Dispersion of surface plumes in the Southern North Sea

Summary

Continuous releases of fluorescent dye were made in the southern North Sea and the power law dependence of the plume width, represented byσ _y, against the diffusion time determined. The spreading was non-Fickian and could be represented in the formσ ²_y =B ² t whereB was a diffusion velocity of magnitude 1.4×10⁻² m/s. Such spreading was reproduced in both particle tracking and finite difference plume models by allowing the horizontal diffusivity,K _H, to depend linearly on diffusion time. The weakness of this method is that it is not clear how the diffusion parameters can be extrapolated to weather conditions that are different to those prevailing at the time of the experiments. However, comparable spreading rates were obtained by combining a Fickian diffusion model with an advective field that represented the near-surface current shears due to wind and waves. The resulting shear diffusion effect produced realistic simulation of the observed dispersion rates. An advantage of this approach is that it enables predictions to be made over a range of weather conditions provided that the wind and wave shears can be accurately parameterized.

Zusammenfassung

Fluoreszierender Farbstoff wurde in der südlichen Nordsee kontinuierlich freigesetzt und die Breite der Wolke, repräsentiert durchσ _y, in Abhägigkeit von der Ausbreitungszeit bestimmt. Die Ausbreitung folgte nicht dem Fickschen Ansatz und konnte in der Formσ ²_y =B ² t dargestellt werden, wobeiB eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Größenordnung 1.4×10⁻² m/s darstellt. Eine derartige Ausbreitung wurde sowohl mit Modellen des Partikel-Tracking als auch mit Modellen der finiten Differenzen reproduziert, wobei die horizontale AusbreitungsgrößeK_H linear von der Diffusionszeit abhängig war. Die Schwäche dieser Methode ist, daß es nicht klar ist, wie die Diffusions-Parameter für andere Wetterbedingungen als zur Zeit des Experiments zu extrapolieren wären. Vergleichbare Ausbreitungsverhältnisse werden durch die Kombination eines Fickschen Diffusionsmodells mit einem advektiven Feld erreicht, welches die oberflächennahen durch Wind und Wellen verursachten Stromscherungen berücksichtigt. Der so resultierende Scher-Diffusions-Effekt erbrachte ein realistische Simulation der beobachteten Ausbreitung. Ein Vorteil dieses Vorgehens ist, daß es Vorhersagen über einen Bereich von Wetterbedingungen ermöglicht, vorausgesetzt, daß die durch Wind und Wellen verurschte Scherung zutreffend parameterisiert werden kann.

Résumé

A partir de déversements continus de produits fluorescents effectués dans la partie sud de la Mer du Nord, on a pu déterminer l'expression de la largeur du panacheσ _y, par son carré en fonction du temps de diffusion. La dispersion n'était pas du type Fickian et était représentée sous la formeσ ²_y =B ² t aB était une vitesse de diffusion de grandeur égale 1.4×10⁻² m/s. Une telle dispersion peut être reproduite par une modélisation du panache à la fois par suivi de particules et aux différences finies en admettant que le coefficient de diffusion horizontaleK _H dépendait linéairement du temps. L'inconvénient de cette méthode est qu'il n'est pas facile de savoir comment les paramètres de diffusion peuvent être extrapolés à des conditions météorologiques différentes de celles prévalant au moment des expériences. Quoi qu'il en soit, des taux de dispersion comparables ont été obtenus en combinant un modèle de diffusion Fickian avec un champ d'advection qui représentait les cisaillements de courant de surface dus au vent et aux vagues. L'effet de diffusion du cisaillement résultant produisit une simulation réaliste des taux de dispersion observés. Un avantage de cette approche est de rendre possible des prédictions réalisées à travers un éventail de conditions météorologiques à condition que les cisaillements liés au vent et aux vagues puissent être paramétrisés avec précision.