Натурные исследования турбулентной структуры приповерхностного слоя моря на Черноморском гидрофизическом подспутниковом полигоне

Экспериментальные данные о структуре турбулентности в приповерхностном слое моря собраны в районе стационарной океанографической платформы (СОП) Черноморского гидрофизического подспутникового полигона в п.г.т. Кацивели, Крым. Платформа расположена на расстоянии 450 м от берега на глубине около 30 м. Условия измерений на платформе достаточно хорошо соответствуют условиям открытого моря при направлении ветра и течения с мористой стороны, поэтому данные могут быть интерпретированы и для открытых водных бассейнов. Измерения проводились на протяжении нескольких лет, получены значительные объемы информации о турбулентной структуре слоя в различных гидрометеорологических условиях. Для регистрации данных использовалась специализированная быстродействующая аппаратура в комплексе со стандартными гидрологическими и метеорологическими наблюдениями. Накопленные данные позволяют проводить экспериментальную проверку теоретических моделей в широком диапазоне внешних условий.
Для сравнительного анализа использовались известные модели турбулентного обмена для верхнего слоя, включая модель (Craig, Banner, 1994) и разработанную в отделе турбулентности МГИ многомасштабную модель (Чухарев, 2013). Основные отличия рассматриваемых моделей – разные предположения о наборе доминирующих механизмов генерации турбулентности и их разная параметризация.
По результатам анализа сделан ряд выводов о возможности применения данных моделей в тех или иных условиях. Существующие на сегодняшний день модели не всегда хорошо описывают интенсивность вертикального турбулентного обмена вблизи поверхности моря. Основная причина – теоретическое описание взаимодействия различных физических процессов и трансформации их энергии в турбулентность остается неудовлетворительным. При умеренных ветрах модели дают неплохое согласие с измерениями, при сильных ветрах лучше других работает многомасштабная модель. При слабых ветрах все модели дают существенно заниженные величины интенсивности турбулентности. Показано, что необходимо учитывать в моделях все основные механизмы генерации турбулентности: сдвиг скорости, волнение и обрушение волн. В зависимости от гидрометеорологической ситуации на разных глубинах будут доминировать различные механизмы.
Для включения в рассмотрение дополнительно еще двух источников турбулентности – стоксова дрейфа и циркуляций Ленгмюра – была усовершенствована многомасштабная модель и проведены соответствующие расчеты. Учет этих механизмов несколько улучшает соответствие натурных и теоретических данных, но вклад их в общую турбулизацию слоя относительно невелик.

Работа выполнена в рамках государственного задания № 0827-2019-0003.