Моделювання шельфового пограничного шару

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 551.462.32:551.465.752

Автореферат

11.00.08 - океанологія

Одеса - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському гідрометеорологічному інституті Міністерства освіти України.

Науковий керівник:

Шнайдман Вольф Абрамович, доктор фізико-математичних наук, професор, Одеський гідрометеорологічний інститут, завідувач кафедри геофізичної гідродинаміки та теорії клімату.

Офіційні опоненти:

Суховій Вікторина Федорівна, доктор географічних наук, професор, Одеський гідрометеорологічний інститут, завідувач кафедри океанології, кандидат географічних наук;

Андріанова Ольга Радомирівна, Морський гідрофізичний інститут НАН України, старший науковий співробітник Відділення гідроакустики (м. Одеса).

Провідна установа: Український науковий центр екології моря Міністерства охорони навколишнього природного середовища і ядерної безпеки України (м. Одеса).

Захист відбудеться "13" травня 1999 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 Одеського гідрометеорологічного інституту за адресою: 270016, м. Одеса, вул. Львівська 15, ОГМІ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського гідрометеорологічного інституту, м. Одеса, вул. Львівська 15, ОГМІ.

Автореферат розісланий "29" березня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Н.С. Лобода.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність та рівень дослідженності тематики визначається необхідністю розробки сучасних методів кількісного опису динамічної і термодинамічної структури шельфового пограничного шару (ШПШ) для використання в локальних прогнозах, при розв'язанні задач екологічного моніторингу. Під ШПШ будемо розуміти прибережну мілководну зону моря або океану, процеси в якій визначаються ефектами нестаціонарності, горизонтального і вертикального впорядкованого перенесення, вертикальним і горизонтальним турбулентним обміном, стратифікацією, бароклінністю і обертанням Землі. Зовнішнім по відношенню до формування структури ШПШ є динамічний вплив атмосфери, взаємодія з шорстким дном і берегом, ефектом обвалення вітрових хвиль.

Більшість методів опису ШПШ здійснено за допомогою полуемпіричних теорій із завданням аналітичних виразів для коефіцієнта турбулентного перемішування. У дисертаційній роботі представлений метод опису ШПШ, заснований на теорії геофізичного пограничного шару (ГПШ), що включає в себе атмосферний і океанський пограничні шари. Ця теорія заснована на розв'язанні системи гідротермодинамічних рівнянь з турбулентним замиканням і дозволяє врахувати основні фізичні механізми формування внутрішньої структури ГПШ. Вона є базою багатьох сучасних досліджень в задачах атмосферного пограничного шару. Однак, застосування цієї теорії для прибережного шельфу виконано вперше в представленій дисертації.

Мета та основні завдання наукового дослідження. Метою дослідження є розробка фізико-математичного методу опису ШПШ з урахуванням основних фізичних чинників формування циркуляційно-турбулентної структури цього шару і виявлення основних закономірностей просторово - часового розподілу гідрофізичних параметрів в прибережній зоні моря для різних географічних регіонів. Для досягнення цієї мети були сформульовані такі основні задачі наукового дослідження:

фізико-математична постановка задачі формування циркуляційно-турбулентної структури ШПШ, методика опису впливу основних фізичних факторів на основі замкненої системи рівнянь гідротермодинаміки і турбулентного замикання;

розробка обчислювального алгоритму для розв'язання поставленої задачі;

кількісний опис циркуляційно-турбулентного режиму ШПШ в квазідвовимірному наближенні;

моделювання тривимірного шельфового пограничного шару з використанням широкого діапазону зовнішніх параметрів формування структури ШПШ;

фізичний аналіз результатів тривимірного моделювання і виявлення закономірностей структури ШПШ в залежності від реальних геофізичних і морфометричних факторів;

застосування розробленого методу до опису конкретних географічних регіонів;

вибір початкових даних для кількісного опису ШПШ на основі результатів моделювання атмосферного пограничного шару для конкретного географічного регіону.

