ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ КОГЕРЕНТНЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

  • В. С. Кошкина Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
  • А. В. Гавриков Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2024.52(4).6
Ключевые слова: когерентные структуры, идеализированные вихри, мезомасштабные атмосферные процессы, идентификация вихрей, численное моделирование

Аннотация

Когерентные вихревые структуры (КВС) – устойчивые во времени вихри, которые оказывают существенное влияние на процессы переноса импульса, тепла и массы в любой жидкой среде, включая атмосферу и океан. В настоящий момент наиболее изученными в геофизике являются крупные вихри (циклоны), в то время как мезомасштабные и субмезомасштабные процессы в атмосфере и океане остаются в «серой зоне», особенно мало информации об их влиянии на климатическом масштабе. Для климатической оценки требуется умение автоматически выделять КВС в пространственных данных (например, в данных численного моделирования). Главное препятствие для развития этого направления – отсутствие строгого математического определения вихря. Некоторые разработки в этом направлении были проведены в области мелкомасштабной турбулентности, в которой разрабатывается ряд эйлеровых критериев вихревого состояния. Главным преимуществом этой методологии является способность идентифицировать вихревые движения любого масштаба и в любой сплошной среде, минимальный размер вихря определяется исключительно пространственным разрешением используемых данных. Данная работа посвящена исследованию применимости эйлеровых методов идентификации к значительно более крупномасштабным геофизическим данным. Для исследования были выбраны наиболее широко используемые локальные (эйлеровы) методы идентификации вихрей – Q, Δ, λ2, λci и Rortex критерии. Работа демонстрирует сравнение трех поколений методов идентификации вихря (МИВ), примененных на идеализированных двух- и трехмерных вихрях. Исследование показало, что Rortex-критерий является наиболее перспективным в случае идентификации атмосферных мезомасштабных процессов: он наиболее надежно определяет КВС, а также направление и ось ее вращения. Для разделения полученных данных на отдельные структуры использовался метод кластеризации DBSCAN, что дает возможность оценить геометрические свойства и различные статистики вихрей. Разработанный подход может быть использован для климатического анализа динамики мезомасштабных вихрей.

Литература


  1. Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. Т. 2. М.: Наука, 1965. 740 с.

  2. Ahrens K. Velásquez Study of feature detection methods for aerodynamics. Master’s thesis. Universitat Politècnica de Catalunya. 2023.

  3. Bosse A., Testor P., Mayot N., Prieur L., d’Ortenzio F., Mortier L. et al. A submesoscale coherent vortex in the Ligurian Sea: From dynamical barriers to biological implications // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122. No. 8. P. 6196–6217.

  4. Chakraborty P., Balachandar S., Adrian R. J. On the relationships between local vortex identification schemes // Journal of Fluid Mechanics. 2005. Vol. 535. P. 189–214. ISSN: 00221120. https://doi.org/10.1017/S0022112005004726.

  5. Cuissa J. C., Steiner O. Innovative and automated method for vortex identification-i. description of the swirl algorithm // Astronomy & Astrophysics. 2022. 668.

  6. Fairall C. W., Bradley E. F., Hare J. E., Grachev A. A., Edson J. B. Bulk parameterization of air-sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm // Journal of Climate. 2003. Vol. 16. No. 4. P. 571–591. ISSN: 08948755. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)016<0571:BPOASF>2.0.CO;2.

  7. Haller G. An objective definition of a vortex // Journal of fluid mechanics. 2005. Vol. 525. P. 1–26. https://doi.org/10.1017/S0022112004002526.

  8. Haller G., Yuan G. Lagrangian coherent structures and mixing in two-dimensional turbulence // Physica D: Nonlinear Phenomena. 2000. Vol. 147. No. 3–4. P. 352–370. ISSN: 01672789. https://doi.org/10.1016/S0167-2789(00)00142-1.

  9. Hong S.-Y., Noh Y., Dudhia J. A New Vertical Diffusion Package with an Explicit Treatment of Entrainment Processes // Monthly Weather Review. 2006. Vol. 134. No. 9. P. 2318–2341. ISSN: 0027-0644. https://doi.org/10.1175/MWR3199.1.

  10. Hunt J. C. R., Wray A. A., Moin P. Eddies, streams, and convergence zones in turbulent flows. Center for Turbulence Research // Proceedings of the Summer Program. 1988. No. 1970. P. 193–208.

  11. Jeong J., Hussain F. On the identification of a vortex // Journal of Fluid Mechanics. 1995. Vol. 285. P. 69–94. ISSN: 14697645. https://doi.org/10.1017/S0022112095000462.

  12. Jiang X., Lefauve A., Dalziel S. B., Linden P. F. The evolution of coherent vortical structures in increasingly turbulent stratified shear layers // Journal of Fluid Mechanics. 2022. Vol. 947. P. A30.

  13. Jordan C. L. Mean soundings for the west indies area // Journal of Atmospheric Sciences. 1958. Vol. 15. No. 1. P. 91–97. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1958)015<0091:MSFTWI>2.0.CO;2.

