МЕХАНИЗМЫ И ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ОДНОРОДНЫХ И СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ СЛОЯХ МОРЯ

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00150

НазваниеМЕХАНИЗМЫ И ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ОДНОРОДНЫХ И СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ СЛОЯХ МОРЯ

Руководитель Чухарев Александр Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" , г Севастополь

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-505 - Турбулентность и мелкомасштабные процессы

Ключевые слова морская турбулентность, коэффициенты турбулентного обмена, потоки тепла и вещества, натурные эксперименты, численное моделирование, механизмы генерации турбулентности, однородные и стратифицированные слои моря, модели турбулентного обмена, вертикальное перемешивание

Код ГРНТИ37.25.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основная цель проекта – установление физических закономерностей вертикального и горизонтального обмена в однородных и стратифицированных слоях моря, создание численных и полуэмпирических моделей для расчета и прогноза течений и других гидрофизических полей. Актуальность проблемы состоит в необходимости в условиях меняющегося климата, при антропогенной и техногенной нагрузке объективно оценивать экологическое состояние прибрежных и глубинных вод, уверенно разрабатывать оперативные и долгосрочные прогнозы изменчивости и трендов гидрофизических и гидрохимических полей. Для этого необходимо максимально точно описать физические механизмы вертикального и горизонтального обмена с учетом особенностей, обусловленных физико-географическими условиями, сезонными и региональными факторами. Важнейшая составляющая планируемых исследований – проведение натурных измерений с помощью современной высокоразрешающей аппаратуры. При этом используется комплексный подход к выявлению физических механизмов, влияющих на процессы перемешивания в слоях с разной стратификацией плотности, который включает в себя как экспериментальные, так и теоретические исследования. Оригинальные методики определения характеристик турбулентности в сочетании с новой приборной базой позволят развить наши представления о физических процессах в верхнем деятельном слое и в глубинных слоях моря. Существенным фактором в обеспечении высокого качества планируемых натурных измерений тонкой структуры и микроструктуры водной толщи в широком диапазоне глубин, станет использование нового микроструктурного зонда MSS-90L. В совокупности с доступными данными о характере течений на разных глубинах это позволит значительно улучшить наши представления о потоках тепла и вещества в различные сезоны и учитывать как фоновые гидрологические характеристики, так и региональные особенности. В качестве объекта исследований планируется использовать в первую очередь бассейн Черного моря, доступный для экспедиционных работ и верификации моделей. Имеющиеся у коллектива научный опыт в исследовании Черного моря, апробированные модели и база данных натурных измерений позволят получить новые знания на более высоком уровне. Исследование циркуляции вод Черного моря, воспроизведенной численной трехмерной моделью динамики морской среды с районированными на основе оценок интрузионных и геотермальных потоков граничными условиями, позволит уточнить представления об особенностях гидрофизических полей Черного моря, получить новую информацию о физических механизмах формирования глубоководных термохалинных и динамических структур, установить зависимость характеристик течений от особенностей стратификации. Результаты экспериментальных исследований и численного моделирования системы течений в глубинных слоях на примере Черного моря станут основой для проведения аналогичных экспериментальных и теоретических работ в других бассейнах. Для изучения процессов турбулентного обмена в верхнем пограничном слое будет использован уникальный инфраструктурный объект – стационарная океанографическая платформа Черноморского гидрофизического подспутникового полигона ФИЦ МГИ в п. Кацивели. Интенсивность вертикальных потоков импульса, тепла и вещества в верхнем квазиоднородном слое зависит от большого количества факторов и является предметом многочисленных исследований. Многообразие физических процессов вблизи границы двух сред и сложные взаимосвязи сильно затрудняют получение объективных зависимостей и требуют усовершенствования подходов к теоретическому моделированию. Существующие модели турбулентного обмена при этом не всегда дают достаточное соответствие расчетов и натурных измерений и нуждаются в качественном улучшении. В теоретическом плане акцент предполагается сделать на перспективном подходе к моделированию турбулентного обмена с учетом разных масштабов механизмов генерации турбулентности вблизи поверхности моря. Разработанная к настоящему времени многомасштабная модель дает лучшее соответствие с натурными измерениями. В развитие данного направления планируется усовершенствовать существующие модели, учесть нестационарный характер протекающих процессов и наличие в турбулентном течении субмезомасштабных когерентных структур, в частности циркуляций Ленгмюра. Набор измерительной аппаратуры для работы в натурных условиях, имеющийся в распоряжении коллектива, является уникальным для исследований турбулентности вблизи поверхности моря. Оригинальная запатентованная система сбора данных, главным элементом которой служит измерительный комплекс «Сигма-1», дает возможность вести измерения основных гидрофизических величин (включая пульсационные составляющие) от поверхности до глубины ~ 20 м. Сопутствующие измерения широкого набора параметров (метеоданные, скорость течения, характеристики волнения и проч.) обеспечивают полноценную регистрацию фоновых гидрометеорологических условий. Научная новизна проекта состоит в использовании современной высокоточной измерительной аппаратуры и широком применении натурных данных для создания и усовершенствования полуэмпирических моделей. Развитие многомасштабной модели с включением в нее дополнительно циркуляций Ленгмюра и дрейфа Стокса улучшит объективность расчетов. Новым подходом является выделение в стратифицированной области бассейна различных слоев с учетом гидрофизических особенностей и влияния механизмов, определяющих вертикальный обмен. Параметризация коэффициентов турбулентного обмена позволит получить физически обоснованные полуэмпирические соотношения, необходимые для практических оценок потоков тепла, импульса, растворенных веществ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Маркова Н.В. The Black Sea Deep-Water Circulation: Recent Findings and Prospects for Research Processes in GeoMedia – Volume VI, Springer Geology, In: Chaplina T. (eds) Processes in GeoMedia – Volume VI, Springer Geology. Chapter 49 (год публикации - 2022)

