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Deutsche Hydrografische Zeitschrift

, Volume 31, Issue 6, pp 195–215 | Cite as

Small-scale diffusion experiments in the Baltic surface-mixed layer under different weather conditions

  • Friedrich Schott
  • Mafred Ehlers
  • Lutz Hubrich
  • Detlef Quadfasel
Article

Summary

During the experiment “Baltic '75” east of Bornholm, in May 1975 dye mixing experiments were carried out in the surface-mixed layer on scales of less than a few hundred meters. The dye was measured by aerial photography and synoptic concentration distributions were calculated from the colour photographs by a computerized processing method and by use of a towed fluorometer for calibration. Four experiments were carried out under different weather conditions and in two of these, two patches were released simultaneously.

In a unified analysis, the data from each experiment were compared by use of a model fitting technique with different classes of isotropic mixing models. On the small range of scales covered, the Fickian model with constant diffusion coefficient and the models with eddy coefficients linearly dependent on scale both yielded good fits. For the cases when two patches were injected simultaneously, the diffusion parameters calculated for each were very similar, although the patch shapes were quite different.

Diffusion coefficients for the different experiments ranged from (540±110) cm2/s to (2200±180) cm2/s and showed a tendency to increase with increasing atmospheric forcing. This trend depended more on the surface wave height than on the wind stress.

Diffusion models based on the equilibrium theory of turbulence with diffusion parameters increasing with a 4/3 power of horizontal scale only yielded good fits for the two patches released on a day without atmospheric forcing.

Keywords

Wave Height Wind Stress Diffusion Parameter Aerial Photography Patch Shape 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Untersuchungen der kleinskaligen Diffusion in der Deckschicht der Ostsee bei verschiedenen Wetterbedingungen

Zusammenfassung

Im Rahmen des Experimentes “Baltic '75” wurden im Mai 1975 im Bornholmbecken kleinskalige Vermischungsuntersuchungen mit Rhodamin B in der Deckschicht durchgeführt. Die Farbstoffverteilungen, deren Horizontalskalen maximal einige hundert Meter betrugen, wurden mit Farbphotographie vom Flugzeug aus aufgenommen. Die Luftaufnahmen wurden dann mit einem rechnergestützten Auswerteverfahren und Benutzung von Absolutmessungen eines vom Schiff durch die Farbstoffflecken geschleppten Fluorometers in synoptische Konzentrationsverteilungen umgesetzt. Die Vermischungsexperimente wurden an vier Tagen mit verschiedenen Wind- und Seegangsbedingungen durchgeführt; an zwei von diesen Tagen wurden jeweils zwei Farbstoffverteilungen gleichzeitig vermessen.

Mit Hilfe eines Modellanpassungsverfahrens wurden in einer Gesamtanalyse die Konzentrationsverteilungen in Raum und Zeit eines jeden Experimentes mit verschiedenen isotropen Vermischungsmodellen verglichen. Im Skalenbereich unserer Experimente ergaben das Ficksche Modell mit konstantem Austauschkoeffizienten sowie die Modelle mit linear von der Horizontalskala des Prozesses abhängigen Austauschkoeffizienten gute Anpassungsergebnisse. Für diejenigen Experimente, bei denen zwei Farbstoffflecken gleichzeitig vermessen wurden, ergaben sich fast gleiche Austauschkoeffizienten, obwohl die Formen der Farbstoffflecken ganz unterschiedlich waren.

Die horizontalen Austauschkoeffizienten für die verschiedenen Experimente lagen zwischen (540–110) cm2/s und (2200±180) cm2/s, wobei eine Abhängigkeit von atmosphärischen Einflußfaktoren festgestellt wurde, die ausgeprägter für den Seegang als für den Windstress ausfiel. Diffusionsmodelle auf der Basis der Gleichgewichtstheorie der Turbulenz mit Austauschkoeffizienten, die mit der 4/3potenz der Horizontalskala variieren, ergaben lediglich gute Anpassungen für die beiden Farbstoffverteilungen, die an einem fast windstillen Tag vermessen wurden.

Expériences de diffusion à petite échelle dans la couche mélangée de surface en Mer Baltique, en présence de conditions météorologiques différentes

Résumé

Au cours de l'opération «Baltic '75» à l'Est de Bornholm, en mai 1975, des expériences de diffusion de colorant ont été effectuées dans la couche de mélange de surface sur des distances inférieures à quelques centaines de mètres. Le colorant fut mesuré par photographie aérienne et les distributions synoptiques de concentrations furent calculées à partir des informations tirées de photos couleurs traitées par ordinateur et par l'utilisation d'un fluoromètre remorqué pour l'étalonnage. Quatre expériences furent effectuées dans des conditions météorologiques différentes et dans deux d'entre elles, deux taches furent réalisées simultanément.

Dans une analyse unifiée, les données de chaque expérience furent comparées à l'aide d'une méthode d'adaptation de modèle, en utilisant différentes classes de modèles de mélange isotropique. Sur la petite gamme d'échelles couverte, le modèle Fickien avec un coefficient de diffusion constant et les modèles avec des coefficients de turbulence dépendant linéairement de l'échelle donnèrent tous deux des résultats concordants. Pour les cas où deux taches furent injectées simultanément, les paramètres de diffusion calculés pour chacune d'elles furent très similaires, bien que les formes de taches aient été très différentes.

Les coefficients de distribution pour les différentes expériences s'étendirent de (540±110) cm2/s à (2200±180) cm2/s et montrèrent une tendance à augmenter avec un accroissement de l'action atmosphérique. Cette tendance dépendait plus de la hauteur des vagues en surface que de la force du vent.

Les modèles de diffusion basés sur la théorie d'équilibre de la turbulence avec des paramètres de diffusion croissant avec une puissance des 4/3 de l'échelle horizontale ne donnèrent de bons résultats que pour les deux taches réalisées un jour où il n'y eut pas de renforcement de l'action atmosphérique.

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References

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Copyright information

© Deutsches Hydrographisches Institut 1978

Authors and Affiliations

  • Friedrich Schott
    • 1
  • Mafred Ehlers
    • 2
  • Lutz Hubrich
    • 3
  • Detlef Quadfasel
    • 4
  1. 1.Institut für Meereskunde an der Universität KielKiel 1
  2. 2.Institut für Photogrammetrie an der T.U. HannoverHannover
  3. 3.Geophysikalischer Beratungsdienst der BundeswehrSengwarden
  4. 4.Wormley LaboratoryInstitute of Oceanographic SciencesGodalmingEngland

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