ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ГЕНЕРАЦИИ МОРСКИХ БРЫЗГ ПРИ СИЛЬНЫХ ВЕТРАХ И ИХ РОЛИ В МЕХАНИКЕ И ТЕРМОДИНАМИКЕ УРАГАНОВ

  • Ю. И. Троицкая Институт прикладной физики РАН
  • О. А. Дружинин Институт прикладной физики РАН
  • О. С. Ермакова Институт прикладной физики РАН
  • А. А. Кандауров Институт прикладной физики РАН
  • Д. С. Козлов Институт прикладной физики РАН
  • Д. А. Сергеев Институт прикладной физики РАН
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(3).14
Ключевые слова: ветер, волны, брызги, ураганы, лабораторное моделирование

Аннотация

В штормовых условиях атмосфера и океан являются многофазными: приводный слой атмосферы насыщен брызгами и дождевыми каплями, на поверхности воды присутствуют пенные области, а приповерхностный водный слой насыщен пузырьками воздуха. Это вызывает радикальные изменения процессов обмена океан–атмосфера, которые необходимо учитывать при построении моделей. Эмпирические данные о параметрах таких сред, полученные в натурных условиях, характеризуются большими погрешностями. Лабораторное моделирование на крупных экспериментальных стендах помогает снизить эту неопределенность. В связи с этим современные лабораторные установки для моделирования условий ураганного ветра созданы в США и Японии. В настоящей статье представлены результаты последних исследований многофазных сред на уникальной научной установке «Комплекс крупномасштабных геофизических стендов» ИПФ РАН.

Литература


  1. Andreas E.L. Time constants for the evolution of sea spray droplets // Tellus. 1990. Vol. 42B. P. 481–497.

  2. Andreas E.L. Sea spray and the turbulent air–sea heat fluxes // J. Geophys. Res. 1992. Vol. 97. P. 11429–11441.

  3. Andreas E.L. The temperature of evaporating sea spray droplets // J. Atmos. Sci. 1995. Vol. 52. P. 852–862.

  4. Andreas E.L. A New Sea Spray Generation Function for Wind Speeds up to 32 m s−1 // J. Phys. Oceanogr. 1998. Vol. 28. P. 2175–2184. https://doi.org/10.1175/1520- 0485(1998)028<2175:ANSSGF>2.0.CO;2.

  5. Andreas E.L. A review of the sea spray generation function for the open ocean. In: AtmosphereOcean Interactions. Vol. 1 edited by W. Perrie, WIT Press. Billerica. Mas. 2002. 328 p.

  6. Andreas E.L. Spray stress revised // J. Phys. Oceanogr. 2004. Vol. 34. P. 1429–1440.

  7. Andreas E.L. Approximation formulas for the microphysical properties of saline droplets // Atmospheric Research. 2005. Vol. 75. P. 323–345.

  8. Andreas E.L., Emanuel K.A. Effects of sea spray on tropical cyclone intensity // J. Atmos. Sci. 2001. Vol. 58. P. 3741–3751.

  9. Andreas E.L., Persson P.G., Hare J.E. A Bulk Turbulent Air–Sea Flux Algorithm for High-Wind, Spray Conditions // J. Phys. Oceanogr. 2008. Vol. 38. P. 1581–1596.

  10. Andreas E.L. An Algorithm for fast microphysical calculations that predict the evolution of saline droplets // 2013. http://people.nwra.com/resumes/andreas/free_software/Fast_Microphys_V1.1.zip.

  11. Bao J.W., Wilczak J., Choi J., Kantha L. Numerical simulations of air–sea interaction under high wind conditions using a coupled model: A study of hurricane development // Mon. Weather Rev. 2000. Vol. 128. P. 2190–2210.

  12. Black P.G., D’Asaro E.A., Drennan W.M., French J.R., Niiler P.P., Sanford T.B., Terrill E.J., Walsh E.J., Zhang J.A. Air-sea exchange in hurricanes: Synthesis of observations from the coupled boundary layer air-sea transfer experiment // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2007. Vol. 88. P. 357–374.

  13. Chou W.H., Faeth G.M. Temporal properties of secondary drop breakup in the bag breakup regime // Int. J. Multiph. Flow. 1998. Vol. 24. P. 889–912.

  14. Dyer A.J. A review of flux-profile relationships // Boundary-Layer Meteorology. 1974. Vol. 7. P. 363–372.

  15. Emanuel K. A. Sensitivity of tropical cyclones to surface exchange coefficients and a revised steady-state model incorporating eye dynamics // J. Atmos. Sci. 1995. Vol. 52. P. 3969– 3976.

  16. Fairall C.W., Banner M.L., Peirson W.L., Asher W., Morison R.P. Investigation of the physical scaling of sea spray spume droplet production // J. Geophys. Res. Oceans. 2009. Vol. 114. P. C10001.

  17. Fairall C.W., Kepert J.D., Holland G.J. The effect of sea spray on surface energy transports over the ocean // Glob. Atmos. Ocean Syst. 1994. Vol. 2. P. 121–142.

  18. Foreman R.J., Emeis S. Revisiting the definition of the drag coefficient in the marine atmospheric boundary layer // J. Phys. Oceanogr. 2010. Vol. 40. P. 2325–2332.

