Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море
The dependence of the vertical turbulent exchange intensity on the local stratification in stratified layers of the Black Sea near the interface between the shelf and the continental slope is estimated by the data of field measurements. The field experiments were performed within the framework of th...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4729 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море / В.А. Иванов, А.С. Самодуров, А.М. Чухарев, А.В. Носова // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 108-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-4729 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-47292009-12-23T12:00:30Z Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море Иванов, В.А. Самодуров, А.С. Чухарев, А.М. Носова, А.В. Науки про Землю The dependence of the vertical turbulent exchange intensity on the local stratification in stratified layers of the Black Sea near the interface between the shelf and the continental slope is estimated by the data of field measurements. The field experiments were performed within the framework of the international projects GEF/BSERP (May, 2004) and “Black Sea - 2004”(July, 2004) and also the national projects (May, 2007). Information is got with the use of the probing system “Sigma-1” [1]. As a data processing tool, the method [2, 3] of estimation of the vertical turbulent diffusion coefficient depending on external conditions is used. The mean values of the coefficient of turbulent exchange in all explored regions proved to be substantially greater (approximately by one order of magnitude) as compared to that under conditions of the open sea for the identical local stratification. This can be related to a peculiarity of the bottom topography influencing the dynamics of quasiinertial internal waves which serve here as a basic reason of the small-scale mixing and vertical diffusion. 2008 Article Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море / В.А. Иванов, А.С. Самодуров, А.М. Чухарев, А.В. Носова // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 108-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4729 551.465.15 ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Науки про Землю Науки про Землю |
| spellingShingle |
Науки про Землю Науки про Землю Иванов, В.А. Самодуров, А.С. Чухарев, А.М. Носова, А.В. Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море |
| description |
The dependence of the vertical turbulent exchange intensity on the local stratification in stratified layers of the Black Sea near the interface between the shelf and the continental slope is estimated by the data of field measurements. The field experiments were performed within the framework of the international projects GEF/BSERP (May, 2004) and “Black Sea - 2004”(July, 2004) and also the national projects (May, 2007). Information is got with the use of the probing system “Sigma-1” [1]. As a data processing tool, the method [2, 3] of estimation of the vertical turbulent diffusion coefficient depending on external conditions is used. The mean values of the coefficient of turbulent exchange in all explored regions proved to be substantially greater (approximately by one order of magnitude) as compared to that under conditions of the open sea for the identical local stratification. This can be related to a peculiarity of the bottom topography influencing the dynamics of quasiinertial internal waves which serve here as a basic reason of the small-scale mixing and vertical diffusion. |
| format |
Article |
| author |
Иванов, В.А. Самодуров, А.С. Чухарев, А.М. Носова, А.В. |
| author_facet |
Иванов, В.А. Самодуров, А.С. Чухарев, А.М. Носова, А.В. |
| author_sort |
Иванов, В.А. |
| title |
Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море |
| title_short |
Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море |
| title_full |
Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море |
| title_fullStr |
Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море |
| title_full_unstemmed |
Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море |
| title_sort |
интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в черном море |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4729 |
| citation_txt |
Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море / В.А. Иванов, А.С. Самодуров, А.М. Чухарев, А.В. Носова // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 108-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ivanovva intensifikaciâvertikalʹnogoturbulentnogoobmenavrajonahsoprâženiâšelʹfaikontinentalʹnogosklonavčernommore AT samodurovas intensifikaciâvertikalʹnogoturbulentnogoobmenavrajonahsoprâženiâšelʹfaikontinentalʹnogosklonavčernommore AT čuharevam intensifikaciâvertikalʹnogoturbulentnogoobmenavrajonahsoprâženiâšelʹfaikontinentalʹnogosklonavčernommore AT nosovaav intensifikaciâvertikalʹnogoturbulentnogoobmenavrajonahsoprâženiâšelʹfaikontinentalʹnogosklonavčernommore |
| first_indexed |
2025-07-02T07:57:06Z |
| last_indexed |
2025-07-02T07:57:06Z |
| _version_ |
1836521123117793280 |
| fulltext |
10. Воеводин В.Н. Роль магматизма в формировании вольфрамового оруденения Тихоокеанских по-
движных областей // Тихоокеан. геология. – 1982. – № 2. – С. 13–22.
11. Воеводин В.Н. Принципы рудноформационного анализа и генетическая классификация эндогенного
вольфрамового оруденения // Сов. геология. – 1982. – № 4. – С. 34–48.
