Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года
Приводятся осредненные по ансамблю станций профили частоты плавучести, вертикальных сдвигов измеренных и геострофических скоростей течений, рассчитанных по данным CTD/LADCP-измерений, выполненных в северо-западной части Черного моря в мае 2004 г. Оценки параметров вертикального перемешивания получен...
Saved in:
| Published in: | Морской гидрофизический журнал |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105118 |
| 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: | Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года / А.Н. Морозов, Е.М. Лемешко // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 1. — С. 58-67. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105118 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Морозов, А.Н. Лемешко, Е.М. 2016-08-07T07:23:48Z 2016-08-07T07:23:48Z 2014 Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года / А.Н. Морозов, Е.М. Лемешко // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 1. — С. 58-67. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105118 551.46 Приводятся осредненные по ансамблю станций профили частоты плавучести, вертикальных сдвигов измеренных и геострофических скоростей течений, рассчитанных по данным CTD/LADCP-измерений, выполненных в северо-западной части Черного моря в мае 2004 г. Оценки параметров вертикального перемешивания получены с использованием модели HWF86. Детально обсуждается методика расчетов. Получено, что скорость диссипации турбулентной энергии изменяется в пределах 10⁻¹⁰ – 2×10⁻⁹ Вт/кг в слое 70 – 500 м и имеет хорошо выраженный максимум в слое основного пикноклина. Коэффициент вертикальной турбулентной диффузии имеет значение 10⁻⁶ м²/с в центре пикноклина и увеличивается с глубиной по экспоненциальному закону, достигая 10⁻⁵ м²/с на глубине ~500 м. Наводиться усереднені за ансамблем станцій профілі частоти плавучості, вертикальних зсувів виміряних і геострофічних швидкостей течій, розрахованих за даними CTD/LADCP-вимірювань, виконаних в північно-західній частині Чорного моря в травні 2004 р. Оцінки параметрів вертикального перемішування отримані з використанням моделі HWF86. Детально обговорюється методика розрахунків. Отримано, що швидкість дисипації турбулентної енергії змінюється в межах 10⁻¹⁰ – 2×10⁻⁹ Вт/кг в шарі 70 – 500 м і має добре виражений максимум в шарі основного пікноклину. Коефіцієнт вертикальної турбулентної дифузії має значення 10⁻⁶ м²/с в центрі пікноклину і збільшується з глибиною за експоненціальним законом, досягаючи 10⁻⁵ м²/с на глибині ~500 м. Averaged over a set of stations, the profiles of buoyancy frequency and vertical shears of the currents’ measured and geostrophic velocities calculated by the data of CTD/LADCP-measurements carried out in the northwestern Black Sea in May, 2004 are represented. The estimates of vertical mixing parameters are derived using the HWF86 model. The method of calculations is discussed in details. It is found that the turbulent energy dissipation rate varies within the interval 10⁻¹⁰ – 2×10⁻⁹ W/kg in the 70 – 500m layer and has a well-pronounced maximum in the layer of main pycnocline. The coefficient of vertical turbulent diffusion is equal to 10⁻⁶ m²/s in the pycnocline center and increases with depth according to the exponential law achieving 10⁻⁵ m²/s on the depth ~500 m. Работа выполнена в рамках национального проекта «Фундаментальная океанология» и при частичной поддержке международного проекта PERSEUSFP7, контракт № 287600. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Морской гидрофизический журнал Экспериментальные и экспедиционные исследования Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года |
| spellingShingle |
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года Морозов, А.Н. Лемешко, Е.М. Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| title_short |
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года |
| title_full |
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года |
| title_fullStr |
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года |
| title_full_unstemmed |
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года |
| title_sort |
оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным ctd/ladcp-измерений в северо-западной части черного моря в мае 2004 года |
| author |
Морозов, А.Н. Лемешко, Е.М. |
| author_facet |
Морозов, А.Н. Лемешко, Е.М. |
| topic |
Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| topic_facet |
Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Морской гидрофизический журнал |
| publisher |
Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| format |
Article |
| description |
Приводятся осредненные по ансамблю станций профили частоты плавучести, вертикальных сдвигов измеренных и геострофических скоростей течений, рассчитанных по данным CTD/LADCP-измерений, выполненных в северо-западной части Черного моря в мае 2004 г. Оценки параметров вертикального перемешивания получены с использованием модели HWF86. Детально обсуждается методика расчетов. Получено, что скорость диссипации турбулентной энергии изменяется в пределах 10⁻¹⁰ – 2×10⁻⁹ Вт/кг в слое 70 – 500 м и имеет хорошо выраженный максимум в слое основного пикноклина. Коэффициент вертикальной турбулентной диффузии имеет значение 10⁻⁶ м²/с в центре пикноклина и увеличивается с глубиной по экспоненциальному закону, достигая 10⁻⁵ м²/с на глубине ~500 м.
