Особенности перемешивания водной массы небольшого озера при ночном выхолаживании

Сергей Рэмович Богданов, Галина Эдуардовна Здоровеннова, Роман Эдуардович Здоровеннов, Игорь Александрович Максимов, Николай Иннокентьевич Пальшин, Sergey Bogdanov, Galina Zdorovennova, Roman Zdorovennov, Igor Maksimov, Nikolay Palshin

Аннотация


Приводятся результаты изучения режима перемешивания небольшого по площади
озера, ветровое воздействие на водную толщу которого существенно ослаблено
залесенностью прилегающей береговой территории. Измерения температуры с
помощью цепочки термисторов осуществлялись в период открытой воды в течение
двух сезонов, в 2021 и 2023 гг. Основное внимание было уделено периодам ночного
поверхностного выхолаживания, поскольку именно этот механизм можно считать
превалирующим в перемешивании водной массы и образовании конвективно-пе-
ремешанного поверхностного слоя на этапе летнего нагревания. При этом, несмо-
тря на значительные ночные потоки тепла на поверхности, полного перемешивания
не происходит. Анализ динамики температурного профиля и расчет эффективно-
сти перемешивания осуществлен с помощью интегрального энергетического метода, на основе выделения эпизодов перемешивания и расчетов базовой потенциальной энергии и потока плавучести. Для эффективности перемешивания по двум сезонам получены оценки 0,45 и 0,49, существенно превышающие каноническое значение 0,17. Обнаружено также, что значение эффективности зависит от толщины перемешанного слоя

Ключевые слова


малое озеро; поверхностное выхолаживание; базовая потенциальная энергия; поток плавучести; эффективность перемешивания

Полный текст:

PDF

Литература


Богданов С. Р., Пальшин Н. И., Здоровеннов Р. Э., Митрохов А. В., Кузнецов П. С., Новикова Ю. С., Здоровеннова Г. Э. Оценка эффективности перемешивания небольшого димиктического озера при поверхностном выхолаживании // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2023. Т. 16, № 2. C. 73–88. DOI: 10.59887/2073-6673.2023.16(2)-6

Bluteau C. E., Jones N. L, Ivey G. N. Turbulent mixing efficiency at an energetic ocean site // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, no. 9. P. 4662–4672.

Brainerd K. E., Gregg M. C. Surface mixed and mixing layer depths // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1995. Vol. 42, no. 9. P. 1521-1543. https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R100000136-I1360574092893545088

Chen C.-T. A., Millero F. J. Thermodynamic properties for natural waters covering only the limnological range // Limnology and Oceanography. 1986. Vol. 31, no. 3. P. 657–662. doi: 10.4319/lo.1986.31.3.0657.

Cole, J. J., Prairie Y. T., Caraco N. F., McDowell W. H., Tranvik L. J., Striegl R. G., Duarte C. M., Kortelainen P., Downing J. A., Middelburg J. J., Melack J. Plumbing the global carbon cycle: Integrating inland waters into the terrestrial carbon budget // Ecosystems. 2007. Vol. 10. P. 172–185. doi:10.1007/s10021-006-9013-8.

Davies Wykes M. S., Hughes G. O., Dalziel S. B. On the meaning of mixing efficiency for buoyancy-driven mixing in stratified turbulent flows // Journal of Fluid Mechanics. 2015. Vol. 781. P. 261–275. doi:10.1017/jfm.2015.462

Deardorff J. W. Preliminary results from numerical integrations of the unstable planetary boundary layer // J. Atmos. Sci. 1970. Vol. 27. P. 1209–1211 DOI: https://doi.org/10.1175/1520-0469(1970)027<1209:PRFNIO>2.0.CO;2

Doda T., Ramon C. L., Ulloa H. N, Brendwald M. S., Kipfer R., Perga M.-E., Wüest A., Schubert C. J., Bouffard D. Lake surface cooling drives littoral-pelagic exchange of dissolved gases // Science Advances. 2024. Vol. 10, no. 4. DOI:10.1126/sciadv.adi0617