Поступило в редакцию 10.12.2007Харьковский национальный университет
им. В.Н. Каразина
УДК 551.465.15
© 2008
Член-корреспондент НАН Украины В.А. Иванов, А. С. Самодуров,
А.М. Чухарев, А.В. Носова
Интенсификация вертикального турбулентного обмена
в районах сопряжения шельфа и континентального
склона в Черном море
The dependence of the vertical turbulent exchange intensity on the local stratification in strati-
fied layers of the Black Sea near the interface between the shelf and the continental slope is
estimated by the data of field measurements. The field experiments were performed within the
framework of the international projects GEF/BSERP (May, 2004) and “Black Sea — 2004”
(July, 2004) and also the national projects (May, 2007). Information is got with the use of
the probing system “Sigma-1” [1]. As a data processing tool, the method [2, 3] of estimation of
the vertical turbulent diffusion coefficient depending on external conditions is used. The mean
values of the coefficient of turbulent exchange in all explored regions proved to be substantially
greater (approximately by one order of magnitude) as compared to that under conditions of the
open sea for the identical local stratification. This can be related to a peculiarity of the bottom
topography influencing the dynamics of quasiinertial internal waves which serve here as a basic
reason of the small-scale mixing and vertical diffusion.
Вертикальный турбулентный обмен в деятельном слое океанов и морей играет важную роль
в формировании океанологических полей в водной среде. Постановка и решение экологи-
ческих проблем и задач прогноза изменения климата океанов и морей за счет естественных
и антропогенных воздействий невозможны без детального знания механизмов обмена и ра-
счета потоков тепла и растворенных веществ в естественных бассейнах.
Опыт последних десятилетий в создании и верификации моделей, описывающих процес-
сы обмена, показывает, что для получения полного представления о путях распространения
примесей, интенсивности потоков тепла и растворенных химических и биологических ве-
ществ [1] необходимы детальные знания и соответствующий учет основных физических
механизмов, участвующих в этих процессах.
Вместе с тем построение адекватных теоретических и полуэмпирических моделей вер-
тикального турбулентного обмена чаще всего невозможно без детального исследования осо-
бенностей тонкой структуры и микроструктуры гидрофизических полей в различных фи-
зико-географических условиях, что, в свою очередь, позволяет выявить физические меха-
низмы, определяющие основной вклад в обмен.
108 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
Рис. 1. Экспериментальная зависимость вертикального масштаба турбулентных пятен L от локальной стра-
тификации Nc в зоне сопряжения шельфа и континентального склона Черного моря по данным измерений
(см. врезку) на полигонах 1, 2, 3 (соответствующих условным обозначениям 1, 2, 3 ).
Сплошная линия (4 ) — средняя эмпирическая зависимость (1), полученная по данным измерений в верхнем
термоклине глубоководной области Индийского океана [2]
Оценки коэффициента вертикальной турбулентной диффузии и скорости
диссипации энергии в исследуемых районах. Натурные данные о тонкой структуре
и микроструктуре гидрофизических полей в зоне сопряжения шельфа и континентального
склона Черного моря были собраны в трех экспедициях. Два массива данных зондирований
получены соответственно в мае и июле 2004 г. во время экспедиций на НИС “Академик”
Болгарской АН в северо-западной части моря (врезка на рис. 1, полигон 1) в рамках проекта
GEF/BSERP и на НИС “Акванавт” (Южное отделение Института океанологии РАН) в севе-
ро-восточной части Черного моря в районе г. Геленджик в рамках проекта “Черное море —
2004” при научно-техническом сотрудничестве с Институтом океанологии РАН. Исследова-
ния проводились на двух полигонах размером приблизительно 6× 5 миль, расположенных
севернее и южнее Геленджикской бухты (см. врезку, полигон 2). Во время третьей экспе-
диции в мае 2007 г. был собран третий массив данных в рамках национальных проектов на
судне “Эксперимент” (см. врезку, полигон 3).
Всего было выполнено около 150 зондирований. В качестве измерительного средст-
ва использован разработанный в Морском гидрофизическом институте НАН Украины
зонд-турбулиметр “Сигма-1”, который удовлетворяет необходимым требованиям по точно-
сти и чувствительности и предназначен для исследования гидрофизических полей в верх-
нем 100-метровом слое океана [3].
Все результаты измерений собраны в близких физико-географических условиях, что по-
зволяет анализировать их совместно. Основной целью анализа данных было определение
вклада процессов, осуществляющих перемешивание и вертикальный обмен в верхнем стра-
тифицированном слое моря, чтобы получить оценки скорости диссипации турбулентной
кинетической энергии и коэффициентов вертикальной турбулентной диффузии.