2. Павлов М.И., Чухарев А.М. Effect of Langmuir circulations on the intensity of turbulent mixing in the near-surface sea layer Processes in GeoMedia–Volume VII, Springer Geology (год публикации - 2023)

3. Маркова Н.В., Дымова О.А. Conditions of Deep-Water Undercurrent Generation in the North-Eastern Black Sea Pleiades Publishing, Ltd., 2023. Russian Text © The Author(s), 2023, published in Izvestiya RAN. Mekhanika Zhidkosti i Gaza, 2023, Fluid Dynamics, 2023, Vol. 58, No. 5, pp. 852–863. © Pleiades Publishing, Ltd., 2023. Russian Text © The Author(s), 2023, published in Izvestiya RAN. Mekhanika Zhidkosti i Gaza, 2023, No. 5, pp. 25–36. (год публикации - 2023)
10.1134/S0015462823600591

4. Казаков Д.А., Павлов М.И., Чухарев А.М. "1.5D" vertical turbulent exchange model verification based on microstructural probe data on cruise 122 of the R/V Professor Vodyanitsky Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences, CIWO 2023. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. pp 48–58. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-47851-2_7 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-47851-2_7

5. Коржуев В.А. Turbulence Influence on the Thickness of the Mixed Layer in the Coastal Zone of the Black Sea CIWO 2023. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham., Complex Investigation of the World Ocean (CIWO-2023), pp 69–79. (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-47851-2_9

6. Маркова Н.В. Глубоководные течения Чёрного моря в условиях регулярного и аномального атмосферного воздействия (по результатам численного моделирования) материалы Международного научного форума, посвященного 20-летию ЮНЦ РАН. Ростов- на-Дону: Издательство ЮНЦ РАН, 2023, Фундаментальные исследования, инновационные технологии и передовые разработки в интересах долгосрочного развития Юга России : материалы Международного научного форума, посвященного 20-летию ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону, 08–10 февраля 2023 года. 2023. С.30-34. (год публикации - 2023)

