Модельные и экспериментальные оценки интенсивности вертикального перемешивания в верхнем однородном слое моря

А. М. Чухарев✉, М. И. Павлов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: alexchukh@mail.ru

Аннотация

Цель. а основе усовершенствованной многомасштабной модели проведен качественный и количественный анализ экспериментальных данных об интенсивности турбулентности, а также их сопоставление с теоретическими и полуэмпирическими соотношениями для описания вклада различных источников турбулентности.

Методы и результаты. Проведен сравнительный анализ экспериментальных данных и модельных расчетов характеристик турбулентности вблизи поверхности моря. Рассмотрены методы теоретического оценивания генерации турбулентности в приповерхностном слое моря различными физическими процессами. Результаты расчетов по известным моделям турбулентного обмена сравнивались с экспериментальными данными, собранными на протяжении нескольких лет сотрудниками отдела турбулентности МГИ РАН при помощи специализированной аппаратуры. По результатам анализа определены возможности применения рассмотренных моделей для расчета интенсивности турбулентности в разных гидрометеорологических условиях. При слабом ветре ни одна из моделей не давала результатов, соответствующих данным измерений. При умеренных ветрах результаты моделирования демонстрируют вполне удовлетворительное согласие с экспериментальными данными, при сильных ветрах наилучшие результаты дает многомасштабная модель. Эта модель была доработана для оценки вклада двух других механизмов генерации – стоксова дрейфа и циркуляций Ленгмюра.

Выводы. Для объективной оценки интенсивности турбулентного обмена необходимо учитывать три основных механизма генерации турбулентности: сдвиг скорости течения, волнение и обрушение волн. Каждый из этих механизмов может доминировать в разном диапазоне глубин в зависимости от гидрометеорологической ситуации. Согласно расчетам по усовершенствованной модели, учет стоксова дрейфа добавляет от 2 до 17 % к суммарной диссипации в верхнем 30-метровом слое, а вклад ленгмюровских циркуляций, рассчитываемый по зависимости скорости вертикального переноса кинетической энергии от числа Ленгмюра, может достигать 15 % при малых числах Ленгмюра.

Ключевые слова

турбулентный обмен, верхний слой моря, механизмы генерации турбулентности, моделирование, скорость диссипации, верификация моделей, многомасштабная модель, стоксов дрейф, циркуляции Ленгмюра

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0827-2019-0003.

Для цитирования

Чухарев А. М., Павлов М. И. Модельные и экспериментальные оценки интенсивности вертикального перемешивания в верхнем однородном слое моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 3. С. 333–349. EDN MBTZJF. doi:10.22449/0233-7584-2021-3-333-349

Chukharev, A.M. and Pavlov, M.I., 2021. Model and Experimental Estimates of Vertical Mixing Intensity in the Sea Upper Homogeneous Layer. Physical Oceanography, 28(3), pp. 309-325. doi:10.22449/1573-160X-2021-3-309-325

