Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2021, № 3, стр. 39-47
ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ИМПУЛЬСА ВНУТРЕННИМИ ВОЛНАМИ В ДВУМЕРНОМ ПОТОКЕ
Н. О. Анкудинов b, А. А. Слепышев a, b, *
a Морской гидрофизический институт РАН
Севастополь, Россия
b Филиал МГУ им. М.В. Ломоносова
Севастополь, Россия
* E-mail: slep55@mail.ru
Поступила в редакцию 10.07.2020
После доработки 21.10.2020
Принята к публикации 23.12.2020
Аннотация
В приближении Буссинеска рассматриваются свободные внутренние волны при учете вращения Земли на двумерном вертикально-неоднородном стратифицированном течении. Уравнение для амплитуды вертикальной скорости фиксированной моды внутренних волн имеет комплексные коэффициенты, поэтому собственная функция и частота волны – комплексные. Мнимая часть частоты мала и может быть как отрицательной, так и положительной. Поэтому возможно как слабое затухание, так и слабое усиление волны в зависимости от волнового числа и номера моды. Вертикальные волновые потоки импульса отличны от нуля и могут превосходить соответствующие турбулентные потоки.
Вертикальный перенос в морской среде обычно связывается с процессами обмена, ключевую роль в этом играет мелкомасштабная турбулентность. Механизмы генерации турбулентности самые разнообразные – ветровое перемешивание в приповерхностном слое, гидродинамическая неустойчивость течений и внутренних волн, обрушение внутренних волн, донное трение, продуцирующее генерацию турбулентности в придонном пограничном слое, захват и фокусировка внутренних волн горизонтально-неоднородным пикноклином [1] и наклонным дном на шельфе [2]. При определенной геометрии дна и бассейна в целом возможен геометрический аттрактор внутренних волн – область волновой турбулентности, связанная с фокусировкой внутренних волн за счет геометрии границ [2, 3]. Здесь реализуется каскадный механизм передачи энергии от крупномасштабных волновых возмущений к мелкомасштабным, за счет трехволновых взаимодействий [2, 3]. Внутренние волны повсеместно присутствуют в океане, благодаря действию источников, их порождающих. Это воздействие атмосферных возмущений, взаимодействие течений и приливов с неоднородностями рельефа дна, генерация внутренних волн вихрями. Мелкомасштабная турбулентность сильно подавлена в пикноклине и поэтому представляется актуальным исследование вклада внутренних волн в вертикальный обмен. Внутренние волны в океане распространяются преимущественно локализованными в пространстве волновыми пакетами [4]. Нелинейные эффекты при распространении пакетов внутренних волн проявляются в генерации средних на временном масштабе волны течений [5, 6]. Вертикальная скорость этих течений не переднем и заднем фронте пакета имеет разные знаки и интегрального переноса по вертикали не происходит.
Внутренние волны при учете турбулентной вязкости и диффузии затухают [7–9]. Вертикальные волновые потоки тепла, соли и импульса при этом отличны от нуля [10, 11]. Ниже будет показано, что в двумерном течении с вертикальным сдвигом скорости вертикальный волновой поток импульса отличен от нуля и без учета турбулентной вязкости и диффузии. Дело в том, что в этом случае уравнение для амплитуды вертикальной скорости имеет комплексные коэффициенты, собственная функция краевой задачи для внутренних волн – комплексная и частота волны также комплексная. Сдвиг фаз между колебаниями вертикальной и горизонтальной скорости отличен от π/2 и вертикальный волновой поток импульса отличен от нуля.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассматриваются свободные инерционно-гравитационные внутренние волны на двумерном стратифицированном течении с вертикальным сдвигом скорости в безграничном бассейне постоянной глубины. Две компоненты скорости течения ${{U}_{0}}(z),\,\,{{V}_{0}}(z)$ зависят от вертикальной координаты. В линейном приближении решается краевая задача для амплитуды вертикальной скорости и находится дисперсионное соотношение. Во втором порядке по амплитуде волны определяются вертикальные потоки импульса.