  14. Jordan C. L., Hurt Jr. D. A., Lowrey C. A. On the structure of hurricane daisy on 27 august 1958 // Journal of Atmospheric Sciences.1960. Vol. 17. No. 3. P. 337–348.

  15. Kessler E. On the distribution and continuity of water substance in atmospheric circulations // American Meteorological Society. 1969.

  16. Kolář V. Vortex identification: New requirements and limitations // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2007. Vol. 28. No. 4. P. 638–652. ISSN: 0142727X. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2007.03.004.www.elsevier.com/locate/ijhff.

  17. Kolář V., Moses P., Šístek J. Local corotation of line segments and vortex identification // In Proceedings of the Seventeenth Australasian Fluid Mechanics Conference. 2010. P. 251–254.

  18. Koshkina V., Gavrikov A., Gulev S. Methods of identifying atmospheric mesoscale coherent structures over the north atlantic // Oceanology. 2023. Vol. 63. Suppl. 1. P. S110.

  19. Liu C., Wang Y., Yang Y., Duan Z. New omega vortex identification method // Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 2016. Vol. 59. P. 1–9.

  20. Liu C., Gao Y., Tian S., Dong X. Rortex – a new vortex vector definition and vorticity tensor and vector decompositions // Physics of Fluids. 2018. Vol. 30. No. 3.

  21. Lugt H. J. The dilemma of defining a vortex // Recent developments in theoretical and experimental fluid mechanics: Compressible and incompressible flows. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1979. P. 309–321. https://doi.org/10.1007/978-3-642-67220-0_32.

  22. Okubo A. Horizontal dispersion of floatable particles in the vicinity of velocity singularities such as convergences // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17. No. 3. P. 445–454. ISSN: 00117471. https://doi.org/10.1016/0011-7471(70)90059-8.

  23. Oseen C. Uber die wirbelbewegung in einer reibenden flussigkeit // Ark. Mat. Astro. Fys. 7. 1912.

  24. Perry A. E., Chong M. S. A description of eddying motions and flow patterns using critical-point concepts // Annual Review of Fluid Mechanics. 1987. Vol. 19. No. 1. P. 125–155. www.annualreviews.org.

  25. Prants S. V., Budyansky M. V., Ponomarev V. I., Uleysky M. Y. Lagrangian study of transport and mixing in a mesoscale eddy street // Ocean modelling. 2011. Vol. 38. No. 1–2. P. 114–125. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2011.02.008.

  26. Robinson S. K. Coherent motions in the turbulent boundary layer // Annual review of fluid mechanics. 1991. Vol. 23 (1). P. 601–639.

  27. Schielicke L. Scale-dependent identification and statistical analysis of atmospheric vortex structures in theory, model and observation. Ph. D. Thesis, Freie Universität Berlin, Berlin, Germany. 2017.

  28. Schubert E., Sander J., Ester M., Kriegel H. P., Xu X. DBSCAN revisited, revisited: Why and how you should (still) use DBSCAN // ACM Transactions on Database Systems. 2017. Vol. 42. No. 3. P. 1–21. ISSN: 15574644. https://doi.org/10.1145/3068335.

  29. Skamarock W. C., Klemp J. B., Dudhia J., Gill D. O., Barker D. M. A description of the Advanced Research WRF Version 3 // NCAR technical note. 2008. Vol. 475. P. 113.

  30. Stramma L., Bange H. W., Czeschel R., Lorenzo A., Frank M. On the role of mesoscale eddies for the biological productivity and biogeochemistry in the eastern tropical Pacific Ocean off Peru // Biogeosciences. 2013. Vol. 10. No. 11. P. 7293–7306.

  31. Weiss J. The dynamics of enstrophy transfer in two-dimensional hydrodynamics // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1991. Vol. 48 No. 2. P. 273–294. ISSN: 0167-2789. https://doi.org/10.1016/0167-2789(91)90088-Q.

  32. Xu W., Gao Y., Deng Y., Liu J., Liu C. An explicit expression for the calculation of the rortex vector // Physics of Fluids. 2019. No. 31 (9).

  33. Yu Y., Shrestha P., Nottage C., Liu C. Principal coordinates and principal velocity gradient tensor decomposition // Journal of Hydrodynamics. 2020. Vol. 32. P. 441–453.

  34. Zhang W., Wolfe C. L., Abernathey R. Role of surface-layer coherent eddies in potential vorticity transport in quasigeostrophic turbulence driven by eastward shear // Fluids. 2019. Vol. 5. No. 1. P. 2.

  35. Zhou J., Adrian R. J., Balachandar S., Kendall T. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow // Journal of Fluid Mechanics. 1999. Vol. 387. P. 353–396.

Опубликован
2024-12-29
Выпуск
Том 52 № 4 (2024): Океанологические исследования
Раздел
Физика океана и климат

Передача авторских прав происходит на основании лицензионного договора между Автором и Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН)