Расчет турбулентных напряжений в конвективно-перемешанном слое в мелководном озере подо льдом с использованием двух ADCP

Представлен метод расчета турбулентных напряжений, основанный на использовании пары трехлучевых акустических допплеровских профилографов скорости, c одной или двумя точками пересечения лучей. Для апробации метода был спланирован и проведен специальный натурный эксперимент по измерению температуры воды, уровня подледной облученности и компонент скорости в конвективно-перемешанном слое покрытого льдом небольшого бореального озера. Полученные данные позволяют рассчитать не только интенсивности пульсаций вдоль трех ортогональных осей, но и недиагональные компоненты тензора Рейнольдса. С использованием условия однородности средней скорости по горизонтали получены количественные результаты, описывающие энергетику процессов в период весенней подледной конвекции: рассчитана анизотропия турбулентных пульсаций, изучена корреляция энергии турбулентности с интенсивностью накачки (через поток плавучести). Приведен качественный анализ параметров и динамики энергосодержащих структур, развивающихся в конвективном слое небольших покрытых льдом озер весной.

1. Howarth M.J., Souza A.J. Reynolds stress observations in continental shelf seas // Deep Sea Res II. 2005, 52(9–10). P. 1075–1086.

2. Guerra M., Thomson J. Turbulence Measurements from Five-Beam Acoustic Doppler Current Profilers // J. Atmos. Oceanic Technol. 2017. V. 34(6). P. 1267–1284.

3. Kirillin G. et al. Turbulence in the stratified boundary layer under ice: observations from Lake Baikal and a new similarity model // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2020. V. 24(4). P. 1691–1708.

4. Lohrmann A., Hackett B., Roed L. High-resolution measurements of turbulence, velocity, and stress using a pulse-topulse coherent sonar // J. Atmos. Oceanic Technol. 1990. V. 7(1). P. 19–37.

5. Lorke A., Wüest A. Application of Coherent ADCP for Turbulence Measurements in the Bottom Boundary Layer // J. Atmos. Oceanic Technol. 2005. V. 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. V. 33. L21608. doi: 10.1029/2006GL027050

7. Nystrom E.A., Rehmann C.R., Oberg K.A. Evaluation of mean velocity and turbulence measurements with ADCPs // J. Hydraul. Eng. 2007. V. 133(12). P. 1310–1318.

8. Kirincich A.R., Rosman J.H. A Comparison of methods for estimating reynolds stress from ADCP measurements in wavy environments // J. Atmos. Oceanic Technol. 2011. V. 28. P. 1539–1553. doi: 10.1175/JTECH-D-11–00001.1

9. Farmer D.M. Penetrative convection in the absence of mean shear // QJR Meteorol. Soc. 1975. V. 101. P. 869–891. doi: 10.1002/qj.49710143011

10. Mironov D. et al. Radiatively driven convection in ice-covered lakes: Observations, scaling, and a mixed layer model // J. Geophys. Res. 2002. V. 107(C4). doi: 10.1029/2001JC000892

11. Petrov M.P. et al. Motion of water in an ice-covered shallow lake // Water Resources. 2007. V. 34(2). P. 113–122.

12. Kirillin G. et al. Physics of seasonally ice-covered lakes: a review // Aquat Sci. 2012. V. 74. P. 659–682. doi: 10.1007/s00027–012–0279-y

13. Bouffard D. et al. Ice-covered Lake Onega: effects of radiation on convection and internal waves // Hydrobiologia. 2016. V. 780 (1). P. 21–36. doi: 10.1007/s10750–016–2915–3

14. Kirillin G. et al. Turbulent mixing and heat fluxes under lake ice: the role of seiche oscillations // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2018. V. 22. P. 6493–6504. doi: 10.5194/hess-22–6493–2018

15. Bogdanov S. et al. Structure and dynamics of convective mixing in Lake Onego under ice-covered conditions // Inland Waters. 2019. V. 9(2). P. 177–192. doi: 10.1080/20442041.2018.1551655

16. Volkov S. et al. Fine scale structure of convective mixed layer in ice-covered lake // Environ. Fluid Mech. 2019. V. 19. P. 751–764. doi: 10.1007/s10652–018–9652–2

17. Zdorovennov R. et al. Interannual variability of ice and snow cover of a small shallow lake // Est. J. Earth Sci. 2013. V. 61(1). P. 26–32. doi: 10.3176/earth.2013.03

18. Greene A.D. et al. Using an ADCP to estimate turbulent kinetic energy dissipation rate in sheltered coastal waters // J. Atmos. Oceanic Technol. 2015. V. 32. P. 318–333.

19. Deardorff J.W. Preliminary results from numerical integrations of the unstable planetary boundary layer // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27. P. 1209–1211.

20. MacIntyre S. et al. Turbulence in a small Arctic pond // Limnol. Oceanogr. 2018. V. 63(6). P. 2337–2358. doi: 10.1002/lno.10941

21. Williams E., Simpson J.H. Uncertainties in estimates of reynolds stress and TKE production rate using the ADCP variance method // J. Atmos. Oceanic Technol. 2004. V. 21. P. 347–357. doi: 10.1175/1520–0426(2004)021<0347:UIEORS>2.0.CO;2

22. Henderson S.M. Turbulent production in an internal wave bottom boundary layer maintained by a vertically propagating seiche // J. Geophys. Res. Oceans. 2016. V. 121, N4. P. 2481–2498. doi: 10.1002/2015JC011071

23. Stacey M.T., Monismith S.G., Burau J.R. Measurements of Reynolds stress profiles in unstratified tidal flow // J. Geophys. Res. 1999. V. 104(C5). P. 10933–10949. doi: 10.1029/1998JC900095

24. Forrest A.L. et al. Convectively driven transport in temperate lakes // Limnol. Oceanogr. 2008. V. 53(5). P. 2321–2332. doi: 10.4319/lo.2008.53.5_part_2.2321

25. Korotenko K.A., Sentchev A.V., Schmitt F.G. Effect of variable winds on current structure and Reynolds stresses in a tidal flow: Analysis of experimental data in the eastern English Channel // Ocean Sci. 2012. V. 8(6). P. 1025–1040. doi: 10.5194/os-8–1025–2012

26. Yang B., Wells M., Li J., Yang J. Mixing, stratification and plankton under lake-ice during winter in a large lake: implications for spring dissolved oxygen levels // EarthArXiv Preprimts. 2019. Preprint. doi: 10.31223/osf.io/5uvwc

27. DelSontro T., del Giorgio P.A., Prairie Y.T. No longer a paradox: the interaction between physical transport and biological processes explains the spatial distribution of surface water methane within and across lakes // Ecosystems. 2018. V. 21(6). P. 1073–1087.

28. McGinnis D.F. et al. Enhancing surface methane fluxes from an oligotrophic lake: exploring the microbubble hypothesis // Environ. Sci. Technol. 2015. V. 49(2). P. 873–880.

29. Austin J.A. Observations of radiatively driven convection in a deep lake // Limnol. Oceanogr. 2019. V. 64(5). P. 2152– 2160. doi: 10.1002/lno.11175

30. Vermeulen B., Hoitink A.J.F., Sassi M.G. Coupled ADCPs can yield complete Reynolds stress tensor profiles in geophysical surface flows // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. L06406. doi: 10.1029/2011GL046684