Наводиться усереднені за ансамблем станцій профілі частоти плавучості, вертикальних зсувів виміряних і геострофічних швидкостей течій, розрахованих за даними CTD/LADCP-вимірювань, виконаних в північно-західній частині Чорного моря в травні 2004 р. Оцінки параметрів вертикального перемішування отримані з використанням моделі HWF86. Детально обговорюється методика розрахунків. Отримано, що швидкість дисипації турбулентної енергії змінюється в межах 10⁻¹⁰ – 2×10⁻⁹ Вт/кг в шарі 70 – 500 м і має добре виражений максимум в шарі основного пікноклину. Коефіцієнт вертикальної турбулентної дифузії має значення 10⁻⁶ м²/с в центрі пікноклину і збільшується з глибиною за експоненціальним законом, досягаючи 10⁻⁵ м²/с на глибині ~500 м.
Averaged over a set of stations, the profiles of buoyancy frequency and vertical shears of the currents’ measured and geostrophic velocities calculated by the data of CTD/LADCP-measurements carried out in the northwestern Black Sea in May, 2004 are represented. The estimates of vertical mixing parameters are derived using the HWF86 model. The method of calculations is discussed in details. It is found that the turbulent energy dissipation rate varies within the interval 10⁻¹⁰ – 2×10⁻⁹ W/kg in the 70 – 500m layer and has a well-pronounced maximum in the layer of main pycnocline. The coefficient of vertical turbulent diffusion is equal to 10⁻⁶ m²/s in the pycnocline center and increases with depth according to the exponential law achieving 10⁻⁵ m²/s on the depth ~500 m.
|
| issn |
0233-7584 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105118 |
| citation_txt |
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части Черного моря в мае 2004 года / А.Н. Морозов, Е.М. Лемешко // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 1. — С. 58-67. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT morozovan ocenkakoéfficientavertikalʹnoiturbulentnoidiffuziipodannymctdladcpizmereniivseverozapadnoičastičernogomorâvmae2004goda AT lemeškoem ocenkakoéfficientavertikalʹnoiturbulentnoidiffuziipodannymctdladcpizmereniivseverozapadnoičastičernogomorâvmae2004goda |
| first_indexed |
2025-11-24T20:13:39Z |
| last_indexed |
2025-11-24T20:13:39Z |
| _version_ |
1850495013448843264 |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 58
А.Н. Морозов, Е.М. Лемешко, 2014
УДК 551.46
А.Н. Морозов, Е.М. Лемешко
Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии
по данным CTD/LADCP-измерений в северо-западной части
Черного моря в мае 2004 года
Приводятся осредненные по ансамблю станций профили частоты плавучести, вертикаль-
ных сдвигов измеренных и геострофических скоростей течений, рассчитанных по данным
CTD/LADCP-измерений, выполненных в северо-западной части Черного моря в мае 2004 г.
