Моделирование приводного слоя с параметризацией стратификации и элементов влияния ветрового волнения
https://doi.org/10.7868/S2073667321020015
Аннотация
Известная и неоднократно упоминаемая в публикациях модель одномерного пограничного слоя атмосферы над волнами была дополнена уравнениями диффузии тепла и влаги, формулами для расчета потока тепла и испарения на границе вязкого подслоя. В модель были введены функции устойчивости для расчета скорости диссипации и коэффициентов турбулентной вязкости и диффузии, а также формулы для расчета волновых потоков тепла и влаги. Описывается численная схема модели, входные параметры, используемый волновой спектр, применяемое вертикальное и спектральное разрешение. Проведена серия экспериментов стратифицированного волнового пограничного слоя, в которых менялись: степень развития волнового поля, метеорологические характеристики (скорость ветра, потенциальная температура, влажность) на верхней границе волнового пограничного слоя. Рассчитанные по полученным результатам коэффициенты сопротивления, тепло- и влагообмена сравниваются с подобными коэффициентами, полученными с использованием широко используемой процедуры расчета турбулентных потоков COARE. Показано, что при небольших и умеренных скоростях ветра существенное влияние на тепло- и влагообмен в волновом пограничном слое оказывает стратификация. Степень развития волнового поля оказывает влияние на обмен импульсом при больших скоростях. Полученные результаты могут быть использованы для построения новых методов расчета потоков на поверхности океана или уточнения уже существующих алгоритмов.
Ключевые слова
волновой пограничный слой,
коэффициент сопротивления,
теплообмен,
влагообмен,
математическое моделирование
При поддержке: Результаты исследований выполнены в рамках гос. задания (№ 0128–2021–0014).
Об авторах
К. Ю. Булгаков
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Россия
Россия
117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва
К. В. Фокина
Российский государственный гидрометеорологический университет
Россия
Россия
195196, Малоохтинский пр., д.98., г. Санкт-Петербург
Список литературы
1. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика: механика турбулентности. Ч. 1. М.: Наука, 1965. 639 с.
2. Brunke M.A., Fairall С.W., Zeng X., Eymard L., Curry J.A. Which bulk aerodynamic algorithms are least problematic in computing ocean surface turbulent flux // J. Climate. 2003. V. 16. P. 619–635. doi: 10.1175/1520–0442(2003)016<0619:WBAAAL>2.0.CO;2
3. Fairall С.W., White A.B., Edson J.B., Hare J.E. Integrated shipboard measurements of the marine boundary layer // J. Atmos. Oceanic Technol. 1997. V. 14, P. 338–359. doi: 10.1175/1520–0426(1997)014<0338:ISMOTM>2.0.CO;2
4. Finkelstein P.L., Sims P.F. Sampling error in eddy correlation flux measurements // J. Geophys. Res. Atmos. 2001. V. 106, P. 3503–3509. doi: 10.1029/2000JD900731
5. Чаликов Д.В., Булгаков К.Ю. Структура приводного слоя атмосферы // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 2. С. 50–65. doi: 10.7868/S2073667319020072
6. Chalikov D., Babanin A.V. Parameterization of wave boundary layer // Atmosphere. 2019. V. 10, Iss. 11. doi: 10.3390/atmos10110686
7. Chalikov D., Rainchik S. Coupled numerical modelling of wind and waves and the theory of the wave boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2010. V. 138, Iss. 1. P. 1–41. doi: 10.1007/s10546–010–9543–7
8. Högström U. Non-dimensional wind and temperature profiles in the atmospheric surface layer: A re-evaluation // Boundary-Layer Meteorol. 1988. V. 42, Iss. 1. P. 55–78. doi: 0.1007/BF00119875
9. Businger J.A. A note on the Businger-Dyer profiles // Boundary-Layer Meteorol. 1988. V. 42. P. 145–151. doi: 10.1007/BF00119880
10. Grashev A.A., Andreas E.L., Fairall C.W., Guest P.S., Person P.O.G. SHEBA flux-profile relationships in the stable atmosphere boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2007. V. 124. P. 315–333. doi: 10.1029/2000JC000411
11. Malin M.R. On the calculation of heat transfer rates in fully turbulent wall flows // Appl. Math. Modeling. 1987. V. 11. P. 281–284. doi: 10.1016/0307–904X(87)90143–0
12. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flow // Comp. Methods. Appl. Mech. Eng. 1974. V. 3. P. 269–289. doi: 10.1016/0045–7825(74)90029–2
13. Brutsaert W. A theory for local evaporation (or heat transfer) from rough and smooth surface at ground level // Water Resour. Res. 1975. V. 11, № 4. P. 543–550. doi: 10.1029/WR011i004p00543
14. Back A.L. New equation of computing vapor pressure and enhancement factor // J. Appl. Meteor. 1981. V. 20. P. 1527–1532. doi: 10.1175/1520–0450(1981)020<1527:NEFCVP>2.0.CO;2
15. Miles J.W. On the generation of surface waves by shearflows // J. Fluid. Mech. 1957. V. 3, Iss. 2. P. 185–204. doi: 10.1017/S0022112057000567
16. Hasselmann K., Barnett R.P., Bouws E. et al. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint Sea Wave Project (JONSWAP). Deutsches Hydrogr. Inst., 1973. 95 p.
17. Бабанин A.B., Соловьев Ю.П. Параметризация ширины углового распределение энергии ветровых волн при ограниченных разгонах // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1987. Т. 23, № 8. С. 868–876.
18. Pierson W.J., Moscowitz L. A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A. Kitaigorodskii // J. Geophys. Res. 1964. V. 69, Iss. 24. P. 5181–5190. doi: 10.1029/JZ069i024p05181
19. Donelan M.A. Air-sea interaction // The Sea. 1990. V. 9. P. 239–292. doi: 10.5772/15385
20. Fairall C.W., Bradley E.F., Hare J.E., Grachev A.A., Edson J.B. Bulk parameterization of air-sea fluxes: updates and verification for COARE Algorithm // J. Climate. 2003. V. 16. P 571–591. doi: 10.1175/1520–0442(2003)016<0571:BPOASF>2.0.CO;2
Рецензия
Для цитирования:
Булгаков К.Ю., Фокина К.В. Моделирование приводного слоя с параметризацией стратификации и элементов влияния ветрового волнения. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021;14(2):3-16. https://doi.org/10.7868/S2073667321020015
For citation:
Bulgakov K.Yu., Fokina K.V. Modeling the Surface Layer above Sea with Parameterization of Stratification and the Elements of the Wind Waves Influence. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2021;14(2):3-16. (In Russ.) https://doi.org/10.7868/S2073667321020015
Просмотров:
123
Послать статью по эл. почте 