Влияние циркуляций Ленгмюра на вертикальный турбулентный обмен в волновом слое моря

М. И. Павлов✉, А. М. Чухарев, Д. В. Казаков, А. Г. Зубов, О. И. Павленко, С. А. Шутов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: mixail.pavlov.1993@mail.ru

Аннотация

Цель. Цель работы – по экспериментальным исследованиям на стационарной океанографической платформе параметризовать циркуляции Ленгмюра, установить связь их характеристик с поверхностным волнением и оценить их влияние на вертикальный турбулентный обмен в волновом слое моря.

Методы и результаты. В 2021–2024 гг. на стационарной океанографической платформе в пгт Кацивели проведены комплексные измерения гидрофизических полей вблизи поверхности моря, включая их пульсационные характеристики. Использовались акустические доплеровские профилографы (ADCP) DVS-6000 и Workhorse Monitor 1200, турбулиметр «Сигма-1» и метеокомплекс. Вертикальная компонента скорости течения W в зонах конвергенции идентифицирована по данным ADCP на глубинах 3–4 м. По измеренным значениям W определены зависимости параметров циркуляций Ленгмюра от скорости ветра на высоте 10 м (V10). Для разделения режимов применен метод кластеризации Gaussian Mixture Model с выбором числа кластеров по байесовскому информационному критерию. Скорость диссипации турбулентной энергии ε рассчитана по спектрам пульсаций скорости. Выделено два режима: энергозависимый (Lat > 0,98) и насыщенный (Lat ≤ 0,98). Для них получены регрессионные зависимости W1 = 0,57V10 + 1,15 (R2 = 0,52) и W2 = 0,29V10 + 7,3 (R2 = 0,51). Медианные значения числа Ленгмюра Lat составили 1,2 (IQR = 0,53) и 0,8 (IQR = 0,34) для энергозависимого и насыщенного режимов соответственно. Установлено, что медианные значения ε в обоих режимах близки (2,87·10−6 и 2,62·10−6 м2/с3), однако межквартильный размах log10(ε) в энергозависимом режиме (0,75) в 1,9 раза больше, чем в насыщенном (0,40), что указывает на существенное различие в вариабельности турбулентности.

Выводы. Влияние циркуляций Ленгмюра на вертикальный турбулентный обмен проявляется не столько в изменении средней интенсивности диссипации, сколько в модуляции режима изменчивости – от хаотичного и неоднородного к организованному и статистически однородному. Предложенные параметризации W(V10) и количественные оценки ε могут быть использованы для совершенствования моделей турбулентности верхнего слоя моря.

Ключевые слова

вертикальный турбулентный обмен, волновой слой моря, скорость диссипации, стоксов дрейф, экспериментальные исследования, циркуляции Ленгмюра, турбулентное число Ленгмюра, Черноморский гидрофизический подспутниковый полигон, стационарная океанографическая платформа

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ № FNNN -2024-0001.

Информация об авторах

Павлов Михаил Игоревич, младший научный сотрудник, отдел турбулентности, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), SPIN-код: 4194-0706, Scopus Author ID: 57226157217, WoS ResearcherID: ABB-6151-2021, ORCID ID: 0000-0001-9998-2080, mixail.pavlov.1993@mail.ru

Чухарев Александр Михайлович, главный научный сотрудник, отдел турбулентности, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), доктор физико-математических наук, SPIN-код: 1729-5565, Scopus Autor ID: 6603038462, WoS ResearcherID: G-3180-2013, ORCID ID: 0000-0003-1078-6425, alexchukh@mail.ru

Казаков Дмитрий Анатольевич, младший научный сотрудник, отдел турбулентности, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), SPIN-код: 6351-9222, Scopus Author ID: 57250141300, WoS ResearcherID: ABB-9621-2021, ORCID ID: 0000-0001-5083-4968, dk@mhi-ras.ru

Зубов Анатолий Георгиевич, младший научный сотрудник, отдел турбулентности, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), Scopus Author ID: 57215362329, sl4612@mail.ru

Павленко Ольга Ивановна, ведущий инженер-программист, отдел турбулентности, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), Scopus Author ID: 57215363083, olpav@list.ru

Шутов Сергей Аркадьевич, ведущий инженер, служба экспедиционного обеспечения, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), sergeo808@gmail.com

Для цитирования

Влияние циркуляций Ленгмюра на вертикальный турбулентный обмен в волновом слое моря / М. И. Павлов [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2026. Т. 42, № 4. С. 536–555. EDN AELDYJ.