DOI

10.22449/0233-7584-2021-3-333-349

Список литературы

  1. Монин А. С., Озмидов Р. В. Океанская турбулентность. Л. : Гидрометеоиздат, 1981. 320 с.
  2. A global perspective on Langmuir turbulence in the ocean surface boundary layer / S. E. Belcher [еt al.] // Geophysical Research Letters. 2012. Vol. 39, iss. 18. L18605. https://doi.org/10.1029/2012GL052932
  3. Федоров К. Н., Гинзбург А. И. Приповерхностный слой океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1988. 303 с.
  4. Доброклонский С. В. Турбулентная вязкость в поверхностном слое моря и волнение // Доклады АН СССР. 1947. Т. 58, № 7. С. 1345–1348.
  5. Бенилов А. Ю. О генерации турбулентности в океане поверхностными волнами // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9, № 3. С. 293–303.
  6. Benilov A. Y., Ly L. N. Modelling of surface waves breaking effects in the ocean upper layer // Mathematical and Computer Modelling. 2002. Vol. 35, iss. 1–2. Р. 191–213. doi:10.1016/S0895-7177(01)00159-5
  7. Csanady G. T. The free surface turbulent shear layer // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14, iss. 2. P. 402–411. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1984)0140402:TFSTSL2.0.CO;2
  8. Craig P. D., Banner M. L. Modelling of wave-enhanced turbulence in the ocean surface layer // Journal of Physical Oceanography. 1994. Vol. 24, iss. 12. P. 2546–2559. doi:10.1175/1520-0485(1994)0242546:MWETIT2.0.CO;2
  9. On the vertical structure of wind-driven sea currents / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 10. P. 2121–2144. https://doi.org/10.1175/2008JPO3883.1
  10. Чухарев А. М. Модель турбулентности со многими временны́ми масштабами для приповерхностного слоя моря // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 4. С. 477–488. doi:10.7868/S0002351513040020
  11. Craik A. D. D., Leibovich S. A rational model for Langmuir circulation // Journal of Fluid Mechanics. 1976. Vol. 73, part 3. P. 401–426.
  12. Structure and variability of Langmuir circulation during the Surface Waves Processes Program / A. J. Plueddemann [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1996. Vol. 101, iss. C2. P. 3525–3543. https://doi.org/10.1029/95JC03282
  13. Tsai W., Hung L. Three-dimensional modeling of small-scale processes in the upper boundary layer bounded by a dynamic ocean surface // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2007. Vol. 112, iss. C2. C02019. doi:10.1029/2006JC003686
  14. Kukulka T., Plueddemann A. J., Sullivan P. P. Nonlocal transport due to Langmuir circulation in a coastal ocean // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C12. C12007. doi:10.1029/2012JC008340
  15. Langmuir Circulation: An agent for vertical restratification? / K. Li [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 11. P. 1945–1958. doi:10.1175/JPO-D-11-0225.1
  16. Roles of breaking waves and Langmuir circulation in the surface boundary layer of a coastal ocean / S. Li [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 10. P. 5173–5187. doi:10.1002/jgrc.20387
  17. The wavy Ekman layer: Langmuir circulations, breaking waves, and Reynolds stress / J. C. McWilliams [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 11. P. 1793–1816. doi:10.1175/JPO-D-12-07.1
  18. Langmuir Turbulence in Swell / J. C. McWilliams [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 3. P. 870–890. doi:10.1175/JPO-D-13-0122.1
  19. Transient Evolution of Langmuir Turbulence in Ocean Boundary Layers Driven by Hurricane Winds and Waves / P. P. Sullivan [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 11. P. 1959–1980. doi:10.1175/JPO-D-12-025.1
  20. Characterization and modulation of Langmuir circulation in Chesapeake Bay / M. E. Scully [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, iss. 10. P. 2621–2639. doi:10.1175/JPO-D-14-0239.1
  21. Katsaros K. B., Ataktürk S. S. Dependence of wave-breaking statistics on wind stress and wave development // Breaking Waves / M. L. Banner, R. H. J. Grimshaw (Eds.. Berlin : Springer, 1992. P. 119–132. https://doi.org/10.1007/978-3-642-84847-6_9
  22. Melville W. K., Veron F., White C. J. The velocity field under breaking waves: Coherent structures and turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 2002. Vol. 454. P. 203–233. doi:10.1017/S0022112001007078
  23. 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
  24. Romero L., Melville W. K., Kleiss J. M. Spectral Energy Dissipation due to Surface Wave Breaking // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 9. P. 1421–1444. https://doi.org/10.1175/JPO-D-11-072.1