Оценки параметров вертикального перемешивания получены с использованием модели
HWF86. Детально обсуждается методика расчетов. Получено, что скорость диссипации турбу-
лентной энергии изменяется в пределах 10–10 – 2⋅10–9 Вт/кг в слое 70 – 500 м и имеет хорошо
выраженный максимум в слое основного пикноклина. Коэффициент вертикальной турбулент-
ной диффузии имеет значение 10–6 м2/с в центре пикноклина и увеличивается с глубиной по
экспоненциальному закону, достигая 10–5 м2/с на глубине ∼500 м.
Ключевые слова: вертикальное перемешивание, LADCP, Черное море.
Вертикальное турбулентное перемешивание – одна из актуальных тем
современной океанографии. Знание коэффициентов вертикального переме-
шивания, их пространственной и временной изменчивости необходимо для
моделирования как крупномасштабной циркуляции, так и локальных дина-
мических процессов. В настоящее время достигнут значительный прогресс в
установлении взаимосвязи параметров турбулентности с мелкомасштабными
характеристиками гидрофизических полей [1 – 3]. Большинство полученных
зависимостей для оценки коэффициента вертикальной турбулентной диффу-
зии по данным мелкомасштабных измерений основано на соотношении вер-
тикальных сдвигов течений и частоты плавучести. В Черном море характери-
стики вертикальных сдвигов изучены мало. Цель настоящей работы – час-
тично восполнить этот пробел на основе данных измерений профилей скоро-
сти течений, полученных с использованием погружаемого акустического до-
плеровского профилемера течений (LADCP), и представить оценки парамет-
ров вертикального перемешивания с использованием данных мелкомасштаб-
ных CTD/LADCP-измерений.
В работе использованы данные, полученные в рейсе НИС Akademik Бол-
гарской АН 9 – 18 мая 2004 г. в северо-западной части Черного моря [4].
CTD-измерения выполнялись с помощью зонда SeaBird SBE9+. Профили
температуры, солености, плотности интерполировались на сетку 1 м по глу-
бине. Профили течений получены с помощью LADCP на основе WHM300
производства RDI, США. Измерения течений проводились при установлен-
ном размере сегмента глубины ( B ) для первой группы станций 10 м (16 ст.),
для второй – 4 м (12 ст.). Обработка LADCP-данных выполнена в соответст-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 59
вии с [5]. На рис. 1 приведено расположение станций (квадратики – первая
группа, треугольники – вторая), серыми линиями схематично показана цир-
куляция вод в районе, сплошными линиями обозначены Основное Черномор-
ское течение и антициклонический вихрь, пунктирные линии ограничивают
области сонаправленного движения вод [4].
Р и с. 1. Схема циркуляции вод и положение станций: квадратики – первая группа, треуголь-
ники – вторая
Профили вертикальных сдвигов, полученные в результате LADCP-изме-
рений, содержат как составляющие стабильных течений, так и составляющие,
вызванные внутренними волнами и другими динамическими процессами,
имеющими случайные фазы на разных глубинах в разное время. Измеренный
профиль сдвига оказывается значительно «зашумлен» по сравнению с про-
филем, рассчитанным по геострофическим соотношениям, поэтому для полу-
чения осредненного профиля измеренных LADCP сдвигов использовались
данные не менее 10 станций [6]. Осреднение выполнялось относительно глу-
бин залегания центра основного пикноклина на каждой станции с последую-
щим смещением полученного профиля на среднее по ансамблю значение
глубины [7]. В качестве параметра осреднения выбран квадрат вертикального
сдвига течений )( 2
LADCPSh :
)()()( 222 zVzUzSh zzLADCP += ,
100 м
50 м
20
0 м
30° 30.5° 31° 31.5° 32° 32.5°
43.8°
44°
44.2°
44.4°
44.6°
44.8°
В.Д.
С.Ш.
ОЧТ
АЦВ
14
00
м
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 60
где zz VU , – производные по глубине широтной и меридиональной компонент
скорости течения соответственно. Аналогичное осреднение было выполнено
для сдвигов, рассчитанных по геострофическим соотношениям )( 2
GEOSSh :
∆
∆
+
∆
∆
=
222
2
yxf
g
Sh yx
GEOS
ρρ
ρ
,
где g – ускорение свободного падения (9,82 м/с2); f – параметр Кориолиса
(10–4 с–1); ρ – плотность; yx,ρ∆ – приращение плотности в направлении yx,
на расстоянии yx ∆∆ , между соседними станциями ∼17 км. Аналогичное ос-
реднение сделано и для квадрата частоты плавучести ( 2N ):
z
g
N ρ
ρ
=2 ,
где zρ – производная плотности по глубине. На рис. 2 приведены результи-
рующие осредненные профили для двух групп станций. Результирующие
профили для первой группы станций показаны на рис. 2, а: 〉〈 2
LADCPSh – чер-
ная сплошная линия; 〉〈 2
GEOSSh – штриховая линия; 〉〈 2N – серая линия
( ....... – оператор осреднения по ансамблю станций). На рис. 2, б приведены
аналогичные профили для второй группы станций. Сопоставление профилей
средних квадратов геострофических и измеренных сдвигов показывает их
относительную соизмеримость в слое основного пикноклина (100 – 150 м),
отношение 〉〈〉〈 22
LADCPGEOS ShSh составляет ∼ 0,25. Ниже основного пикнокли-
на 〉〈 2
GEOSSh уменьшается с глубиной значительно быстрее, чем 〉〈 2
LADCPSh , и
на глубине 400 м 〉〈〉〈 22
LADCPGEOS ShSh составляет менее 0,01. Наблюдаемое
различие в изменении измеренных и геострофических сдвигов с глубиной
свидетельствует о том, что сдвиги в слоях моря ниже основного пикноклина
определяются агеострофическими процессами. Приведенные на рис. 2, а, б
профили проявляют аналогичную зависимость от глубины. Некоторые разли-
чия могут быть вызваны разными районами проведения измерений (см. рис. 1).
Дополнительно различие значений 〉〈 2
LADCPSh для двух групп станций опреде-
ляется присущим ADCP пространственным осреднением, которое упрощенно
представляется передаточной функцией ( H ) следующего вида [8]:
6
)sin(
)(
=
Bk
Bk
kH
π
π
,
где k – вертикальное волновое число.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 61
〈Sh2
GEOS〉, 〈Sh2
LADCP〉, 〈 N2〉, с-2
500
400
300
200
100
Г
л
у
б
и
н
а
,
м
〈Sh2
GEOS〉
B=10 м
〈Sh2
LADCP〉
〈N2〉
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 c-2
а
〈Sh2
GEOS〉, 〈 Sh2
LADCP〉, 〈 N2〉, с-2
500
400
300
200
100
Г
л
у
б
и
н
а
,
м
B =4 м
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4
〈Sh2
GEOS〉
〈Sh2
LADCP〉
〈N2〉
с-2
б
Р и с. 2. Профили квадратов частоты плавучести, вертикальных измеренных и геострофиче-
ских сдвигов: а – для первой группы станций (10 м), б – для второй группы (4 м)
В основу большинства моделей, связывающих мелкомасштабные харак-
теристики гидрофизических полей с параметрами вертикального перемеши-
вания, положено допущение о равенстве скорости передачи кинетической
энергии внутренних волн по спектру в область мелких масштабов и скорости
диссипации кинетической турбулентной энергии (ε ). В соответствии с [9]
это допущение выполняется для многих районов Мирового океана. В на-
стоящее время для оценки ε по данным мелкомасштабных измерений наи-
более распространено использование моделей MM81 [10] и HWF86 [11]. В
рамках данной работы для расчета ε применяется модель HWF86, которая с
учетом поправок на отклонение спектра внутренних волн от канонического
вида GM76 [12] приводит к следующему соотношению [3, 13]:
,
)/(cosh
)/(cosh
)(
00
1
1
0
22
76
22
2
0
2
0 fN
fN
f
f
RF
Sh
Sh
N
N
GM
−
−
= ωεε
где 10
0 108,7 −⋅=ε Вт/кг, 5
0 1029,7 −⋅=f с
–1, 3
0 1024,5 −⋅=N с–1 – постоянные,
соответствующие спектру внутренних волн GM76; 2
76GMSh – среднее зна-
чение квадрата сдвига, полученное интегрированием спектра GM76; )( ωRF –
функция частотного наполнения [3]. Расчет коэффициента вертикальной
диффузии ρK производится по соотношению Осборна [14]:
2N
ГK
ε
ρ = ,
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 62
где Г – коэффициент эффективности перемешивания, который принято по-
лагать равным 0,2 [15].