Теоретична і практична цінність дослідження. На основі моделювання процесів в прибережній зоні моря за допомогою розробленої моделі нестаціонарного стратифікованого бароклінного ШПШ запропонований метод кількісного опису просторово-часового розподілу течій, характеристик турбулентності, відхилень рівня з урахуванням впливу вітру, згінно-нагінних явищ, впливу берегової межі і шорсткості дна. Показано, що вплив вітру на морську поверхню виявляється в формуванні дрейфової і геострофічної течій, сумарний ефект яких визначає турбулентно-циркуляційний режим ШПШ, що тривимірне моделювання шляхом розв'язання замкненої системи рівнянь гідротермодинаміки з турбулентним замиканням є сучасним апаратом для оцінки гідрофізичних характеристик прибережної зони морів і океанів у позатропічних географічних регіонах.

Практична цінність роботи полягає в можливості застосування розробленого методу опису ШПШ для розв'язання прикладних задач, які потребують детального опису внутрішніх характеристик ШПШ, і продемонстрована отриманими результатами для Одеської затоки і Південно-Китайського моря. Достовірність отриманих результатів підтверджена зіставленням з експериментальними даними. Розроблений метод може бути використаний в розрахунках перенесення забруднюючих речовин, характеристик функціонування екосистем, локальних прогнозах течій на основі прогностичних значень вектора вітру.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що автором уперше для шельфового пограничного шару:

розроблений метод розрахунку характеристик морської прибережної мілководної зони моря шляхом адаптації моделі геофізичного пограничного шару до умов формування ШПШ;

дана кількісна оцінка внеску дрейфової і згінно-нагінної геострофічної течій в формуванні тривимірної просторової структури ШПШ;

виявлені основні закономірності горизонтального і вертикального розподілу гідрофізичних характеристик і параметрів турбулентності в залежності від факторів зовнішнього впливу і внутрішніх механізмів;

показана можливість застосування розробленого методу до опису просторового турбулентно-циркуляційного режиму прибережної зони у позатропічних регіонах (на прикладі Одеської затоки);

розроблена і застосована до прибережної зони Південно-Китайського моря методика використання результатів моделювання поля вітру для оцінки характеристик взаємодії атмосфери - моря і ШПШ.

Рівень реалізації, впровадження наукових результатів. Результати представлені у вигляді розрахункових методів, узагальнених характеристик і комп'ютерних програм. Наукові результати використовуються при виконанні теми "Розробка перспективної інформаційної технології гідрометеорологічного забезпечення моделювання складних соціально-економічних і екологічних систем" НДС ОГМІ, в дослідженнях забруднення Одеської затоки по гранту міжнародної програми ІНТАС - 96-2077 "Вивчення динаміки осадження і забруднення в прибережній зоні при сумісній дії поверхневих хвиль і течій", а також при виконанні експертних оцінок по забрудненню Одеської затоки.

Апробація та публікації результатів. Матеріали дисертації були представлені на науково-дослідних семінарах і конференціях ОГМІ і включені в програму на 24-й Генеральній Асамблеї Європейського геофізичного товариства.

Основні результати досліджень опубліковано в 4-х статтях.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота викладена на 170 сторінках машинописного тексту, містить 55 рисунків і 15 таблиць, складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел (124 найменування) і додаток.

Декларація конкретного особистого внеску здобувача в розробку результатів, що виносяться на захист:

розроблений метод кількісного опису турбулентно-циркуляційної структури ШПШ на основі адаптації моделі геофізичного пограничного шару і його реалізації за допомогою інтегрування замкненої системи рівнянь;

виконані чисельні експерименти і розрахунки і виявлені закономірності формування ШПШ при різних геофізичних і морфометричних модельних і фактичних факторах для різних географічних регіонів.

