Air–sea interaction under low and moderate winds in the Black Sea coastal zone

Abstract

This paper reports the results of field experiments performed at an offshore oceanographic platform in the Black Sea during spring and fall seasons 2005-2011. Observations of the air-sea interaction were made using direct and remote sensing methods in the coastal zone where the interaction is complex and still poorly understood. A specialized research platform, managed by the Marine Hydrophysical Institute (MHI), is placed on the shelf slope approximately 600 m offshore the Crimea coast, Ukraine. The water depth at the site is about 30 m. The experiment program included conventional turbulence measurements with the eddy-covariance method as well as remote radio-polarimetric measurements with a newly developed instrument. The study was concentrated on the air-sea interaction during episodes of weak wind in the atmosphere and upwelling events in the ocean. Analysis of the collected data confirmed significant dependence of the surface drag coefficient on the air-sea temperature difference under weak wind conditions. However, this analysis also demonstrated a new air-sea interaction regime, which is characterized by large quasi-periodic (periods about 3.5 h) turbulence oscillations developing initially in the atmosphere and later (after about 10-12 h) in the sub-surface water layer. The analysis of radiopolarimetric measurements provided the characteristics of the gravity-capillary wave field during these events.

Experimental Study of High Wind Sea Surface Drag Coefficient

“…Stratification effect on С D is particularly evident under gentle breeze. Unstable stratification contributes to its increase, and the stronger it is, the weaker the wind is [5]. Under stable stratification the surface drag, on the contrary, decreases.…”

“…For the analysis we used the measurements under the eastern winds when the wave distance could be considered significant and the platform impact was minimized. Gentle and moderate wind data processing is given in [5]. High winds were generally observed from the northern (off-shore winds) and eastern direction.…”

Experimental Study of High Wind Sea Surface Drag Coefficient

“…Влияние стратификации на значение С D особенно заметно при слабых ветрах. Неустойчивая страти-фикация способствует его увеличению, причем тем сильнее, чем слабее ветер [5]. При устойчивой стратификации сопротивление поверхности, напротив, уменьшается.…”

“…К сожалению, измерения параметров волнения в эксперименте не проводились, но визуальные наблюдения под-тверждают наличие двух эффектов -и появление слоя брызг, и изменение геометрии волн. Обработка данных, полученных при слабых и умеренных ветрах, приведена в работе [5]. Сильные ветры наблюдались в основном с северного (береговые ветры) и восточного направлений.…”

“…Измерения пульсаций метеопараметров проводились на высоте 4 м над уровнем моря на 6-метровом выносе на во-сточном углу, что позволяло минимизировать влияние платформы при рабо-чих ветрах. Средняя скорость ветра измерялась на высоте 10 м. Как показано в [5], при средних и сильных ветрах (скорости более 10 м/с) влияние страти-фикации на коэффициенты обмена можно не учитывать. Структура пограничного слоя в прибрежной зоне моря при ветре с берега зависит от нескольких факторов: рельефа и элементов шероховатости по-верхности прибрежного района суши, скорости ветра, расстояния от берега, стратификации и динамических процессов в верхней части пограничного слоя атмосферы [32 -34].…”