  25. Romero L. Distribution of surface wave breaking fronts // Geophysical Research Letters. 2019. Vol. 46, iss. 17–18. P. 10463–10474. https://doi.org/10.1029/2019GL083408
  26. 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. 2018. Т. 34, № 4. С. 329–342. doi:10.22449/0233-7584-2018-4-329-342
  27. Кориненко А. Е., Малиновский В. В., Кудрявцев В. Н. Экспериментальные исследования статистических характеристик обрушений ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 6. C. 534–547. doi:10.22449/0233-7584-2018-6-534-547
  28. Wave-induced mixing in the upper ocean: Distribution and application to a global ocean circulation model / F. Qiao [et al.] // Geophysical Research Letters. 2004. Vol. 31, iss. 11. L11303. doi:10.1029/2004GL019824
  29. Babanin A. V. On a wave-induced turbulence and a wave-mixed upper ocean layer // Geophysical Research Letters. 2006. Vol. 33, iss. 20. L20605. doi:10.1029/2006GL027308
  30. Babanin A. V., Onorato M., Qiao F. Surface waves and wave-coupled effects in lower atmosphere and upper ocean // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C11. C00J01. doi:10.1029/2012JC007932
  31. Turbulent mixing due to surface waves indicated by remote sensing of suspended particulate matter and its implementation into coupled modeling of waves, turbulence, and circulation / A. Pleskachevsky [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2011. Vol. 41, iss. 4. P. 708–724. https://doi.org/10.1175/2010JPO4328.1
  32. Турбулентность, индуцируемая штормовыми волнами на глубокой воде / С. Ю. Кузнецов [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 5. С. 23–34. doi:10.22449/0233-7584-2015-5-23-34
  33. Wu L., Rutgersson A., Sahlée E. Upper-ocean mixing due to surface gravity waves // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, iss. 12. P. 8210–8228. doi:10.1002/2015JC011329
  34. Kitaigorodskii S. A., Lumley J. L. Wave-turbulence interactions in the upper ocean. Part I: The energy balance of the interacting fields of surface wind waves and wind-induced three-dimensional turbulence // Journal of Physical Oceanography. 1983. Vol. 13, iss. 11. P. 1977–1987. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1983)0131977:WTIITU2.0.CO;2
  35. A three-dimensional surface wave–ocean circulation coupled model and its initial testing / F. Qiao [et al.] // Ocean Dynamics. 2010. Vol. 60, iss. 5. P. 1339–1355. doi:10.1007/s10236-010-0326-y
  36. Large W. G., McWilliams J. C., Doney S. C. Oceanic vertical mixing: A review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization // Reviews of Geophysics. 1994. Vol. 32, iss. 4. Р. 363–403. https://doi.org/10.1029/94RG01872
  37. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Reviews of Geophysics. 1982. Vol. 2, iss. 4. P. 851–875. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00851
  38. McWilliams J. C., Sullivan P. P. Vertical mixing by Langmuir circulations // Spill Science & Technology Bulletin. 2000. Vol. 6, iss. 3–4. P. 225–237. http://dx.doi.org/10.1016/S1353-2561(01)00041-X
  39. Li M., Garrett C., Skyllingstad E. A regime diagram for classifying turbulent large eddies in the upper ocean // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2005. Vol. 52, iss. 2. P. 259–278. doi:10.1016/j.dsr.2004.09.004
  40. Harcourt R. R., D’Asaro E. A. Large-eddy simulation of Langmuir turbulence in pure wind seas // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 7. P.1542–1562. doi:10.1175/2007JPO3842.1
  41. The form and orientation of Langmuir cells for misaligned winds and waves / L. P. Van Roekel [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C5. C05001. doi:10.1029/2011JC007516
  42. Ardhuin F., Jenkins A. D. On the interaction of surface waves and upper ocean turbulence // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36, iss. 3. P. 551–557. https://doi.org/10.1175/JPO2862.1
  43. Kantha L. H., Clayson C. A. On the effect of surface gravity waves on mixing in the oceanic mixed layer // Ocean Modelling. Vol. 6, iss. 2. P. 101–124. https://doi.org/10.1016/S1463-5003(02)00062-8
  44. 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.
  45. Evolution of air-sea interaction parameters during the temperature front passage: The measurements on an oceanographic platform / I. A. Repina [et al.] // Atmospheric Research. 2009. Vol. 94, iss. 1. P. 74–80. http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosres.2008.11.007
  46. Чухарев А. М., Репина И. А. Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне // Морской гидрофизический журнал. 2012. № 2. С. 60–78.

Скачать статью в PDF-формате