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 (La_t > 0,98) и насыщенный (La_t ≤ 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 La 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.
Purpose. The purpose of the study is to parameterize the Langmuir circulations based on the experimental data on main hydrophysical values, as well as to determine the relationship between their characteristics and surface waves, and to assess the impact of coherent structures on vertical turbulent exchange in the sea wave layer.
Methods and Results. During the period 2021–2024, hydrophysical fields near the sea surface, including their pulsation characteristics, were comprehensively measured at the stationary oceanographic platform (settl. Katsiveli) using the acoustic Doppler profilers (ADCP) DVS-6000 and Workhorse Monitor 1200, as well as a "Sigma-1" turbulence-meter and a meteorological complex. Vertical velocity component W in the convergence zones was identified at the 3–4 m depth based on the ADCP data. The measured values of W permitted to define the dependences of the Langmuir circulation parameters on wind speed at the 10 m height (V10). To divide the modes, the Gaussian Mixture Model clustering method was applied; it included selection of the number of clusters based on the Bayesian information criterion. The rate of turbulent energy dissipation ε was calculated from the velocity pulsation spectra. Two modes – the energy-dependent (La_t > 0.98) and saturated (La_t ≤ 0.98) ones – were distinguished. The regression dependencies W1 = 0.57V10 + 1.15 (R2 = 0.52) and W2 = 0.29V10 + 7.3 (R2 = 0.51) were obtained for them. The median values of the Langmuir number La were 1.2 (IQR = 0.53) and 0.8 (IQR = 0.34) for the energy-dependent and saturated modes, respectively. It was found that the median values of ε in both modes were close (2.87·10–6 and 2.62·10–6 m2/s3), but the inter-quartile range of log10(ε) in the energy-dependent mode (0.75) exceeded the one in the saturated mode (0.40) by 1.9 times. This fact testified to a significant difference in the turbulence variability.
Conclusions. The impact of Langmuir circulations on vertical turbulent exchange is manifested not so much in the changes in average dissipation intensity, but rather in the modulation of variability mode, namely from the chaotic and inhomogeneous mode to the organized and statistically homogeneous one. The proposed parameterizations of W(V10) and quantitative estimates of ε can be applied to improving the models of the sea surface layer turbulence.