Лабораторное моделирование взаимодействия океана и атмосферы при экстремальных гидрометеорологических условиях

Одним из важнейших факторов, определяющих динамику тропических ураганов и полярных мезоциклонов над морем, является взаимодействие атмосферного пограничного слоя с океаном. Количественной характеристикой этого взаимодействия является коэффициент аэродинамического сопротивления морской поверхности. На основании проведенных в последнее время измерений скорости ветра и турбулентных потоков при полетах через тропические циклоны на малых высотах над уровнем моря, а также с падающих GPS-зондов было открыто явление снижения (или насыщения) коэффициента аэродинамического сопротивления при ураганном ветре (эффект кризиса сопротивления).
Проведение исследования экстремальных ветров в натурных условиях сопряжено с большими трудностями, характеризуется сильной перемежаемостью и нерегулярностью, то лабораторное моделирование процессов переноса в таких условиях привлекательно, поскольку обеспечивает повторяемость и контролируемые условия измерений.
В июле 2009 г в Институте прикладной физики РАН введен в эксплуатацию Прямоточный высокоскоростной ветро-волноволновой канал на базе Большого термостративфицированного бассейна (БТСБ) ИПР РАН (Thermo-Stratified WInd-WAve Tank, TSWIWAT) с рабочей частью длиной 10 м, эквивалентной скоростью создаваемого воздушного потока до 60 м/с, разностью температур воды и воздуха – 15 град.
В данном сообщении описаны основные параметры установки, приведены параметры ветра и волн, создаваемых в бассейне, описаны основные контактные и дистанционные методики измерений ветра и волн. В частности, обсуждается применение метода DPIV (цифровой оптической анемометрии) для дистанционного измерения параметров воздушного потока, которая позволяет получать мгновенные поля скорости воздушного потока над волнами. Обсуждается методика измерения параметров поверхностного волнения с применением многоканальных волнографов и способ определения пространственно-временного спектра поверхностных волн с применением метода WDM (wavelet directional method, предложенного и реализованного авторами работы Donelan, et al, 1996).
Описаны первые эксперименты по синхронному измерению профилей скорости ветра, коэффициента сопротивления и параметров волнения при различных скоростях ветра. Обнаружен эффект насыщения аэродинамического сопротивления при ураганных ветрах. Предложено его объяснение, связанное с насыщением среднеквадратичных уклонов энергонесущих волн. Данные эксперимента находятся в хорошем количественном согласии с расчетами в рамках квазилинейной модели турбулентного пограничного слоя над взволнованной поверхностью.


Работа подготовлена при финансовой поддержке РФФИ (проекты №07-05-00565, 07-05-12011), а также проекта THORPEX.