Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне
Приведены результаты детальных натурных измерений турбулентных характеристик в сопряженных слоях моря и атмосферы в прибрежной зоне Черного моря. Использовалась современная высокоточная аппаратура, наблюдения велись по большому числу параметров в течение трех экспедиционных периодов в 2005 – 2009 гг...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Морской гидрофизический журнал |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56633 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне / А.М. Чухарев, И.А. Репина // Морской гидрофизический журнал. — 2012. — № 2. — С. 60-68. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860036441765052416 |
|---|---|
| author | Чухарев, А.М. Репина, И.А. |
| author_facet | Чухарев, А.М. Репина, И.А. |
| citation_txt | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне / А.М. Чухарев, И.А. Репина // Морской гидрофизический журнал. — 2012. — № 2. — С. 60-68. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Морской гидрофизический журнал |
| description | Приведены результаты детальных натурных измерений турбулентных характеристик в сопряженных слоях моря и атмосферы в прибрежной зоне Черного моря. Использовалась современная высокоточная аппаратура, наблюдения велись по большому числу параметров в течение трех экспедиционных периодов в 2005 – 2009 гг. Обнаружены периодичности различных масштабов в интенсивности атмосферной и морской турбулентности, прослежена эволюция турбулентной энергии в разных условиях и на разных масштабах, а также реакция приповерхностного слоя моря на атмосферные возмущения. Показано, что при слабых ветрах существенное влияние на морскую турбулентность начинает оказывать поток тепла.
Наведені результати детальних натурних вимірювань турбулентних характеристик в спряжених шарах моря та атмосфери в прибережній зоні Чорного моря. Використовувалася сучасна високоточна апаратура, спостереження велися по великому числу параметрів протягом трьох експедиційних періодів у 2005 – 2009 рр. Виявлені періодичності різних масштабів у інтенсивності атмосферної та морської турбулентності, простежена еволюція турбулентної енергії в різних умовах і на різних масштабах, а також реакція приповерхневого шару моря на атмосферні збурення. Показано, що при слабких вітрах істотний вплив на морську турбулентність починає робити потік тепла.
Results of the detailed in situ measurements of turbulent characteristics of the sea and atmosphere conjugate layers in the Black Sea coastal zone are presented. Modern high-precision equipment was used; many parameters were observed during three expeditionary periods in 2005 – 2009. Periodicities of various scales of the atmospheric and sea turbulence intensity are revealed. Evolution of turbulent energy in various conditions and on various scales, and response of the sea near-surface layer to the atmospheric disturbances are traced. It is shown that at weak winds the sea turbulence is strongly influenced by a heat flux.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:53:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 60
© А.М. Чухарев, И.А. Репина, 2012
Экспериментальные
и экспедиционные исследования
УДК 551.465.752
А.М. Чухарев, И.А. Репина
Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы
на малых и средних масштабах в прибрежной зоне
Приведены результаты детальных натурных измерений турбулентных характеристик в со-
пряженных слоях моря и атмосферы в прибрежной зоне Черного моря. Использовалась совре-
менная высокоточная аппаратура, наблюдения велись по большому числу параметров в тече-
ние трех экспедиционных периодов в 2005 – 2009 гг. Обнаружены периодичности различных
масштабов в интенсивности атмосферной и морской турбулентности, прослежена эволюция
турбулентной энергии в разных условиях и на разных масштабах, а также реакция приповерх-
ностного слоя моря на атмосферные возмущения. Показано, что при слабых ветрах сущест-
венное влияние на морскую турбулентность начинает оказывать поток тепла.
Ключевые слова: взаимодействие атмосферы и моря, турбулентность, натурные измере-
ния, вейвлет-анализ.
Постоянно растущий интерес к задачам взаимодействия атмосферы и
океана объясняется важнейшей ролью обменных процессов между двумя
средами в исследованиях климата и погоды на планете, повышением внима-
ния к экологическим проблемам. Несмотря на значительный прогресс в по-
нимании сложнейших явлений, происходящих в пограничных слоях моря и
атмосферы, их изученность еще остается неудовлетворительной. Большинст-
во имеющихся на сегодняшний день моделей для описания этого взаимодей-
ствия используют упрощенные схемы, в которых фигурируют осредненные
гидрометеорологические характеристики. Одним из основных параметров,
характеризующих динамическое взаимодействие, является коэффициент со-
противления поверхности cD, введенный Чарноком [1]. Дальнейшие исследо-
вания показали, что зависимость этого коэффициента от скорости ветра и со-
стояния морской поверхности имеет более сложный характер. Разными ис-
следователями были предприняты попытки ввести другую параметризацию
[2, 3]. Кроме степени развития ветрового волнения важную роль в передаче
импульса и энергии от ветра к поверхностному слою моря играет также вза-
имное направление ветра и волнения и наличие зыби [3]. До сих пор слабо
изученными остаются процессы взаимодействия в штилевую погоду и при
шторме, не до конца понятен механизм передачи импульса ветровым волнам
и их обратное воздействие на приводный слой. Актуальнейшей проблемой
остается и выбор наилучших способов параметризации турбулентных пото-
ков в атмосфере.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 61
В последние годы сформировалось устойчивое мнение, что для адекват-
ного описания взаимодействия необходимо создание объединенных моделей,
включающих в себя основные физические характеристики обеих сред. Срав-
нительно недавно стала ясна и важность связи исследований мелкомасштаб-
ных процессов, в которых изучается обмен теплом, влагой, импульсом и раз-
личными компонентами через водно-воздушную поверхность раздела, с
крупномасштабными задачами изменений глобального климата и океанской
циркуляции.