Функция частотного наполнения в соответствии с [16] может быть пред-
ставлена следующим соотношением:
2/1
1
2
3/4
/11
)(
−
+=
ω
ω
ω R
R
RF ,
где ωR – отношение кинетической ( EK ) и потенциальной ( EP ) энергий во
внутренней волне. В Черном море частотный спектр внутренних волн имеет
ярко выраженный максимум вблизи локальной инерционной частоты [17]. На
горизонтах 35 – 450 м в окрестности f
− ff
2
3
3
2
концентрируется не ме-
нее 75% энергии внутренних волн ( Nfeff − ), некоторое расширение диапазо-
на в сторону частот, меньших f , вызвано наличием фоновой завихренности
поля течений [18]. На частотах, больших f
2
3
, наклон спектра составляет
2−ω . Для оценки характерного для Черного моря значения ωR использовано
следующее соотношение [16]:
22
2
zN
Sh
EP
EK
R
ηω == ,
где zη – деформация. По ансамблю станций получены средние спектры числа
Фруда и деформации для слоя глубин 250 – 450 м, где N меняется плавно.
Расчет деформации выполнялся аналогично [19] по соотношению
2
22
N
NN
z
−=η ,
где 2N – «равновесный» профиль квадрата частоты плавучести, представ-
лялся полиномиальной зависимостью для каждой станции. Соответствующие
спектры приведены на рис. 3, а: черная линия – спектр числа Фруда, откор-
ректированный с учетом передаточной функции (ФFr Cor); штриховая – спектр
числа Фруда без коррекции (ФFr); серая – спектр деформации (ФStrain). Сред-
нее по спектру значение ωR составляет ∼12, соответственно в расчетах
)( ωRF полагалась равной 0,34. На рис. 3, б представлены некорректирован-
ные спектры числа Фруда для право- (ФFr CW, черная линия) и лево- (ФFr CCW,
серая линия) вращательных компонент. В области длин волн 50≥vλ м доми-
нирует вращение по часовой стрелке, отношение компонент ФFrCW/ФFrCCW =
= 2,5, т. е. большая часть волновой энергии, ∼70%, распространяется сверху
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 63
0.01 0.1
Вертикальное волновое число, м-1
0.1
1
10
С
п
ек
тр
ы
Ф
F
r и
Ф
S
tr
a
in,
м
ФFr Cor
ФStrain
Ф
Fr
а
0.01 0.1
Вертикальное волновое число, м-1
0.1
1
10
С
п
ек
тр
ы
Ф
F
r C
W
и
Ф
F
R
C
C
W
, м
ФFr CW
ФFr CCW
б
вниз. Это может быть вызвано распространением внутренних волн с часто-
той, близкой к инерционной, которые являются одним из существенных ис-
точников энергии турбулентности в толще вод моря [18, 20].
