Представлен метод расчета турбулентных напряжений, основанный на использовании пары трехлучевых акустических допплеровских профилографов скорости, с 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.
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.
Acoustic Doppler current profilers (ADCP) are widely used in geophysical studies for mean velocity profiling and calculation of energy dissipation rate. On the other hand, the estimation of turbulent stresses from ADCP data still remains challenging. With the four-beam version of the device, only two shear stresses are derivable; and even for the five-beam version (Janus+), the calculation of the full Reynolds stress tensor is problematic currently. The known attempts to overcome the problem are based on the “coupled ADCP” experimental setup and include some hard restrictions, not to mention the essential complexity of performing experiments. In this paper, a new method is presented which allows to derive the stresses from single-ADCP data. Its essence is that interbeam correlations are taken into account as producing the missing equations for stresses. This method is applicable only for the depth range, for which the distance between the beams is comparable to the scales, where the turbulence is locally isotropic and homogeneous. The validation of this method was carried out for convectively-mixed layer in a boreal ice-covered lake. The results of computations turned out to be physically sustainable in the sense that realizability conditions were basically fulfilled. The additional verification was carried out by comparing the results, obtained by the new method and “coupled ADCPs” one.
The calculation of the turbulent stress matrix using acoustic Doppler current profiler (ADCP) data remains a challenging problem in the study of geophysical flows. One of the ways to overcome the problem is to use a system of two coupled ADCP with pairs of beams intersecting at a certain depth. When device configuration is symmetric in horizontal, this setting makes it possible to estimate the stresses only for a small range of depths, close to the depth of beam intersection point. To overcome this restriction, in this paper the modified setting is proposed, when both devices are symmetrically turned in the horizontal plane. The X axes of the devices are not collinear for such setting, and two pairs of beams intersect at two different depths, which depend on the distance between the emitters and devices’ rotation angle, and can be chosen in advance. At each of these depths, six beam velocity variances can be directly calculated, as well as the correlation of those velocity components, which correspond to the intersecting beams. As a result, an overdetermined system of equations is derived for unknown stresses, for both depths. The method was approbated during the processing of two series of field data obtained in lakes during open water and ice-covered periods. In most cases, calculations lead to physically consistent results; in particular, the stress matrix turns out to be positive definite. The method’s limitations and perspectives of its development are discussed.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.