Крупномасштабная структура конвективного перемешанного слоя в мелководном озере подо льдом

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.

1. Kelley D. E. Convection in ice-covered lakes: effects on algal suspension // J. Plankton Res. 1997, 19, P. 859—1880. doi: 10.1093/ plankt/19.12.1859

2. Zilitinkevich S. S. Turbulent Penetrative Convection. Aldershot: Avebury Tech. 1991. 180 p.

3. Lohse D., Xia K.-Q. Small-Scale Properties of Turbulent Rayleigh-Benard Convection // Ann. Rev. Fluid Mech. 2010, 42, P. 335—364.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Jonas T. Convective mixing processes in natural waters. Ph.D. Thesis, Eidg. Tech. Hochschule, Zürich, Switzerland. 2001. 113 p.

10. Malm J. et al. A field study on currents in a shallow ice-covered lake // Limnol Oceanogr. 1998. 43. P. 1669—1679.

11. Lorenz E. N. Deterministic nonperiodic flow // J. Atmospheric Sci. 1963. 20. P. 130—141.

12. 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.

13. Bisshopp F. E. On two-dimensional cell patterns // J. Math. Anal. Appl. 1960. 1. P. 373—385.

14. Besicovitch A. S. Almost periodic functions. Cambridge Univ. Press., 1932. 180 p.

15. 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.

16. Гетлинг А. В. Формирование пространственных структур конвекции Рэлея-Бенара // УФН. 1991. 161(9). C. 1—80.

17. Straus J. M. Penetrative convection in a layer of fluid heated from within // Astrophys. J. 1976. 209. 179—189.

18. Гершуни Г. З., Жуховицкий Е. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с.

19. 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.

20. 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.