Достижение поставленной задачи потребовало привлечения созданной ранее методики
расчетов [2, 4], суть которой состоит в следующем. Исследованиями показано, что в основ-
ной толще устойчиво стратифицированного океана, в удалении от резких фронтальных
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 109
Рис. 2. Схематичная форма спектра флуктуаций вертикального градиента температуры в зависимости от
вертикального волнового числа в случае, когда вертикальный обмен осуществляется за счет локальных
обрушений в поле внутренних волн [5].
−1 — означает показатель степени при волновом числе k3
зон и проливов, а также районов, в которых созданы условия для проявления механизма
двойной диффузии, главная роль в генерации тонкой структуры и микроструктуры гид-
рофизических полей принадлежит внутренним волнам [1]. Обратимая тонкая структура
формируется собственно волнами, в то время как микроструктура локализуется в турбу-
лентных пятнах, образующихся за счет сдвиговой неустойчивости в поле квазиинерцион-
ных (частота близка к инерционной частоте f) внутренних волн. Именно этот механизм при
указанных условиях вносит основной вклад в вертикальный турбулентный обмен. При этом
спектр вертикальных градиентов температуры показан на рис. 2. Первый участок спектра,
Λ > l, соответствует собственно внутренним волнам; второй участок, L > Λ > l, формирует
волны, теряющие энергию за счет сдвиговой неустойчивости; структуру третьего участка,
Λ < L, определяют флуктуации температуры в турбулентных пятнах, образовавшихся за
счет сдвиговой неустойчивости в поле внутренних волн (Λ — длина волны, а L соответствует
характерному вертикальному масштабу турбулентных пятен).
С учетом анализа представительного массива данных зондирований в сезонном термо-
клине океана [2] получена средняя эмпирическая зависимость:
L = DN−1
c
м, [Nc] = цикл · ч−1, D ≃ 1,4 м · (цикл · ч−1). (1)
Здесь Nc = N · (2π)−1 — локальная циклическая частота плавучести, где N =
√
g
ρ0
∂ρ
∂z
; ρ —
плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; D — коэффициент пропорциональ-
ности. Для анализа использовались участки с приблизительно постоянными значениями ча-
стоты плавучести. Привлечение энергетического подхода для исследования характеристик
перемешанных пятен позволяет получить два искомых соотношения:
k ≃ 4,8 · 10−5D2N−1
c
м2
· с−1, ε ≃ 4,3 · 10−10D2Nc м2
· с−3, [Nc] = цикл · ч−1, (2)
или, для проанализированного массива данных,
k ≃ 9,4 · 10−5N−1
c
м2
· с−1, ε ≃ 8,4 · 10−10Nc м2
· с−3, (3)
где k — коэффициент вертикальной турбулентной диффузии; ε — скорость диссипации
энергии.
110 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
Рис. 3. Расчет вертикального спектра флуктуаций вертикального градиента температуры по данным зон-
дирований в Черном море и выбора характерного вертикального масштаба турбулентных пятен L
Данные, собранные в Черном море, обработаны по изложенной выше методике. Пример
расчета спектра вертикальных градиентов температуры приведен на рис. 3. Как видно из
рисунка, он структурно соответствует форме спектра на рис. 2, который отражает процессы
перераспределения энергии в поле внутренних волн.
Полученный таким образом массив L(Nc) представлен на рис. 1 вместе со средней за-
висимостью L от Nc (1), рассчитанной для верхнего термоклина открытой части океана.
Данные измерений были собраны в сравнительно узком диапазоне масштабов частоты пла-
вучести (менее одной декады), поэтому представляется нецелесообразным аппроксимиро-
вать их отдельной степенной зависимостью. В предположении о том, что для обсуждаемых
данных степень зависимости L от Nc соответствует “средней”, выражения для искомых
величин преобразуем к виду
k ≃ 8,4 · 10−4N−1
c
м2
· с−1, ε ≃ 7,6 · 10−9Nc м2
· с−3. (4)
Сравнение выражений (3) и (4) показывает, что для исследуемых условий значения k
и ε почти на порядок величины превышают “средние” значения для условий открытого
моря при одинаковых значениях Nc. Формально это связано с тем, что зависимость дан-
ных величин от коэффициента D квадратичная, а для двух рассматриваемых случаев его
значение отличается приблизительно в три раза (см. рис. 1). Описанный факт выглядит
неожиданным.