Уравнения гидродинамики в приближении Буссинеска для волновых возмущений имеют вид
(1.1)
$\frac{{Du}}{{Dt}} - fv + w\frac{{d{{U}_{0}}}}{{dz}} = - \frac{1}{{{{{{\rho }}}_{0}}(0)}}\frac{{\partial P}}{{\partial x}}$(1.2)
$\frac{{Dv}}{{Dt}} + fu + w\frac{{d{{V}_{0}}}}{{dz}} = - \frac{1}{{{{{{\rho }}}_{0}}(0)}}\frac{{\partial P}}{{\partial y}}$(1. 3)
$\frac{{Dw}}{{Dt}} = - \frac{1}{{{{{{\rho }}}_{0}}(0)}}\frac{{\partial P}}{{\partial z}} - \frac{{g{{\rho }}}}{{{{{{\rho }}}_{0}}(0)}}$(1.5)
$\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + \frac{{\partial v}}{{\partial y}} + \frac{{\partial w}}{{\partial z}} = 0$Граничное условие на поверхности моря – условие “твердой крышки”, которое отфильтровывает внутренние волны от поверхностных [12]
Граничное условие на дне – условие непротекания
2. ЛИНЕЙНОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ
Решения линейного приближения ищутся в виде
(2.1)
$\begin{gathered} u_{1}^{{}} = {{u}_{{10}}}(z)A{{e}^{{i\,{{\theta }}}}} + c.c.,\quad v_{1}^{{}} = {{v}_{{10}}}(z)A{{e}^{{i\,{{\theta }}}}} + c.c.,\quad {{w}_{1}} = {{w}_{{10}}}(z)A{{e}^{{i\,{{\theta }}}}} + c.c. \\ {{P}_{1}} = {{P}_{{10}}}(z)A{{e}^{{i\,{{\theta }}}}} + c.c.,\quad {{{{\rho }}}_{1}} = {{{{\rho }}}_{{10}}}(z)A{{e}^{{i\,{{\theta }}}}} + c.c. \\ \end{gathered} $После подстановки (2.1) в систему (1.1)–(1.5) следует связь амплитудных функций u10, ${{v}_{{10}}},{{{{\rho }}}_{{10}}},{{P}_{{10}}}$ с ${{w}_{{10}}}$
(2.2)
${{u}_{{10}}} = \frac{i}{k}\frac{{d{{w}_{{10}}}}}{{dz}},\quad \Omega = {{\omega }} - k \cdot {{U}_{0}}$(2.3)
$\begin{gathered} \frac{{{{P}_{{10}}}}}{{{{{{\rho }}}_{0}}(0)}} = \frac{i}{k}\left[ {\frac{\Omega }{k}\frac{{d{{w}_{{10}}}}}{{dz}} + \frac{{d{{U}_{0}}}}{{dz}}{{w}_{{10}}} + \frac{f}{\Omega }\left( {i\frac{{d{{V}_{0}}}}{{dz}}{{w}_{{10}}} - \frac{f}{k}\frac{{d{{w}_{{10}}}}}{{dz}}} \right)} \right] \\ {{{{\rho }}}_{{10}}} = - \frac{i}{\Omega }{{w}_{{10}}}\frac{{d{{\rho }_{0}}}}{{dz}},\quad {{v}_{{10}}} = \frac{1}{\Omega }\left( {\frac{f}{k}\frac{{d{{w}_{{10}}}}}{{dz}} - i{{w}_{{10}}}\frac{{d{{V}_{0}}}}{{dz}}} \right) \\ \end{gathered} $Функция ${{w}_{{10}}}$ удовлетворяет уравнению
(2.4)
$\begin{gathered} \frac{{{{d}^{2}}{{w}_{{10}}}}}{{d{{z}^{2}}}} + k\left[ {\frac{{if\frac{{d{{V}_{0}}}}{{dz}}}}{{{{\Omega }^{2}} - {{f}^{2}}}} - \frac{{{{f}^{2}}\frac{{d{{U}_{0}}}}{{dz}}}}{{\Omega ({{\Omega }^{2}} - {{f}^{2}})}}} \right]\frac{{d{{w}_{{10}}}}}{{dz}} + \\ \, + k{{w}_{{10}}}\left[ {\frac{{k({{N}^{2}} - {{\Omega }^{2}}) + \Omega \frac{{{{d}^{2}}{{U}_{0}}}}{{d{{z}^{2}}}} + if\frac{{{{d}^{2}}{{V}_{0}}}}{{d{{z}^{2}}}}}}{{{{\Omega }^{2}} - {{f}^{2}}}} + \frac{{ifk\frac{{d{{U}_{0}}}}{{dz}}\frac{{d{{V}_{0}}}}{{dz}}}}{{\Omega ({{\Omega }^{2}} - {{f}^{2}})}}} \right] = 0 \\ \end{gathered} $Граничные условия для w10
