Все научные статьи
Пермяков М.С., Тархова Т.И., Сергиенко А.С. Оценка горизонтальных коэффициентов турбулентного обмена в северо-западной части Тихого Океана
Научная статья
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 860а Пермяков М.С., Тархова Т.И. ftit@poi.dvo.ru), Сергиенко А.С. Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева
Введение. Процессы перемешивания в океане, связанные с наличием случайных пульсаций в полях скорости, температуры или солености, являются важным физическим механизмом в термогидродинамике океана. Они в значительной степени определяют перенос количества движения, тепла, примесей в океане, распределение биологических объектов и экологические характеристики вод, используются при интерпретации данных наблюдений. Эти процессы обязательно включаются в современные численные модели циркуляции океанов и морей в виде процедур параметризации процессов, не разрешаемых на используемых пространственных сетках. Обычно процессы перемешивания в океане на малых масштабах параметризуются через введение турбулентных потоков, пропорциональных градиентам крупномасштабных полей переносимой субстанции, и некого эффективного коэффициента турбулентного обмена (коэффициента турбулентной вязкости, температуропроводности, диффузии). Этот коэффициент может в свою очередь определяться характеристиками крупномасштабных полей. В этом отношении довольно развиты и широко применяются в практических расчетах процедуры параметризации вертикального обмена (теории подобия и иерархия моделей параметризации турбулентных пограничных слоев). Гораздо хуже развита теория (в основном включающая параметризацию переноса синоптическими вихрями) и эмпирическая база для параметризации горизонтального турбулентного (или вихревого) обмена. При практическом применении такой параметризации, прежде всего, встает вопрос о численном значении коэффициентов турбулентного обмена. И в современных численных моделях этот коэффициент часто фигурирует как подгоночный параметр, выбором которого можно добиться достаточно хорошего согласия полученных решений и данных наблюдений. Но его значение часто выбирается из соображений вычислительной устойчивости счета на длительные сроки, и может на порядки превосходить физически разумные его оценки для реального океана.
В верхнем слое океана (ВСО) и морей, где проявляется воздействие атмосферных процессов и, прежде всего ветра, необходимо при оценках коэффициентов турбулентности учитывать перемешивание, связанное с возмущениями, вызванными (воздействием, прохождением интенсивных) синоптическими процессами в атмосфере - циклоны, антициклоны,а фронты [5].
Существуют прямые и косвенные методы проведения оценок характеристик и коэффициентов горизонтального обмена. Прямые методы основаны на определении турбулентных
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 861а Для оценок коэффициентов турбулентного переноса можно использовать имеющиеся обширные архивные данные гидрологических измерений [9-12]. По гидрологическим данным на разрезах или полигонах, учитывая, что крупномасштабный горизонтальный обмен, в основном, определяется вихрями синоптического масштаба и для них выполняется соотношение геострофичности, можно выделить возмущения динамических глубин от сглаженных фоновых полей и, следовательно, рассчитать возмущения геострофических скоростей и определить их пространственный масштаб. Произведение осредненных возмущений геострофических скоростей и их пространственных масштабов дает оценку коэффициента турбулентной вязкости. Подобный подход применялся для восточной части северной Атлантики [9-12].
Цель настоящей работы, используя данные гидрологических съемок выполненных в северо-западной части Тихого океана в летне-осенний период, оценить коэффициенты горизонтального обмена в верхнем слое океана и изучить их изменчивость при прохождении тропических циклонов (ТЦ).
Данные и методы расчета. В настоящей работе оценки статистических характеристик горизонтального турбулентного обмена проводились по данным 16 гидрологических разрезов и 5 полигонов, выполненных в экспедициях Тайфун-78, ДВНИИ КИСЗ-80 и КЭТИ-82 [7,8]. В таблице 1 представлены координаты гидрологических разрезов и полигонов, а также название тропических циклонов (и их номера), которые их пересекали.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 862а № разрезы Порядковый номер и имя тайфуна широта, с.ш долгота,а в.д 1 22 144-150 7807 Вирджиния 2 11-18 135 8008 Джой 3 10-15 133 8009 Ким 4 20-32 143 %0\0екс 5 20-32 145 %0\0екс 6 15-25 128 Ш2Норрис 7 15-25 130 Ш2Норрис 8 15-25 133 тиноррис 9 20-24 135 8013 Орчид 10 28-34 143 8016 Сперри 11 20-24 137 8013 Орчид& 8016 Сперри 12 28-35 145 8017 Телъма 13 19-23 133 8019 Винни 14 29-34 139 8115 Фэд 15 34.5-39.5 144 8205 Руби 16 29-34 135 8221 Мэк полигоны 1 20-26 142-151 7807 Вирджиния 2 10-15 133-137 8009 Ким 3 15-28 119-137 Ш2Норрис 4 20-24 130-139 8013 Орчид & 8016 Сперри 5 20-24 132-134 8019 Винни
Используемый в работе метод оценок коэффициентов горизонтального турбулентного обмена достаточно детально описан в [11]. Здесь приведены основные соотношения метода (этапы необходимой обработки данных гидрологических съемок и расчетов). Следуя известной гипотезе Прандтля, коэффициент турбулентности будем оценивать по средним масштабам возмущения геострофической скорости течений и' и длины перемешивания L':
K = au'-L'*>eЧ, 2/
где u' = -^-fЧ;а /- параметр Кориолиса;а а =1/4 [11];а L' = D'/\VD\;а D' -среднее квадратичное
отклонение динамическиха высотаа D(x,y),а рассчитанныха по исходным данным,а D(x,y)-
сглаженные полиномами 4 степени поля D(x,y), \VD\ - модуль градиента D(x,y).
