Вертикальный турбулентный обмен в Черном море: экспериментальные исследования и моделирование

А. С. Самодуров1, А. М. Чухарев1, 2, ✉, Д. А. Казаков1, М. И. Павлов1, В. А. Коржуев1

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

2 Севастопольский государственный университет

✉ e-mail: alexchukh@mail.ru

Аннотация

Цель. Целью работы является обобщение основных результатов выполненных в последние годы экспериментальных и теоретических исследований вертикального турбулентного обмена в верхнем квазиоднородном и стратифицированных слоях Черного моря.

Методы и результаты. На основании большого объема экспериментальных данных о турбулентной структуре, полученных на научно-исследовательских судах и стационарной океанографической платформе с применением современной быстродействующей аппаратуры в сочетании с традиционными измерениями основных гидрофизических характеристик предложены уравнения полуэмпирических зависимостей интенсивности турбулентности от определяющих параметров. Экспериментальные данные использовались для верификации теоретических моделей и уточнения эмпирических коэффициентов в предложенных уравнениях. Многомасштабная модель применялась в дополнение к модели Крауса – Тернера для достоверного прогноза заглубления верхнего квазиоднородного слоя после прохождения шторма. Скорость диссипации турбулентной энергии и коэффициент турбулентной диффузии в стратифицированных слоях определялись по данным о микроструктуре гидрофизических полей. Зависимости коэффициента от частоты плавучести в разных слоях выражаются степенной функцией с отличающимися показателями.

Выводы. Детальное рассмотрение условий стратификации и большой массив данных зондирований позволили выделить в толще моря пять различных слоев с отличающимися градиентами плотности и различными доминирующими механизмами генерации турбулентности. Такая дифференциация уточняет выражения, описывающие интенсивность турбулентной диффузии в зависимости от глубины слоя и физико-географических условий, влияющих на вертикальный обмен. Полученные степенные зависимости в целом хорошо согласуются с 1,5D-моделью вертикального обмена для Черного моря, разработанной ранее. Предложенный учет влияния механизмов генерации турбулентности в верхнем квазиоднородном слое улучшает соответствие модельных расчетов и экспериментальных данных. Модель Крауса – Тернера, дополненная многомасштабной моделью турбулентности, позволяет прогнозировать заглубление перемешанного слоя, вызванное штормовыми условиями.

Ключевые слова

Черное море, турбулентный обмен, верхний квазиоднородный слой, стратифицированные слои, скорость диссипации, коэффициент турбулентной диффузии, моделирование, экспериментальные данные

Благодарности

В рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме FNNN-20210004 «Океанологические процессы» выполнены все экспериментальные исследования, обработка и частичный анализ данных, модернизация многомасштабной модели для приповерхностного слоя и уточнение функциональных зависимостей коэффициента турбулентной диффузии в стратифицированных слоях. При финансовой поддержке гранта РНФ 22-17-00150 проведены моделирование и анализ динамики толщины ВКС в экспериментах, анализ записей и параметризация циркуляций Ленгмюра.

Для цитирования

Вертикальный турбулентный обмен в Черном море: экспериментальные исследования и моделирование / А. С. Самодуров [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 6. С. 735–759. EDN LCDZNK.

Samodurov, A.S., Chukharev, A.M., Kazakov, D.A., Pavlov, M.I. and Korzhuev, V.A., 2023. Vertical Turbulent Exchange in the Black Sea: Experimental Studies and Modeling. Physical Oceanography, 30(6), pp. 689-713.

