Основные закономерности вертикального турбулентного обмена в квазиоднородных и стратифицированных слоях Черного моря

А. С. Самодуров✉, А. М. Чухарев, Д. А. Казаков

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: anatol_samodurov@mail.ru

Аннотация

Цель. Целью данной работы являлась оценка коэффициента вертикального турбулентного обмена для различных слоев Черноморского бассейна на основе полученных в Черном море с 2004 по 2019 г. экспериментальных данных о микроструктуре физических полей и полуэмпирических моделей.

Методы и результаты. Для верхнего квазиоднородного слоя скорость диссипации турбулентной энергии ɛ и обменный коэффициент рассчитывались по спектрам пульсаций скорости на основании гипотез Колмогорова об инерционном интервале спектра турбулентности. В стратифицированных слоях экспериментальное определение коэффициента турбулентности и скорости диссипации проводилось как по спектрам градиентов горизонтальных пульсаций скорости, так и по вертикальным спектрам пульсаций температуры с использованием эффективного масштаба турбулентных пятен. В зависимости от особенностей гидрологического режима и преобладающих энергетических механизмов генерации турбулентности было выделено и описано пять слоев c характерными для них степенными зависимостями коэффициентов вертикальной турбулентной диффузии K от частоты плавучести N в соответствии с 1,5D-моделью вертикального турбулентного обмена для исследуемого бассейна. Для стратифицированных слоев был проведен сравнительный анализ 1,5D-модели с другими полуэмпирическими и теоретическими моделями, описывающими наиболее вероятные гидрофизические процессы в каждом конкретном слое, получены соотношения для коэффициента вертикального турбулентного обмена в зависимости от частоты плавучести.

Выводы. Сопоставление собранных при различных гидрометеорологических условиях экспериментальных данных с результатами расчетов по известным моделям турбулентности для верхнего перемешанного слоя моря показало, что лучшее соответствие модельных расчетов и данных измерений дает многомасштабная модель, учитывающая все три основных механизма генерации турбулентности: сдвиг скорости течения, неустойчивость волновых движений и обрушение волн. Зависимости коэффициента турбулентного обмена от глубины определяются влиянием доминирующего источника турбулентности на данном горизонте. В стратифици-рованных слоях зависимость коэффициента обмена от частоты плавучести определяется гидрофизическими процессами в каждом слое, полученные соотношения для отдельных слоев отражают интенсивность вкладов вертикальной адвекции, обрушений внутренних волн, диффузии турбулентности и геотермального потока.

Ключевые слова

Черное море, диссипация энергии, стратифицированный слой, вертикальный турбулентный обмен, частота плавучести, измерительный комплекс, натурные измерения, модели турбулентного обмена, 1,5D-модель

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания № 0555-2021-0004 «Океанологические процессы».

Для цитирования

Самодуров А. С., Чухарев А. М., Казаков Д. А. Основные закономерности вертикального турбулентного обмена в квазиоднородных и стратифицированных слоях Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 4. С. 405–422. EDN MGYDHW. doi:10.22449/0233-7584-2021-4-405-422

Samodurov, A.S., Chukharev, A.M. and Kazakov, D.A., 2021. Basic Regularities of Vertical Turbulent Exchange in the Mixed and Stratified Layers of the Black Sea. Physical Oceanography, 28(4), pp. 405-422. doi:10.22449/1573-160X-2021-4-376-391