Характеристики горизонтального турбулентного обмена, прежде всего, рассчитывались на изопикническихаа поверхностях,аа соответствующихаа верхнемуаа квазиоднородномуаа слоюаа (ВКС),
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 863а Результаты и их обсуждение. В пространственных спектрах возмущений океанологических полей обычно наиболее четко проявляется масштаб, равный бароклинному радиусу Россби, определяемому стратификацией и широтой. Этот масштаб связан с наиболее неустойчивыми возмущениями крупномасштабных океанических течений [2,3,5]. Для наших оценок на рис. 1 показана диаграмма рассеяния оцененных для всех разрезов и полигонов среднего пространственного масштаба пульсаций скорости в ВКС L' и внутреннего бароклинного радиуса Россби В.?, иния на рисунке соответствует их равенству. В подавляющем большинстве случаев Rd меньше L'. Это отличается от сводной эмпирической линейной зависимости L=0.98Д/+-0.96, полученной в работе [1] по дрифтерным данным для Черного моря, Адриатики, Японского моря и северо-западной части Тихого океана, согласно которой L приблизительно равен Rd.
10 |
40 |
ии- |
||||
60- |
Х |
|||
20- |
о 8аа Хо |
Х 1 о2 |
||
ХХ |
||||
80- |
Х tа в |
|||
8 * |
||||
40- |
Х |
Х в о о 00о^^ |
о Х |
Хо Х |
и |
Ч"""""^а 1 |
1 |
1 |
1 |
30 |
20 Rd, км
Рис.1. Диаграмма рассеяния среднего пространственного масштаба пульсаций скорости в ВКС (Lr) и внутреннего радиуса Россби (Rd). 1-до прохождения ТЦ, 2-после.
Различия оценок связаны, прежде всего, с различием пространственно-временных масштабов для полигонов и разрезов, данные по которым использованы здесь, и для дрифтерных данных в [1,13, 17]. На рисунке можно выделить лишь группу точек, соответствующей району Северного Пассатного течения (Т - Ким (8009) и Джой (8008)),а где масштаб перемешивания близок к
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 864а Полученные оценки характеристик горизонтального турбулентного обмена и масштаба Россби в ВКС сведены в таблицу 2, где для сравнения приводятся и оценки по данным дрифтерных измерений за период 1991-1997 г. г. [13]. Максимальные значения горизонтального коэффициента турбулентного обмена К= 7.6*10 м /с, а пространственного масштаба L' =176 км получены в районе северной субтропической дивергенции (ССТД), а минимальные значения К= 0.6*10 м /с и L' =11 км - в районе конвергенции Куросио к югу от Японских островов. Радиус Россби Rd увеличивается с севера на юг от минимального значения около 6 км в районе Куросио до максимального значения 35 км в районе Северного Пассатного течения. Эти оценки получены по данным гидрологических разрезов до прохождения ТЦ.
Как следует из таблицы, оценки К, полученные в работе, значительно ниже оценок из [13]. К примеру, в районе течения Куросио оценки горизонтального коэффициента турбулентного обмена на порядок ниже, чем из [13]. Внутренний радиус деформации Россби меньше, чем в [13], диапазон значений масштаба пульсаций L' простирается от 5 до 176 км. Расхождения, на наш взгляд, связаны, прежде всего, с различием в масштабах полигонов и разрезов, использованных в работе и масштабов районов в [13]. При этом, в методике, использованной в настоящей работе, вклад больших синоптических вихрей в горизонтальный обмен по существу не учитывается, поскольку они определяют пространственную изменчивость фоновых полей. Тогда как при длительных дрифтерных наблюдениях (год и более) на больших акваториях, вклад таких вихрей оказывается существенным.