На захист виносяться такі основні положення:

метод розрахунку гідрофізичних і турбулентних характеристик тривимірного нестаціонарного, стратифікованого, бароклінного ШПШ;

концепція параметризації згінно-нагінних явищ шляхом розрахунку геострофічної течії, яка генерується нахилом рівня за рахунок вітрового впливу;

квазідвовимірне наближення як метод адаптації моделі для вибору параметрів, початкових і крайових умов;

основні фізичні закономірності тривимірної просторової внутрішньої структури ШПШ для широкого діапазону зовнішніх впливів;

результати моделювання ШПШ для конкретних географічних регіонів;

оцінка достовірності розробленого методу на основі зіставлення даних спостережень з результатами моделювання.

Методології, методи дослідження предмета та об'єкта полягають у використанні фізико-математичного методу опису ШПШ шляхом розв'язання замкненої системи рівнянь гідротермодинаміки з турбулентним замиканням.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відмічена актуальність теми дисертації, сформульовані її цілі і задачі, наукова новизна і практичне значення. Перелічені отримані результати і основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі "Постановка задачі про тривимірну структуру шельфового пограничного шару" на основі сучасного стану досліджень по моделюванню ШПШ сформульована фізико-математична постановка задачі, заснована на теорії геофізичного пограничного шару. Розглянуті фізичні механізми формування тривимірної структури ШПШ, система диференціальних рівнянь, що описують цю структуру, обчислювальний алгоритм і методи розв'язання задачі. Обговорена проблема замикання системи рівнянь гідротермодинаміки. Дана побудова рівнянь для кінетичної енергії турбулентності і швидкості її дисипації в рамках K-теорії з рівнянь для перших і других моментів пульсацій складових швидкості течії і їх просторових похідних. Сформульовані граничні умови з урахуванням динамічного вітрового впливу взаємодії ШПШ з дном, берегом, відкритим морем і атмосферою. Наведені основні фізичні механізми формування турбулентного перемішування в тривимірному просторі моря, які повинні бути враховані в гідродинамічній моделі ШПШ, і оцінки швидкостей генерації турбулентності. Виписана система диференціальних рівнянь, які описують структуру ШПШ з безрозмірною вертикальною координатою, що являє собою відношення вертикальної координати до глибини моря. У цій системі рівнянь горизонтальні градієнти тиску виражені через безрозмірне відхилення рівня моря за рахунок динамічного впливу вітру. Описаний стійкий обчислювальний алгоритм чисельного розв'язання задачі і вказані методи його реалізації для початково-крайової задачі розв'язання замкненої системи рівнянь гідротермодинаміки з урахуванням турбулентного замикання.