Р и с. 3. Спектры числа Фруда и деформации (а), лево- и правовращательных компонент чис-
ла Фруда (б)
Средние квадраты сдвигов, вызванных внутренними волнами, по данным
LADCP определяются, как правило, через расчет спектральной плотности в
слоях ∼300 м, на которые разбивается профиль [13]. Имеющиеся данные не
позволяют использовать такую методику, так как глубина зондирований ог-
раничивалась 500 м. Тем не менее можно получить оценку сверху значений
соответствующего квадрата сдвига по соотношению
〉〈−〉〈−〉〈=〉〈 2222
NOISEGEOSLADCP ShShShSh ,
где 〉〈 2
NOISESh – шумовая составляющая измерений, определенная по парамет-
ру ошибки, который регистрируется ADCP. Учет пространственного осред-
нения производится при расчете 〉〈 2
76GMSh :
dkkHNkФSh
sk
GMGM )(),(
0
2
76
2
76 ∫ 〉〈=〉〈 ,
где sk – вертикальное волновое число среза, полагаемое равным 0,1 м–1;
76GMФ – соответствующая GM76 спектральная плотность [21].
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 64
ε, Вт/кг
500
400
300
200
100
Г
л
у
б
и
н
а
,
м
10-10 10-9
B = 4 м
B = 10 м
а
Kρ , м2/с
500
400
300
200
100
Г
л
у
б
и
н
а
,
м
б
10-6 10-5
B = 4 м
B = 10 м
На рис. 4 приведены результирующие средние профили ε (рис. 4, а) и
ρK (рис. 4, б), черная линия соответствует ансамблю станций с B = 4 м, се-
рая – с B = 10 м. Поведение ε с глубиной выявляет наличие значительного
максимума в слое основного пикноклина. В целом по глубине значения ε
изменяются в пределах 10102 −⋅ – 2⋅10–9 Вт/кг, что характерно для многих
районов Мирового океана [3, 13]. В слое основного пикноклина ρK имеет
значение 10–6 м2/с. Изменение коэффициента диффузии с глубиной (рис. 4, б)
выявляет близкую к экспоненциальной зависимость )107exp(104 37 zK −− ⋅⋅≈ρ ,
и на глубине ∼500 м его значение достигает 10–5 м2/с.
Р и с. 4. Профили скорости диссипации турбулентной кинетической энергии – а и коэффици-
ента вертикальной турбулентной диффузии – б (квадратики – для первой группы станций, тре-
угольники – для второй)
Тема вертикального турбулентного перемешивания остается актуальной
длительное время. Оценки коэффициента вертикальной диффузии в Черном
море выполнялись многими исследователями в разное время и различными
методами. Приведем некоторые из них:
– 1989 г. [22] – ρK = 3,1 – 4,4⋅10–4 м2/с на глубине 500 м;
– 1996 г. [23] – ρK = 3 – 5⋅10–5 м2/с в постоянном галоклине,
ρK = 3 – 5⋅10–4 м2/с на глубине 300 м;
– 2003 г. [24] – ρK = 10–5 м2/с по всей толще моря для MM81 и HWF86;
– 2006 г. [25] – ρK = 2 – 8⋅10–5 м2/с в основном пикноклине;
– 2007 г. [26] – ρK = 4⋅10–6 – 5⋅10–5 м2/с в верхнем 180-метровом слое;
– 2008 г. [7] – ρK = 4⋅10–6 – 2⋅10–5 м2/с в слое 100 – 450 м.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 65
Значительный разброс в оценках коэффициента вертикальной диффузии
может определяться как пространственно-временной изменчивостью процес-
сов вертикального перемешивания, так и различием методов оценки.
В настоящее время принято считать оценки, полученные на основе микро-
масштабных данных [25, 26], наиболее объективными. Метод, обсуждаемый в
данной статье, является одним из возможных подходов к задаче и может быть
полезен для оценки параметров перемешивания на больших глубинах, где про-
ведение микромасштабных измерений затруднено. Полученные оценки пара-
метров вертикального перемешивания носят предварительный характер в силу
допущений, которые были сделаны при выводе формул, и требуют уточнения
по данным других измерений. Тем не менее, учитывая широкое использование
LADCP в комплексе с CTD, изложенная в работе методика оценки коэффици-
ентов вертикальной диффузии позволяет получать массовый материал о про-
странственной структуре этого параметра [6, 13, 16, 27].
