Предложен метод расчета коэффициентов турбулентного обмена в зоне обрушения волны. Рассмотрен один из двух типов обрушивающихся волн, которые образуются на глубокой воде. Оценена высота волны, когда струя жидкости, образующаяся после опрокидывания гребня, остается неразрушенной. Движение жидкости под поверхностью воды интерпретировано как движение затопленной турбулентной струи. На основе теории турбулентных струй определены законы изменения с глубиной скорости, энергии струи и коэффициента турбулентного обмена. В системе координат, движущейся с гребнем волны, процесс рассмотрен как квазистационарный, при этом падающая струя попадает в сносящий поток, имеющий скорость, примерно равную фазовой скорости волны. С учетом этого определена глубина непосредственного проникновения струи.

Исследован один из двух типов обрушивающихся волн, которые встречаются на глубокой воде. Заглубление водно-воздушной смеси, образующейся в скользящем буруне, рассмотрено как движение двухфазной струи, в которой принебрегается силами поверхностного натяжения и скольжением фаз, что накладывает некоторые ограничения на размеры пузырьков воздуха. Задача решена численно для стационарного случая. Эмпирический коэффициент найден из сопоставления с экспериментальными данными, взятыми из литературы. Оценены глубина проникновения аэрированной струи и вклад обрушивающихся волн в увеличение интенсивности турбулентного обмена в приповерхностном слое моря.

Описан новый измерительный комплекс гидрофизических параметров морской среды. Обоснована актуальность создания такого типа комплексов, очерчен круг задач, для решения которых он может использоваться. Теоретически рассмотрены масштабы разрешения горизонтальных и вертикальных неоднородностей при измерениях в режиме вертикального зондирования. Представлены структурная схема комплекса, основные технические характеристики, конструктивные особенности. Лабораторные и натурные испытания подтвердили соответствие расчетных и фактических характеристик измерительных каналов.

Описан новый измерительный комплекс для исследования мелкомасштабных процессов в верхнем деятельном слое моря. Обоснована актуальность создания такого типа комплекса, очерчен круг задач, для решения которых он может быть использован. Теоретически оценены масштабы разрешения горизонтальных и вертикальных неоднородностей при измерениях в режиме вертикального зондирования. Представлены основные технические характеристики комплекса. Приведены результаты стендовых и натурных испытаний, подтверждающие соответствие рассчитанных и фактических технических возможностей комплекса. Описаны конструктивные особенности различных вариантов измерительного комплекса "Сигма-1" (позиционный вариант "Сигма-1П" и зондирующий "Сигма-1З").

Індекс рубрикатора НБУВ: Д221.307 + Д221(922.8)93

Рубрики:

Водообмін. Турбулентний обмін і переміщення

Океанологія

Шифр НБУВ: Ж71487 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик турбулентности в слое волнового перемешивания. Данные о пульсациях скорости, температуры и электропроводности получены с помощью измерительного комплекса "Сигма-1". Рассчитанные значения скорости диссипации турбулентной энергии сопоставлены с различными моделями для приповерхностного слоя. Показано, что имеющиеся модели не дают достаточно хорошего совпадения расчетов и эксперимента в слое активного волнового воздействия, в частности при наличии зыби. Сделан вывод о необходимости параметризации и включения в модели более полной информации о состоянии поверхности моря, структуре течения и приводного слоя атмосферы.

Індекс рубрикатора НБУВ: Д221(922.8)93

Рубрики:

Океанологія

Шифр НБУВ: Ж14253 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Представлена информация о совместных экспериментах МГИ НАНУ и ИФА РАН по исследованию взаимного влияния пограничных слоев атмосферы и моря в натурных условиях. Описаны основные цели и задачи исследований, технические характеристики использовавшейся измерительной аппаратуры, методика работ. Изложены главные подходы и методы, используемые при обработке полученных данных. В течение ряда лет получен обширный набор данных о состоянии физических полей взаимодействующих слоев моря и атмосферы в различных гидрометеорологических условиях. Уже первые результаты совместного анализа свидетельствуют о широких возможностях таких комплексных исследований. Подчеркивается актуальность и перспективность междисциплинарных программ по исследованию взаимодействия двух сред.

Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик турбулентности в слое волнового перемешивания с помощью измерительного комплекса "Сигма-1". На основании достаточно большого количества наблюдений проведена верификация моделей для приповерхностного слоя, сделан их сравнительный анализ. Показано, что имеющиеся модели не дают достаточно хорошего совпадения расчетов и эксперимента в ряде гидрометеорологических условий, в частности, в штилевую погоду и при наличии зыби. Сделан вывод о необходимости параметризации и включения в модели более полной информации о физических характеристиках пограничных слоев моря и атмосферы.

Кратко описаны основные характеристики и особенности измерительного комплекса "Сигма-1" и методика коррекции получаемых данных. Турбулентные пульсации вектора скорости, измеряемые в координатах прибора, пересчитываются в неподвижную систему отсчета. Для устранения шумов, возникающих из-за собственных движений измерительного комплекса, используется встроенная система контроля положения прибора в пространстве и последующая фильтрация данных фильтром Винера. Показано, что указанные процедуры позволяют существенно снизить влияние собственных движений прибора на измеряемые величины пульсации скорости.