У другому розділі "Кількісний опис турбулентно-циркуляційного режиму шельфового пограничного шару в квазідвовимірному наближенні" представлено обґрунтування квазідвовимірного наближення як методу адаптації моделі шляхом вибору параметрів, початкових і крайових умов. Показано, що квазідвовимірне наближення забезпечує прийнятну для ряду прикладних задач точність розрахунку і фізично вірну картину турбулентно-циркуляційного режиму ШПШ. Квазідвовимірне наближення отримане шляхом удосконалення одновимірної моделі ШПШ за рахунок включення ефектів згінно-нагінних явищ. Відомо, що в прибережній зоні моря вітер генерує дрейфову течію і створює за рахунок цієї течії значний нахил вільної поверхні. Цей нахил рівня приводить до необхідності урахування геострофічних течій, отриманих з балансу між силою Коріоліса і силою градієнта тиску. Тому в рівняннях квазідвовимірного наближення вводиться сила баричного градієнта, виражена через геострофічну течію. Для визначення швидкості геострофічної течії використане співвідношення, яке виражає зв'язок між відхиленням рівня і інтегралом в межах часового кроку від похідної повного потоку по зовнішній до берега нормалі (осі х), отримане внаслідок інтегрування рівняння нерозривності. Ця похідна замінюється відношенням відхилення рівня до відстані від берега. Використовується лівообертальна система координат. Таким чином сконструйована повністю замкнена система рівнянь в квазідвовимірному наближенні, в якому всі шукані функції і параметри ШПШ залежать від безрозмірної вертикальної координати, відстані від берега і кроку дискретизації розрахункового часового періоду. Вирішується задача пристосування циркуляційно-турбулентного режиму до зовнішніх впливів методом послідовних наближень. Зовнішніми визначальними параметрами розробленої моделі є швидкість і напрям приводного вітру, шорсткість дна і глибина моря. В результаті отримані швидкості геострофічної течії, вертикальні профілі складових швидкості сумарної течії, кінетичної енергії турбулентності, швидкості її дисипації і коефіцієнта вертикальної турбулентності. Показано, що геострофічна течія, розрахована в рамках розробленого квазідвовимірного наближення, представляє собою вздовжбереговий потік. Цей потік відхиляється ліворуч від вектора вітру, якщо кут між вектором вітру і віссю у відрізняється від 0 або 180, а при цих кутах геострофічна течія направлена по вітру. Його швидкість залежить від зовнішніх визначальних параметрів ШПШ. При вітрі, який дує по нормалі до берегової межі, модуль швидкості геострофічної течії збільшується в міру наближення до берега і досягає максимального значення на відстані 100 м від берега. Збільшення глибини моря приводить до зменшення модуля геострофічної течії (експерименти проведені при Н15 м). Залежність знакозмінної геострофічної течії від напряму приводного вітру близька до синусоїди при заданій відстані від берега і глибині. Екстремуми цієї синусоїди досягнуті при різних значеннях кута між вектором приводного вітру з додатною віссю Ох в залежності від швидкості вітру і глибини моря. Ця залежність є наслідком згінно-нагінних явищ. Отриманий кількісний опис залежності вектора поверхневої течії від швидкості і напряму приводного вітру, глибини моря при різних значеннях відстані від берега. При вітрі, направленому від берега, швидкість поверхневої течії збільшується із збільшенням швидкості вітру і відстані від берега. Останнє пояснюється зменшенням швидкості геострофічної течії. При швидкості вітру не більше ніж 10 м/с, глибині моря не більше ніж 15 м при малих відстанях від берега (порядку 1 км) геострофічна течія зменшує модуль поверхневої течії, а при великих відстанях - практично не надає впливу. При розгляді залежності кута відхилення поверхневої течії від вітру зазначимо, що при кутах вектора вітру з віссю х, які відлічуються проти годинникової стрілки від 90 до 180 і від 270 до 360, поверхнева течія відхиляється праворуч від вітру, а при кутах від 0 до 90 і від 180 до 270 - ліворуч. Це пов'язано з тим, що поверхнева течія являє собою векторну суму чисто дрейфової течії (при відсутності згінно-нагінних явищ) і геострофічних течій (за рахунок згінно-нагінних явищ). Факт лівого відхилення поверхневої течії від вітру підтверджується даними спостережень. Урахування геострофічної течії приводить до значної зміни вигляду вертикальних профілів характеристик циркуляційно-турбулентного режиму. У прибережній зоні профілі складових залежать від напряму вітру і істотно відрізняються від профілю, отриманого без урахування геострофічної течії. Відмічається зменшення значення складових і зміна знаку поперечної складової швидкості течії з глибиною при урахуванні геострофічної течії. З віддаленням від берега ці відмінності меншають. Зміна циркуляційної структури ШПШ приводить до модифікації вертикальної структури турбулентного перемішування. Коефіцієнт вертикальної турбулентності досягає максимуму на поверхні. Значення цього максимуму залежить практично тільки від швидкості приводного вітру. Вигляд профілю коефіцієнта турбулентності поблизу берега залежить від напряму вітру. При невеликому значенні геострофічної течії вертикальний профіль коефіцієнта турбулентності має ще другий максимум в центральній частині по вертикалі, коли геострофічна течія досить велика, другого максимуму не спостерігається і коефіцієнт вертикальної турбулентності монотонно убуває з глибиною. Це підтверджує ідею про те, що урахування геострофічної течії істотно змінює динаміку ШПШ. Достовірність отриманих закономірностей підтверджується тим, що на значній відстані від берега вони не відрізняються від закономірностей, отриманих за допомогою чисто одновимірної моделі і зіставленням з даними вимірювання швидкості поверхневої течії.