Приведем численные оценки коэффициента вертикальной турбулентной диффузии для
двух рассмотренных ситуаций. Полагая значение частоты плавучести 5–10 цикл · ч−1 для
данного диапазона глубин, получим по порядку величины для открытого моря и зоны со-
пряжения шельфа и склона соответственно k ≃ 10−5 м2
· с−1 и k ≃ 10−4 м2
· с−1. Отметим,
что оценка k ≃ 2 · 10−5 м2
· с−1 для указанных условий в среднем для Черного моря была
ранее получена в работе [6] в рамках обратной задачи, где не привлекались дополнительные
гипотезы о физической природе обменных процессов. Последнее подтверждает существо-
вание значительных различий в процессах перемешивания в открытой части моря и на его
периферии. Средние оценки для скорости диссипации кинетической энергии составляют
значения 10−8 м2
· с−3 и 10−7 м2
· с−3 соответственно.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 111
Таким образом, чтобы понять причины обнаруженного различия, следует учесть, что
обсуждаемые измерения проводились в районе Основного черноморского течения; в севе-
ро-западной части моря полигон располагался в зоне действия антициклонического вихря.
Оба этих фактора накладывают дополнительный сдвиг скорости на систему течений, созда-
ваемых квазиинерционными внутренними волнами. Это, в свою очередь, должно повышать
вероятность возникновения неустойчивости и образования турбулентных пятен в исследу-
емой системе. Вместе с тем влияние этих факторов вряд ли можно рассматривать как
определяющее. Опыт измерений гидрофизических характеристик в зонах интенсивных те-
чений показывает, что осредненные (за вычетом флуктуаций, связанных главным образом
с вкладом внутренних волн) значения числа Ричардсона Ri = N2/(∂U/∂z)2, что определяет
устойчивость стратифицированного потока, существенно превышают “критическое” значе-
ние 0,25. Кроме того, определенное влияние на интенсивность перемешивания и диффу-
зию может оказывать механизм придонного трения на наклонном дне в системе Основного
черноморского течения и синоптических вихрей. Однако в работе [7] показано, что вклад
придонного трения в вертикальный обмен в среднем существенно меньше по сравнению
с вкладом квазиинерционных внутренних волн.
Основной вклад в обмен в области измерений вносят процессы неустойчивости и локаль-
ного перемешивания в системе квазиинерционных внутренних волн. Главная особенность
исследованных районов, наличие зоны резкого изменения наклона дна, может локально
повышать среднюю интенсивность квазиинерционных движений вблизи наклонного дна за
счет суперпозиции падающих и отраженных (рассеянных) волн.
Установленный факт существенного усиления интенсивности вертикального обмена в зо-
не сопряжения шельфа и континентального склона по сравнению с районами открытого
моря повлечет за собой изменение и уточнение представлений о путях распространения
и скоростях трансформации океанологических неоднородностей в исследованных физи-
ко-географических условиях.
1. Wunsch C., Ferrari R. Vertical mixing, energy, and the general circulation of the ocean // Annu. Rev.
Fluid Mech. – 2004. – 36. – P. 281–314.
2. Самодуров А.С., Любицкий А.А., Пантелеев Н.А. Вклад опрокидывающихся внутренних волн в
структурообразование, диссипацию энергии и вертикальную диффузию в океане // Мор. гидрофиз.
журн. – 1994. – № 3. – С. 14–27.
3. Дыкман В.З., Багимов И.С., Барабаш В.А., Ефремов О.И., Зубов А. Г., Мязин В. В., Павлен-
ко О.И., Самодуров А.С., Чухарев А.М. Измерительный комплекс “Сигма-1” для исследования
процессов перемешивания и диссипации энергии в верхнем слое моря // Экологическая безопа-
сность и комплексное использование прибрежной и шельфовой зон моря. – Т. 10. – Севастополь:
Экоси-Гидрофизика. – 2004. – С. 395–409.
4. Samodurov A. S., Ivanov L. I. Mixing and energy dissipation rate in Mediterranean seas: an intercomparison
of existing models // Oceanography of the eastern Mediterranean and Black Sea, Similarities and differences
in two interconnected basins. – Ankara: Tübitak publ., 2003. – P. 369–375.
5. Gregg M.C. Variations in the intensity of small-scale mixing in the main thermocline // J. Phys. Oceanogr. –
1977. – 7, No 3. – P. 436–454.
6. Ivanov L. I., Samodurov A. S. The role of lateral fluxes in ventilation of the Black Sea // J. Mar. Syst. –
2001. – 31/1. /3. – P. 159–174.
7. Самодуров А.С. Интрузионное расслоение и вертикальная диффузия в океане за счет приливного
перемешивания у наклонного дна // Мор. гидрофиз. журн. – 1992. – № 3. – С. 39–46.
Поступило в редакцию 22.11.2007Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
112 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
|