Исследование волновых механизмов мелкомасштабного турбулентного перемешивания в верхнем слое океана: натурный и лабораторный эксперимент ; теоретическое и численное моделирование .

Номер гранта:18-05-00292
Область научного знания:науки о земле
Тип конкурса: (а)(а) конкурс проектов фундаментальных научных исследований
Год выполнения:2018г.
Руководитель: Соустова ИринаАнатольевна
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Проект направлен на решение фундаментальной геофизической проблемы, связанной с исследованием роли волн и течений в процессе формирования и динамики верхнего турбулентного перемешанного слоя океана, ниже которого расположен скачок плотности- пикноклин. Понимание механизмов формирования верхнего перемешанного слоя и пикноклина, связанных с взаимодействием ветровых поверхностных волн, течений , а также внутренних волн с мелкомасштабной турбулентностью верхнего перемешанного слоя океана чрезвычайно важно как в фундаментальном плане, так и для решения ряда практических задач, связанных с прогнозом погоды и климата, проблемами судоходства, биологическими проблемами. Сравнительно недавние исследования показали, что нелинейные поверхностные волны, а также индуцируемые ими течения (например, Стоксов дрейф) вместе с генерируемыми ими ветровыми поперечными циркуляциями Ленгмюра дают значительный, а в некоторых районах Мирового океана и определяющий вклад в турбулентное перемешивание( в сравнении с обрушающимися ветровыми волнами). В настоящее время существуют глобальные океанические модели, в которых мелкомасштабные турбулентные процессы перемешивания учитываются за счет параметризаций коэффициентов обмена, связывающих турбулентные потоки массы , импульса, плавучести и т.д. с характеристиками крупномасштабных полей. Значения этих коэффициентов существенным образом зависят от состояния границы раздела воды и воздуха, плотностной стратификации, характеристик поверхностных волн и т.д . В частности, применяемые в настоящее время параметризации дают сильно завышенные температуры поверхности океана и заниженные значения толщины верхнего перемешанного слоя по сравнению с данными наблюдений. Поэтому становятся важными параметризации коэффициентов турбулентного обмена , учитывающие все указанные выше волновые процессы. В последнее время активно обсуждается и роль не обрушающихся нелинейных поверхностных , а также внутренних волн в области пикноклина в процессе перемешивания верхнего слоя океана. Целью проекта является изучение роли нелинейныx поверхностныx волн конечной амплитуды при ветровом воздействии, индуцируемыx ими течений, а также внутренниx волн, в процессе формирования и динамики верхнего турбулентного перемешанного слоя океана , ниже которого расположен скачок плотности - пикноклин. В результате выполнения проекта ожидаются следующие результаты: На основе натурных данных о параметрах атмосферы и поверхностного волнения, а также полученных параметризаций коэффициентов турбулентного переноса будет разработана одномерная численная модель ( на базе известной полуэмпирической k-epsilon модели турбулентного перемешивания- LAKE модели) сезонной динамики верхнего перемешанного слоя Горьковского водохранилища с целью получения оперативной информации по термогидродинамическому состоянию исследуемого объекта ; Будет проведено масштабное моделирование ветрового перемешивания верхнего слоя океана в лабораторном эксперименте на базе ВВК БТСБ в присутствии нелинейных не обрушающихся поверхностных волн. Будут получены характеристики турбулентного обмена для различных параметров поверхностного волнения. Будет проведено численное моделирование процессов турбулентного перемешивания в верхнем слое океана в присутствии не обрушающихся поверхностных волн и изучен физический механизм генерации вихревых структур и их вклада в процессы перемешивания Будут получены характеристики турбулентного обмена, масштабируемые к натурным условиям верхнего слоя океана для различных параметров поверхностного волнения. Будет проведено сравнение экспериментальных результатов с данными численного моделирования Будут развиты новые аналитические модели и выяснены физические механизмы взаимодействия крупномасштабных сдвиговых течений , обусловленных внутренними волнами, с мелкомасштабной турбулентностью в устойчиво стратифицированных верхнем слое океана с учетом конкретных особенностей распространяющихся в этих областях внутренних волн, включая внутренние волны предельной амплитуды, параметры которых определяются гидрологией и батиметрией исследуемого района. Будут развиты новые физические модели сезонного пикноклина в присутствии сдвигов, обусловленных внутренними волнами, и расширены физические механизмы формирования и эволюции скачка плотности, основанные на использовании новых моделей турбулентного замыкания( RANS моделей). Для верификации и калибровки предложенных моделей в ходе выполнения проекта будут использованы результаты контактных измерений профилей температуры и скорости в верхнем перемешанном слое Горьковского водохранилища. На основе проведенного теоретического анализа, численного моделирования, а также данных лабораторного и натурного эксперимента по исследованию эффектов, связанных с взаимодействием нелинейных поверхностных и внутренних волн с мелкомасштабной турбулентностью, будут разработаны новые модели параметризаций процессов перемешивания в верхнем слое океана и приводном атмосферном пограничном слое с целью их использования в современных крупномасштабных моделях прогноза погоды и климата.
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 23.05.2019.
Помог ли вам материал?
0    0