У третьому розділі "Моделювання тривимірного шельфового пограничного шару" розглядаються результати тривимірного моделювання ШПШ. Передусім, показано, що оптимальним виявився вибір початкових умов за результатами квазідвовимірного наближення. Кількісний опис закономірностей просторового розподілу течій і характеристик турбулентності був виконаний в двох напрямах: 1) методом чисельних експериментів досліджувався відгук внутрішньої структури ШПШ на задані характеристики зовнішніх впливів; 2) відновлювався горизонтальний і вертикальний розподіл характеристик ШПШ для конкретних прибережних зон (Одеська затока і Південно-Китайське море).

Чисельні експерименти по моделюванню ШПШ проведені для прямокутної розрахункової ділянки з трьома рідкими і однією береговою бічною межею, вздовж якої направлена вісь Оу так, щоб зліва від напряму осі у розташовувалася суша. Напрям вітру відлічується від осі Оу за годинниковою стрілкою, так що для цієї системи координат при додатному куті вітер має складову, направлену від берега. Експерименти проведені для зовнішніх параметрів, постійних і змінних по осі х. Вздовж координат у зовнішні параметри не міняються, так що у всіх проведених чисельних експериментах неоднорідність отриманих гідрофізичних полів у вздовжбереговому напрямі невелика через відсутність причин, породжуючих цю неоднорідність. В результаті у всіх експериментах геострофічна течія направлена вздовж берега аналогічно квазідвовимірному наближенню.

Розглянемо результати експерименту для вітру постійної швидкості 10 м/с і змінного напряму, що описує коло з кроком 45, глибини (від 5 до 15 м), яка міняється, розмірів розрахункової області 20 км 10 км, горизонтального кроку 1 км (експеримент № 1). Отримано, що з віддаленням від берега модуль вектора геострофічного течії меншає. Вектор геострофічної течії змінює свій напрям на зворотне на відстані порядку 10 км в порівнянні з напрямом біля берега. Починаючи з відстані 7 км від берега, модуль швидкості геострофічного течії не перевищує 0,5 см/с при всіх напрямах вітру. Максимальне значення швидкості геострофічної течії при всіх напрямах вітру спостерігається на відстані 2 км від берега. Це значення змінюється при різних напрямах вітру. Найбільша за абсолютним значенням швидкість геострофічної течії спостерігається при напрямах -135 і 45, і складає близько 9 см/с. Найменші значення швидкості геострофічної течії (близько 1 см/с) досягаються при напрямі вітру -45 і 135.

Швидкість поверхневої течії при кожному напрямі вітру з віддаленням від берега меншає, крім напрямів вітру по нормалі до берега і від нього, коли спостерігається слабке збільшення швидкості до відстані 4 км, а потім його зменшення. Швидкість течії залежить від напряму вітру. Чим ближче до берега, тим сильніше виражається ця залежність. Найбільші значення швидкості поверхневої течії спостерігаються, коли вітер дує вздовж берега (напрям 0 і 180), значення швидкості течії близько 29 см/с. Це пов'язано з тим, що геострофічне і дрейфова течії направлені в один бік. Найменші значення (близько 15 см/с) досягаються, коли вітер дує по нормалі до берегової межі (напрям відповідно -90 і 90), коли кут між геострофічною і дрейфовою течією досягає великих значень. З віддаленням від берега ця залежність зберігається, але амплітуда коливання зменшується.

У розрахунковій області вектор течії на поверхні моря відхиляється праворуч від вектора вітру. З віддаленням від берега вектор течії спочатку повертає праворуч, тобто кут відхилення збільшується і досягає максимального значення на деякій відстані (порядку 10 км), при подальшому віддаленні від берега кут відхилення трохи меншає. На відстані 1 км від берега при напрямах вітру -90, -45, 90 і 135 кут відхилення становить 40, при вздовжбереговому вітрі кут відхилення значно менше - 13 (табл. 1).