Краевая задача (2.4)–(2.6) решалась аналитически в статье [13] при постоянной частоте Брента–Вяйсяля и линейном профиле скорости плоскопараллельного среднего течения. Волна распространялась перпендикулярно потоку. Было получено, что собственная функция – решение этой краевой задачи для фиксированной моды внутренних волн – комплексная, а частота волны – действительная. Ниже в ходе численных расчетов будет показано, что в двумерном течении частота волны комплексная.
Уравнение (2.4) решалось методом возмущений в [14] путем разложения в ряд по малому параметру ${{\varepsilon }} = V_{0}^{*}{\text{/}}(H{{{{\omega }}}_{*}})$, где $V_{0}^{*}$ – характерное значение скорости течения, ${{{{\omega }}}_{*}}$ – характерная частота волны. Однако этот параметр не всегда мал и применимость метода ограничена. Поэтому применена неявная схема Адамса третьего порядка точности для численного решения уравнения (2.4) для реальных профилей частоты Брента–Вяйсяля и течения.
3. ВОЛНОВЫЕ ПОТОКИ ИМПУЛЬСА
Вертикальные волновые потоки импульса $\overline {uw} $, $\overline {{v}w} $ находятся с учетом соотношений (2.1)–(2.3)
(3.1)
$\overline {uw} = \frac{i}{k}\left| {A_{1}^{2}} \right|\left( {w_{{10}}^{*}\frac{{dw_{{10}}^{{}}}}{{dz}} - w_{{10}}^{{}}\frac{{dw_{{10}}^{*}}}{{dz}}} \right)$(3.2)
$\overline {vw} = \frac{{iw_{{10}}^{{}}w_{{10}}^{*}}}{{\Omega \Omega {\text{*}}}}\left| {A_{1}^{2}} \right|\left( {\Omega - \Omega {\text{*}}} \right)\frac{{dV_{0}^{{}}}}{{dz}} + \frac{f}{{\Omega \Omega {\text{*}}k}}\left| {A_{1}^{2}} \right|\left( {\Omega {\text{*}}w_{{10}}^{*}\frac{{dw_{{10}}^{{}}}}{{dz}} + {{\Omega }^{{}}}w_{{10}}^{{}}\frac{{dw_{{10}}^{*}}}{{dz}}} \right)$При $d{{V}_{0}}{\text{/}}dz = 0$ уравнение (2.4) имеет действительные коэффициенты, решение краевой задачи (2.4)–(2.6) – действительная функция и вертикальный волновой поток импульса $\overline {uw} $ (3.1) для фиксированной моды внутренних волн равен нулю. Мнимая часть частоты при этом тоже равна нулю. Вертикальный волновой поток импульса $\overline {{v}w} $ при $d{{V}_{0}}{\text{/}}dz = 0$ согласно (3.2) не равен нулю. Он равен нулю только при неучете вращения Земли, т.