Совместные исследования, проводящиеся в последние годы Морским
гидрофизическим институтом (МГИ) НАН Украины и Институтом физики
атмосферы имени А.М. Обухова (ИФА) РАН, ориентированы на синхронное
получение натурных данных во взаимодействующих слоях моря и атмосферы
современными средствами наблюдений с последующей комплексной обра-
боткой и анализом. Экспериментальные результаты, полученные с помощью
высокоточной аппаратуры, дают новые знания о турбулентном режиме, воз-
можность детального изучения процессов формирования и эволюции гидро-
физических полей.
Цель настоящей работы – описание совместно полученных натурных
данных о турбулентных характеристиках пограничных слоев моря и атмо-
сферы и некоторых предварительных результатов их комплексного анализа.
Эксперименты проводились с 2005 г. в прибрежной зоне Черного моря на
стационарной океанографической платформе Экспериментального отделения
Морского гидрофизического института (СОП ЭО МГИ) в пос. Кацивели. В
период проведения экспедиций происходило самое тесное сотрудничество с
группами исследователей из отделов дистанционных методов исследований
(ОДМИ) и гидрофизики шельфа (ОГШ) МГИ и Института космических ис-
следований (ИКИ) РАН. Обширные программы и задачи этих групп в данной
работе не рассматриваются, освещены только работы отдела турбулентности
МГИ и лаборатории взаимодействия атмосферы и океана ИФА.
Описание сложных процессов вблизи границы раздела требует одновре-
менного измерения большого количества параметров в обеих средах, что и
являлось главной причиной объединения усилий разных организаций. На
рис. 1 приведены схема размещения приборов на СОП и перечень аппарату-
ры в экспериментах 2009 г., включая средства измерения и других групп. Бо-
лее подробно измерительные средства и аппаратура, использованные в экс-
периментах, описаны в работе [4].
Все данные записывались в бортовые компьютеры в реальном времени,
должным образом синхронизировались и обрабатывались в соответствии с
наработанными методиками каждой группой исследователей.
Для комплексного анализа взаимодействующих слоев сотрудниками
ОДМИ были предоставлены данные о возвышениях поверхности, получен-
ные с помощью струнного волнографа, и о скорости ветра на высоте 23 м,
сотрудниками ОГШ – данные о скорости течения на разных глубинах в рай-
оне платформы, полученные комплексами МГИ-1308.
Группой ИФА проводились следующие измерения в атмосфере: пульса-
ций температуры, горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра
на высотах 1 и 5 м; пульсаций концентрации водяного пара и углекислого
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 62
газа; метеорологических параметров (температуры, влажности, давления,
скорости и направления ветра) на горизонтах 5 и 12 м; профиля температуры
в атмосферном пограничном слое до высоты 1000 м. Также осуществлялся
видеоконтроль за состоянием морской поверхности.
Р и с. 1. Схема расположения приборов на океанографической платформе во время экспери-
ментов в 2009 г.: 1 – струнный волнограф (МГИ НАН Украины); 2 – оптический измеритель
волнения, стереофотосъемка (МГИ); 3 – струнный волнограф, 4 шт. (ИО РАН); 4 – локатор
(МГИ); 5 – акустический анемометр USA-1, METEK (ИФА РАН); 6 – измеритель СО2 и Н2О,
газоанализатор LiCorr 7500 (ИФА); 7 – блоки регистрации (ИФА); 8 – чашечный анемометр
АМС ANDEERA, 2 шт. (ИФА); 9 – измерительный комплекс «Сигма-1» (МГИ); 10 – измери-
тельный комплекс «Восток-М» (МГИ); 11 – измерители МГИ-1308, 5 шт. (МГИ); 12 – метео-
комплекс (МГИ); 13 – акустический анемометр Wind-Sonic (ИФА); 14 – измеритель скорости
течения, гидрологический зонд FSI (ИФА); 15 – метеорологический температурный профиле-
мер (ИФА); 16 – видеокамера (ИФА); 17 – измерительный комплекс «Восток-М» (МГИ); 18 –
океанографическая платформа; 19 – гидрологический комплекс «Траверс» (ИКИ РАН)
Для вычисления потоков в приводном слое использовался прямой метод:
1
2 2 2 2
0 0 *
a
a u w v w uτ ρ ρ ′ ′ ′ ′= + =
, (1)
0pQ c w Tρ ′ ′= , (2)
0E sL w q Lρ ′ ′= , (3)
2coF w c′ ′= , (4)
формулы (1) – (4) выражают поток импульса, явный и скрытый потоки тепла
и поток углекислого газа соответственно. Использованы следующие обозна-
чения: ρ0 – плотность; *
au – динамическая скорость в воздухе; cp – теплоем-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 63
кость при постоянном давлении; , ,u v w′ ′ ′ – компоненты пульсаций скорости;
T ′ – пульсации температуры; q′ – пульсации влажности; Ls – удельная теп-
лота парообразования; c′ – пульсации концентрации углекислого газа.