Работа выполнена в рамках национального проекта «Фундаментальная
океанология» и при частичной поддержке международного проекта PERSEUS-
FP7, контракт № 287600.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gregg M.C. Scaling turbulent dissipation in the thermocline // J. Geophys. Res. – 1989. –
94. – P. 9686 – 9698.
2. Wijesekera H., Padman L., Dillon T. et al. The application of internal-wave models to a re-
gion of strong mixing // J. Phys. Oceanogr. – 1993. – 23. – P. 269 – 286.
3. Polzin K.L., Toole J.M., Smith R.W. Finescale parameterizations of turbulent dissipation //
Ibid. – 1995. – 25. – P. 306 – 328.
4. Лемешко Е.М., Морозов А.Н., Станичный С.В. и др. Вертикальная структура поля ско-
рости течений в северо-западной части Черного моря по данным LADCP в мае 2004 г. //
Морской гидрофизический журнал. – 2008. – № 6. – С. 25 – 37.
5. Морозов А.Н., Лемешко Е.М. Методические аспекты использования акустического доп-
леровского измерителя течений (ADCP) в условиях Черного моря // Там же. – 2006. –
№ 4. – C. 31 – 48.
6. Polzin K., Kunze E., Hummon J. et al. The finescale response of lowered ADCP velocity pro-
files // J. Atmosph. Oceanic Techn. – 2002. – 19. – P. 205 – 224.
7. Морозов А.Н., Лемешко Е.М. Вертикальное перемешивание в Черном море по данным
CTD/LADCP-наблюдений // Системы контроля окружающей среды. – Севастополь:
МГИ НАН Украины, 2008. – С. 266 – 268.
8. Alford M.H., Gregg M.C. Near-inertial mixing: Modulation of shear, strain and microstructure
at low latituide // J. Geophys. Res. – 2001. – 106, № C8. – P. 16947 – 16968.
9. Gregg M.C., Sanford T.B., Winkel D.P. Reduced mixing from the breaking of internal waves
in equatorial waters // Nature. – 2003. – 402. – P. 513 – 515.
10. McComas C.H., Muller P. The dynamic balance of internal waves // J. Phys. Oceanogr. –
1981. – 11. – P. 970 – 986.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 66
11. Henyey F.S., Wright J., Flatte S.M. Energy and action flow through the internal wave field: an
eikonal approach // J. Geophys. Res. – 1986. – 91. – P. 8487 – 8495.
12. Cairns J.L., Williams G.O. Internal Waves Observations From a Midwater Float, 2 // Ibid. –
1976. – 81, № 12. – P. 1943 – 1950.
13. Naveira Garabato A.C., Oliver K.I.C., Watson A.J. et al. Turbulent diapycnal mixing in the
Nordic seas // Ibid. – 2004. – 109, C12010. – 9 p.
14. Osborn T.R. Estimates of the local rate of vertical diffusion from dissipation measurements //
J. Phys. Oceanogr. – 1980. – 10. – P. 83 – 89.
15. Moum J.N. Efficiency of mixing in the main thermocline // J. Geophys. Res. – 1996. – 101. –
P. 12057 – 12069.
16. Fer I. Scaling turbulent dissipation in Arctic fjord // Deep-Sea Res. II. – 2006. – 53. – P. 77 – 95.
17. Морозов А.Н. Спектральные характеристики инерционных колебаний в Черном море //
Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использова-
ние ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2001. – Вып. 2. – C. 61 – 69.
18. Kunze E. Near-Inertial Wave Propogation in Geostrophic Shear // J. Phys. Oceanogr. –
1985. – 15. – P. 544 – 565.
