hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667319010040hydrophysics-22Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESКрупномасштабная структура конвективного перемешанного слоя в мелководном озере подо льдомLarge-scale structure of convectively-mixed layer in a shallow ice-covered lakeВолковC. Ю.VolkovS. Yu.

Петрозаводск

Petrozavodsk

taranarmo@gmail.comБогдановС. Р.BogdanovS. R.

Петрозаводск

Petrozavodsk

ЗдоровенноваГ. Э.ZdorovennovaG. E.

Петрозаводск

Petrozavodsk

ЗдоровенновР. Э.ZdorovennovR. E.

Петрозаводск

Petrozavodsk

ПальшинН. И.PalshinN. I.

Петрозаводск

Petrozavodsk

ТержевикА. Ю.TerzhevikA. Yu.

Петрозаводск

Petrozavodsk

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН, ФИЦ «Карельский научный центр РАН»РоссияNorthern Water Problems Institute, Karelian Research Center, Russian Academy of SciencesRussian Federation2019281120211213039Copyright © Волков C.Ю., Богданов С.Р., Здоровеннова Г.Э., Здоровеннов Р.Э., Пальшин Н.И., Тержевик А.Ю., 20212021Волков C.Ю., Богданов С.Р., Здоровеннова Г.Э., Здоровеннов Р.Э., Пальшин Н.И., Тержевик А.Ю.Volkov S.Y., Bogdanov S.R., Zdorovennova G.E., Zdorovennov R.E., Palshin N.I., Terzhevik A.Y.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/22

В работе представлены результаты анализа данных наблюдений, полученных в период весенней подлёдной конвекции в мелководном Вендюрском озере. Использование высокоточных температурных датчиков позволило количественно описать динамику конвективного перемешанного слоя и оценить его интегральные параметры. Течения в конвективном перемешанном слое измерялись с помощью акустического допплеровского профилографа скорости. Показано, что, несмотря на относительно малые (порядка мм/с) скорости движения, динамика слоя представлена пульсациями в широком спектре частот, что свидетельствует о развитом турбулентном режиме конвекции. Основное внимание было уделено изучению низкочастотных колебаний и, соответственно, крупномасштабной пространственной структуры слоя. На основе использования кумулятивных методов (анализ годографов и прогрессивно-векторных диаграмм) установлено, что эта структура представлена системой конвективных ячеек, играющих роль когерентных структур. При этом наблюдаемая нерегулярность пульсаций в низкочастотной области не противоречит существованию квазидетерминированных ячеек. Динамика таких пульсаций может служить примером возникновения хаоса в маломодовых системах. Процедура распознания образа ячеек основывалась на сопоставлении прогрессивно-векторных диаграмм с семействами диаграмм, рассчитанных с использованием простейших идеализированных моделей ячеек. В рамках разработанной процедуры идентификации ячеек произведена оценка их параметров.

The paper represents findings based on observational data obtained in shallow Lake Vendyurskoe during early-spring under-ice convection development. The use of highly-precise temperature sensors allowed to quantitatively describe dynamics of the convectively-mixed layer and to estimate its integral parameters. Currents within convectively-mixed layer were registered with Acoustic Doppler Current Profilers. Despite relatively low (mm/s) current velocities, convectivelymixed layer dynamics is presented by the wide spectrum of pulsations typical for the developed turbulent regime. Main attention is paid to the study of low-frequency fluctuations, i. e. large-scale convectively-mixed layer structure. The use of hodographs and progressive vector diagrams allowed revealing a system of convective cells functioning as coherent structures. Observed irregularity of pulsations in the low-frequency part of spectrum does not contradict to the existence of quasi-deterministic cells. Dynamics of such pulsations can be considered as an example of the chaos onset in lowdimensional systems. The cell recognition procedure was based on fitting the experimental progressive vector diagrams to the set of diagrams calculated for the case of idealized cell models. Estimation of the cell parameters is performed in frames of the developed procedure of their identification.