Приведены результаты детальных натурных измерений турбулентных характеристик в сопряженных слоях моря и атмосферы в прибрежной зоне Черного моря. Использовалась современная высокоточная аппаратура, наблюдения велись по большому числу параметров в течение трех экспедиционных периодов в 2005 - 2009 гг. Обнаружены периодичности различных масштабов в интенсивности атмосферной и морской турбулентности, прослежена эволюция турбулентной энергии в разных условиях и на разных масштабах, а также реакция приповерхностного слоя моря на атмосферные возмущения. Показано, что при слабых ветрах существенное влияние на морскую турбулентность начинает оказывать поток тепла.

Приведены результаты специальной обработки данных измерений, выполненных на океанографической платформе с помощью комплекса аппаратуры "Сигма-1" и "Восток-М". Методика обработки нацелена на исследование когерентных низкочастотных структур, формируемых вихревой компонентой ветровых волн. В ряде случаев удается выделить доминирующие частоты когерентных образований и оценить их пространственный масштаб. Предложена интерпретация исследуемого явления как дополнительного фактора вертикального перемешивания.

The dependence of the vertical turbulent exchange intensity on the local stratification in stratified layers of the Black Sea near the interface between the shelf and the continental slope is estimated by the data of field measurements. The field experiments were performed within the framework of the international projects GEF/BSERP (May, 2004) and "Black Sea - 2004" (July, 2004) and also the national projects (May, 2007). Information is got with the use of the probing system "Sigma-1" [1]. As a data processing tool, the method [2, 3] of estimation of the vertical turbulent diffusion coefficient depending on external conditions is used. The mean values of the coefficient of turbulent exchange in all explored regions proved to be substantially greater (approximately by one order of magnitude) as compared to that under conditions of the open sea for the identical local stratification. This can be related to a peculiarity of the bottom topography influencing the dynamics of quasiinertial internal waves which serve here as a basic reason of the small-scale mixing and vertical diffusion.

Дана оценка квазипериодических свойств временной изменчивости индекса Североатлантического колебания на междесятилетних и межгодовых масштабах. С помощью методов цифровой фильтрации и вейвлет-анализа показано существование в этой изменчивости группы устойчивых колебаний с периодами, близкими к 140 - 150, 60 - 80, 40, 20 - 25 и 7 - 9 годам. По данным ре-анализа NCEP/NCAR показаны изменения, происходящие в структуре поля приземного ветра Черного моря в соответствии с полупериодами ~ 60 - 80-летних колебаний.

Разработана и внедрена в экспедиционную практику оригинальная измерительная система для исследования турбулентности в приповерхностном слое моря с применением приборов высокого разрешения. Создана новая численная модель для описания вертикального турбулентного обмена (ТО) вблизи поверхности моря при умеренных скоростях ветра, рассматривающая в качестве источников турбулентности сдвиг скорости течения и поверхностные волны. Впервые для приповерхностного слоя моря разработана многомасштабная физико-математическая модель вертикального ТО, которая учитывает три механизма генерации турбулентности и применима в широком диапазоне внешних условий, включая штормовые. В турбулентных процессах вблизи поверхности моря выявлены субмезомасштабные периодичности, в которых присутствуют закономерности, характерные для когерентных структур. Разработана новая нестационарная модель ТО для приповерхностного слоя. На основе экспериментальных исследований в различных районах Черного моря впервые установлено, что интенсивность ТО в верхнем стратифицированном слое в зоне сопряжения шельфа и континентального склона почти на порядок выше, чем в открытых частях моря при аналогичных условиях стратификации.

Представлены результаты лабораторных и натурных экспериментов, выполненных в ноябре - декабре 2014 г., по исследованию турбулентности, индуцируемой волновым движением. В штилевых условиях, когда отсутствуют обрушения волн, проведены синхронные измерения возвышений свободной поверхности воды и флуктуаций 3-х компонент скорости частиц воды в диапазонах волновых и турбулентных частот и в диапазоне глубин от поверхности до половины длины поверхностных волн. Разработан метод разделения измеренных флуктуаций скорости на волновую составляющую и 2 турбулентные (индуцированную волновыми движениями и фоновую гидродинамическую турбулентность). Прямыми инструментальными измерениями подтверждено расслоение волнового потока на приповерхностный турбулентный слой, индуцированный волновым движением, и нижележащий слой с фоновой гидродинамической турбулентностью.

С применением высокоразрешающего зонда-турбулиметра "Сигма-1" собраны натурные данные о распределении флуктуаций гидрофизических параметров в верхнем слое моря вокруг Гераклейского п-ова (Крым). На основе анализа этих данных по разработанной ранее методике оценены масштабы турбулентных пятен в стратифицированном слое, рассчитаны коэффициенты вертикального турбулентного обмена и величины скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом районе. Показано, что пространственное распределение коэффициентов диффузии отражает особенности вертикального обмена, обусловленные гидрологической структурой и морфологией дна. Сопоставление результатов с предложенной нами ранее "спектральной" моделью обмена показало ее хорошее соответствие натурным измерениям.