Отделом турбулентности МГИ регистрировались следующие величины в
морской среде: три компоненты пульсаций скорости; пульсации температуры
и электропроводности; давление; скорость и направление среднего течения;
средние температура и электропроводность. Кроме указанных величин изме-
рялись температура и соленость поверхностного слоя на глубине 1 м. Прово-
дились как долговременные записи гидрофизических турбулентных характе-
ристик и средних значений на каком-либо одном горизонте (длительностью
от нескольких часов до четырех суток) для выяснения их временной измен-
чивости, так и кратковременные (10 – 20 мин на каждом горизонте) – для оп-
ределения зависимости турбулентных величин от глубины.
Как один из основных параметров, характеризующих интенсивность тур-
булентности в море, рассматривалась скорость диссипации турбулентной ки-
нетической энергии
2
i
k
dv
dx
ε µ
′
=
, (5)
где µ – коэффициент вязкости; v′ – пульсации скорости. Величина ε рассчи-
тывалась по спектрам пульсаций скорости, как было предложено в [5]. В ос-
нове метода лежит гипотеза Колмогорова, в соответствии с которой спек-
тральная плотность пульсаций скорости может быть представлена в виде
1/4 5/4( ) ( )E k Fε ν λ= , (6)
где k – волновое число; ν – кинематическая вязкость; F(λ) – универсальная
функция (модельный спектр); 1/ 4 3/ 4/( )kλ ε ν −= – безразмерное волновое
число. Метод позволяет оценить значения ε по наилучшему совпадению эм-
пирических спектров пульсаций скорости с модельным спектром турбулент-
ности, в качестве которого использовался спектр Насмита. При этом искаже-
ния, вносимые в сигнал волнением и колебаниями прибора с подвеской, не
оказывают существенного влияния на результат. Этот способ применялся
также в работах [6, 7].
Главные задачи, которые решались в проведенных экспериментах:
– исследование энергообмена и газообмена атмосферы и подстилающей
поверхности при различных типах морского волнения с помощью инстру-
ментальных измерений потоков тепла, влаги, углекислого газа и импульса в
приповерхностном слое атмосферы;
– исследование взаимодействия моря и атмосферы при наличии локаль-
ных неоднородностей подстилающей поверхности;
– измерение турбулентных характеристик основных гидрофизических
параметров в приповерхностном слое моря;
– измерение фоновых средних значений этих параметров и их трендов;
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 64
200 400 600 800 1000 1200
0
0.5
1
u *a , м
/с
200 400 600 800 1000 1200
0
0.5
1
H
s, м
0 200 400 600 800 1000 1200
-100
0
100
Q
, В
т
/м
2
200 400 600 800 1000 1200
0
0.05
0.1
w
rm
s, м
/с
200 400 600 800 1000 1200
0
1
2
x 10
-5
Время, мин
ε,
м
2 /с
3
070619 11:50 - 070620 9:30
Глубина = 2 м
– исследование влияния на турбулентный режим состояния морской по-
верхности и приводного слоя атмосферы.
На рис. 2 приведены некоторые осредненные по 5-минутным интервалам
параметры, полученные в результате синхронных наблюдений, на рис. 3 –
стандартные энергетические Фурье-спектры вертикальных пульсаций скоро-
сти на различных глубинах. Узкие пики, появляющиеся на отдельных спек-
трах, были вызваны вибрациями подвески измерительного комплекса, они
устранялись в процессе обработки данных [8]. Большую сложность при ин-
терпретации данных измерений турбулентных пульсаций скорости в припо-
верхностном слое моря вызывает, как правило, проблема разделения турбу-
лентных и волновых составляющих. В комплексе «Сигма-1» пульсации ско-
рости измеряются в координатах прибора, затем пересчитываются в непод-
вижную систему координат. Чтобы устранить влияние волновых компонент
на оценки энергии морской турбулентности, во всех расчетах, представлен-
ных в работе, использовались данные измерений вертикальной компоненты
скорости (наименее подверженной влиянию собственных движений измери-
тельной системы), которые предварительно обрабатывались фильтром верх-
них частот с пороговой частотой 1 Гц.