У даному експерименті поперечна складова змінює знак з глибиною при напрямах вітру -90, -45 і 135, подовжня при -135 і 45, а при інших напрямах вітру складові швидкості зберігають свій знак у всій товщі ШПШ. На всіх горизонтах модуль вектора течії меншає з віддаленням від берега, тільки при вітрі по нормалі до берега (напрям 90) швидкість течії росте з віддаленням від берега при відстані не більше ніж 4 км. Потрібно мати на увазі, що описаний в даному експерименті процес турбулентного перемішування формується з урахуванням ефекту обвалення хвиль, яке виявляється при швидкості вітру більше ніж 6 м/с.

Коефіцієнт вертикальної турбулентності K_z на поверхні моря досягає максимального значення, яке має порядок 70-80 см ²/с. При однаковій відстані від берега значення K_z мало залежить від напряму вітру, однак, можна помітити занижені значення коефіцієнта вертикальної турбулентності при напрямах -90 і 45. З віддаленням від берега значення коефіцієнта вертикальної турбулентності меншають.

У приповерхневому шарі спостерігається зменшення K_z і мінімум його значення на горизонті =0,1_0,2. Значення цього мінімуму майже в два порядки менше, ніж значення K_z на поверхні моря. Після цього мінімуму коефіцієнт вертикального турбулентного перемішування зростає з глибиною. На горизонті =0,6-0,7 виділяється другий максимум K_z, який на порядок менше, ніж на поверхні моря. При > 0,7 порядок коефіцієнта вертикальної турбулентності становить 10^_1 см ²/с. Вказані закономірності характерні для всіх відстаней від берега. Однак, з віддаленням від нього на всіх горизонтах > 0,2 спостерігається зростання значень K_z. У всіх експериментах величина коефіцієнта вертикальної турбулентності і його профіль не залежить від напряму вітру.

Таблиця 1. Модуль (чисельник, см/с) і кут відхилення поверхневої течії від вітру (знаменник, град)

Оскільки в попередньому експерименті розраховувалась структура ШПШ, починаючи з 1 км від берега, то є сенс більш детально дослідити цю структуру поблизу берега з малим горизонтальним кроком (100 м). Це було зроблено за таких умов: вітер постійної швидкості 10 м/с і змінного напряму, що описує коло з кроком 30, при постійній глибині моря 5 м, розміри розрахункової області 1,2 км 1,2 км (експеримент № 2). Дістанемо, що геострофічна течія напрямлена в один бік в межах розрахункової області. Її швидкість розподіляється досить складним чином, максимальне значення швидкості при кожному напрямі вітру спостерігається біля берега, причому найбільше з них досягається при напрямі 30 (19 см/с), а найменше - при напрямі 150 (_1,6 см/с).

Отриманий розподіл швидкості поверхневої течії при різних напрямах вітру. При напрямах -180, -150, -120, 0, 30, 60 швидкість течії з віддаленням від берега зменшується, при напрямах -90, -60, 90, 120 - збільшується. При напрямах -30 і 150 швидкість течії на поверхні моря мало міняється з відстанню (див. табл. 1).

При розгляді характеру відхилення вектора поверхневої течії від вітру можна помітити, що при вздовжбереговому вітрі (напрям 0 і 180) течія відхиляється від вітру праворуч на невеликий кут (до 10 в залежності від відстані від берега). При напрямі -90, -60, -30, 90, 120, 150 вектор течії на поверхні моря відхиляється праворуч від вектора вітру, причому, якщо при напрямі -30 і 150 кут відхилення фактично постійний на всій розрахунковій області (27-29), то при напрямах -60 і 120 кут відхилення з віддаленням від берега меншає від 51 до 45, а при напрямах -90 і 90 - збільшується від 18 до 40. При напрямах вітру -150, -120, 30, 60 вектор поверхневої течії відхиляється ліворуч від вектора вітру на всіх відстанях від берега в розрахунковій області, біля берега кут відхилення становить 22-43. В міру віддалення від берега вектор течії повертається праворуч, кут відхилення зменшується до 8-13 на відстані 1200 м.

