Резонансное возбуждение короткопериодных внутренних волн баротропными сейшами в покрытом льдом мелководном озере

С. Ю. Волков, С. Р. Богданов, Р. Э. Здоровеннов, Н. И. Пальшин, Г. Э. Здоровеннова✉, Т. В. Ефремова, Г. Г. Гавриленко, А. Ю. Тержевик

Институт водных проблем Севера Карельского научного центра Российской академии наук, Петрозаводск, Россия

✉ e-mail: zdorovennova@gmail.com

Аннотация

Цель. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что процессы тепломассопереноса в покрытых льдом мелководных озерах не сводятся лишь к молекулярному уровню и, несмотря на их относительно низкую интенсивность, в основном определяются перемежающейся турбулентностью, природа и механизм генерации которой изучены недостаточно. В работе рассматривается один из таких механизмов, связанный с резонансным возбуждением коротких внутренних волн баротропными сейшами.

Методы и результаты. В качестве экспериментальной базы использовались данные зимних измерений температуры в мелководном озере. Анализ динамики температурных профилей в первые недели после ледостава выявил аномально высокие значения эффективного коэффициента температуропроводности. В спектрах температурных пульсаций явно прослеживался пик, соответствующий основной моде баротропных сейш. Существенная неоднородность амплитуды температурных пульсаций по глубине, противофазные колебания в соседних слоях указывали на присутствие внутренних волн. Предложен механизм переноса энергии от баротропных сейш к внутренним волнам, аналогичный «конверсии приливов» (tidal conversion) в океанологии. В результате получены оценки для потока энергии, скорости диссипации и эффективного коэффициента температуропроводности.

Выводы. Внутренние волны могут играть существенную роль в процессах перемешивания и переноса тепла в покрытых льдом озерах. При этом баротропные сейши, возникающие при атмосферных барических возмущениях, играют роль промежуточного энергетического резервуара и способны порождать короткие внутренние волны в результате резонансного взаимодействия с донной топографией. Интенсивность внутренних волн существенно зависит от амплитуды баротропных сейш, частоты Брента – Вяйсяля и особенностей рельефа дна.

Ключевые слова

конверсия сейш, покрытые льдом озера, вертикальные профили температуры, внутренние волны, баротропные сейши, диссипация энергии

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания ИВПС КарНЦ РАН (тема № 0218-2019-0049).

Для цитирования

Резонансное возбуждение короткопериодных внутренних волн баротропными сейшами в покрытом льдом мелководном озере / С. Ю. Волков [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 4. С. 407–423. EDN EUVONQ. doi:10.22449/0233-7584-2020-4-407-423

Volkov, S.Yu., Bogdanov, S.R., Zdorovennov, R.E., Palshin, N.I., Zdorovennova, G.E., Efremova, T.V., Gavrilenko, G.G. and Terzhevik, A.Yu., 2020. Resonance Generation of Short Internal Waves by the Barotropic Seiches in an Ice-Covered Shallow Lake. Physical Oceanography, 27(4), pp. 374-389. doi:10.22449/1573-160X-2020-4-374-389

