Экспериментальная оценка скорости диссипации турбулентной энергии в подповерхностном слое моря в штормовых условиях

А. М. Чухарев✉, А. Г. Зубов, О. И. Павленко

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: alexchukh@mail.ru

Аннотация

На основе экспериментальных данных о приповерхностной турбулентности сделана оценка скорости диссипации турбулентной энергии, обусловленной обрушивающимися поверхностными волнами. Исследования выполнялись на океанографической платформе в прибрежной зоне Черного моря специализированным измерительным комплексом «Сигма-1». Из общего массива для анализа данных были выбраны гидрометеорологические ситуации с большой скоростью ветра и значительным количеством обрушивающихся волн. Расчет скорости диссипации турбулентной энергии на единицу объема ε проводился по спектрам пульсаций скорости на основании гипотез Колмогорова об инерционном интервале спектра турбулентности. Скорость диссипации на единицу площади поверхности моря рассчитывалась интегрированием по глубине величин ε, определенных на всех горизонтах измерений с экстраполяцией до поверхности и до дна. Результаты, полученные по экспериментальным данным, сопоставлялись с расчетами потерь энергии волн на обрушения по модели Филлипса (1985 г.). Рассчитанные величины параметра обрушений b в предположении о его модельной зависимости от волнового числа отличаются от оценок других авторов в меньшую сторону. Во втором способе расчета предполагалось постоянство параметра обрушений в каждом отдельном эксперименте и отсутствие его зависимости от волнового числа. Найденные значения b имеют умеренный разброс и также оказались меньше оценок (в пределах одного порядка величины), имеющихся в литературе. Значения b в этом случае удовлетворительно аппроксимируются константой bc ≈ 1,31·10-4. Расхождения с другими источниками могли быть обусловлены иными характеристиками волнения и разными методами оценки скорости диссипации.

Ключевые слова

обрушение волн, морская турбулентность, диссипация турбулентной энергии, натурные измерения

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания №0827-2018-0003 при финансовой поддержке РФФИ, проект №16-05-00664..

Для цитирования

Чухарев А. М., Зубов А. Г., Павленко О. И. Экспериментальная оценка скорости диссипации турбулентной энергии в подповерхностном слое моря в штормовых условиях // Морской гидрофизический журнал. Т. 34, № 4. С. 329–342. EDN YMQLWP. doi:10.22449/0233-7584-2018-4-329-342

Chukharev, A.M., Zubov, A.G. and Pavlenko, O.I., 2018. Experimental Estimation of the Turbulent Energy Dissipation Rate in the Sea Subsurface Layer at Storm Conditions. Physical Oceanography, 25(4), pp. 305-316. doi:10.22449/1573-160X-2018-4-305-316

