hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2025.18(4)-1CYRCYKhydrophysics-1475Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРОФИЗИКИFUNDAMENTAL ISSUES OF HYDROPHYSICSМоделирование конвективных вихревых структур на склоне: от зарождения и распространения в стратифицированной среде до взаимодействия с внутренними волнами. Физический эксперимент в термостратифицированном бассейнеModeling of convective vortex structures on a slope: from generation and propagation in a stratified medium to interaction with internal waves. Experiment in laboratory tankhttps://orcid.org/0000-0002-2377-5621РодионовА. А.RodionovА. А.

Родионов Анатолий Александрович, член-корреспондент РАН, профессор, руководитель научного направления «Фундаментальная и прикладная гидрофизика»

Scopus AuthorID: 56223713100, WoS ResearcherID: AAT‑6466-2021 

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36 

Scopus AuthorID: 56223713100, WoS ResearcherID: AAT‑6466-2021 

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997 

rodionov.aa@spb.ocean.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3891-3396ВанкевичР. Е.VankevichR. Ye.

Ванкевич Роман Евгеньевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник СПбФ  

Scopus AuthorID: 25642198100, WoS ResearcherID: M‑3215-2013 

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36 

Scopus AuthorID: 25642198100, WoS ResearcherID: M‑3215-2013 

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997 

rvankevich@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0006-9064-1849ЛобановА. А.LobanovА. А.

Лобанов Андрей Александрович, директор СПбФ, доктор технических наук 

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36 

 

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997 

lobanov.aa@spb.ocean.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3638-3253ШпилевН. Н.ShpilevN. N.

Шпилев Николай Николаевич, научный сотрудник СПбФ

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36 

 

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997 

nn.shpilev@gmail.comИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian Federation202522122025184819Copyright © Родионов А.А., Ванкевич Р.Е., Лобанов А.А., Шпилев Н.Н., 20252025Родионов А.А., Ванкевич Р.Е., Лобанов А.А., Шпилев Н.Н.Rodionov А.А., Vankevich R.Y., Lobanov А.А., Shpilev N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1475

В термостратифицированном бассейне СПбФ ИО РАН исследуется уединённое гравитационное течение над наклонным дном. В рамках приближенного к реальным природным условиям лабораторного эксперимента проведены предварительные исследования сложных, нелинейных процессов взаимодействия придонного плотностного течения, стратификации и внутренних волн. Рассматривается полный жизненный цикл образующихся вихревых структур: от зарождения на склоне, развития и распространения в стратифицированной среде до их взаимодействия с полем внутренних волн. В ходе экспериментов получены эмпирические данные для верификации негидростатической модели с пространственным разрешением, позволяющим явным образом воспроизводить отдельные конвективные струи и вихри.

A solitary gravitational current over an inclined bottom is being investigated in the thermostratified laboratory tank of the SPb IO RAS. In the framework of a laboratory experiment close to real natural conditions, preliminary studies of complex, nonlinear processes of interaction of the bottom density flow, stratification and internal waves were carried out. The full life cycle of the formed vortex structures is considered: from their origin on a slope, development and propagation in a stratified environment, to their interaction with the field of internal waves. During the experiments, empirical data were obtained to verify a non-hydrostatic model with a spatial resolution that allows explicit reproduction of individual convective jets and vortices.

