV outflow hypothesis // J. Phys. Oceanogr. 1998. V. 28. P. 1598—1623. doi: 10.1175/1520-0485(1998)028<1598:MVIDST>2.0.CO;2Spall M.A., Price J.F. Mesoscale variability in the Denmark Strait: the PV outflow hypothesis. J. Phys. Oceanogr. 1998, 28, 1598—1623. doi: 10.1175/1520-0485(1998)028<1598:MVIDST>2.0.CO;2Каримова С.С., Лаврова О.Ю., Соловьев Д.М. Наблюдение вихревых структур в Балтийском море с использованием радиолокационных и радиометрических данных // Исследование Земли из космоса. 2011. № 5. С. 15—23. doi: 10.1134/S0001433812090071Karimova S.S., Lavrova O.Yu., Solov’ev D.M. Observation of eddy structures in the Baltic Sea with the use of radiolocation and radiometric satellite data. Izv. Atm. Ocean. Phys. 2012, 48(9), 1006—1013. doi: 10.1134/S0001433812090071Laanemets J., Väli G., Zhurbas V., Elken J., Lips I., Lips U. Simulation of mesoscale structures and nutrient transport during summer upwelling events in the Gulf of Finland in 2006 // Boreal Environ. Res. 2011. V. 16(A). P. 15—26.Laanemets J., Väli G., Zhurbas V., Elken J., Lips I., Lips U. Simulation of mesoscale structures and nutrient transport during summer upwelling events in the Gulf of Finland in 2006. Boreal Environ. Res. 2011, 16(A), 15—26.Väli G., Zhurbas V., Lips U., Laanemets J. Submesoscale structures related to upwelling events in the Gulf of Finland, Baltic Sea (numerical experiments) // J. Mar. Syst. 2017. 171(SI). P. 31—42. doi: 10.1016/j.jmarsys.2016.06.010Väli G., Zhurbas V., Lips U., Laanemets J. Submesoscale structures related to upwelling events in the Gulf of Finland, Baltic Sea (numerical experiments). J. Mar. Syst. 2017, 171(SI), 31—42. doi: 10.1016/j.jmarsys.2016.06.010Вяли Г., Журбас В., Липс У., Лаанеметс Я. Кластеризация плавающих частиц из-за субмезомасштабной динамики: модельное исследование для Финского залива Балтийского моря // Фундам. прикл. гидрофиз. 2018. Т. 11, № 2. С. 21—35. doi: 10.7868/S2073667318020028Väli G., Zhurbas V., Lips U., Laanemets J. Clustering of floating particles due to submesoscale dynamics: a simulation study for the Gulf of Finland, Baltic Sea. Fudam. Prikl. Gidrofiz. 2018, 11 (2), 21—35. doi: 10.7868/S2073667318020028Zhurbas V., Väli G., Kuzmina N. Rotation of floating particles in submesoscale cyclonic and anticyclonic eddies: a model study for the southeastern Baltic Sea // Ocean Sci. 2019. 15. P. 1691—1705. doi: 10.5194/os-15-1691-2019Zhurbas V., Väli G., Kuzmina N. Rotation of floating particles in submesoscale cyclonic and anticyclonic eddies: a model study for the southeastern Baltic Sea. Ocean Sci. 2019, 15, 1691—1705. doi: 10.5194/os-15-1691-2019Reißmann J.H. An algorithm to detect isolated anomalies in three-dimensional stratified data fields with an application to density fields from four deep basins of the Baltic Sea // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. C12018. doi: 10.1029/2005JC002885Reißmann J.H. An algorithm to detect isolated anomalies in three-dimensional stratified data fields with an application to density fields from four deep basins of the Baltic Sea. J. Geophys. Res. 2005, 110, C12018. doi: 10.1029/2005JC002885Vortmeyer-Kley R., Holtermann P.L., Feudel U., Gräwe U. Comparing Eulerian and Lagrangian eddy census for a tideless, semi-enclosed basin, the Baltic Sea // Ocean Dyn. 2019. V. 69. P. 701—717. doi: 10.1007/s10236-019-01269-zVortmeyer-Kley R., Holtermann P.L., Feudel U., Gräwe U. Comparing Eulerian and Lagrangian eddy census for a tide-less, semi-enclosed basin, the Baltic Sea. Ocean Dyn. 2019, 69, 701—717. doi: 10.1007/s10236-019-01269-zBurchard H., Bolding K. GETM – a general estuarine transport model, Scientific documentation, Technical report EUR20253 en. // Tech. rep., European Commission. Ispra, Italy, 2002.Burchard H., Bolding K. GETM – a general estuarine transport model, Scientific documentation, Technical report EUR20253 en. Tech. rep., European Commission. Ispra, Italy, 2002.Hofmeister R., Burchard H., Beckers J-M. Non-uniform adaptive vertical grids for 3D numerical ocean models // Ocean Model. 