DOI

10.22449/0233-7584-2018-4-329-342

Список литературы

  1. Монин А. С., Озмидов Р. В. Океанская турбулентность. Л. : Гидрометеоиздат, 1981. 320 с.
  2. Rapp R. J., Melville W. K. Laboratory measurements of deep water breaking waves // Philosophical Transactions of the Royal Society of London A. 1990. Vol. 331, iss. 1622. P. 735–800. https://doi.org/10.1098/rsta.1990.0098
  3. Longuet-Higgins M. S. On wave breaking and the equilibrium spectrum of wind-generated waves // Proceedings of the Royal Society of London A. 1969. Vol. 310, iss. 1501. P. 151–159. doi:10.1098/rspa.1969.0069
  4. Song J.-B., Banner M. L. On determining the onset and strength of breaking for deep water waves. Part I: Unforced Irrotational Wave Groups // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, no. 9. P. 2541–2558. https://doi.org/10.1175/1520-0485-32.9.2541
  5. Nepf H. M., Wu С. H., Chan E. S. A comparison of two- and three-dimensional wave breaking // Journal of Physical Oceanography. 1998. Vol. 28, no. 7. P. 1496–1510. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1998)0281496:ACOTAT2.0.CO;2
  6. Чухарев А. М. Влияние обрушивающихся поверхностных волн на турбулентный обмен. Ныряющие буруны // Морской гидрофизический журнал. 2000. № 1. с. 31–37.
  7. Чухарев А. М., Котовщиков Б. Б. Влияние обрушивающихся поверхностных волн на турбулентный обмен. Скользящие буруны // Морской гидрофизический журнал. 2000. № 3. с. 13–19.
  8. Estimates of kinetic energy dissipation under breaking waves / E. A. Terray [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, no. 5. P. 792–807. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)0260792:EOKEDU2.0.CO;2
  9. Enhanced dissipation of kinetic energy beneath surface waves / Y. C. Agrawal [et al.] // Nature. 1992. Vol. 359. P. 219–220. https://doi.org/10.1038/359219a0
  10. Oceanic turbulence dissipation measurements in SWADE / W. M. Drennan [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, no. 5. P. 808–815. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)0260808:OTDMIS2.0.CO;2
  11. Romero L., Melville W. K., Kleiss J. M. Spectral energy dissipation due to surface wave breaking // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, no. 9. P. 1421–1444. https://doi.org/10.1175/JPO-D-11-072.1
  12. Sutherland P., Melville W. K. Field measurements and scaling of ocean surface wave-breaking statistics // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 12. P. 3074–3079. https://doi.org/10.1002/grl.50584
  13. Sutherland P., Melville W. K. Field measurements of surface and near-surface turbulence in the presence of breaking waves // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, no. 4. P. 943–965. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0133.1
  14. Gemmrich J. Strong turbulence in the wave crest region // Journal of Physical Oceanography. 2010. Vol. 40, no. 3. P. 583–595. https://doi.org/10.1175/2009JPO4179.1
  15. Phillips O. M. Spectral and statistical properties of the equilibrium range in wind-generated gravity waves // Journal of Fluid Mechanics. 1985. Vol. 156. P. 505–531. https://doi.org/10.1017/S0022112085002221
  16. Banner M. L., Peirson W. L. Wave breaking onset and strength for two-dimensional deep-water wave groups // Journal of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 585. P. 93–115. https://doi.org/10.1017/S0022112007006568
  17. Drazen D. A., Melville W. K., Lenain L. Inertial scaling of dissipation in unsteady breaking waves // Journal of Fluid Mechanics. 2008. Vol. 611. P. 307–332. https://doi.org/10.1017/S0022112008002826
  18. Измерительный комплекс «Сигма-1» для исследования мелкомасштабных характеристик гидрофизических полей в верхнем слое моря / А. С. Самодуров [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 5. С. 60–71.
  19. Измерительная система для исследования мелкомасштабной турбулентности в приповерхностном слое моря // Патент РФ 2549250 С1; № 2014151917/93; заявл. 18.12.2014; опубл. 20.04.2015. Бюл. № 11 / В. А. Барабаш, А. С. Самодуров, А. М. Чухарев. (RU). 8 с.
  20. Чухарев А. М. Применение измерительного комплекса «Сигма-1» для исследования турбулентности на океанографической платформе // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2010. Вып. 21. С. 231–238.
  21. Натурное исследование пространственной однородности метео- и волнографических параметров в прибрежной зоне. К проблеме калибровки РЛС БО «Сiч-1М» как инструмента для получения скорости приводного ветра / В. А. Дулов [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 3. С. 31–43.
  22. Stewart R. W., Grant H. L. Determination of the rate of dissipation of turbulent energy near the sea surface in the presence of waves // Journal of Geophysical Research. 1962. Vol. 67, iss. 8. Р. 3177–3180. https://doi.org/10.1029/JZ067i008p03177
  23. Soloviev A., Lucas R. Observation of wave-enhanced turbulence in the near-surface layer of the ocean during TOGA COARE // Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2003. Vol. 50, iss. 3. P. 371–395. doi:10.1016/S0967-0637(03)00004-9
  24. Oakey N. S. Determination of the rate of dissipation of turbulent energy from simultaneous temperature and velocity shear microstructure measurements // Journal of Physical Oceanography. 1982. Vol. 12, no. 3. Р. 256–271. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1982)012%3C0256:DOTROD%3E2.0.CO;2
  25. On the vertical structure of wind-driven sea currents / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, no. 10. P. 2121–2144. https://doi.org/10.1175/2008JPO3883.1

Скачать статью в PDF-формате