е. при f = 0. При $d{{V}_{0}}{\text{/}}dz \ne 0$, и $f \ne 0$, уравнение (2.4) имеет комплексные коэффициенты, и, как показали численные расчеты на двумерном течении, собственная функция внутренних волн – комплексная функция и вертикальный волной поток импульса $\overline {uw} $ (3.1) отличен от нуля. Волновой поток импульса $\overline {{v}w} $ (3.2) при этом также отличен от нуля. Таким образом, при наличии течения, у которого компонента скорости, поперечная к направлению распространения волны, зависит от вертикальной координаты, волновые потоки импульса $\overline {uw} $, $\overline {{v}w} $ отличны от нуля. При f = 0 уравнение (2.4) имеет действительные коэффициенты, собственная функция фиксированной моды внутренних волн – действительная, мнимая часть частоты равна нулю и волновые потоки импульса $\overline {uw} $ (3.1) и $\overline {{v}w} $ (3.2) – нулевые.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Для определения вертикальных волновых потоков импульса используются результаты третьего этапа 44-го рейса НИС “Михаил Ломоносов” на северо-западном шельфе Черного моря. По данным градиентно-распределенных датчиков температуры (приборов ГРАД) построен временной ход изолиний температуры (рис. 1, [15]).
Приборы располагались один над другим и пересекали слои 5–15 (первый прибор), 15–25 (второй), 25–35 (третий) и 35–60 м (четвертый прибор). Легко видеть, что мощные 15-минутные колебания в слое 25–60 находятся в противофазе с колебаниями в слое 15–25 м, что свидетельствует о присутствии внутренних волн второй моды.
Краевая задача (2.4)–(2.6) по определению ${{w}_{{10}}}$ решается численно по неявной схеме Адамса третьего порядка точности. Вертикальные профили частоты Брента–Вяйсяля и двух компонент скорости течения показаны на рис. 2. Пространственная структура течения представлена на рис. 2в. Вектора скорости течения лежат в плоскостях, перпендикулярных оси Z. Частота волны при фиксированном волновом числе находится методом пристрелки, из необходимости выполнения граничных условий (2.5), (2.6). Профиль модуля собственной функции 15-минутных внутренних волн второй моды изображен на рис. 3.
Рис. 2.
Вертикальные профили: а – частоты Брента–Вяйсяля; б – компонент скорости течения ${{U}_{0}}$ (1), ${{V}_{0}}$ (2); в – пространственная структура течения.

Зависимость действительной части частоты
от волнового числа для первых двух мод представлена на рис. 4.
Рис. 4.
Зависимость действительной части частоты от волнового числа для первой (1) и второй (2) мод.

Зависимость мнимой части частоты
от волнового числа представлена на рис. 5.
Из рис. 5 следует, что у второй моды мнимая часть всегда отрицательная и волна слабо затухает, у первой моды затухание имеет место только в низкочастотной области, при $k < 0.06$ рад/м. При $k > 0.06$ рад/м мнимая часть частоты положительная, имеет место слабое усиление волны. В области затухания волны декремент ${{\delta \omega }}$ у второй моды по модулю больше, чем у первой моды.