Поперечна складова міняє знак з глибиною при напрямах -90, -60, -30, 90, 120, 150; а подовжня - при 30, 60, 90, 120, 150, 180 (згінних вітрах). В основному модуль вектора течії на кожному горизонті меншає з віддаленням від берега, при вітрі, який дує по нормалі до берега, швидкість течії зростає.

Коефіцієнт вертикального турбулентного перемішування на всіх горизонтах має майже однорідний горизонтальний розподіл, який не залежить від напряму вітру. З глибиною спостерігається пониження K_z майже в два рази при =0,1, з глибини =0,3 до =0,8 коефіцієнт вертикальної турбулентності майже не міняється, в придонному шарі K_z меншає з глибиною до майже 10^_1 см ²/с біля дна.

Розглянемо експеримент № 3 з посилюючим вітром, оскільки при переході з суші на море, тобто на менш шорстку підстилаючу поверхню, швидкість вітру збільшується. У цьому експерименті вітер зростає з віддаленням від берега від 5 до 15 м/с, змінного напряму (_120, -90, -30, 0, 60, 90, 150, 180), глибина моря 5 м, розміри розрахункової області 20 км 10 км, горизонтальний крок 1 км, таким чином, горизонтальний градієнт швидкості вітру становить 0,5 м/с/км. Отримано, що з віддаленням від берега швидкість геострофічної течії змінюється складним чином. Зазначимо, що при напрямах -180, -120, 90, 0, 60, 90 на всій розрахунковій області геострофічна течія направлена в один бік, а при напрямах -30 і 150 спостерігаються стрибкоподібні зміни швидкості геострофічної течії з віддаленням від берега. Напевно, позначається складний взаємозв'язок підвищення швидкості вітру і збільшення відстані від берега.

На формування структури поверхневої течії ефект обвалення поверхневих хвиль впливає складним образом, оскільки швидкість вітру міняється в міру віддалення від берега. При швидкості вітру, яка не перевищує 6 м/с (відповідно при відстані від берега менше ніж 3 км в даному експерименті), не відбувається обвалення вітрових хвиль, отже, енергія, що передається турбулентним процесам, значно менше, ніж в зоні великих швидкостей, де спостерігається обвалення вітрових хвиль. З віддаленням від берега в зону збільшення вітру до 6 м/с (до 2 км), течія посилюється, при швидкості від 6 до 6,5 м/с - меншає (до 3 км), при подальшому збільшенні швидкості вітру відбувається зростання швидкості поверхневої течії. При цьому стрибок швидкості на відстані 2-3 км від берега може досягати 5 см/с. Поблизу берегової межі найбільші швидкості поверхневої течії (21 см/с) спостерігається при вздовжбереговому вітрі (напрями 0 і 180), при вітрі, що дує під кутом 90 до берега ці значення становлять 13 см/с. Поверхнева течія відхиляється від вітру праворуч. З віддаленням від берега спочатку кут відхилення збільшується і на відстані 7-8 км досягає максимального значення, яке залежить від напряму вітру і становить 27-38. При подальшому віддаленні від берега кут відхилення меншає до 23-26 поблизу відкритого кордону осі х (див. табл. 1).

В основному складові швидкості течії не змінюють знак з глибиною. Поперечна складова міняє знак з глибиною при напрямах -30 и 150, а подовжня при -120 і 60. На всіх горизонтах при всіх напрямах вітру модуль вектора течії збільшується з віддаленням від берега.