19. Mauritzen C., Polzin K.L., McCarthey M.S. et al. Evidence in hydrography and density fine
structure for enhanced vertical mixing over the Mid-Atlantic Ridge in the western Atlantic //
J. Geophys. Res. – 2002. – 107, № C10, 3147. – 19 p.
20. Иванов В.А., Белокопытов В.Н. Океанография Черного моря. – Севастополь: НПЦ
«ЭКОСИ-Гидрофизика», 2011. – 209 с.
21. Gregg M.C., Kunze E. Shear and strain in Santa Monica Basin // J. Geophys. Res. – 1991. –
96. – P. 16709 – 16719.
22. Богуславский С.Г., Иващенко И.К. Вертикальная мезоструктура глубинных вод Черного
моря // Морской гидрофизический журнал. – 1989. – № 5. – C. 25 – 32.
23. Еремеев В.Н., Кушнир В.М. Слоистая структура течений и вертикальный обмен в Чер-
ном море // Океанология. – 1996. – 36, № 1. – C. 13 – 19.
24. Самодуров А.С., Иванов Л.И. Среднее вертикальное распределение скорости диссипа-
ции турбулентной энергии в Черном море. Сравнение с существующими моделями //
Морской гидрофизический журнал. – 2003. – № 3. – C. 3 – 8.
25. Самодуров А.С., Чухарев А.М. Оценка интенсивности вертикального турбулентного
обмена в Черном море по экспериментальным данным // Экологическая безопасность
прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Сева-
стополь: МГИ НАН Украины, 2006. – C. 524 – 529.
26. Зацепин А.Г., Голенко Н.Н., Корж А.О. и др. Влияние динамики течений на гидрофизи-
ческую структуру вод и вертикальный обмен в деятельном слое Черного моря // Океа-
нология. – 2007. – 47, № 3. – С. 327 – 339.
27. Cisewski B., Strass V.H. and Prandke H. Upper-ocean vertical mixing in the Antarctic Polar
Front Zone // Deep-Sea Res. – 2005. – 52, Issues 9-10. – P. 1087 – 1108.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 14.09.12
E-mail: anmorozov@yahoo.com После доработки 23.10.12
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 1 67
АНОТАЦІЯ Наводиться усереднені за ансамблем станцій профілі частоти плавучості, вертика-
льних зсувів виміряних і геострофічних швидкостей течій, розрахованих за даними
CTD/LADCP-вимірювань, виконаних в північно-західній частині Чорного моря в травні 2004 р.
Оцінки параметрів вертикального перемішування отримані з використанням моделі HWF86.
Детально обговорюється методика розрахунків. Отримано, що швидкість дисипації турбулент-
ної енергії змінюється в межах 10–10 – 2⋅10–9 Вт/кг в шарі 70 – 500 м і має добре виражений
максимум в шарі основного пікноклину. Коефіцієнт вертикальної турбулентної дифузії має
значення 10–6 м2/с в центрі пікноклину і збільшується з глибиною за експоненціальним зако-
ном, досягаючи 10–5 м2/с на глибині ~500 м.
Ключові слова: вертикальне перемішування, LADCP, Чорне море.
ABSTRACT Averaged over a set of stations, the profiles of buoyancy frequency and vertical shears of
the currents’ measured and geostrophic velocities calculated by the data of CTD/LADCP-measurements
carried out in the northwestern Black Sea in May, 2004 are represented. The estimates of vertical mixing
parameters are derived using the HWF86 model. The method of calculations is discussed in details. It is
found that the turbulent energy dissipation rate varies within the interval 10–10 – 2⋅10–9 W/kg in the 70 –
500m layer and has a well-pronounced maximum in the layer of main pycnocline. The coefficient of
vertical turbulent diffusion is equal to 10–6 m2/s in the pycnocline center and increases with depth ac-
cording to the exponential law achieving 10–5 m2/s on the depth ∼500 m.
Keywords: vertical mixing, LADCP, Black Sea.
|