Имеющиеся гидрологические данные до и после прохождения тропических циклонов позволяют рассмотреть их влияние на величины К, L' и Rd. Качественно картина распределения L' и Rd в ВКС после прохождения Т - практически не изменилась. Изменения внутреннего радиуса Россбиа ARd после прохождения тропических циклонов незначительны, порядка 2 км.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 865а Район К, 103 м2/с L', км Rd, км 1 2 1 2 Rd min max 2 Течение Куросио (32-34 с.ш, 134-138 в.д.) 0.6-0.8 (2.1-2.3) 7,3 + 2,1 5-11 (9-23) 29 9 (13) 6 (9) 16
(20) 32,1 Продолжение Куросио (31-36с.ш, 143-149в.д.) 0.9-4.4 (3.1-2.8) 10,9+ 1,3 13-86 (20-106) 35 8 (10) 4 (4) 13 (15) 40,9 Северное Пассатное Течение 1.9-4.8
(2.2-5.3) - 12-38 (19-46) - 32 (33) 13 (14) 53 (67) - К востоку от Куросио (21-26 с.ш, 129-135 в.д.) 2.1-5.6 (1.6-6.8) 14,8 +3,4 30-82 (15-108) 59 15 (16) 8 (8) 32 (41) 57 к югу от Куросио (20-30с.ш, 135-160 в.д.) 1.7-4.1 (0.52-3.4) 11,9+ 1,3 30-176 (20-112) 62 11 (13) 7 (6) 18
(23) 53,3
Изменения масштаба пульсаций L' в ВКС более значительны и достигают 100 км в районе ССТД после прохождения Т - Леке. Наибольшие изменения коэффициентов горизонтального турбулентного обмена К получены в районе ССТД после прохождения с интервалом две недели двух Т - - Орчида и Сперри, где К уменьшился с 7.6* 103 до 0.9* 103 м2/с, a L' с 94 до 13 км. Максимальное увеличение К в поверхностном слое почти в два раза (с 3.7*10 до 6.8*10 м /с) получено также в области ССТД на разрезе 133а в.д. после прохождения Т - Норрис.
Анализ вертикального хода коэффициентов горизонтального обмена до и после прохождения тропических циклонов показывает, что в районах интенсивных стационарных течений (Куросио и Северного Пассатного) в большинстве случаев отмечается заметный рост коэффициентов обмена в верхнем слое океана. Так, в районе течения Куросио в следе Т - Фэд, Руби и Мэк, коэффициент обмена увеличился во всем верхнем слое. На рис.2 показаны профили характеристик горизонтальной турбулентности и средней геострофической скорости и. до и после
прохождения супер-тайфуна сезона 1982 года Мэк. Хотя циклон прошел в стороне от гидрологического разреза, изменчивость характеристик турбулентности может быть связана с его воздействием, так как область его влияния превышала 600 км в радиусе. В районе Северного Пассатного течения, где прошли два тропических шторма Джой и Ким, увеличение коэффициентов обмена прослеживается только до 200 м.
В остальных районах четких тенденций в изменении коэффициентов обмена не прослеживается. Как особый случай на рис.3 приведены вертикальные профили характеристик турбулентного обмена для разреза 137 в.д. до и после прохождения Т - Орчид и Сперри.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 866а
и', м/с
0а 0.4 0.8 1.2
......................... КД м2/с 0аа 4000 8000 и., м/с -0.2 0а 0.2 0-
22.^
Z/, км 0а 40 80аа 120 iаа Iаа .аа Iаа .аа I
%.5 hаа таа 24
24. |
ft 245
200- |
200- |
\ |
\ |
Ч5
\
S*а 25.5
/ |
25.5
я400 Н ю 5 600- |
У |
400-
26
/
'а 26.25
60&;
26.5
800 -1 |
800-1 |
800-1
Рис.2. Профили щ\ ui, Li и ^гаа для разреза 135а в.д. до и после прохождения Т - Мэк. Сплошная линия-фон, пунктир - след, цифры около точек- изопикны.