  19. Gelfand B.E. Droplet breakup phenomena in flows with velocity lag // Prog. Energ. Combust. Sci. 1996. Vol. 22. P. 201–265.

  20. Iida N., Toba Y., Chaen M. A new expression for the production rate of sea water droplets on the sea surface // J. Oceanogr. 1992. Vol. 48. P. 439–460.

  21. Jarosz E., Mitchell D.A., Wang D.W., Teague W.J. Bottom-up determination of air-sea momentum exchange under a major tropical cyclone // Science. 2007. Vol. 315. P. 1707–1709.

  22. Koga M. Direct production of droplets from breaking wind-waves —its observation by a multicolored overlapping exposure photographing technique // Tellus. 1981. Vol. 33. P. 552–563.

  23. Kudryavtsev V.N. On the effect of sea drops on the atmospheric boundary layer // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. P. C07020.

  24. Kudryavtsev V.N., Makin V.K. Impact of ocean spray on the dynamics of the marine atmospheric boundary layer // Boundary-Layer Meteorology. 2011. Vol. 140. P. 383–410.

  25. Lhuissier H., Villermaux E. Bursting bubble aerosols // J. Fluid Mech. 2012. Vol. 696. P. 5–44.

  26. Lykossov V.N. Atmospheric and oceanic boundary layer physics. In: Wind stress over the ocean. Edited I.S.F. Jones and Y. Toba. Cambridge: Cambridge University Press, 2002. 307 p.

  27. Makin V.K. A note on drag of the sea surface at hurricane winds // Boundary Layer Meteorol. 2005. Vol. 115. P. 169–176.

  28. Marmottant P., Villermaux E. On spray formation // J. Fluid Mech. 2004. Vol. 498. P. 73–111.

  29. Mueller J.A., Veron F.C. Impact of sea spray on air–sea fluxes. Part II: Feedback effects // J. Phys. Oceanogr. 2014. Vol. 44. P. 2835–2853.

  30. Ortiz-Suslow D.G., Haus B.K., Mehta S., Laxague N.J. Sea spray generation in very high winds // J. Atmos. Sci. 2016. Vol. 73. P. 3975–3995.

  31. Powell M.D., Vickery P.J., Reinhold T.A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones // Nature. 2003. Vol. 422. P. 279–283.

  32. Richter D.H., Bohac R., Stern D.P. An assessment of the flux profile method for determining airsea momentum and enthalpy fluxes from dropsonde data in tropical cyclones // J. Atmos. Sci. 2016. Vol. 73. P. JAS-D-15-0331.1.

  33. Richter D.H., Sullivan P.P. Momentum transfer in a turbulent, particle-laden Couette flow // Physics of Fluids. 2013. Vol. 25. P. 053304.

  34. Troitskaya Y.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Baidakov G.A., Vdovin M.A., Kazakov V.I. Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions // J. Geophys. Res. Oceans. 2012. Vol. 117. P. С00J21.

  35. Toba Y., Koga M. A Parameter Describing Overall Conditions of Wave Breaking, Whitecapping, Sea-Spray Production and Wind Stress. In: (eds) Oceanic Whitecaps. Oceanographic Sciences Library, Vol 2. edited by Monahan E.C., Niocaill G.M. Dordrecht: Springer, 1986. 279 p.

  36. Troitskaya Y., Ezhova E., Soustova I., Zilitinkevich S. On the effect of sea spray on the aerodynamic surface drag under severe winds. // Ocean Dyn. 2016. Vol. 66. P. 659–669.

  37. Troitskaya Y., Sergeev D., Kandaurov A., Ermakova O., Kozlov D., Zilitinkevich S. “Bag-breakup” spume droplet generation mechanism at hurricane wind. Part I. Spray generation function // J. Phys. Oceanogr. 2018a. Vol. 48. P. 2167–2188.

  38. Troitskaya Y., Druzhinin O., Kozlov D., Zilitinkevich S. “Bag-breakup” spume droplet generation mechanism at hurricane wind. Part II. Contribution to momentum and enthalpy transfer // J. Phys. Oceanogr. 2018b. Vol. 48. P. 2189–2207.

  39. Veron F. Ocean Spray // Annu. Rev. Fluid Mech. 2015.Vol. 47. P. 507–538.

  40. Veron F., Hopkins C., Harrison E.L., Mueller J.A. Sea spray spume droplet production in high wind speeds // Geophys. Res. Lett. 2012. Vol. 39. P. L16602.

  41. Wright C.W., Walsh E.J., Vandemark D., Krabill W.B., Garcia A.W., Houston S.H., Murillo S.T., Powell M.D., Black P.G., Mark E.D. Hurricane directional wave spectrum spatial variation in the open ocean // J. Phys. Oceanogr. 2001. Vol. 31. P. 2472– 2488.

  42. Zhao D., Toba Y., Sugioka K., Komon S.
    43. New sea spray generation function for spume droplets // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. P. C02007.
Опубликован
2019-11-06
Выпуск
Том 47 № 3 (2019): Океанологические исследования
Раздел
Посвящается 90-летию К.Н. Федорова. Физика океана

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)