Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 405-422
Основные закономерности вертикального турбулентного обмена в квазиоднородных и стратифицированных слоях Черного моря
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-4-405-422Аннотация
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 турбулент-ной 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 стратифицированных 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.
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/10.1175/1520-485(1982)012<0256:DOTROD>2.0.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)026<0792:EOKEDU>2.0.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)026<0808:OTDMIS>2.0.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)010<0083:EOTLRO>2.0.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)014<0402:TFSTSL>2.0.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)024<2546:MWETIT>2.0.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 : ЭКОСИГидрофизика, 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.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 405-422
Basic Regularities of Vertical Turbulent Exchange in the Mixed and Stratified Layers of the Black Sea
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-4-405-422Abstract
Purpose. The purpose of the study is to assess the coefficient of vertical turbulent exchange for dif-ferent layers of the Black Sea basin based on the experimental data on microstructure of the physical fields obtained for the period 2004–2019 in the Black Sea and using the semi-empirical models.
Methods and Results. For the upper mixed layer, the turbulent energy dissipation rate ɛ and the ex-change coefficient were calculated using the velocity fluctuation spectra based on the Kolmogorov hypotheses on the turbulence spectrum inertial range. In the stratified layers, the turbulence coeffi-cient and the dissipation rate were experimentally determined both from the spectra of the velocity horizontal fluctuations’ gradients and the vertical spectra of temperature fluctuations using the con-cept of the effective scale of turbulent spots. Depending on the features of the hydrological regime and the prevailing energy contributors to turbulence generation, five layers were identified and de-scribed (including their characteristic power dependences of the vertical turbulent diffusion coeffi-cients K on the buoyancy frequency N) using the 1.5D-model of vertical turbulent exchange for the basin under study. For the stratified layers, the 1.5D-model results were comparatively analyzed with those of the other semi-empirical and theoretical models describing the most probable hydrophysical processes in each specific layer; the relations for the vertical turbulent exchange coefficient were obtained depending on the buoyancy frequency.
Conclusions. Comparison of the experimental data collected under different hydrometeorological conditions with the simulations resulted from the known turbulence models for the sea upper layer showed that the best agreement between the simulation and measurement data was provided by a multiscale model taking into account three basic mechanisms of turbulence generation: current ve-locity shear, instability of wave motions, and wave breaking. The turbulent exchange coefficient de-pendencies on depth are conditioned by the affect of the turbulence dominant source at a given level. In the stratified layers, the exchange coefficient dependence on buoyancy frequency is determined by the hydrophysical processes in each layer; the relations obtained for individual layers indicate intensi-ty of the contributions of vertical advection, internal wave breakings, turbulence diffusion and geo-thermal flux.
References
1. Izmeritel'nyi kompleks «Sigma-1» dlya issledovaniya melkomasshtabnykh kharakteristik gidrofizicheskikh polei v verkhnem sloe morya / A. S. Samodurov [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2005. № 5. S. 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. R. 3177–3180. https://doi.org/10.1029/JZ067i008p03177
3. Monin A. S., Ozmidov R. V. Okeanskaya turbulentnost'. L. : Gidrometeoizdat, 1981. 320 s.
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. R. 256–271. https://doi.org/10.1175/1520-485(1982)012<0256:DOTROD>2.0.CO;2
5. Chukharev A. M., Repina I. A. Vzaimodeistvie pogranichnykh sloev morya i atmosfery na malykh i srednikh masshtabakh v pribrezhnoi zone // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2012. № 2. S. 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)026<0792:EOKEDU>2.0.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)026<0808:OTDMIS>2.0.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. Samodurov A. S., Lyubitskii A. A., Panteleev N. A. Vklad oprokidyvayushchikhsya vnutrennikh voln v strukturoobrazovanie, dissipatsiyu energii i vertikal'nuyu diffuziyu v okeane // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 1994. № 3. S. 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)010<0083:EOTLRO>2.0.CO;2
15. Samodurov A. S. Vzaimodopolnyaemost' razlichnykh podkhodov dlya otsenki intensivnosti vertikal'nogo turbulentnogo obmena v estestvennykh stratifitsirovannykh basseinakh // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2016. № 6. S. 37–48.
16. Model' srednegodovogo vertikal'nogo obmena v kholodnom promezhutochnom sloe Chernogo morya / A. S. Samodurov [i dr.] // Protsessy v geosredakh. 2016. № 2(6). S. 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)014<0402:TFSTSL>2.0.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)024<2546:MWETIT>2.0.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. Chukharev A. M. Model' turbulentnosti so mnogimi vremennými masshtabami dlya pripoverkhnostnogo sloya morya // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2013. T. 49, № 4. S. 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. Samodurov A. S., Ivanov L. I. Balansovaya model' dlya rascheta srednikh vertikal'nykh potokov zhidkosti, tepla, soli i rastvorennykh khimicheskikh veshchestv v termokhalokline Chernogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2002. № 1. S. 7–24.
29. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol' : EKOSIGidrofizika, 2011. 212 s.
30. Intensifikatsiya vnutrennikh voln v zone sopryazheniya shel'fa i kontinental'nogo sklona kak faktor intensifikatsii vertikal'nogo obmena / A. S. Samodurov [i dr.] // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2013. T. 6, № 2. S. 12–24.
31. Strukturoobrazovanie i vertikal'nyi turbulentnyi obmen v pribrezhnoi zone Sevastopol'skogo regiona / A. S. Samodurov [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2015. № 6. S. 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. Samodurov A. S., Globina L. V. Dissipatsiya energii i vertikal'nyi obmen v stratifitsirovannykh basseinakh za schet sdvigovoi neustoichivosti v pole kvaziinertsionnykh vnutrennikh // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2011. № 6. S. 16–27.
35. Samodurov A. S. Intruzionnoe rassloenie i vertikal'nyi obmen v Chernom more za schet geotermal'nogo potoka tepla na naklonnom dne // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol': EKOSI-Gidrofizika. Sevastopol' : MGI, 2003. Vyp. 8. S. 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. Samodurov A. S. Pridonnyi pogranichnyi sloi v Chernom more: formirovanie statsionarnogo sostoyaniya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2009. № 1. S. 16–25.
