Турбулентный обмен в верхнем слое моря играет важную роль в формировании температуры поверхности океана, переносе питательных веществ, газообмене с атмосферой и многих других процессах, влияющих на погоду и климат. До настоящего времени существующие модели давали значительные расхождения с фактическими данными, особенно при слабых ветрах и неразвитом волнении.
Главный научный сотрудник МГИ, доктор физико-математических наук Александр Михайлович Чухарев разработал новую модель, в которой, помимо известных механизмов генерации турбулентности, впервые учтены когерентные вихревые структуры в горизонтальных течениях.
«Необходимо учитывать в модели турбулентности для верхнего квазиоднородного слоя моря, по меньшей мере, следующие механизмы генерации турбулентности: неустойчивость вертикальных градиентов скорости в дрейфовых течениях; неустойчивость движений, индуцированных поверхностными волнами; обрушения волн; циркуляции Ленгмюра; неустойчивости в субмезомасштабных вихревых структурах в горизонтальных течениях. Последний из перечисленных механизмов ранее не рассматривался в качестве источника турбулентности, и ему уделяется особое внимание в настоящей работе. Учет именно этого механизма позволил радикально улучшить соответствие экспериментальных и модельных величин при слабом ветре и в штилевую погоду», — отмечает Александр Чухарев.
Главной особенностью новой модели стало введение в уравнение баланса турбулентной энергии дополнительного члена, описывающего вклад вихревых образований, что позволило получить значительно более точные результаты. Исследование основано на многолетних наблюдениях, проводившихся сотрудниками отдела турбулентности МГИ на океанографической платформе Черноморского гидрофизического подспутникового полигона МГИ с использованием комплекса современного оборудования.
Верификация модели показала хорошее соответствие экспериментальным данным в широком диапазоне гидрометеорологических условий. Особенно значимым оказалось улучшение прогнозирования при слабых ветрах, когда предыдущие модели давали расхождение с измерениями до двух порядков величины.
«В прикладном аспекте полученный результат важен для достоверного описания вертикального турбулентного обмена в верхнем слое моря. Знание коэффициентов турбулентного обмена необходимо при расчетах потоков тепла, импульса, растворенных веществ, в том числе биогенных элементов и растворенных газов. Информация об интенсивности турбулентности необходима также в качестве подсеточных величин при расчетах в крупномасштабных гидродинамических моделях морей и океанов», — подчеркивает автор исследования.
Исследователи планируют продолжить работу по совершенствованию модели, включая проведение новых экспериментальных исследований турбулентности и структуры течений для повышения достоверности модельных представлений и улучшения параметризации других механизмов генерации турбулентности в приповерхностном слое моря.