подлёдная конвекциямелководное озероквазидетерминированные конвективные ячейкиакустический допплеровский измеритель скоростиshallow lakeradiatively-driven under-ice convectionquasi-deterministic convective cellsAcoustic Doppler Current ProfilersReferencesKelley D. E. Convection in ice-covered lakes: effects on algal suspension // J. Plankton Res. 1997, 19, P. 859—1880. doi: 10.1093/ plankt/19.12.1859Kelley D. E. Convection in ice-covered lakes: effects on algal suspension // J. Plankton Res. 1997, 19, P. 859—1880. doi: 10.1093/ plankt/19.12.1859Zilitinkevich S. S. Turbulent Penetrative Convection. Aldershot: Avebury Tech. 1991. 180 p.Zilitinkevich S. S. Turbulent Penetrative Convection. Aldershot: Avebury Tech. 1991. 180 p.Lohse D., Xia K.-Q. Small-Scale Properties of Turbulent Rayleigh-Benard Convection // Ann. Rev. Fluid Mech. 2010, 42, P. 335—364.Lohse D., Xia K.-Q. Small-Scale Properties of Turbulent Rayleigh-Benard Convection // Ann. Rev. Fluid Mech. 2010, 42, P. 335—364.Mironov D. et al. Radiatively driven convection in ice-covered lakes: Observations, scaling, and a mixed layer model // J. Geophys. Res. 2002. 107(C4). doi:10.1029/2001JC000892.Mironov D. et al. Radiatively driven convection in ice-covered lakes: Observations, scaling, and a mixed layer model // J. Geophys. Res. 2002. 107(C4). doi:10.1029/2001JC000892.Lorke A., Wüest A. Application of Coherent ADCP for Turbulence Measurements in the Bottom Boundary Layer // J. Atmos. Oceanic Technol. 2005. 22. P. 1821—1828.Lorke A., Wüest A. Application of Coherent ADCP for Turbulence Measurements in the Bottom Boundary Layer // J. Atmos. Oceanic Technol. 2005. 22. P. 1821—1828.Wiles P. J. et al. A novel technique for measuring the rate of turbulent dissipation in the marine environment // Geophys. Res. Lett. 2006. 33. L21608. doi:10.1029/2006GL027050.Wiles P. J. et al. A novel technique for measuring the rate of turbulent dissipation in the marine environment // Geophys. Res. Lett. 2006. 33. L21608. doi:10.1029/2006GL027050.Mironov D. V. Radiatively-driven convection in ice-covered lakes: observations; LES, and bulk modeling // Proc. of the Workshop on Interdisciplinary Aspects of Turbulence: Ringberg Castle, Tegernsee, Germany, April 18—25, 2005, P. 105—111.Mironov D. V. Radiatively-driven convection in ice-covered lakes: observations; LES, and bulk modeling // Proc. of the Workshop on Interdisciplinary Aspects of Turbulence: Ringberg Castle, Tegernsee, Germany, April 18—25, 2005, P. 105—111.Lenschow D. H., Stephens P. L. The role of thermals in the convective boundary layer // Boundary-Layer. Meteorol. 1980. 19. P. 509—532. https://doi.org/10.1007/BF00122351.Lenschow D. H., Stephens P. L. The role of thermals in the convective boundary layer // Boundary-Layer. Meteorol. 1980. 19. P. 509—532. https://doi.org/10.1007/BF00122351.Jonas T. Convective mixing processes in natural waters. Ph.D. Thesis, Eidg. Tech. Hochschule, Zürich, Switzerland. 2001. 113 p.Jonas T. Convective mixing processes in natural waters. Ph.D. Thesis, Eidg. Tech. Hochschule, Zürich, Switzerland. 2001. 113 p.Malm J. et al. A field study on currents in a shallow ice-covered lake // Limnol Oceanogr. 1998. 43. P. 1669—1679.Malm J. et al. A field study on currents in a shallow ice-covered lake // Limnol Oceanogr. 1998. 43. P. 1669—1679.Lorenz E. N. Deterministic nonperiodic flow // J. Atmospheric Sci. 1963. 20. P. 130—141.Lorenz E. N. Deterministic nonperiodic flow // J. Atmospheric Sci. 1963. 20. P. 130—141.Lord Rayleigh O.M. F.R.S. On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side // Philosoph. Magazine Series 6. 1916. 32. 192. P. 529—546.Lord Rayleigh O.M. F.R.S. On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side // Philosoph. Magazine Series 6. 1916. 32. 192. P. 529—546.Bisshopp F. E. On two-dimensional cell patterns // J. Math. Anal. Appl. 1960. 1. P. 373—385.Bisshopp F. E. On two-dimensional cell patterns // J. Math. Anal. Appl. 1960. 1. P. 373—385.Besicovitch A. S. Almost periodic functions. Cambridge Univ. Press., 1932. 180 p.Besicovitch A. S. Almost periodic functions. Cambridge Univ. Press., 1932. 180 p.Maeda I. Simple Quasi-periodic Functions and an Inverse Power Law // J. Facul. Sci., Hokkaido University. Series 7, Geophysics. 1996. 10(1). P. 21—30.Maeda I. Simple Quasi-periodic Functions and an Inverse Power Law // J. Facul. Sci., Hokkaido University. Series 7, Geophysics. 1996. 10(1). P. 21—30.Гетлинг А. В. Формирование пространственных структур конвекции Рэлея-Бенара // УФН. 1991. 161(9). C. 1—80.Гетлинг А. В. Формирование пространственных структур конвекции Рэлея-Бенара // УФН. 1991. 161(9). C. 1—80.Straus J. M. Penetrative convection in a layer of fluid heated from within // Astrophys. J. 1976. 209. 179—189.Straus J. M. Penetrative convection in a layer of fluid heated from within // Astrophys. J. 1976. 209. 179—189.Гершуни Г. З., Жуховицкий Е. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с.Гершуни Г. З., Жуховицкий Е. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с.Goluskin D., van der Poel E. P. Penetrative internally heated convection in two and three dimensions // J. Fluid Mech. 2016. 791. R6. doi:10.1017/jfm.2016.69.Goluskin D., van der Poel E. P. Penetrative internally heated convection in two and three dimensions // J. Fluid Mech. 2016. 791. R6. doi:10.1017/jfm.2016.69.Chasnov J. R., Tse K. L. Turbulent penetrative convection with an internal heat source // Fluid Dynam. Res. 2001. 28. P. 397—421. doi:10.1016/S0169-5983(00)00037-X.Chasnov J. R., Tse K. L. Turbulent penetrative convection with an internal heat source // Fluid Dynam. Res. 2001. 28. P. 397—421. doi:10.1016/S0169-5983(00)00037-X.

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