лабораторный бассейнсклоновая конвекциявнутренние волныметоды визуализации теченийlaboratory tankslope convectioninternal wavescurrent visualization methodsРабота выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России для ИО РАН (тема № FMWE-2024-0029).The research was carried out within the state assignment of Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation for IO RAS (theme № FMWE-2024-0029).ReferencesHourdin F., Mauritsen T., Gettelman A., et al. The Art and Science of Climate Model Tuning // Bulletin of the American Meteorological Society. 2017. Vol. 98, Iss. 3. P. 589–602. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00135.1Hourdin F, Mauritsen T, Gettelman A, et al. The Art and Science of Climate Model Tuning. Bulletin of the American Meteorological Society. 2017;98(3):589–602. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00135.1Large W.G., McWilliams J.C., Doney S.C. Oceanic vertical mixing: A review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization // Reviews of Geophysics. 1994. Vol. 32, No. 4. P. 363–403. EDN XXLPSW. https://doi.org/10.1029/94RG01872Large WG, McWilliams JC, Doney SC. Oceanic vertical mixing: A review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization. Reviews of Geophysics. 1994;32(4):363–403. https://doi.org/10.1029/94RG01872Price J.F., Weller R.A., Pinkel R. Diurnal cycling: Observations and models of the upper ocean response to diurnal heating, cooling, and wind mixing // Journal of Geophysical Research. 1986. Vol. 91, No. C7. P. 8411–8427. https://doi.org/10.1029/JC091iC07p08411Price JF, Weller RA, Pinkel R. Diurnal cycling: Observations and models of the upper ocean response to diurnal heating, cooling, and wind mixing. Journal of Geophysical Research. 1986;91(C7):8411–8427. https://doi.org/10.1029/JC091iC07p08411Cenedese C., Marshall J., Whitehead J.A. A laboratory model of thermocline depth and exchange fluxes across circumpolar fronts // Journal of Physical Oceanography. 2004. Vol. 34, No. 3 P. 656–667. https://doi.org/10.1175/2508.1Cenedese C, Marshall J, Whitehead JA. A laboratory model of thermocline depth and exchange fluxes across circumpolar fronts. Journal of Physical Oceanography. 2004;34(3):656–667. https://doi.org/10.1175/2508.1Deardorff J.W., Willis G.E., Stockton B.H. Laboratory studies of the entrainment zone of a convectively mixed layer // Journal of Fluid Mechanics. 1980. Vol. 100, No. 1. P. 41–64. https://doi.org/10.1017/S0022112080001000Deardorff JW, Willis GE, Stockton BH. Laboratory studies of the entrainment zone of a convectively mixed layer. Journal of Fluid Mechanics. 1980;100(1):41–64. https://doi.org/10.1017/S0022112080001000Harcourt R.R. An improved second-moment closure model of Langmuir turbulence // Journal of Physical Oceanography. 2015. Vol. 45, No. 1. P. 84–103. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0046.1Harcourt RR. An improved second-moment closure model of Langmuir turbulence. Journal of Physical Oceanography. 2015;45(1):84–103. https://doi.org/10.1175/JPO-D-14-0046.1Li Q., Fox-Kemper B. Assessing the effects of Langmuir turbulence on the entrainment buoyancy flux in the ocean surface boundary layer // Journal of Physical Oceanography. 2017. Vol. 47, No. 12. P. 2863–2886. EDN YESYMP. https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0085.1Li Q, Fox-Kemper B. Assessing the effects of Langmuir turbulence on the entrainment buoyancy flux in the ocean surface boundary layer. Journal of Physical Oceanography. 2017;47(12):2863–2886. https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0085.1Reichl B.G., Wang D., Hara T., Ginis I., Kukulka T. Langmuir turbulence parameterization in tropical cyclone conditions // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, No. 3. P. 863–886. https://doi.org/10.1175/JPO-D-15-0106.1Reichl BG, Wang D, Hara T, Ginis I, Kukulka T. Langmuir turbulence parameterization in tropical cyclone conditions. Journal of Physical Oceanography. 2016;46(3):863–886. https://doi.org/10.1175/JPO-D-15-0106.1Wang D., Large W.G., McWilliams J.C. Large-eddy simulation of the equatorial ocean boundary layer: Diurnal cycling, eddy viscosity, and horizontal rotation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1996. Vol. 101, No. C2. P. 3649– 3662. https://doi.org/10.1029/95JC03441Wang D, Large WG, McWilliams JC. Large-eddy simulation of the equatorial ocean boundary layer: Diurnal cycling, eddy viscosity, and horizontal rotation. Journal of Geophysical Research: Oceans. 1996;101(C2):3649–3662. https://doi.org/10.1029/95JC03441Souza A.N., Wagner G.L., Ramadhan A., et al. Uncertainty quantification of ocean parameterizations: Application to the K-Profile-Parameterization for penetrative convection // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2020. Vol. 12, No. 12. P. e2020MS002108. EDN SMUZJH. https://doi.org/10.1029/2020MS002108Souza AN, Wagner GL, Ramadhan A., et al. Uncertainty quantification of ocean parameterizations: Application to the K-Profile-Parameterization for penetrative convection. Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2020;12(12): e2020MS002108. https://doi.org/10.1029/2020MS002108Besard T., Foket C., De Sutter B. Effective extensible programming: Unleashing Julia on GPUs // IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 2019. Vol. 30, No. 4. P. 827–841. https://doi.org/10.1109/TPDS.2018.2872064Besard T, Foket C, De Sutter B. Effective extensible programming: Unleashing Julia on GPUs. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 2019;30(4):827–841. https://doi.org/10.1109/TPDS.2018.2872064Sullivan P.P., Patton E.G. The effect of mesh resolution on convective boundary layer statistics and structures generated by large-eddy simulation // Journal of the Atmospheric Sciences. 2011. Vol. 68, No. 10. P. 2395–2415. EDN YVOUWN. https://doi.org/10.1175/JAS-D-10-05010.1Sullivan PP, Patton EG. The effect of mesh resolution on convective boundary layer statistics and structures generated by large-eddy simulation. Journal of the Atmospheric Sciences. 2011;68(10):2395–2415. https://doi.org/10.1175/JAS-D-10-05010.1Verstappen R. How much eddy dissipation is needed to counterbalance the nonlinear production of small, unresolved scales in a large-eddy simulation of turbulence? // Computers & Fluids. 2018. Vol. 176. P. 276–284. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.12.016Verstappen R. How much eddy dissipation is needed to counterbalance the nonlinear production of small, unresolved scales in a large-eddy simulation of turbulence? Computers & Fluids. 2018;176:276–284. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.12.016Чубаренко И.П. Горизонтальная конвекция над подводными склонами. Калининград: Терра Балтика, 2010. 256 с. EDN UBCINFChubarenko IP. Horizontal convection over submarine slopes. Kaliningrad: Terra Baltika, 2010. 256 p.Зацепин А.Г., Гриценко В.А., Кременецкий В.В., Поярков С.Г., Строганов О.Ю. Лабораторное и численное исследование процесса распространения плотностного течения по склону дна // Океанология. 2005. Т. 45, № 1. С. 5–15. EDN HRVYRNZatsepin AG, Gritsenko VA, Kremenetskii VV, Poyarkov SG, Stroganov OYu. Laboratory and numerical study of gravity currents over a sloping bottom. Oceanology. 2005;45(1):1–10.Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Семенов А.В. Лабораторное исследование осесимметричного плотностного течения на наклонном дне во вращающейся жидкости // Океанология. 1996. Т. 36, № 3. С. 339–346.Zatsepin AG, Kostyanoy AG, Semenov AV. Laboratory study of axisymmetric density flow on an inclined bottom in a rotating fluid. Oceanology. 1996;36(3): 339–346. (In Russ).Гриценко В.А., Юрова А.А.О распространении придонного гравитационного течения по крутому склону дна // Океанология. 1997. Т. 37, № 1. С. 44–49. EDN LECAJDGritsenko VA., Yurova AA. On the propagation of the bottom gravity current front over a steep slope. Oceanology. 1997;37(1):40–45.Гриценко В.А., Юрова А.А. Об основных фазах отрыва придонного гравитационного течения от склона дна // Океанология. 1999. Т. 39, № 2. С. 187–191.Gritsenko VA, Yurova AA. On the main phases of the separation of the bottom gravity current from the bottom slope. Oceanology. 1999;39(2):187–191. (In Russ).Frank W.M., Molinari J. Convective Adjustment // Emanuel, K.A., Raymond, D.J. (eds) The Representation of Cumulus Convection in Numerical Models. Meteorological Monographs. American Meteorological Society, Boston, MA, 1993. https://doi.org/10.1007/978-1-935704-13-3_8Frank WM, Molinari J. Convective Adjustment. In: Emanuel, K.A., Raymond, D.J. (eds) The Representation of Cumulus Convection in Numerical Models. Meteorological Monographs. American Meteorological Society, Boston, MA. 1993. https://doi.org/10.1007/978-1-935704-13-3_8Владимирцев Ю.А., Косарев А.Н. Некоторые особенности конвективного перемешвания в Чёрном и Каспийском морях // Океанология.1963. Т. 3, № 6. С. 979–985.Vladimirtsev Yu A., Kosarev AN. Some features of convective mixing in the Black and Caspian Seas. Oceanology. 1963;3(6):979–985. (In Russ).Владимирцев Ю.А., Шипилов В.М. Конвективное перемешивание в различных природных условиях: Черное и Азовское моря. В книге: Конвективное перемешивание в море. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977. 236 с.Vladimirtsev YuA, Shipilov VM. Convective mixing in different natural conditions: The Black and Azov Seas. In the book: Convective Mixing in the Sea. M.: Moscow University Press, 1977. 236 p. (In Russ).Титов В.Б. Зоны формирования и объемы вод холодного промежуточного слоя в Чёрном море с учетом суровости зим // Метеорология и гидрология. 2006. № 6. С. 62–68. EDN KUHNLNTitov VB. Formation zones and water volume of the cold intermediate layer in the Black Sea in relation to winter severity. Meteorology and Hydrology. 2006;6:62–68. (In Russ).Andrie C., Merlivat L. Tritium in the western Mediterranean Sea during1981 Phycemed cruise // Deep-Sea Research. 1988. Vol. 35, No. 2. P. 247–267. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90039-8Andrie C, Merlivat L. Tritium in the western Mediterranean Sea during1981 Phycemed cruise. Deep-Sea Research. 1988;35(2):247–267. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90039-8Родионов А.А., Ванкевич Р.Е., Лобанов А.А., Глитко О.В., Шпилёв Н.Н. Термостратифицированный бассейн Санкт-Петербургского филиала Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН для моделирования гидрофизических процессов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17, № 4. С. 90–99. EDN TIKUEH. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(4)-7Rodionov АА, Vankevich RYe, Lobanov АА, Glitko ОV, Shpilev NN. Thermally stratified water tank of St. Petersburg Branch of Shirshov Institute of Oceanology of Russian Academy of Sciences for modeling hydrophysical processes. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2024;17(4):90–99. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(4)-7 (In Russ).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.