ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭВОЛЮЦИИ НЕФРОНТАЛЬНЫХ ВИХРЕЙ В ДВУСЛОЙНОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ

  • А. Г. Зацепин Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН; Московский физико-технический институт
  • Д. Н. Елкин Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН
  • Д. Р. Шварцман Московский физико-технический институт
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2023.51(1).1
Ключевые слова: вихри открытого океана, лабораторное моделирование, двуслойно-стратифицированная вращающаяся жидкость, бароклинная неустойчивость, вязкое вырождение, гладкое, шероховатое, наклонное дно

Аннотация

В данной работе путем лабораторного моделирования выявляются закономерности эволюции (бароклинной неустойчивости и/или вязкого вырождения) мезомасштабных нефронтальных бароклинных вихрей, или вихрей открытого океана (без ядра инородных вод). Опыты проводились в двуслойно стратифицированной по солености водной среде в бассейне, расположенном на вращающейся платформе. С помощью оригинального применения «метода цилиндра» создавались одиночные осесимметричные циклонические и антициклонические вихри в верхнем слое, прослеживалась их эволюция на протяжении 100 и более периодов вращения платформы (лабораторных суток). Установлено, что вихри теряют устойчивость, если значение определяющего параметра, представляющего отношение чисел Бюргера и Фруда, меньше критического. При этом вихри либо разваливаются на два или более вторичных вихрей (сильная неустойчивость), либо приобретают вытянутую форму (слабая неустойчивость). Наклон дна и его шероховатость увеличивают устойчивость вихрей. При значениях определяющего параметра больше критического, вихри являются устойчивыми и постепенно вырождаются за счет вязкого трения. В случае большого перепада солености (плотности) между слоями, шероховатость дна не оказывает существенного значения на скорость затухания вихрей, которая, по-видимому, определяется трением в верхнем слое. Предложена параметризация, описывающая экспоненциальный закон затухания вихрей, которая опробована на примере черноморского мезомасштабного вихря.

Литература


  1. Блатов А. С., Булгаков Н. П., Иванов В. А. и др. Изменчивость гидрофизических полей в Черном море. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.

  2. Гринспен Х. П. Теория вращающихся жидкостей. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1975. 304 с.

  3. Дикарев С. Н. О влиянии вращения на структуру конвекции в глубокой однородной жидкости // Доклады Академии наук СССР. 1983. Т. 273. № 3. С. 718.

  4. Елкин Д. Н., Зацепин А. Г. Лабораторное исследование механизма сдвиговой неустойчивости морского вдольберегового течения // Океанология. 2014. Т. 54. № 5. С. 614–621.

  5. Зацепин А. Г., Костяной А. Г. Лабораторные исследования неустойчивости бароклинных вихрей и фронтов. В сб.: Когерентные структуры и самоорганизация океанских движений. М.: Наука, 1992. С. 163–176.

  6. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.

  7. Кошляков М. Н., Белокопытов В. Н. Синоптические вихри открытого океана: открытие и развитие исследований // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36. № 6. С. 613–627.

  8. Кубряков А. А., Станичный С. В. Синоптические вихри в Черном море по данным спутниковой альтиметрии // Океанология. 2015. Т. 55. № 1. С. 65.

  9. Федоров К. Н. Физическая природа и структура океанических фронтов. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 296 с.

  10. Griffiths R. W., Linden P. F. The stability of vorticies in a rotating stratified fluid // J. Fluid Mech. 1981. Vol. 105. P. 283–316.

  11. Griffiths R. W., Hopfinger E. J. The Structure of Mesoscale Turbulence and Horizontal Spreading at Ocean Fronts // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1984. Vol. 31. No. 3. P. 245–269. https://doi.org/10.1016/0198-0149(84)90104-3.

  12. Kloosterziel R. C., van Heijst G. J. F. An experimental study of unstable barotropiс vorties in a rotating fluid // J. Fluid Mech. 1991. Vol. 223. P. 1–24.

  13. Saunders P. M. The Instability of a Baroclinic Vortex // J. Phys. Oceanogr. 1973. Vol. 3 (1). P. 61–65.

  14. Zatsepin A. G. Some experiments on rotating baroclinic vorvices // Tech. Report. 1983. WHOI-83-41. P. 272–285.

  15. Zatsepin A. G., Kubryakov A. A., Aleskerova A. A., Elkin D. N., Kukleva O. N. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea // Ocean dynamics. 2019. Vol. 69. No. 2. P. 253–266. https://doi.org/10.1007/s10236-018-1239-4.
Опубликован
2023-04-10
Выпуск
Том 51 № 1 (2023): 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)