2010. V. 33(1—2). P. 70—86. doi: 10.1016/j.ocemod.2009.12.003Hofmeister R., Burchard H., Beckers J-M. Non-uniform adaptive vertical grids for 3D numerical ocean models. Ocean Model. 2010, 33(1—2), 70—86. doi: 10.1016/j.ocemod.2009.12.003Gräwe U., Holtermann P., Klingbeil K., Burchard H. Advantages of vertically adaptive coordinates in numerical models of stratified shelf seas // Ocean Model. 2015. V. 92. P. 56—68. doi: 10.1016/j.ocemod.2015.05.008Gräwe U., Holtermann P., Klingbeil K., Burchard H. Advantages of vertically adaptive coordinates in numerical models of stratified shelf seas. Ocean Model. 2015, 92, 56—68, doi: 10.1016/j.ocemod.2015.05.008Burchard H., Bolding K. Comparative Analysis of Four Second-Moment Turbulence Closure Models for the Oceanic Mixed Layer // J. Phys. Oceanogr. 2001. V. 31. P. 1943—1968. doi: 10.1175/1520-0485(2001)031<1943:CAOFSM>2.0.CO;2Burchard H., Bolding K. Comparative Analysis of Four Second-Moment Turbulence Closure Models for the Oceanic Mixed Layer. J. Phys. Oceanogr. 2001, 31, 1943—1968. doi: 10.1175/1520-0485(2001)031<1943:CAOFSM>2.0.CO;2Canuto V.M., Howard A., Cheng Y., Dubovikov M.S. Ocean Turbulence. Part I: One-Point Closure Model – Momentum and Heat Vertical Diffusivities // J. Phys. Oceanogr. 2001. V. 31. P. 1413—1426. doi: 10.1175/1520-0485(2001)031<1413:OTPIOP>2.0.CO;2Canuto V.M., Howard A., Cheng Y., Dubovikov M.S. Ocean Turbulence. Part I: One-Point Closure Model – Momentum and Heat Vertical Diffusivities. J. Phys. Oceanogr. 2001, 31, 1413—1426. doi: 10.1175/1520-0485(2001)031<1413:OTPIOP>2.0.CO;2Zhurbas V., Väli G., Golenko M., Paka V. Variability of bottom friction velocity along the inflow water pathway in the Baltic Sea // J. Mar. Syst. 2018. V. 184. P. 50—58. doi: 10.1016/j.jmarsys.2018.04.008Zhurbas V., Väli G., Golenko M., Paka V. Variability of bottom friction velocity along the inflow water pathway in the Baltic Sea. J. Mar. Syst. 2018, 184, 50—58. doi: 10.1016/j.jmarsys.2018.04.008Liblik T., Väli G., Lips I., Lilover M.-J., Kikas V., Laanemets J. The winter stratification phenomenon and its consequences in the Gulf of Finland, Baltic Sea // Ocean Sci. 2020. V. 16. P. 1475—1490. doi: 10.5194/os-16-1475-2020Liblik T., Väli G., Lips I., Lilover M.-J., Kikas V., Laanemets J. The winter stratification phenomenon and its consequences in the Gulf of Finland, Baltic Sea. Ocean Sci. 2020, 16, 1475—1490. doi: 10.5194/os-16-1475-2020Männik A., Merilain M. Verification of different precipitation forecasts during extended winter-season in Estonia // HIRLAM Newsletter. 2007. 52. P. 65—70.Männik A., Merilain M. Verification of different precipitation forecasts during extended winter-season in Estonia. HIRLAM Newsletter. 2007, 52, 65—70.Killworth P.D. Deep convection in the World Ocean // Rev. Geophys. 1983. 21. P. 1—26. doi: 10.1029/RG021i001p00001Killworth P.D. Deep convection in the World Ocean. Rev. Geophys. 1983, 21, 1—26. doi: 10.1029/RG021i001p00001

The authors declare that there are no conflicts of interest present.