7. Дымова О.А., Маркова Н.В. Numerical Estimation of the Black Sea Circulation near the Continental Slope Using SKIRON and ERA5 Atmospheric Forcing MDPI Environmental Sciences Proceedings, Environmental Sciences Proceedings. 2023, 25(1), 61 (год публикации - 2023)
10.3390/ECWS-7-14305

8. Маркова Н.В., Демышев С.Г. The Black Sea deep-water circulation under climatic and anomalous atmospheric forcing Springer Geology. Processes in GeoMedia—Volume VII. Springer: Springer Nature Singapore Pte Ltd., In: Chaplina T. (eds) Processes in GeoMedia – Volume VII, 2023. P. 71–77. Springer Geology The Editor(s) (if applicable) and The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/978-981-99-6575-5_6

9. Самодуров А.С., Чухарев А.М., Казаков Д.А., Павлов М.И., Коржуев В.А. Вертикальный турбулентный обмен в Черном море: экспериментальные исследования и моделирование Морской гидрофизический журнал (год публикации - 2023)

10. Коржуев В.А. Turbulence Influence on the Thickness of the Mixed Layer in the Coastal Zone of the Black Sea Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes, Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. 2024. T.3114. P. 69–79. doi.org/10.1007/978-3-031-47851-2_9 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-47851-2_9

11. Чухарев А.М. Нестационарная модель турбулентности для верхнего пограничного слоя моря Морской гидрофизический журнал (год публикации - 2025)

12. Казаков Д.А., Самодуров А.С., Павленко О.И. The Black Sea Northern Part Spatial Zoning in Terms of the Mixing Processes Intensity Based on the Data Processing Results of 87, 92, 102 and 110 Voyages of the R/V “Professor Vodyanitsky” Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-54589-4_58

13. Чухарев А.М., Павлов М.И. Turbulent Exchange in Unsteady Air–Sea Interaction at Small and Submeoscales Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 60, No. 1, pp. 87–94. (год публикации - 2024)
10.1134/S0001433824700105