Максимальная амплитуда 15-минутных внутренних волн второй моды составляет 0.5 м и это позволяет найти нормирующий множитель ${{A}_{1}}$. Действительно, вертикальная скорость связана с вертикальным смещением ${{\zeta }}$ соотношением $d{{\zeta /}}dt = w$. Отсюда находятся ${{\zeta }}$ и выражение для ${{A}_{1}}$
(4.1)
$\begin{gathered} {{\zeta }} = \frac{{i{{w}_{{10}}}}}{\Omega }{{A}_{1}}\exp (ikx - i{{{{\omega }}}_{0}}t) + c.c. \\ {{A}_{1}} = \frac{{\max {{\zeta }}}}{{2\max \left| {{{w}_{{10}}}{\text{/}}\Omega } \right|}} \\ \end{gathered} $Из (4.1) следует, что максимум ${{\zeta }}$ соответствует максимуму функции $\left| {{{w}_{{10}}}{\text{/}}\Omega } \right|$, максимальное по модулю значение этого отношения по данным расчетов достигается на глубине 49.5 м, т.е. соответствует глубине максимальных возвышений по данным эксперимента (рис. 1).
Сравнение волнового потока импульса $\overline {uw} $ и турбулентного потока $\overline {u_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} $ представлено на рис. 6. Турбулентный поток импульса определялся по формуле $\overline {u_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} = - {{K}_{z}}d{{U}_{0}}{\text{/}}dz$, коэффициент вертикального турбулентного обмена оценивался по формуле ${{K}_{z}} \cong 0.93 \times {{10}^{{ - 4}}}N_{c}^{{ - 1}}$ м2/с, Nc соответствует частоте Брента–Вяйсяля в цикл/ч [16]. Волновой поток импульса $\overline {uw} $ определялся для 15-минутных внутренних волн первой (1) и второй (2) мод с максимальной амплитудой 0.5 м. Волновой поток импульса второй моды заметно уступает потоку первой моды и турбулентному потоку. У первой моды нет подавляющего преимущества волнового потока над турбулентным, в интервале глубин 10–30 м волновой поток импульса у первой моды по модулю сравним с турбулентным.
Рис. 6.
Профили волновых $\overline {uw} $ (1), (2) и турбулентного $\overline {u_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} $ (3) вертикальных потоков импульса.

Вертикальные профили волнового $\overline {vw} $ и турбулентного $\overline {v_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} $потоков импульса показаны на рис. 7. Турбулентный поток импульса определялся по формуле $\overline {v_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} = - {{K}_{z}}d{{V}_{0}}{\text{/}}dz$. Волновой поток импульса $\overline {vw} $ определялся для 15-минутных внутренних волн первой (1) и второй (2) моды с максимальной амплитудой 0.5 м. Нельзя сказать, что волновой поток импульса второй моды всюду уступает турбулентному, скорее всего глубже 30 м они сопоставимы по модулю. Вертикальный поток импульса у первой моды по абсолютной величине доминирует над турбулентным и над потоком второй моды.
Рис. 7.
Профили волновых $\overline {vw} $ (1), (2) и турбулентного $\overline {v_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} $ (3) вертикальных потоков импульса.

Представляет интерес сопоставить волновые потоки импульса $\overline {uw} $, $\overline {vw} $ для первой и второй мод. На рис. 8 представлены вертикальные профили потоков импульса $\overline {uw} $, $\overline {vw} $ для первой моды 15-минутных внутренних волн.
Рис. 8.
Вертикальное распределение потоков импульса $\overline {uw} $ (1), $\overline {vw} $ (2) для первой моды внутренних волн.

Из рис. 8 следует, что поток импульса $\overline {vw} $ доминирует по модулю над $\overline {uw} $. Аналогичные зависимости представлены для второй моды 15-минутных внутренних волн на рис. 9. Здесь также волновой поток импульса $\overline {vw} $ преобладает над $\overline {uw} $.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Инерционно-гравитационные внутренние волны в двумерном стратифицированном течении имеют комплексную собственную функцию и частоту. Мнимая поправка к частоте по модулю на два-три порядка меньше действительной части частоты. Знак мнимой поправки к частоте у второй моды отрицательный, т.е. имеет место слабое затухание волны. У первой моды при волновом числе k = 0.06 рад/м знак мнимой части частоты меняется с отрицательной величины в низкочастотной области на положительную величину в высокочастотной области, т.е. там имеет место слабое усиление волны. Волновой поток импульса $\overline {vw} $ доминирует по модулю над потоком $\overline {uw} $ как для первой, так и для второй мод 15-минутных внутренних волн. Сравнение волнового $\overline {vw} $ и турбулентного $\overline {v_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} $потоков импульса показывает, что для первой моды 15-минутных внутренних волн волновой поток по модулю доминирует над турбулентным. У второй моды эти потоки сравнимы по абсолютной величине. Волновой поток импульса $\overline {uw} $ у первой моды не превосходит по модулю турбулентный поток $\overline {u_{{}}^{/}w_{{}}^{/}} $, а у второй моды турбулентный поток импульса заметно больше по абсолютной величине волнового.