Р и с. 2. Осредненные за 5 мин величины (сверху вниз): динамическая скорость в воздухе
*
au ;
высота значительных волн Hs; поток тепла Q; среднеквадратические вертикальные пульсации
скорости в воде wrms; скорость диссипации турбулентной энергии ε на глубине 2 м (рассчитана
по 20-минутным интервалам)
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 65
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
-10
10
-8
10
-6
10
-4
10
-2
10
0
f, Гц
P
, м
2 /с
1,5 м
2,4 м
5,6 м
10,4 м
14,5 м
070927 8:53 - 070927 11:27
Р и с. 3. Фурье-спектры вертикальной компоненты пульсаций скорости на различных глуби-
нах
Для анализа данных наблюдений, кроме обычных корреляционных и
спектральных оценок, применялся вейвлет-анализ, позволяющий выявлять
распределение энергии измеряемых величин по масштабам и прослеживать
ее эволюцию [9]. Использовалось непрерывное вейвлет-преобразование
1/ 2
( , ) ( )
t b
W a b a t dt
a
ξ ϕ
∞
−
−∞
− =
∫ , (7)
где W – вейвлет-коэффициенты; a – масштаб вейвлет-преобразования; b –
сдвиг по оси времени; ξ – исходный сигнал; φ – материнский вейвлет; t –
время. В качестве материнского был выбран вейвлет Морле
2
( ) exp cos( )
2
t
t rtϕ
= −
. (8)
Эта функция удобна при исследовании спектрального состава преобра-
зуемого ряда и его изменения со временем, так как ее Фурье-образом являет-
ся гауссиана, что обеспечивает хорошую частотную локализацию. Чтобы для
вейвлета Морле выполнялось условие допустимости (существование обрат-
ного преобразования и выполнение равенства Парсеваля), величину r обычно
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 66
принимают равной 5 или 6. Для вейвлет-преобразования существует аналог
теоремы Парсеваля, т. е. полная энергия сигнала может быть записана через
коэффициенты W(a,b):
1 2
2
( , )
dadb
E C W a b
aξ ϕ
−= ∫∫ , (9)
где Cφ – нормирующая константа, которая находится через Фурье-образ
вейвлета:
2 1ˆ| ( ) | | |C dϕ ϕ ω ω ω
∞
−
−∞
= ∫ . (10)
Плотность энергии сигнала определяется как
2( , ) ( , )WE a b W a b= . (11)
Соответствующим интегрированием (11) по масштабам или по сдвигам мож-
но получить оценки изменения энергии со временем или глобального спектра
энергии, т. е. распределение энергии по масштабам. Глобальный спектр энер-
гии является аналогом спектра плотности энергии в гармоническом анализе,
причем считается, что методика вейвлет-преобразования вполне надежна для
выявления спектральных пиков, хотя и уступает преобразованию Фурье по
спектральной разрешающей способности [10]. Глобальный спектр рассчиты-
вался по формуле
1
2
0
1
( ) | ( ) |
n
w i
i
P a W a
n
−
=
= ∑ , (12)
где n – число отсчетов в ряду. Средняя в определенном диапазоне масштабов
энергия обычно рассчитывается как взвешенная сумма энергетического вейв-
лет-спектра:
2
1
2| ( ) |j
j
i
j j j
W aj t
E
C aδ =
∆ ∆= ∑ , (13)
где ∆j и ∆t – шаг по масштабам и по времени соответственно; Cδ – норми-
рующий коэффициент, для вейвлета Морле равный 0,776 [11]. По сути, (13)
есть изменение со временем средней по масштабам дисперсии. Масштаб а
достаточно точно пересчитывается в обычную частоту (или период) с помо-
щью соотношения
c
a
f
f
a t
=
⋅ ∆
, (14)
где fc – центральная частота анализирующего вейвлета; ∆t – дискретность ряда.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 67
5 10 15 20
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Время, ч
u *a , м
/с
а
Время, ч
М
а
с
ш
т
а
б
ы
, м
и
н
0 4 7 11 14 18 21
1
80
159
238
317
396
474
553
б
10
-4
10
-2
10
0
0
2
4
6
8
10
P
w
, м2/с2
П
е
р
и
о
д
, ч
в
5 10 15 20
0
0.5
1
Время, ч
E
, м
2 /с
2
г
На рис. 4 и 5 приведены примеры вейвлет-анализа динамической скоро-
сти в атмосфере и среднеквадратической вертикальной компоненты пульса-
ций скорости в воде.
Р и с. 4. Динамическая скорость ветра
*
au в период развития апвеллинга 11 – 12 июня 2005 г.
и ее вейвлет-преобразование при Jmax ≈ 10,5 ч: а – исходный сигнал; б – абсолютные вейвлет-
коэффициенты (более светлые области соответствуют бóльшим коэффициентам); в – глобаль-
ный спектр энергии в полулогарифмическом масштабе; г – изменение средней по масштабам
энергии сигнала (дисперсии)
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 68
5 10 15 20
0
0.2
0.4
Время, ч
w
rm
s, м
/с
а
Время, ч
М
а
с
ш
т
а
б
ы
, м
и
н
0 4 7 11 14 18 21
1
80
159
238
317
396
474
553
б
10
-4
10
-2
10
00
2
4
6
8
10
P
w
, м2/с2
П
е
р
и
о
д
, ч
в
5 10 15 20
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Время , ч
E
, м
2 /с
2
г
Р и с. 5. То же, что на рис. 4, для среднеквадратических вертикальных пульсаций скорости на
глубине 1,3 м
Для оценки достоверности выделяемых пиков на глобальном спектре
проводилось сопоставление с обычным энергетическим Фурье-спектром и
рассчитывались статистические критерии. В качестве фонового модельного
спектра рассматривался спектр красного шума, используемый часто в таких
случаях [11] (красный шум – случайная последовательность с определенной
автокорреляцией, простейшая модель – авторегрессионная последователь-
ность с одним коэффициентом: 1i i ix xα ξ−= + , где iξ – элементы ряда гаус-
сова белого шума); коэффициент автокорреляции определялся методом
Юла – Уокера.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 69
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
f, Гц
м
2 /с
2
1
2
3
4
rmsw
10
-4
10
-3
10
-2
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
1
f, Гц
м
2 /с
2
1
2
3
4
*
au
Р и с. 6. Сравнение Фурье-спектра и глобального спектра, рассчитанного по вейвлет-
коэффициентам и нормированного на дисперсию: для динамической скорости ветра (вверху) и
для среднеквадратических вертикальных пульсаций скорости в воде (внизу), где 1 – спектр
Фурье, умноженный на частоту; 2 – глобальный спектр; 3 – спектр красного шума при α = 0,86
для
*
au и α = 0,74 для wrms; 4 – 95%-ный уровень значимости. Спектры рассчитаны для тех же
рядов, что на рис. 4 и 5
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 70
На рис. 6 в логарифмическом масштабе изображены энергетические Фурье-
спектры, умноженные на частоту, глобальные спектры, нормированные на дис-
персию, а также спектр красного шума и 95%-ный уровень значимости для гло-
бального спектра (статистическая значимость результата представляет собой
меру уверенности в его истинности). Как видим, рассчитанные спектры хорошо
согласуются по значимым пикам (превосходящим спектр красного шума). Сле-
довательно, можно использовать вейвлет-спектры для выявления относительно
низкочастотных модуляций турбулентной энергии во взаимодействующих слоях
моря и атмосферы. Изменение масштаба вейвлет-преобразования позволяет вы-
делять значимые пики на глобальных спектрах в довольно большом диапазоне
масштабов, максимальный масштаб (максимальный оцениваемый период) в со-
вместном анализе был ограничен длиной непрерывной записи при неизменном
горизонте расположения турбулиметра «Сигма-1».
