Intermittency of turbulence in natural waters: patchiness in the thermocline of a lake under low winds and small-scale intermittency in the bottom boundary layer of a tidal flow

Abstract

Turbulence intermittency influences so many processes in natural waters on a wide range of scales. This work analyzes intermittency, both internal and external, by considering two cases: the thermocline of a small lake under low winds and the bottom boundary layer of a tidal flow. External intermittency in Lake Banyoles is studied based on patches. Variability of their sizes and turbulent scales is described using probability models, which are consistent with marine turbulence results. Dynamics of mixing depends on the phase of the dominant internal seiche. Episodic and powerful wind gusts generate large patches in the lake's interior. Internal intermittency is analyzed based the analysis of tidal flow data. Scaling exponents of structure functions and moments of the dissipation rate fit to multifractal model. For energetic episodes intermittency parameters approach the values expected for fully developed turbulence. They increase with decreasing of Reynolds numbers, which is associated with underdeveloped turbulence.

El comportament intermitent de la turbulència afecta molts processos en els sistemes aquàtics. Aquest treball estudia la intermitència interna i externa en dos casos particulars: la termoclina d'un estany sota vents fluixos i la capa de fons d'un corrent de marea. La intermitència externa a l'estany de Banyoles s'analitza estudiant la variabilitat de mides i escales turbulentes dels claps, que s'ajusten bé als models de probabilitat obtinguts també en turbulència marina. La dinàmica de barreja depèn de la fase de la seca interna dominant a l'estany. Els claps grans generats a l'interior s'han relacionat amb cops de vent episòdics forts. La intermitència interna s'analitza en un corrent de marea (funcions d'estructura i moments de la dissipació). Els exponents d'escalatge s'ajusten a models multifractals, amb paràmetres propers als de turbulència completament desenvolupada per a episodis energètics. Aquests augmenten quan el nombre de Reynolds disminueix, possiblement degut a turbulència no completament desenvolupada.