Список литературы

  1. Sullivan P. P., McWilliams J. C. Dynamics of winds and currents coupled to surface waves // Annual Review of Fluid Mechanics. 2010. Vol. 42. P. 19–42. doi:10.1146/annurev-fluid121108-145541
  2. Бенилов А. Ю. О генерации турбулентности в океане поверхностными волнами // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9, № 3. С. 293–303.
  3. 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. doi:10.1016/S0895-7177(01)00159-5
  4. Csanady G. T. The free surface turbulent shear layer // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14, iss. 2. P. 402–411. https://doi.org/10.1175/15200485(1984)014%3C0402:TFSTSL%3E2.0.CO;2
  5. 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)024%3C2546:MWETIT%3E2.0.CO;2
  6. Чухарев А. М. Модель турбулентности со многими временными масштабами для приповерхностного слоя моря // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 4. С. 477–488. EDN QIWCFV. doi:10.7868/S0002351513040020
  7. Mellor G., Blumberg A. Wave breaking and ocean surface layer thermal response // Journal of Physical Oceanography. 2004. Vol. 34, iss. 3. P. 693–698. doi:10.1175/2517.1
  8. Kantha L. H., Clayson C. A. On the effect of surface gravity waves on mixing in the oceanic mixed layer // Ocean Modelling. 2004. Vol. 6, iss. 2. P. 101–124. https://doi.org/10.1016/S1463-5003(02)00062-8
  9. 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
  10. 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
  11. 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, iss. 4. P. 943– 965. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0133.1
  12. 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
  13. 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:10.1175/15200485(1980)010%3C0083:EOTLRO%3E2.0.CO;2
  14. McComas C. H., Müller P. The dynamic balance of internal waves // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 7. P. 970–986. https://doi.org/10.1175/15200485(1981)011%3C0970:TDBOIW%3E2.0.CO;2
  15. Henyey F. S., Wright J., Flatté S. M. Energy and action flow through the internal wave field: An eikonal approach // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1986. Vol. 91, iss. C7. P. 8487–8495. doi:10.1029/Jc091Ic07P08487
  16. Available potential energy and mixing in density-stratified fluids / K. Winters [e al.] // Journal of Fluid Mechanics. 1995. Vol. 289. P. 115–128. doi:10.1017/S002211209500125X
  17. Gargett A. E., Holloway G. Dissipation and diffusion by internal wave breaking // Journal of Marine Research. 1984. Vol. 42, iss. 1. P. 15–27. doi:10.1357/002224084788506158
  18. Gregg M. C. Scaling turbulent dissipation in the thermocline // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C7. P. 9686–9698. https://doi.org/10.1029/JC094iC07p09686
  19. Van Haren H. Open-ocean-interior moored sensor turbulence estimates, below a Meddy // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2019. Vol. 144. P. 75–84. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2019.01.005
  20. 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. EDN QIQRGV.
  21. 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. doi:10.22449/0233-75842021-4-405-422 EDN MGYDHW.
  22. 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. doi:10.22449/0233-7584-2021-3-333-349
  23. Weller R. A., Price J. F. Langmuir circulation within the oceanic mixed layer // Deep Sea Research Part A: Oceanographic Research Paper. 1988. Vol. 35, iss. 5. P. 711–747. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90027-1
  24. Thorpe S. A. Langmuir circulation // Annual Review of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 36. P. 55– 79. doi:10.1146/annurev.fluid.36.052203.071431
  25. Zedel L., Farmer D. Organized structures in subsurface bubble clouds: Langmuir circulation in the open ocean // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1991. Vol. 96, iss. C5. P. 8889– 8900. https://doi.org/10.1029/91JC00189
  26. Wu L., Rutgersson A., Sahlee 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
  27. McWilliams J. C., Sullivan P. P. Vertical mixing by Langmuir circulations // Spill Science & Technology Bulletin. 2000. Vol. 6, iss. 3-4. P. 225–237. https://doi.org/10.1016/S13532561(01)00041-X
  28. 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. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2004.09.004
  29. 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
  30. 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. doi:10.1029/95JC03282
  31. 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)013%3C1977:WTIITU%3E2.0.CO;2
  32. Kraus E. B., Turner J. S. A one-dimensional model of the seasonal thermocline. II. The general theory and its consequences // Tellus. 1967. Vol. 19, iss. 1. P. 98–106. doi:10.1111/j.21533490.1967.tb01462.x
  33. 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.
  34. 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, iss 3. Р. 256–271. https://doi.org/10.1175/15200485(1982)012%3C0256:DOTROD%3E2.0.CO;2
  35. 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.
  36. Gregg M. С. Scaling turbulent dissipation in the thermocline // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C7. P. 9686–9698. doi:10.1029/JC094iC07p09686
  37. 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
  38. Самодуров А. С., Кульша О. Е., Белокопытов В. Н. Стационарная модель вертикального обмена в Черном море для реальной геометрии бассейна // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь, 2006. Вып. 14. С. 517–523. EDN ZBOAUJ.
  39. Самодуров А. С., Глобина Л. В. Диссипация энергии и вертикальный обмен в стратифицированных бассейнах за счет сдвиговой неустойчивости в поле квазиинерционных внутренних волн // Морской гидрофизический журнал. 2011. № 6. С. 16–27.
  40. Самодуров А. С. Придонный пограничный слой в Черном море: формирование стационарного состояния // Морской гидрофизический журнал. 2009. № 1. С. 16–25.
  41. Казаков Д. А., Самодуров А. С. Оценка интенсивности вертикального турбулентного обмена в слое основного пикноклина на прикерченском участке шельфа Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2021. № 2. С. 94–105. EDN RFDEWU. doi:10.22449/2413-5577-2021-2-94-105
  42. Циркуляция вод северной части Черного моря в летний сезон 2016 года (по материалам 87-го рейса НИС «Профессор Водяницкий») / Ю. В. Артамонов [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 1. С. 57–70. EDN YWNTRV. doi:10.22449/02337584-2018-1-57-70
  43. Структура вод в зоне основного Черноморского течения весной и летом 2017 г. (94-й, 95й рейсы НИС «Профессор Водяницкий») / Ю. В. Артамонов [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2019. № 1. С. 16–28. EDN ABVXOP. doi:10.22449/2413-5577-2019-1-16-28
  44. Циркуляция вод в северной части Черного моря летом зимой 2018 года / Ю. В. Артамонов [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 1. С. 69–90. EDN CIHJZC. doi:10.22449/2413-5577-2020-1-69-9
  45. Циркуляция и термохалинная структура вод северной части Черного моря по данным гидрологических измерений в 2019 г. (106, 108, 110, 111-й рейсы НИС «Профессор Водяницкий») / А. В. Федирко [и др.] // Итоги экспедиционных исследований в 2019 году в Мировом океане, внутренних водах и на архипелаге Шпицберген : Материалы конференции, Москва, 26–27 февраля 2020 года. Севастополь : ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН», 2020. С. 206–212. EDN SQNMSV.
  46. Белокопытов В. Н. Сезонный ход вертикальной термохалинной стратификации вод на Черноморском шельфе Крыма // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2019. № 3. С. 19–24. EDN ASAMOV. doi:10.22449/2413-5577-2019-3-19-24

Скачать статью в PDF-формате