Чрезвычайное многообразие гидрометеорологических условий требует
накопления достаточно большого статистического материала, который по-
зволит установить объективные закономерности во взаимодействии двух
сред. По нашему мнению, этот процесс накопления еще не закончен, поэтому
на сегодняшний день сформулирован только ряд обобщений для некоторых
ситуаций.
Важной чертой, обнаруженной при анализе наблюдаемых процессов, мы
считаем наличие внутрисуточных и межсуточных многочасовых периодич-
ностей в исследуемых гидрометеорологических характеристиках. На рис. 7 в
линейном масштабе приведены примеры глобальных спектров основных па-
раметров, рассчитанных по вейвлет-коэффициентам. В качестве исходных
данных использовались величины, осредненные за 1 и 5 мин. На спектрах с
максимальным масштабом до 1 сут были выявлены значимые пики на перио-
дах 1 – 22 ч, количество таких пиков (внутрисуточных периодичностей) для
каждого параметра обычно составляло 3 – 5. В значениях большинства выде-
ленных периодов наблюдалась некоторая закономерность: каждое отличалось
от предыдущего примерно в два, реже – в три или в четыре раза. Возможно,
что это проявление внутреннего самоподобия, характерного для многих тур-
булентных движений и связываемого с когерентными структурами. Как пока-
зывает численное моделирование, периодическое воздействие создает коге-
рентные структуры в пограничном слое и увеличивает интенсивность турбу-
лентных движений [12], причем для некоторой частоты имеется максимум
такого увеличения, своего рода резонанс. В качестве примера приведены зна-
чимые периоды для среднеквадратической вертикальной пульсации скорости
в воде из нескольких дней наблюдений (таблица). Похожие последовательно-
сти наблюдались для всех параметров.
Значимые внутрисуточные периоды в интенсивности турбулентной энергии
в море, выделяемые на глобальных спектрах
Дата, время Периоды, ч
2007/06/13/22.50 – 2007/06/14/07.10 1,03; 3,2; 6,4
2007/06/14/07.45 – 2007/06/15/08.55 1,1; 2; 3,8; 12,7
2007/06/17/21.00 – 2007/06/18/08.55 1,15; 2,15; 4,6; 9,5
2007/06/18/17.00 – 2007/06/19/09.40 1,45; 3,1; 5,8; 10,3
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 71
20 40 60 80 100 120
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Период, ч
P
w
/
σ
2
1
2
3
4
5
070619 11:50 - 070623 14:00
H = 2 м
б
2 4 6 8 10 12 14
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Период, ч
P
w
/σ
2
050610 0:00 - 050613 0:00
1
2
3
4
5
а
Р и с. 7. Глобальные спектры, нормированные на дисперсию: 1 –
*
au ; 2 – HS; 3 – Q; 4 – фильт-
рованная rmsw на глубине 1,3 м (а) и 2 м (б); 5 – скорость дрейфового течения Ud; a – данные
осреднены за 1 мин, максимальный масштаб вейвлет-преобразования Jmax ≈ 10,5 ч, период на-
блюдений 10 – 13 июня 2005 г.; б – данные осреднены за 5 мин, Jmax ≈ 105 ч, период наблюде-
ний 19 – 23 июня 2007 г.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 72
Динамическое воздействие атмосферы на поверхность моря обычно раз-
деляют на две компоненты:
a a aw ao
U
uw
z η
τ ρ ν τ τ∂ = − + = + ∂
% % , (15)
где ,u w% % – волновые флуктуации скорости; U(z) – средняя скорость ветра; ν –
вязкость; awτ – поток импульса, идущий к волнам, aoτ – непосредственно пе-
редающийся океану; индекс η у квадратных скобок означает, что выражение
относится к поверхности моря. Считается, что первое слагаемое в формуле
(15) гораздо больше, но вот доли энергии a aw aoE E E= + , передающейся
морской турбулентности, пока определены не так однозначно.