Pavlov, M.I., Chukharev, A.M., Kazakov, D.V., Zubov, A.G., Pavlenko, O.I. and Shutov, S.A., 2026. Impact of the Langmuir Circulations on Vertical Turbulent Exchange in the Sea Wave Layer. Physical Oceanography, 33(4), pp. 565-583.

Список литературы

  1. 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
  2. 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. EDN LLKHMX. https://doi.org/10.1175/2008JPO3883.1
  3. 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. EDN QIWCFV. https://doi.org/10.7868/s0002351513040020
  4. Craik A. D. D., Leibovich S. A rational model for Langmuir circulations // Journal of Fluid Mechanics. 1976. Vol. 73, iss. 3. P. 401–426. https://doi.org/10.1017/S0022112076001420
  5. 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
  6. 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. https://doi.org/10.1029/2006JC003686
  7. 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. https://doi.org/10.1029/2012JC008340
  8. Langmuir circulation: an agent for vertical restratification / K. Li [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 11. P. 1945–1958. https://doi.org/10.1175/JPO-D-11-0225.1
  9. 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
  10. 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. https://doi.org/10.1175/JPO-D-12-07.1
  11. Langmuir turbulence in swell / J. C. McWilliams [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 3. P. 870–890. https://doi.org/10.1175/JPO-D-13-0122.1
  12. 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
  13. Skyllingstad E. D., Denbo D. W. An ocean large-eddy simulation of Langmuir circulations and convection in the surface mixed layer // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C5. P. 8501–8522. https://doi.org/10.1029/94JC03202
  14. Thorpe S. A. Langmuir circulation // Annual Review of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 36. P. 55–79. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.36.052203.071431
  15. Measurements of turbulence in the upper-ocean mixing layer using Autosub / S. A. Thorpe [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2003. Vol. 33, iss. 1. P. 122–145. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2003)033%3C0122:MOTITU%3E2.0.CO;2
  16. 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. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0239.1
  17. Weller R. A., Price J. F. Langmuir circulation within the oceanic mixed layer // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1988. Vol. 35. iss. 5. P. 711–747. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90027-1
  18. Filatov N. N., Rjanzhin S. V., Zaycev L. V. Investigation of turbulence and Langmuir circulation in Lake Ladoga // Journal of Great Lakes Research. 1981. Vol. 7, iss. 1. P. 1–6. https://doi.org/10.1016/S0380-1330(81)72016-1
  19. 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. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-3-333-349
  20. 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. https://doi.org/10.1002/2015JC011329
  21. 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. https://doi.org/10.1175/2007JPO3842.1
  22. Zedel L., Farmer D. Organized structures in subsurface bubble clouds: Langmuir circulation in the open ocean // Journal of Geophysical Research: Oceans. Vol. 96, iss. C5. P. 8889–8900. https://doi.org/10.1029/91JC00189
  23. Quantifying upper ocean turbulence driven by surface waves / E. A. D’Asaro [et al.] // Geophysical Research Letters. 2014. Vol. 41, iss. 1. P. 102–107. https://doi.org/10.1002/2013GL058193
  24. 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.
  25. _Pavlov M. I., Chukharev A. M. _Influence of Langmuir circulations on the intensity of turbulent mixing in the near-surface layer of the sea // Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes–2022. PMMEEP 2022. Cham : Springer, 2023. P. 395–411. (Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences). EDN VQZBCI. https://doi.org/10.1007/978-3-031-25962-3_39
  26. 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. 1962. Vol. 67, iss. 8. Р. 3177–3180. https://doi.org/10.1029/JZ067i008p03177
  27. Near-surface microstructure sensor system used during TOGA COARE. Part II: Turbulence measurements / A. Soloviev [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1999. Vol. 16, iss. 11. P. 1598–1618. https://doi.org/10.1175/1520-0426(1999)016%3C1598:ANSMSS%3E2.0.CO;2
  28. Leibovich S. The form and dynamics of Langmuir circulations // Annual Review of Fluid Mechanics. 1983. Vol. 15. P. 391–427. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.15.010183.002135
  29. McWilliams J. C., Sullivan P. P., Moeng C.-H. Langmuir turbulence in the ocean // Journal of Fluid Mechanics. 1997. Vol. 334. P. 1–30. https://doi.org/10.1017/S0022112096004375
  30. Smith J. A. Observed growth of Langmuir circulation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1992. Vol. 97, iss. C4. P. 5651–5664. https://doi.org/10.1029/91JC03118
  31. Gargett A. E., Wells J. R. Langmuir turbulence in shallow water. Part 1. Observations // Journal of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 576. P. 27–61. https://doi.org/10.1017/S0022112006004575

Файлы

Полный текст

JATS XML

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.