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучение турбулентной структуры приповерхностного слоя моря в различных гидрометеорологических условиях выполнялось в экспедиции на стационарную океанографическую платформу (СОП) МГИ в июне 2024 г. Использование широкого набора измерительных средства дает возможность анализа основных динамических процессов в сопряженных слоях атмосферы и моря. По результатам измерений сформированы массивы данных об основных гидрофизических характеристиках верхнего квазиоднородного слоя, включая данные о пульсационных величинах вектора скорости течения, температуры и электропроводности. Выполнены экспериментальные исследования тонкой и микроструктуры гидрофизических величин в стратифицированных слоях Черного моря в 133-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий» в сентябре 2024 г. Для измерений использовался микроструктурный зонд MSS90L, в котором произведена замена элементов плавучести на специально разработанные и изготовленные из сферопластика. В результате доработки улучшена курсовая устойчивость прибора во время зондирования и повышено качество измерений. Выполнены расчет и анализ гидрофизических полей в северо-восточной Черного моря на основе интеграции определенных по натурным измерениям коэффициентов вертикального турбулентного обмена и численной модели МГИ. Использованные при моделировании коэффициенты вертикального обмена получены по экспериментальным данным на основе натурных наблюдений микроструктурных профилей пульсаций скорости и температуры измерительным комплексом «Сигма-1.5». Измерения проводились в верхних стратифицированных слоях моря в экспедиционных исследованиях на НИС «Профессор Водяницкий». Расчет коэффициентов в верхнем перемешанном слое осуществлялся с помощью многомасштабной модели турбулентности по задаваемой скорости ветра на основе данных ERA5. Сопоставление результатов расчетов по модели МГИ и гидрологических данных, полученных комплексом SBE одновременно с микроструктурными измерениями, показывает повышение достоверности воспроизводимых полей температуры и солености при использовании в модели экспериментально определенных коэффициентов по сравнению с применяемой ранее для расчетов на мелкой сетке (0,5 км по горизонтали) параметризацией турбулентности Пакановски-Филандера. Характеристика качества работы модели – среднеквадратическое отклонение от наблюдаемых значений гидрофизических характеристик. Итоговая аппроксимация показала более точные результаты в слое 30-100 м и небольшую прибавку в точности для слоя 100-300 м в сравнении с современными методами. При анализе результатов экспериментов были определены области с наибольшим расхождением модельных и измеренных значений гидрофизических характеристик. в целом воспроизведение динамики по сравнению с предыдущим вариантом расчета улучшилось: в верхнем 100-метровом слое в среднем на 15–20%, а для глубины залегания верхней границы слоя скачка температуры в центральной части моря примерно на 10%. Представленные результаты показывают перспективность включения в численную модель экспериментально определенных коэффициентов вертикального турбулентного обмена при воспроизведении динамики стратифицированных слоев моря. Основываясь на анализе данных о вертикальной компоненте скорости течения, регистрировавшейся акустическим измерителем DVS6000, установлена корреляционная связь интенсивности движений в циркуляциях Ленгмюра со скоростью ветра и определены эмпирические параметры зависимости интенсивности генерации турбулентности от турбулентного числа Ленгмюра. Полученные зависимости соответствуют экспоненциальному закону и в общем согласуются с соотношениями экспериментов из литературы. Анализ полученных зависимостей при разных числах Ленгмюра показал, что влияние этих циркуляций на турбулизацию в приповерхностном слое моря при скоростях ветра 1-8 м/с связано с характером развития поверхностного волнения. По синхронным измерениям вектора скорости течения, выполненным во время комплексного эксперимента на океанографической платформе, рассчитаны структурные функции поля скорости среднего течения. По глобальным спектрам структурного параметра установлены доминирующие амплитуды и периоды его колебаний, которые составили (в порядке убывания интенсивности) 15, 3,5 и 1,5 ч. С учетом этих эмпирических данных усовершенствована нестационарная модель турбулентного обмена для верхнего перемешанного слоя моря, в которой использованы структурные функции поля скорости течений. Предложен усовершенствованный подход к описанию баланса турбулентной кинетической энергии в приповерхностном слое моря с введением в модель члена, описывающего генерацию турбулентности когерентными структурами, образующимися в среднем течении. Физическим обоснованием такого подхода является представление о генерации турбулентности локальными неустойчивостями в среднем потоке жидкости при достаточно больших числах Рейнольдса и сдвиговыми эффектами в относительно крупномасштабных вихревых структурах. Использование понятия структурной функции, как характеристики трансформации энергии течения в турбулентность, позволило получить весьма обнадеживающий результат, существенно улучшающий соответствие расчетов и экспериментов в широком диапазоне гидрометеорологических условий. Выполнен анализ экспериментальных данных по измерениям на океанографической платформе в течение ряда лет, подобраны модельные константы для вычисления вертикального коэффициента турбулентной вязкости по многомасштабной модели турбулентности методом сопоставления расчетных и натурных данных, собранных в ходе экспериментов в различных метеорологических условиях. Анализ большого массива данных позволил уточнить эмпирическую формулу для вычисления коэффициента турбулентной вязкости. Коэффициент корреляции модельных и натурных данных прямо зависит от скорости ветра: он возрастает от 0.45 при скорости менее 2 м/с до 0.7 при скорости 5 м/с, т.е. достоверность параметризации становится выше. В районе СОП в июне 2024 г. совместно с членами экспедиции на НИС «Профессор Водяницкий», находившегося в районе СОП, проведен эксперимент по синхронному измерению парциального давления CO2 (pCO2) с борта судна, а также волнографических и CTD-измерений на СОП, что позволило рассчитать коэффициенты вертикального обмена в перемешанном слое и сопоставить их со значениями pCO2 в данный отрезок времени.

Публикации

Возможность практического использования результатов
На данном этапе возможность использования результатов проекта в экономике и социальной сфере не очевидна.