DOI

10.22449/0233-7584-2020-4-407-423

Список литературы

  1. Physics of seasonally ice-covered lakes: a review / G. Kirillin [et al.] // Aquatic Sciences. 2012. Vol. 74. P. 659–682. https://doi.org/10.1007/s00027-012-0279-y
  2. The thermal structure of a shallow lake in early winter / M. P. Petrov [et al.] // Water Resources. 2006. Vol. 33. P. 135–143. https://doi.org/10.1134/S0097807806020035
  3. Ellis C. R., Stefan H. G., Gu R. Water temperature dynamics and heat transfer beneath the ice cover of a lake // Limnology and Oceanography. 1991. Vol. 36, iss. 2. P. 324–334. doi:10.4319/lo.1991.36.2.0324
  4. Malm J. Bottom buoyancy layer in an ice-covered lakes // Water Resources Research. 1998. V. 34, iss. 11. P. 2981–2993. http:doi.org/10.1029/98WR01904
  5. Bengtsson L. Mixing in ice-covered lakes // Hydrobiologia. 1996, vol. 322, P. 91–97. https://doi.org/10.1007/BF00031811
  6. Зырянов В. Н. Сейши подо льдом // Водные ресурсы. 2011. Т. 38, вып. 3. С. 259–271.
  7. Field study on currents in a shallow, ice-covered lake / J. Malm [et al.] // Limnology and Oceanography. 1998. Vol. 43, iss. 7. P. 1669–1679. http://doi.org/10.4319/lo.1998.43.7.1669
  8. Motion of water in an ice-covered shallow lake / M. P. Petrov [et al.] // Water Resources. 2007. Vol. 34. P. 113–122. https://doi.org/10.1134/S0097807807020017
  9. Стурова И. В. Влияние ледяного покрова на колебания жидкости в замкнутом бассейне // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43, № 1. С. 128–135.
  10. Garrett C., Munk W. Oceanic mixing by breaking internal waves // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1972. Vol. 19, iss. 12. P. 823–832. https://doi.org/10.1016/0011-7471(72)90001-0
  11. Bell T. H. Lee waves in stratified flows with simple harmonic time dependence // Journal of Fluid Mechanics. 1975. Vol. 67, iss. 4. P. 705–722. https://doi.org/10.1017/S0022112075000560
  12. Llewellyn Smith S. G., Young W. R. Conversion of the Barotropic Tide // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 5. P. 1554–1566. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)0321554:COTBT2.0.CO;2
  13. Interannual variability of ice and snow cover of a small shallow lake / R. Zdorovennov [et al.] // Estonian Journal of Earth Sciences. 2013. Vol. 62, iss. 1. P. 26–32. doi:10.3176/earth.2013.03
  14. Field investigation of winter thermo- and hydrodinamics in a small Karelian lake / L. Bengtsson [et al.] // Limnology and Oceanography. 1996. Vol. 41, iss. 7. P. 1502–1513. doi:10.4319/lo.1996.41.7.1502
  15. Short Internal Waves in a Small Ice-Covered Lake / N. Palshin [et al.] // Water Resources. 2018. Vol. 45, iss. 5. P. 695 – 705. doi:10.1134/S0097807818050159
  16. Garrett C., Kunze E. Internal Tide Generation in the Deep Ocean // Annual Review of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 39. P. 57–87. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.39.050905.110227
  17. Bühler O., Muller C. J. Instability and focusing of internal tides in the deep ocean // Journal of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 588. P. 1–28. https://doi.org/10.1017/S0022112007007410
  18. Balmforth N. J., Ierley G. R., Young W. R. Tidal Conversion by Subcritical Topography // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 10. P. 2900–2914. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)0322900:TCBST2.0.CO;2
  19. Bell T. H. Topographically generated internal waves in the open ocean // Journal of Geophysical Research. 1975. Vol. 80, iss. 3. P. 320–327. doi: 10.1029/JC080i003p00320
  20. St. Laurent L. C., Garrett C. The Role of Internal Tides in Mixing the Deep Ocean // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 10. P. 2882–2899. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)0322882:TROITI2.0.CO;2
  21. Jayne S. R., St. Laurent L. C., Gille S. T. Connections between ocean bottom topography and Earth’s climate // Oceanography. 2004. Vol. 17, no. 1. P. 65–74. http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2004.68
  22. Håkanson L. On lake bottom dynamics – the energy-topography factor // Canadian Journal of Earth Sciences. 1981. Vol. 18, no. 5. P. 899–909. https://doi.org/10.1139/e81-086
  23. Wilson B. W. Seiches // Advances in Hydroscience. Elsevier, 1972. Vol. 8. P. 1–94. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-021808-0.50006-1
  24. Boundary mixing and nutrient fluxes in Mono Lake, California / S. MacIntyre [et al.] // Limnology and Oceanography. 1999. Vol. 44, iss. 3. P. 512–529. doi:10.4319/lo.1999.44.3.0512
  25. Turbulent mixing induced by nonlinear internal waves in Mono Lake, California / S. MacIntyre [et al.] // Limnology and Oceanography. 2009. Vol. 54, iss. 6. P. 2255–2272. doi:10.4319/lo.2009.54.6.2255
  26. Internal wave-driven transport of fluid away from the boundary of a lake / D. J. Wain [et al.] // Limnology and Oceanography. 2013. Vol. 58, iss. 2. P. 429–442. doi:10.4319/lo.2013.58.2.0429
  27. Rates and mechanisms of turbulent dissipation and mixing in the Southern Ocean: Results from the Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean (DIMES) / K. L. Sheen [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 6. P. 2774–2792. doi:10.1002/jgrc.20217
  28. MacIntyre S. Vertical mixing in a shallow, eutrophic lake: Possible consequences for the light climate of phytoplankton // Limnology and Oceanography. 1993. Vol. 38, iss. 4. P. 798–817. doi:10.4319/lo.1993.38.4.0798
  29. Wüest A., Piepke G., Van Senden D. C. Turbulent kinetic energy balance as a tool for estimating vertical diffusivity in wind-forced stratified waters // Limnology and Oceanography. 2000. Vol. 45, iss. 6. P. 1388–1400. DOI:10.4319/lo.2000.45.6.1388
  30. Wüest A., Lorke A. Small-Scale Hydrodynamics in Lakes // Annual Review of Fluid Mechanics. 2003. Vol. 35. P. 373–412. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.35.101101.161220
  31. Smyth W. D., Moum J. N. Length scales of turbulence in stably stratified mixing layers // Physics of Fluids. 2000. Vol. 12. 1327. https://doi.org/10.1063/1.870385
  32. Dillon T. M. Vertical overturns: A comparison of Thorpe and Ozmidov length scales // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1982. Vol. 87, iss. C12. P. 9601–9613. doi:10.1029/JC087iC12p09601
  33. Osborn T. R. Estimates of the Local Rate of Vertical Diffusion from Dissipation Measurements // Journal of Physical Oceanography. 1980. Vol. 10, iss. 1. P. 83–89. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1980)0100083:EOTLRO2.0.CO;2
  34. Efficiency of turbulent mixing in the abyssal ocean circulation / A. Mashayek [et al.] // Geophysical Research Letters. 2017. Vol. 44, iss. 12. P. 6296–6306. doi:10.1002/2016GL072452
  35. Ulloa H. N., Wüest A., Bouffard D. Mechanical energy budget and mixing efficiency for a radiatively heated ice-covered waterbody // Journal of Fluid Mechanics. 2018. Vol. 852. R1. doi:10.1017/jfm.2018.587
  36. Maffioli A., Brethouwer G., Lindborg E. Mixing efficiency in stratified turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 794. R3. doi:10.1017/jfm.2016.206
  37. Khatiwala S. Generation of internal tides in an ocean of finite depth: analytical and numerical calculations // Deep Sea Research. Part I. 2003. Vol. 50, iss.1. P. 3–21. https://doi.org/10.1016/S0967-0637(02)00132-2
  38. Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield / A. Wörman [et al.] // Geophysical Research Letters. 2007. Vol. 34, iss. 7. L07402. doi:10.1029/2007GL029426

Скачать статью в PDF-формате