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме: № 0827-2019-0003 “Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования” (шифр “ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ”).
Список литературы
Бадулин С.И., Цимринг Л.Ш., Шрира В.И. Захват и вертикальная фокусировка внутренних волн в пикноклине горизонтальными неоднородностями стратификации и течений // Доклады АН СССР. 1983. Т. 273. № 2. С. 459–463.
Sibgatullin I.N., Ermanyuk E.V. Internal and Inertial Wave Attractors: a Review // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2019. V. 60. № 2. P. 284–302. https://doi.org/10.1134/S002189441902010X
Brouzet C., Ermanyuk E.V., Joubaud S., Sibgatullin I., Dauxois T. Energy cascade in internal-wave attractors // EPL (Europhysics Letters), V. 113. № 4. https://doi.org/10.1209/0295-5075/113/44001
Булатов В.В., Владимиров Ю.В. Динамика негармонических волновых пакетов в стратифицированных средах. М.: Наука, 2010. 470 с.
Борисенко Ю.Д., Воронович А.Г., Леонов А.И., Миропольский Ю.З. К теории нестационарных слабонелинейных внутренних волн в стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. I976. Т. 12. № 3. С. 293–301.
Grimshaw R. The modulation of an internal gravity wave packet and the resonance with the mean motion // Stud. In Appl. Math. 1977. V. 56. P. 241–266.
Ле Блон П., Майсек Л. Волны в океане. М.: Мир, 1981. Ч. 2. 363 с.
LeBlond P.H. On damping of internal gravity waves in a continuously stratified ocean // J. Fluid Mech. 1966. V. 25. Iss. 1. P. 121–142. https://doi.org/10.1017/S0022112066000089
Островский Л.А., Соустова И.А. Верхний перемешанный слой как сток энергии внутренних волн // Океанология. 1979. Т. 19. Вып. 6. С. 973–981.
Слепышев А.А. Вертикальный перенос импульса внутренними волнами при учете турбулентной вязкости и диффузии // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 3. С. 342–350. https://doi.org/10.7868/S0002351516030111
Слепышев А.А. Вертикальные потоки, обусловленные внутренними волнами в бароклинном течении // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 1. С. 64–78.
Миропольский Ю.З. Динамика внутренних гравитационных волн в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 302 с.
Слепышев А.А., Лактионова Н.В. Вертикальный перенос импульса внутренними волнами в сдвиговом потоке // Изв. РАН Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 6. С. 194–200.
Воротников Д.И., Слепышев А.А. Вертикальные потоки импульса, обусловленные слабонелинейными внутренними волнами на шельфе // Изв. РАН. МЖГ. 2018. № 1. С. 23–35.
Отчет о работах в 44-м рейсе (3-й этап) НИС “Михаил Ломоносов” 7 августа–15 сентября 1985 г. Севастополь: МГИ АН УССР, 1985. Т. 1. 135 с.
Иванов В.А., Самодуров А.С., Чухарев А.М., Носова А.В. Интенсификация вертикального турбулентного обмена в районах сопряжения шельфа и континентального склона в Черном море // Доп. НАН України. 2008. № 6. С. 108–112.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Механика жидкости и газа






