Влияние приповерхностной турбулентности на вертикальный обмен в верхнем квазиоднородном слое по измерениям на подспутниковом полигоне ФИЦ МГИ

Турбулентное перемешивание верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) океана недостаточно точно параметризуется в глобальных климатических моделях, что создает существенные систематические ошибки определения глубины перемешанного слоя и смещения значений температуры поверхности океана. Принято считать, что одна из причин заключается в том, что современные климатические модели недостаточно точно параметризуют ключевые процессы ленгмюровского и турбулентного перемешивания [1]. В данной работе предпринимается попытка уточнения результатов модельных расчетов по классической одномерной модели сезонного термоклина Крауса-Тёрнера [2] при ее модернизации многомасштабной моделью турбулентности Чухарева [3].
Оценка влияния турбулентности в данной работе выполняется с помощью многомасштабной модели турбулентности, динамика нижней границы ВКС оценивается в соответствии с одномерной моделью сезонного термоклина Крауса-Тёрнера. Полная механическая энергия, поступающая в океан из атмосферы, представляется как три различных механизма генерации турбулентной энергии: сдвиг скорости дрейфового течения, нелинейность поверхностного волнения и обрушение волн. Тепловой баланс – приток и потери тепла в слое – определяется через известные эмпирические соотношения.
Сбор натурных данных осуществлялся на стационарной океанографической платформе Черноморского гидрофизического подспутникового полигона Морского гидрофизического института РАН (МГИ) в п.г.т. Кацивели в период с июня по октябрь 2021 года. Наблюдения проводились с помощью специализированной аппаратуры, созданной, главным образом в МГИ.
Предполагалось, что натурный эксперимент проводился в идеализированных условиях: влияние берега и дна несущественно, течения в районе исследований не оказывали значительного влияния на результаты. Для исключения апвеллинга и даунвеллинга было проанализировано более 100 суточных профилей температуры и выделены периоды, наиболее подходящие для верификации модели, причем рассматривались только случаи, когда скорость ветра была от 8 до 12.5 м/c, т.е. наблюдалась достаточно интенсивная турбулизация приповерхностного слоя.
Результаты исследования показывают значения коэффициента корреляции модельных и натурных данных от 0.7 до 0.94 для различных периодов наблюдений. Разброс значений связывается, в первую очередь, с малым количеством параметров в используемой модели.
В ходе работы получены следующие выводы:
произведено описание динамики толщины верхнего квазиоднородного слоя под влиянием поверхностного волнения и турбулентных процессов;
использование модели Крауса-Тёрнера для вычисления динамики нижней границы перемешанного слоя с помощью многомасштабной модели турбулентности Чухарева может быть оценено удовлетворительно;
расхождение наблюдений с модельными расчетами, по-видимому, вызвано влиянием неучтенных факторов, в частности, динамикой локальных течений в прибрежной зоне;
отсутствие на данный момент общепринятого достоверного метода расчета вклада волнения и обрушений в турбулизацию снижает объективность модельных расчетов.

Работа выполнена в рамках госзадания FNNN-2021-0010 при поддержке гранта РНФ №22-17-00150.