Совместное моделирование ветровых волн и волнового пограничного слоя

Сформулирована и реализована совместная модель волнового пограничного слоя и волн, объединяющая разработанные ранее соответствующие модели. Совместная модель использовалась в двух вариантах: с учетом и без учета волнового потока импульса. Проведены серии экспериментов с широким диапазоном изменения входных параметров (скорость ветра на верхней границе волнового пограничного слоя и обратный возраст волны) и рассчитаны значения метеорологических характеристик: скорости ветра, волнового и турбулентного потоков импульса в волновом пограничном слое. Полученные результаты проанализированы с целью продемонстрировать необходимость учета волнового потока импульса в моделях волнового пограничного слоя, а также показать особенности результатов совместного моделирования для описания волнового пограничного слоя. Показано, что результаты совместного моделирования для указанных метеорологических характеристик значительным образом отличаются от результатов, полученных по модели волнового пограничного слоя, для развитого и слаборазвитого волнения. Учет волнового потока импульса приводит к заметным отклонениям профиля скорости ветра в нижней части волнового пограничного слоя от логарифмического, применимого при описании атмосферного пограничного слоя.

1. Зилитинкевич С.С. Атмосферная турбулентность и планетарные пограничные слои. Москва: Физматлит, 2013. 248 с.

2. Chalikov D.V. Numerical simulation of the boundary layer above waves // Boundary-Layer Meteorology. 1986. Vol. 34. P. 63–98. doi: 10.1007/BF00120909

3. Hristov T., Friehe C., Miller S. Wave-coherent fields in air flow over ocean waves: Identification of cooperative behavior buried in turbulence // Physical Review Letters. 1998. Vol. 81(23). P. 5245–5248. doi: 10.1103/PhysRevLett.81.5245

4. Hristov T., Miller S., Friehe C. Dynamical coupling of wind and ocean waves through wave-induced air flow // Nature. 2003. Vol. 422(6927). P. 55–58.

5. Chalikov D.V. The numerical simulation of wind — waves interaction // Journal of Fluid Mechanics. 1978. Vol. 87. P. 561–582. doi: 10.1017/S0022112078001767

6. Chalikov D., Sheinin D. Numerical modeling of surface waves based on principal equations of potential wave dynamics // Technical Note. 1996. 64 p.

7. Chalikov D., Rainchik S. Coupled numerical modeling of wind and waves and the theory of the wave boundary layer // Boundary-Layer Meteorology. 2011. Vol. 138. P. 1–41. doi: 10.1007/s10546-010-9543-7

8. 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

9. Chalikov D., Babanin A.V. Parameterization of wave boundary layer // Atmosphere. 2019. Vol. 10, Iss. 11: 686. doi: 10.3390/atmos10110686

10. Monin A.S., Yaglom A.M. Statistical fluid mechanics: mechanics of turbulence. Cambridge: M.I.T. Press., 1971. 770 p. doi: 10.1119/1.10870

11. Miles J.W. On the generation of surface waves by shearflows // Journal of Fluid Mechanics. 1957. Vol. 3, Iss. 2. P. 185–204.

12. Hasselmann K., Barnett R.P., Bouws E. et al. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint Sea Wave Project (JONSWAP) // Technical Report. Deutches Hydrographisches Institute, 1973. 95 p.