1400К/ 5 |
600 -аа Гаа \а 2л |
и', м/с 0аа 0.2 0.4 i I i I
26.25 |
200-
600-
800-1
w., м/с
-0.2 -0.1 0 0.1
1,1,1,1
800-1
L/, км 0аа 80 160
800-1
_Ч%? |
КД м2/с
0аа 4000 8000
-j_______ I___ i___ I
400-аа > |
600- т |
200-
800 -1
Рис.3. Профили w/, w., Lj' и^гаа для разреза 137 в.д. до и после прохождения Т - Орчид и
Сперри. Усл. обоз, как на рис.2
Как видно из рисунка, произошло значительное выравнивание величин Kt и L/ во всем верхнем 1000 метровом слое океана. Возможно, это связано с тем, что в данном районе с ССТД, вследствие последовательного воздействия максимальных противоположно направленных ветров двух тайфунов, сформировался циклонический вихрь синоптического масштаба [8]. От поверхности до глубины порядка 200 м горизонтальный коэффициент турбулентной диффузии Kt плавно возрастает до 2.5*10 м/с, далее с глубиной плавно уменьшается.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 867а 300 м, где они изменились с 0.35м/с до 0.25 м/с и с 0.17м/с до 0.1 м/с соответственно. Таким образом, коэффициент турбулентного обмена в целом уменьшился. Это может быть связано с тем, что тропические циклоны, воздействуя на верхний слой океана, выравнивают поля гидрологических характеристик за счет горизонтального перемешивания и адвекции. Вторым фактором, способствующим уменьшению интенсивности турбулентности, может быть циклонический вихрь, через который прошел разрез. Вращение воды в вихре, складываясь с вращением Земли, может в определенной степени подавлять возмущения в полях скоростей течений [2,3]. Но по всему полигону (20 -24 с.ш., 131 -138 в.д.) коэффициент обмена увеличился в слое 0-400 м примерно в 2 раза. Уменьшение коэффициента горизонтального турбулентного обмена отмечено и после прохождения тайфуна Вирджиния (19.5 -25 с.ш., 143 -150.5 в.д.), в следе которого также сформировался циклонический вихрь синоптического масштаба в зоне северной субтропической дивергенции [6].
|
800Ч'
w., м/с
-0.08аа 0 0.08
1,1,1
800^
L,, км
0аа 80 160
.1.1
|
200-
400-
600-
800 -1
200- |
400- |
600- |
КД м2/с 0аа 4000 8000 .1.1
800 -1
Рис.4. Профили и/, u^L/hKjаа для разреза 133а в.д. до и после прохождения Т - Винни.
Усл. обоз, как на рис.2
Полученные оценки Kt на разрезах вдоль 133, 130, 128 в.д., которые Т - Норрис пересек, находясь на разных стадиях развития, позволяют рассмотреть влияние интенсивности Т - на изменения Kj, учитывая, что скорость его перемещения менялась незначительно, 4-6 м/с. Четкой зависимости изменений коэффициента горизонтального обмена от интенсивности проходящего Т - не прослеживается. Но можно отметить значительное увеличение К после прохождения супер-
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 868а Заключение. Проведенное исследование статистических характеристик возмущений поля геострофических скоростей позволило получить следующие результаты:
возмущенияаа составляющихаа скоростиаа теченийаа иаа ихаа пространственныеаа масштабы, коэффициенты горизонтального турбулентного обмена существенно зависят от структурыаа фоновыхаа потоков, н ихаа численныеаа значенияаа влияютаа атмосферные возмущения синоптического масштаба, в данном случае тропические циклоны; проведено сравнение полученных по гидрологическим данным оценок с оценками по дрифтерным данным в районе исследования. Отличие полученных оценок характеристик горизонтальногоа турбулентногоаа обменаа ота дрифтерных,аа преждеаа всего,аа связаноаа с различиями в пространственных и временных масштабах осреднения; оценки коэффициентов турбулентного обмена и масштаба перемешивания (К= 7.6*10 м /с и Z Ч176 км соответственно) и их изменения (АК= -6.7*10аа м /с и AL'= -100 км) после прохождения Т - максимальны в зоне северной субтропической дивергенции, а минимальные (К= 0.6*10 м /с и L Ч11 км) получены для района течения Куросио; четкойа связиа изменчивости характеристика горизонтальной турбулентностиа с интенсивностью проходящих Т - по имеющимся гидрологическим данным не выявлено; отмечено, что в районах синоптических циклонических вихрей в океане интенсивность горизонтальной турбулентности может снижаться.
итература
- Журбас В.М., Зацепин А.Г., Григорьева Ю.В. и др. Циркуляция вод и характеристики разномасштабных течений в верхнем слое Черного моря по дрифтерным данным // Океанология.- 2004.- Т. 44, №1.- С.34-48.
- Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. -Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 215 с.
- Монин А.С, Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.- 320 с.
- Море. -Л.: Гидрометеоиздат.- Пер. с англ.- 1965.- 465 с.
- Питербарг Л.И. Динамика и прогноз крупномасштабных аномалий температуры поверхности океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-аа 201 с.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 869а Все научные статьи