Нестационарная модель турбулентности для верхнего пограничного слоя моря

А. М. Чухарев

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

e-mail: alexchukh@mail.ru

Аннотация

Цель. Развитие физических представлений о динамическом взаимодействии двух сред на малых и субмезомасштабах и создание объективной модели для описания турбулентного режима приповерхностного слоя моря – цель статьи.

Методы и результаты. На основе больших массивов экспериментальных данных об интенсивности морской турбулентности при различных гидрометеорологических условиях установлены значимые масштабы энергоснабжения турбулентности и предложена нестационарная численная модель турбулентного обмена в приповерхностном слое моря. В качестве источников турбулентности рассмотрены четыре основных механизма генерации: сдвиг скорости дрейфового течения, поверхностные волны и их обрушения, субмезомасштабные вихревые структуры. Влияние последних оценивается через структурную функцию, рассчитанную по синхронным измерениям скорости течения в двух точках. Численные решения для профилей скорости, энергии турбулентности и скорости диссипации сопоставлялись с экспериментальными данными, при этом подобраны необходимые модельные константы. Верификация результатов расчетов показала их хорошее соответствие данным измерений в достаточно широком диапазоне скоростей ветра, в том числе и при слабых ветрах, когда другие модели дают сильно заниженный результат по сравнению с экспериментом.

Выводы. Предложена нестационарная модель для расчета характеристик турбулентности в верхнем перемешанном слое моря. Использование структурной функции в уравнении баланса турбулентной энергии улучшает соответствие модельных расчетов и экспериментальных данных. Разработанная модель достоверно описывает турбулентную структуру исследуемого слоя и позволяет рассчитывать интенсивность вертикального турбулентного обмена в различных гидрометеорологических условиях.

Ключевые слова

морская турбулентность, приповерхностный слой, механизмы генерации турбулентности, структурная функция, нестационарная модель турбулентности, скорость диссипации, экспериментальные данные

Благодарности

В рамках темы госзадания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2021-0004 «Океанологические процессы» выполнены экспериментальные исследования и предварительная обработка данных. При финансовой поддержке гранта РНФ 22-17-00150 выполнены анализ данных, разработка и верификация модели.

Для цитирования

Чухарев А. М. Нестационарная модель турбулентности для верхнего пограничного слоя моря профиля // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 1. С. 83–100. EDN JZPQGE.

Chukharev, A.M., 2025. Non-Stationary Turbulence Model for the Upper Boundary Layer of the Sea. Physical Oceanography, 32(1), pp. 116-132.

Список литературы

  1. 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
  2. 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. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-121108-145541
  3. 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)014%3C0402:TFSTSL%3E2.0.CO;2
  4. 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
  5. Craig P. D., Banner M. L. Modeling of 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. 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
  7. Chukharev A. M. Multitime scale model of turbulence in the sea surface layer // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. Vol. 49, iss. 4. P. 439–449. https://doi.org/10.1134/S0001433813040026
  8. Langmuir turbulence and surface heating in the ocean surface boundary layer / B. Pearson [et el.] // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol.45, iss. 12. P. 2897–2911. https://doi.org/10.1175/JPO-D-15-0018.1
  9. Biases in structure functions from observations of submesoscale flows / J.Pearson [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol.125, iss. 6. e2019JCo15769. https://doi.org/10.1029/2019JC015769
  10. 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. https:/doi.org/10.1007/s11110-006-0005-1
  11. Астафьева Н. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. 1996. Т. 166, №11. С. 1145–1170. https:/doi.org/10.3367/UFNr.0166.199611a.1145
  12. Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжигаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Доклады АН СССР. 1941. Т. 30, № 4. С. 299–303.
  13. Атмосферная когерентная турбулентность / В. В. Носов [и др.] // Оптика атмосферы иокеана. 2012. Т. 25, № 9. С. 753–759. EDN PCIOJL.
  14. Chukharev A. M., Pavlov M. I. Turbulent Exchange in Unsteady Air–Sea Interaction at Small and Submesoscales // Izvestiya, Atmospheric and Ocean Physics. 2024. Vol. 60, iss. 1. P. 87–94. https://doi.org/10.1134/S0001433824700105
  15. Причины проявления неколмогоровской турбулентности в атмосфере / В. П. Лукин [et el.] // Успехи современного естествознания. 2014. №12. С. 369–377. EDN TENVOX.
  16. Hussain A.K.M.F. Coherent structures and turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 1986. Vol. 173. P. 303–356. https://doi.org/10.1017/S0022112086001192
  17. Изменчивость поля течений в прибрежной зоне Черного моря по измерениям донной станции ADCP / А. Г. Зацепин [и др.] // Океанология. 2012. Т. 52, № 5. С. 629–642. EDN PCIKPJ.
  18. 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
  19. Cheung T. K., Street R. L. The turbulent layer in water at an air-water interface // Journal of Fluid Mechanics. 1988. Vol. 194. P. 133–151. https://doi.org/10.1017/S0022112088002927
  20. 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)026%3C0792:EOKEDU%3E2.0.CO;2

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.