Взаимодействие атмосферы и гидросферы в морях Балтийского бассейна и Арктики: теоретические, лабораторные и натурные исследования поверхностных волн, сопротивления и тепло/массо-обмена.

Номер гранта:14-05-91767
Область научного знания:науки о земле
Тип конкурса: (АФ_а)(аф_а) совместный конкурс рффи - академия финляндии
Год выполнения:2014г.
Руководитель: Троицкая Ю.И.
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Общая цель настоящего проекта связана с разработкой и верификацией физических моделей пограничных слоев атмосферы и гидросферы в условиях, типичных для Балтийского моря и Арктических морей и разработкой алгоритмов восстановления их параметров на основе данных спутникового дистанционного зондирования. Особое внимание в рамках настоящего проекта будет уделяться изучению процессов вблизи границы раздела между океаном и атмосферой, включая поверхностное волнение и явления турбулентного переноса (импульса, тепла влаги). Важное место в проекте займет разработка модели взаимодействия между атмосферой и гидросферой в условиях сильного шторма в высоких широтах. Предполагается, в частности, детально изучить влияние обрушения волн, низких температур воды и воздуха, образования пены и брызг, а также ледового покрова на турбулентные потоки на границе океан-атмосфера. Основным методом исследования будет лабораторное моделирование приводного атмосферного пограничного слоя на высокоскоростном ветро-волновом канале ИПФ РАН. При определении характеристик поверхности воды, параметров брызг в приводном слое воздуха и скорости ветра будут использованы оптические методы, основанные на применении скоростной видеосъемки и методе цифровой оптической анемометрии (PIV). Проведение измерений механических и термодинамических параметров приводного слоя атмосферы позволит решить вопрос о параметризации турбулентных потоков импульса, массы и тепла при ураганных условиях. Будут развиты новые физические модели пограничных слоев атмосферы и гидросферы, основанные на использовании новых моделей турбулентного замыкания и инструментов моделирования планетарных пограничных слоев (ППС), развитых финскими участниками проекта. Новая модель геофизической турбулентности учитывает возможность присутствие организованных структур, взаимодействующих с турбулентностью и со средним потоком; неклассической конвективной турбулентности, демонстрирующей обратный поток энергии, и внутренних волн, которые генерируют турбулентность и обеспечивают собственный нелокальный перенос. Для верификации и калибровки предложенных моделей в ходе выполнения проекта будут выполнены численные эксперименты, направленные на прямое численное моделирование эталонных турбулентных течений стратифицированной жидкости (стратифицированного турбулентного пограничного слоя и слоя смешения). На основании разработанных в ходе выполнения проекта новых моделях замыкания турбулентности и параметризации турбулентных потоков будут созданы новые инструменты для аппроксимации турбулентности и ППС в численных моделях прогноза погоды и климата. Будут получены общие уравнения для высоты ППС, законы сопротивления и тепломассопереноса и законы вовлечения для всех основных типов ППС. Значительное место в проекте будет занимать разработка физических основ технологии измерения высоких (более 30 м/с) скоростей ветра над морем с помощью активных микроволновых методов. Особое внимание будет уделяться широко обсуждаемым в последнее время подходам, основанным на использовании рассеяния радиоволн на перекрестной поляризации, для которого отсутствует известный негативный эффект насыщения геофизической модельной функции (ГМФ), характеризующей зависимость удельной площади рассеяния поверхности от скорости ветра. Будут выполнены лабораторные эксперименты, направленные на изучение рассеивающих и деполяризующих свойств поверхности раздела вода-воздух при сильном ветре. Будет выполнено специальное исследование влияния низких температур воды и воздуха на ГМФ. Проведенные исследования будут использованы для разработки алгоритма восстановления скорости ветра по спутниковым радиолокационным изображениям на перекрестной поляризации. Верификация предложенного алгоритма будет производиться на основе сравнения с данными наземных доплеровских радаров Финского метеорологического института (ФМИ), Университета Хельсинки и фирмы Вяйсала, позволяющих наблюдать акваторию Финского залива Балтийского моря.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

Целью настоящего проекта является разработка и верификация моделей пограничных слоев атмосферы и океана в условиях, типичных для высоких широт, а также разработка алгоритмов восстановления их параметров на основе данных спутникового дистанционного зондирования. Получены следующие результаты На высокоскоростном канале большого термостратифициованного бассейна • выполнены эксперименты по исследованию влияния температуры воды на процессы обмена при ветро-волновом взаимодействии в пограничном слое атмосферы над поверхностью воды в широком диапазоне скоростей ветра и параметров волнения. Показано, что коэффициенты обмена импульсом и параметры волнения при теплой и холодной воде отличаются незначительно, несмотря на сильное изменение вязкости. • изучено влияние пены на поверхности воды на коэффициенты турбулентного обмена импульсом и теплом в пограничном слое атмосферы над водой, а также на параметры волнения. Показано, что пена приводит к уменьшению амплитуд и уклонов волн, ослаблению зависимости пиковых частот от скорости ветра, увеличению коэффициента аэродинамического сопротивления • выявлено три основных механизма генерации брызг при штормовам ветре, показано, что доминирующим механизмом является фрагментация типа "парашют". Для этого механизма изучена статистика образования брызг при сильном ветре, разработана эмпирическая модель и построена функция генерации брызг. Выполнены предварительные лабораторные эксперименты, направленные на моделирование плавучего льда и его влияния на шероховатость подстилающей поверхности при сильных ветрах Разработан алгоритм и проведено прямое численное моделирование устойчиво стратифицированных сдвиговых течений: турбулентного течения Куэтта над взволнованной водной поверхностью и свободного слоя смешения. На основе его данных верифицированы параметризации турбулентного переноса в приводном атмосферном пограничном слое для случая слабо-стратифицированного режима. Предложены модели турбулентного переноса для условий сильной устойчивой стратификации в присутствии крутых поверхностных волн. Показано, что увеличение шероховатости границы раздела воды и воздуха, вызванное присутствием волн, приводит к усилению турбулентного обмена. Разработан алгоритм и проведены предварительные расчеты атмосферного погранслоя над водной поверхностью, несущего мелкодисперсные капли. Показано, что влияние капель на воздушный поток существенным образом зависит от параметров инжекции капель в поток, крутизны поверхностных волн, и массовой концентрации капель. Исследовано влияние внутренних волн на анизотропию турбулентности для устойчиво стратифицированных моделей океана и атмосферы. Получена самосогласованная система уравнений для энергии внутренних волн в присутствии турбулентности и определен декремент затухания сильной и слабой внутренней волны. Исследован процесс образования и эволюции турбулентного пикноклина в рамках модернизированной полуэмпирической теории турбулентного замыкания для стратифицированных сред. Проведены лабораторные тесты, направленные на изучение рассеивающих свойств поверхности раздела вода-воздух при сильном ветре. Показано, что при сильном и ураганном ветре рассеяние микроволнового излучения на прямой и перекрестной поляризациях практически не зависит от температуры воды. Проведен анализ влияния пены на рассеяние СВЧ радиоволн. Показано, что пена приводит к снижению УЭПР как на соосной, так и на перекрестной поляризации. Разработана модификация геофизической модельной функции, связывающая скорость ветра и эффективное сечение рассеяния поверхности воды на перекрестной поляризации при различных скоростях ветра и температурах поверхности воды, в том числе, при низких температурах, соответствующих условиям арктических морей
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 25.08.2019.
Помог ли вам материал?
0    0