Folkard A. The Multi-Scale Layering-Structure of Thermal Microscale Profiles // Water. 2021. Vol. 13. P. 3042. https://doi.org/10.3390/w13213042

Gregg M. C., D'Asaro E. A., Riley J. J., Kunze E. Mixing Efficiency in the Ocean // Annual Review of Marine Science. 2018. Vol. 10, no. 1. P. 443-473. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-121916-063643

Guseva S., Casper P., Sachs T., Spank U., Lorke A. Energy Flux Paths in Lakes and Reservoirs // Water. 2021. Vol. 13. P. 3270. https://doi.org/10.3390/w13223270

Holgerson M. A., Richardson D. C., Roith J., Bortolotti L. E., Finlay K., Hornbach D. J., Gurung K., Ness A., Andersen M. R., Bansal S., Finlay J. C., Cianci-Gaskill J. A., Hahn S., Janke B. D., McDonald C., Mesman J. P., North R. L., Roberts C. O., Sweetman J. N., Webb J. R. Classifying mixing regimes in ponds and shallow lakes // Water Resources Research. 2022. Vol. 58. e2022WR032522. https://doi.org/10.1029/2022WR032522

Jonas T., Terzhevik A.Y., Mironov D. V., Wüest A. Radiatively driven convection in an ice-covered lake investigated by using temperature microstructure technique // Journal of Geophysical Research. 2003. Vol. 108, no. C6. P. 3183. doi: 10.1029 / 2002JC001316

Kirillin G., Shatwell T. Generalized scaling of seasonal thermal stratification in lakes //Earth-Science Reviews. 2016. Vol. 161 P. 179–190

Klaić Z. B., Babić K., Orlić M. Evolution and dynamics of the vertical temperature profile in an oligotrophic lake // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2020. Vol. 24. P. 3399–3416. https://doi.org/10.5194/hess-24-3399-2020, 2020.

Maffioli A., Brethouwer G., Lindborg E. Mixing efficiency in stratified turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 794. P. R3. doi: 10.1017/jfm.2016.206

Read J. S., Hamilton D. P., Desai A. R., Rose K. C., MacIntyre S., Lenters J. D., Smyth R. L., Hanson P. C., Cole J. J., Staehr P. A., Rusak J. A., Pierson D. C., Brookes J. D., Laas A., Wu C. H. Lake-size dependency of wind shear and convection as controls on gas exchange // Geophys. Res. Lett. 2012. Vol. 39, L09405, doi:10.1029/2012GL051886.

Negandhi K., Laurion I., Whiticar M. J., Galand P. E., Xu X., Lovejoy C. Small Thaw Ponds: An Unaccounted Source of Methane in the Canadian High Arctic // PLoS ONE. 2013. Vol. 8, no. 11. P. e78204. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0078204

Rehder Z., Kleinen T., Kutzbach L., Stepanenko V., Langer M., Brovkin V. Simulated methane emissions from Arctic ponds are highly sensitive to warming // Biogeosciences. 2023. Vol. 20, no. 14. P. 2837-2855. https://doi.org/10.5194/bg-20-2837-2023

Solcerova A., van de Ven F., van de Giesen N. Nighttime Cooling of an Urban Pond // Front. Earth Sci. 2019. Vol. 7, no. 156. P. 1–10. doi: 10.3389/feart.2019.00156

Ulloa H. N., Wüest A., Bouffard D. Mechanical energy budget and mixing efficiency for a radiatively heated ice-covered waterbody // Journal of Fluid Mechanics. 2018. Vol. 852. P. R1. doi: 10.1017/jfm.2018.587.

Winters K., Lombard P., Riley J., D’asaro E. Available potential energy and mixing in density-stratified fluids // Journal of Fluid Mechanics. 1995. Vol. 289. P. 115–128. doi:10.1017/S002211209500125X




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/lim1874

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019