В наших экспериментах при умеренных и сильных ветрах масштабы пе-
риодичностей турбулентной энергии в приповерхностном слое были близки к
масштабам изменчивости динамической скорости в воздухе (рис. 7, а), связь
с волнением прослеживалась менее явно. При слабом ветре и в штилевую
погоду основным фактором, влияющим на морскую турбулентность, по всей
видимости, становился поток тепла (рис. 7, б). Небольшой подъем спектра на
кривой 3, соответствующий периоду ~ 60 ч, не являлся значимым.
В экспериментах 2005 г. значительная часть данных была собрана в ус-
ловиях сильного апвеллинга. На рис. 8 показано изменение температуры во-
ды и воздуха 30 мая – 18 июня. Влияние атмосферных процессов на измене-
ние энергии морской турбулентности в период развития апвеллинга проде-
монстрировано на рис. 9, где представлена эволюция во времени средней
энергии, рассчитанной по вейвлет-коэффициентам за 11 – 13 июня 2005 г.
Видно возникновение колебаний в море с таким же периодом (~ 3,5 ч) и с
временной задержкой около 10 – 12 ч. На всех Фурье-спектрах *
au и rmsw для
данного периода наблюдений (рис. 10) хорошо заметен пик на этой частоте.
На рис. 11 и 12 показаны изменение энергии основных параметров и гло-
бальные спектры, рассчитанные за время наблюдений 10 – 13 июня 2005 г. с
масштабом Jmax = 84 ч. Здесь наиболее явно выражен период интенсивности
почти во всех процессах длительностью 43 – 47 ч. Несколько больше этот
период в данном примере для потока тепла – примерно 56 ч. Следует отме-
тить наличие близкой к суточной (~ 18 ч) периодичности в атмосферной тур-
булентности и практически отсутствие пика на этой частоте у морской тур-
булентности. В то же время периодичности 6,5 ч наблюдаются в обеих сре-
дах. Хорошо прослеживаются на рис. 11 согласующиеся по времени измене-
ния энергии в атмосфере и в море и противоположные им колебания потока
тепла.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 73
0
5
10
15
20
25
30
30.05 1.06 3.06 5.06 7.06 9.06 11.06 13.06 15.06 17.06
T
, o С
воздух
вода
Дата
6 12 18 24 30 36 42 48
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Время, ч
E
, м
2 /с
2
050611 0:00 - 050613 0:00
Атмосфера
Море
Р и с. 8. Временной ход температуры воды и воздуха за период наблюдений в мае – июне
2005 г.
Р и с. 9. Изменение средней по масштабам турбулентной энергии в пограничных слоях атмо-
сферы и моря 11 – 13 июня 2005 г. в период развития апвеллинга. Энергия рассчитана по вейв-
лет-коэффициентам, формула (13), для
*
au и нефильтрованной rmsw в воде на глубине 1,3 м
при Jmax ≈ 10,5 ч. Период колебаний, появившихся в атмосфере, а затем в море, ~ 3,5 ч
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 74
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-8
10
-6
10
-4
10
-2
10
0
10
2
10
4
f, Гц
P
, м
2 /с
050611 0:00 - 050613 0:00
1
2
3
Р и с. 10. Фурье-спектры динамической скорости в воздухе (1) и среднеквадратических верти-
кальных пульсаций скорости в воде на глубине 1,3 м – исходных (2) и обработанных фильтром
верхних частот 1 Гц (3). Вертикальная линия соответствует периоду 3,5 ч. Спектры рассчитаны
для того же интервала времени, что на рис. 9
Близкое к указанному (~ 12 ч) время реакции морской турбулентности
обнаруживалось и в других условиях, для бóльших по масштабу и периоду
возмущений (рис. 13). Энергия здесь рассчитывалась по *
au и rmsw на глубине
2 м, глобальные спектры представлены на рис. 7, б. Однако следует заметить,
что в наших экспериментах отмечалось и меньшее время реакции, ~ 6 ч. По
всей видимости, такая временная задержка как-то связана с масштабами (пе-
риодами) возмущений, но достоверно утверждать это пока сложно.
При слабых ветрах и в штиль взаимодействие атмосферы и океана до-
вольно плохо параметризовано, и имеющиеся на сегодняшний день модели
не дают удовлетворительного согласия расчетов и натурных данных. Из на-
ших экспериментов при таких погодных условиях на графиках эволюции
средней энергии можно увидеть обратную зависимость между потоком тепла
и интенсивностью морской турбулентности. Это свидетельствует о необхо-
димости включения потока тепла в модели, описывающие турбулентный об-
мен в приповерхностном слое моря, поскольку нагрев ведет к усилению стра-
тификации и соответственно – к ослаблению турбулентности. Отчетливо эф-
фект виден на рис. 14, когда погодные условия близки к штилевым. Связь
морской турбулентности с динамической скоростью в атмосфере и волнени-
ем при этом выражена слабо, а увеличивающийся поток тепла ведет к значи-
тельному снижению уровня турбулентной энергии, изменяющейся в проти-
вофазе с тепловым потоком, но с некоторой временной задержкой. Влияния
ветра и волнения при этом почти не заметно.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 75
12 24 36 48 60 72
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Время, ч
Д
и
с
п
е
р
с
и
я
( σ
2 )
1
2
3
4
5
050610 0:00 - 050613 0:00
20 40 60 80 100
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Период, ч
P
w
/
σ2
1
2
3
4
5
050610 0:00 - 050613 0:00
Р и с. 11. Изменение средней по масштабам энергии колебаний физических параметров в по-
граничных слоях атмосферы и моря 10 – 13 июня 2005 г. при Jmax ≈ 84 ч: 1 –
*
au ; 2 – HS; 3 –
210Q −⋅ ; 4 – 10rmsw ⋅ на глубине 1,3 м; 5 – Ud
Р и с. 12. Глобальные спектры для тех же параметров, что на рис. 11, за указанный период
наблюдений. Обозначения те же
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 76
20 40 60 80 100
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Время, ч
E
/E
m
ax
070619 11:50 - 070623 14:00
Море
АтмосфераH = 2 м
5 10 15 20 25 30
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Время, ч
Д
и
с
п
е
р
с
и
я
( σ
2 )
1
2
3
4
5
050617 16:43 - 050618 18:02
Р и с. 13. Изменение средней по масштабам турбулентной энергии, нормированной на макси-
мальное значение, в пограничных слоях атмосферы и моря 19 – 23 июня 2007 г.