DOI

10.22449/0233-7584-2021-4-405-422

Список литературы

  1. 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.
  2. 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: Oceans. 1962. Vol. 67, iss. 8. Р. 3177–3180. https://doi.org/10.1029/JZ067i008p03177
  3. Монин А. С., Озмидов Р. В. Океанская турбулентность. Л. : Гидрометеоиздат, 1981. 320 с.
  4. Oakey N. Determination of the rate of dissipation of turbulent energy from simultaneous temperature and velocity shear microstructure measurements // Journal of Physical Oceanography. 1982. Vol. 12, iss. 3. Р. 256–271. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1982)0120256:DOTROD2.0.CO;2
  5. 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.
  6. Estimates of kinetic energy dissipation under breaking waves / E. A. Terray [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, iss. 5. P. 792–807. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)0260792:EOKEDU2.0.CO;2
  7. Oceanic turbulence dissipation measurements in SWADE / W. M. Drennan [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, iss. 5. P. 808–815. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)0260808:OTDMIS2.0.CO;2
  8. Prandke H., Stips A. Test measurements with an operational microstructure-turbulence profiler: detection limit of dissipation rates // Aquatic Sciences. 1998. Vol. 60, iss. 3. P. 191–209. http://dx.doi.org/10.1007/s000270050036
  9. Самодуров А. С., Любицкий А. А., Пантелеев Н. А. Вклад опрокидывающихся внутренних волн в структурообразование, диссипацию энергии и вертикальную диффузию в океане // Морской гидрофизический журнал. 1994. № 3. С. 14–27.
  10. Samodurov A. S., Ivanov L. I. Mixing and energy dissipation rate in Mediterranean seas: an intercomparison of existing models // Oceanography of the eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and differences of two interconnected basins. Ankara : Tübitak Publishers, 2003. P. 369–375.
  11. Thorpe S. A. Experiments of instability and turbulence in a stratified shear flow // Journal of Fluid Mechanics. 1973. Vol. 61, iss. 4. P. 731–751. doi:10.1017/S0022112073000911
  12. Mcewen A. D. The kinematics of stratified mixing through internal wavebreaking // Journal of Fluid Mechanics. 1983. Vol. 128. P. 47–57. doi:10.1017/S0022112083000373
  13. Mcewen A. D. Internal mixing in stratified fluids // Journal of Fluid Mechanics. 1983. Vol. 128. P. 59–80. doi:10.1017/S0022112083000385
  14. 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. doi:10.1175/1520-0485(1980)0100083:EOTLRO2.0.CO;2
  15. Самодуров А. С. Взаимодополняемость различных подходов для оценки интенсивности вертикального турбулентного обмена в естественных стратифицированных бассейнах // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 6. С. 37–48.
  16. Модель среднегодового вертикального обмена в холодном промежуточном слое Черного моря / А. С. Самодуров [и др.] // Процессы в геосредах. 2016. № 2(6). С. 141–147.
  17. Gregg M. C. Scaling turbulent dissipation in the thermocline // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C7. P. 9686–9698. doi:10.1029/JC094iC07p09686
  18. 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
  19. Sullivan P. P., McWilliams J. C., Patton E. G. Large-eddy simulation of marine atmospheric boundary layers above a spectrum of moving waves // Journal of the Atmospheric Sciences. 2014. Vol. 71, iss. 11. P. 4001–4027. https://doi.org/10.1175/JAS-D-14-0095.1
  20. 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. https://doi.org/10.1175/JPO-D-12-025.1
  21. 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. https://doi.org/10.1002/jgrc.20387
  22. 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
  23. Craig P. D., Banner M. L. Modeling wave-enhanced turbulence in the ocean surface layer // Journal of Physical Oceanography. 1994. Vol. 24, iss. 12. P. 2546–2559. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1994)0242546:MWETIT2.0.CO;2
  24. Benilov A. Yu., Ly L. N. Modelling of surface waves breaking effects in the ocean upper layer // Mathematical and Computer Modelling. 2002. Vol. 35, iss. 1–2. P. 191–213. https://doi.org/10.1016/S0895-7177(01)00159-5
  25. 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
  26. 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
  27. Ivanov L. I., Samodurov A. S. The role of lateral fluxes in ventilation of the Black Sea // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 159–174. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00051-3
  28. Самодуров А. С., Иванов Л. И. Балансовая модель для расчета средних вертикальных потоков жидкости, тепла, соли и растворенных химических веществ в термохалоклине Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2002. № 1. С. 7–24.
  29. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 212 с.
  30. Интенсификация внутренних волн в зоне сопряжения шельфа и континентального склона как фактор интенсификации вертикального обмена / А. С. Самодуров [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. Т. 6, № 2. С. 12–24.
  31. Структурообразование и вертикальный турбулентный обмен в прибрежной зоне Севастопольского региона / А. С. Самодуров [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 6. С. 3–16. doi:10.22449/0233-7584-2015-6-3-16
  32. Samodurov A. S., Chukharev A. M. Vertical turbulent exchange features in the layer of seasonal pycnocline in the northwestern part of the Black Sea // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1128. 012148. doi:10.1088/1742-6596/1128/1/012148
  33. Samodurov A. S., Chukharev A. M. Vertical turbulent exchange features in the Black Sea active layer // Physical and mathematical modeling of Earth and environment processes. Cham : Springer, 2018. P. 148–156. doi:10.1007/978-3-319-77788-7_16
  34. Самодуров А. С., Глобина Л. В. Диссипация энергии и вертикальный обмен в стратифицированных бассейнах за счет сдвиговой неустойчивости в поле квазиинерционных внутренних // Морской гидрофизический журнал. 2011. № 6. С. 16–27.
  35. Самодуров А. С. Интрузионное расслоение и вертикальный обмен в Черном море за счет геотермального потока тепла на наклонном дне // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. Севастополь : МГИ, 2003. Вып. 8. С. 152–156.
  36. Wunsch C., Ferrari R. Vertical mixing, energy, and the general circulation of the oceans // Annual Review of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 36. P. 281–314. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.36.050802.122121
  37. Самодуров А. С. Придонный пограничный слой в Черном море: формирование стационарного состояния // Морской гидрофизический журнал. 2009. № 1. С. 16–25.

Скачать статью в PDF-формате