Р и с. 14. Изменение средней энергии колебаний различных физических параметров в погра-
ничных слоях атмосферы и моря 17 – 18 июня 2005 г. при Jmax ≈ 10,5 ч: 1 – *
au ; 2 – HS/2; 3 –
210Q −⋅ ; 4 – 10rmsw ⋅ на глубине 1,5 м; 5 – Ud/2
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 77
Учитывая сложность проблемы, на основании имеющейся информации
делать однозначные выводы было бы преждевременно, поэтому на сегодняш-
нем этапе можно привести лишь некоторые предварительные результаты.
1. Применение обширного набора современной измерительной и вычис-
лительной аппаратуры дает возможность получать информацию на качест-
венно новом уровне, особая ценность такой информации – в комплексности и
совместном анализе взаимодействия двух сред.
2. Многосуточные непрерывные наблюдения позволили определить зна-
чимые периодичности с масштабами от одного часа до десятков часов в ин-
тенсивности турбулентных пульсаций во взаимодействующих слоях.
3. Обнаружено, что по всем наблюдаемым параметрам в значимых внут-
рисуточных периодах интенсивности колебаний присутствуют закономерно-
сти, что может свидетельствовать о наличии когерентных структур в иссле-
дуемых слоях.
4. С использованием вейвлет-анализа прослежены эволюция интенсивно-
сти турбулентности в приводном слое на разных масштабах и реакция припо-
верхностного слоя моря на атмосферные возмущения.
5. В период развития апвеллинга обнаружены колебательные процессы
во взаимодействующих слоях атмосферы и моря, связанные, по-видимому, с
изменениями теплообмена.
6. Установлено, что при слабых ветрах существенное влияние на турбу-
лентный режим приповерхностного слоя начинает оказывать поток тепла –
наблюдается обратная зависимость между этим параметром и интенсивно-
стью турбулентности.
На основании проведенных экспериментальных исследований и анализа
данных считаем, что накопленный опыт совместных работ и постоянное усо-
вершенствование аппаратуры и методики измерений позволяют получать
уникальную информацию, которая может служить основой для создания объ-
единенных моделей нового поколения, описывающих взаимодействие атмо-
сферы и океана.
В заключение выражаем искреннюю признательность всем сотрудникам,
участвовавшим в экспедициях, за обеспечение качественной работы аппара-
туры и выполнение трудоемких процедур обработки информации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Charnock H. Wind stress on a water surface // Quart. J. Roy. Meteorol. Soс. – 1955. – 81. –
P. 639 – 640.
2. Hsu S.A. A dynamic roughness equation and its application to wind stress determination at the
air-sea interface // J. Phys. Oceanogr. – 1974. – 4, № 1. – P. 116 – 120.
3. Fairall C.W., Bradley E.F., Rogers D.P. et al. Bulk parameterization of air-sea fluxes for
Tropical Ocean-Global Atmosphere Coupled-Ocean Atmosphere Response Experiment // J.
Geophys. Res. – 1996. – 101, № C2. – P. 3747 – 3764.
4. Чухарев А.М., Репина И.А. Комплексные натурные измерения турбулентных характери-
стик в слоях у границы раздела моря и атмосферы // Экологическая безопасность и
комплексное использование прибрежной и шельфовой зон моря. – Севастополь: МГИ
НАН Украины, 2010. – Вып. 23. – С. 75 – 87.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2012, № 2 78
5. Stewart R.W., Grant H.L. Determination of the rate of dissipation of turbulent energy near the
sea surface in the presence of waves // J. Geophys. Res. – 1962. – 67, № 8. – Р. 3177 – 3180.
6. Монин А.С., Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. – Л.: Гидрометеоиздат, 1981. –
320 с.
7. Soloviev A., Lukas R., Hacker P., Schoeberlein H. et al. A near-surface microstructure sensor
system used during TOGA COARE. Part II: Turbulence measurements // J. Atmos. Ocean.
Technol. – 1999. – 16. – P. 1598 – 1618.
8. Чухарев А.М. Применение измерительного комплекса «Сигма-1» для исследования
турбулентности на океанографической платформе // Экологическая безопасность и
комплексное использование прибрежной и шельфовой зон моря. – Севастополь: МГИ
НАН Украины, 2010. – Вып. 21. – С. 231 – 238.
9. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи фи-
зических наук. – 1996. – 166, № 11. – С. 1145 – 1170.
10. Витязев В.В. Вейвлет-анализ временных рядов. – СПб.: Изд-во СПб-го ун-та, 2001. –
60 с.
11. Torrence C., Compo G.P. A practical guide to wavelet analysis // Bull. Am. Met. Soc. –
1998. – 79, № 1. – P. 61 – 78.
12. Kim K., Sung H.J. DNS of turbulent boundary layer with time-periodic blowing through a
spanwise slot // Proceedings of the Asian Computational Fluid Dynamics Conference (5th).
Busan, Korea, October 27 – 30. – 2003. – P. 835 – 842.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 29.11.10
E-mail: alexchukh@ukr.net После доработки 18.02.11
Институт физики атмосферы имени А.М. Обухова РАН,
Москва
АНОТАЦІЯ Наведені результати детальних натурних вимірювань турбулентних характери-
стик в спряжених шарах моря та атмосфери в прибережній зоні Чорного моря. Використовува-
лася сучасна високоточна апаратура, спостереження велися по великому числу параметрів
протягом трьох експедиційних періодів у 2005 – 2009 рр. Виявлені періодичності різних
масштабів у інтенсивності атмосферної та морської турбулентності, простежена еволюція тур-
булентної енергії в різних умовах і на різних масштабах, а також реакція приповерхневого ша-
ру моря на атмосферні збурення. Показано, що при слабких вітрах істотний вплив на морську
турбулентність починає робити потік тепла.
Ключові слова: взаємодія атмосфери та моря, турбулентність, натурні вимірювання, вейв-
лет-аналіз.
ABSTRACT Results of the detailed in situ measurements of turbulent characteristics of the sea and
atmosphere conjugate layers in the Black Sea coastal zone are presented. Modern high-precision
equipment was used; many parameters were observed during three expeditionary periods in 2005 –
2009. Periodicities of various scales of the atmospheric and sea turbulence intensity are revealed.
Evolution of turbulent energy in various conditions and on various scales, and response of the sea
near-surface layer to the atmospheric disturbances are traced. It is shown that at weak winds the sea
turbulence is strongly influenced by a heat flux.
Keywords: atmosphere-sea interaction, turbulence, in situ measurements, wavelet-analysis.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56633 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:53:47Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Чухарев, А.М. Репина, И.А. 2014-02-21T10:43:15Z 2014-02-21T10:43:15Z 2012 Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне / А.М. Чухарев, И.А. Репина // Морской гидрофизический журнал. — 2012. — № 2. — С. 60-68. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56633 551.465.752 Приведены результаты детальных натурных измерений турбулентных характеристик в сопряженных слоях моря и атмосферы в прибрежной зоне Черного моря. Использовалась современная высокоточная аппаратура, наблюдения велись по большому числу параметров в течение трех экспедиционных периодов в 2005 – 2009 гг. Обнаружены периодичности различных масштабов в интенсивности атмосферной и морской турбулентности, прослежена эволюция турбулентной энергии в разных условиях и на разных масштабах, а также реакция приповерхностного слоя моря на атмосферные возмущения. Показано, что при слабых ветрах существенное влияние на морскую турбулентность начинает оказывать поток тепла. Наведені результати детальних натурних вимірювань турбулентних характеристик в спряжених шарах моря та атмосфери в прибережній зоні Чорного моря. Використовувалася сучасна високоточна апаратура, спостереження велися по великому числу параметрів протягом трьох експедиційних періодів у 2005 – 2009 рр. Виявлені періодичності різних масштабів у інтенсивності атмосферної та морської турбулентності, простежена еволюція турбулентної енергії в різних умовах і на різних масштабах, а також реакція приповерхневого шару моря на атмосферні збурення. Показано, що при слабких вітрах істотний вплив на морську турбулентність починає робити потік тепла. Results of the detailed in situ measurements of turbulent characteristics of the sea and atmosphere conjugate layers in the Black Sea coastal zone are presented. Modern high-precision equipment was used; many parameters were observed during three expeditionary periods in 2005 – 2009. Periodicities of various scales of the atmospheric and sea turbulence intensity are revealed. Evolution of turbulent energy in various conditions and on various scales, and response of the sea near-surface layer to the atmospheric disturbances are traced. It is shown that at weak winds the sea turbulence is strongly influenced by a heat flux. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Морской гидрофизический журнал Экспериментальные и экспедиционные исследования Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне Article published earlier |
| spellingShingle | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне Чухарев, А.М. Репина, И.А. Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| title | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне |
| title_full | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне |
| title_fullStr | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне |
| title_full_unstemmed | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне |
| title_short | Взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне |
| title_sort | взаимодействие пограничных слоев моря и атмосферы на малых и средних масштабах в прибрежной зоне |
| topic | Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| topic_facet | Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56633 |
| work_keys_str_mv | AT čuharevam vzaimodeistviepograničnyhsloevmorâiatmosferynamalyhisrednihmasštabahvpribrežnoizone AT repinaia vzaimodeistviepograničnyhsloevmorâiatmosferynamalyhisrednihmasštabahvpribrežnoizone |