У розподілі коефіцієнта вертикального турбулентного перемішування можна відзначити верхній найбільш турбулізований шар від поверхні з максимальним значенням на поверхні моря. Чим більше відстань від берега, тим товстіший цей шар. Якщо відстань від берега не перевищує 5 км, верхній турбулентний шар проникає до глибини =0,1, а на ділянці від 6 до 11 км - до =0,2, при відстані від 12 до 16 км нижня межа цього шару приходиться на =0,3, а при більшій відстані товщина цього шару становить 40 % від глибини моря. Максимальне значення коефіцієнта вертикальної турбулентності (яке досягається на поверхні моря) з віддаленням від берега збільшується. Якщо на відстані 1 км від берега поверхневе значення K_z становить 1,3 см ²/с, то на відстані 6 км воно збільшується до 28 см ²/с, при відстані 12 км - 108 см ²/с, на відстані 19 км від берега коефіцієнт вертикальної турбулентності досягає 263 см ²/с. На горизонтах, розташованих нижче верхнього турбулентного шару, коефіцієнт вертикального турбулентного перемішування має порядок 10^_2 см ²/с.

У розділі 3 приведені результати застосування тривимірної моделі ШПШ для ділянки Одеської затоки з координатами 4627'20" - 4633'20" пн.ш., 3044' - 3053'20" с. д. з береговою межею, яка представляє собою лінію північ-південь. Ця ділянка має три рідкі межі. Були вибрані вітри, які мають найбільшу повторюваність за кліматичними даними (напрями західний, північно-західний, північно-східний, південно-східний, північний і швидкості 2-10 м/с). Таким чином, розраховані розподіли течії можна вважати кліматичними. Отримані закономірності просторового розподілу швидкостей течій і коефіцієнта турбулентності на вибраній ділянці. На рисунку 1 показаний горизонтальний розподіл глибини (1а), глибинного максимуму по вертикалі коефіцієнта вертикальної турбулентності при північно-західному вітрі швидкості 10 м/с (1б), поверхневої течії при вітрі швидкості 10 м/с, напряму північно-західному (1в) і північно-східному (1г). З отриманих оцінок виходить істотна відмінність в розподілі поверхневої швидкості в залежності від швидкості і напряму вітру. Характерні для всієї розрахункової області швидкості течії для однієї і тієї ж швидкості вітру при північному вітрі значно більші (від 9 до 24 см/с), а при західному вітрі менші (7-13 см/с), ніж при інших напрямах вітру (8-20 см/с). Максимальні значення швидкості поверхневої течії змінюються від 8 до 61 см/с в залежності від швидкості і напряму вітру і приходяться на канал з найбільшими значеннями глибини з віссю, розташованою вздовж осі х (при у = 4 км). Як правило, течія відхиляється праворуч від вітру, лише при північно-східному напрямі відмічається ліве відхилення. Загалом із збільшенням швидкості вітру відмічається помітне збільшення швидкості течії, лише при збільшенні швидкості вітру від 5 до 7,5 м/с швидкість течії збільшується трохи при західному вітрі, а при інших напрямах меншає. Це пов'язано з впливом ефекту перекидання вітрових поверхневих хвиль. На відміну від модельних експериментів за рахунок змінної глибини чітко виділяється просторова мінливість швидкості течії в обох напрямах - вздовж і упоперек береги. Коефіцієнт вертикальної турбулентності мало залежить від напряму вітру і на поверхні моря розподіл K_z майже однорідний. При невеликій глибині моря коефіцієнт вертикальної турбулентності монотонно убуває з глибиною. При глибині більше 5 м виділяються три максимуми в розподілі коефіцієнта вертикальної турбулентності. Найбільше значення максимуми на поверхні моря і воно коливається від 0,14 см ²/с при швидкості вітру 2,5 м/с до 80 см ²/с при швидкості вітру 10 м/с. У центральній по вертикалі частині спостерігається другий максимум при =0,5-0,6, і поблизу дна - третій. Перший максимум росте, а другий меншає із зростанням вітру, максимум біля дна практично не залежить від швидкості вітру. При швидкості вітру менше ніж 7,5 м/с профіль K_z досить гладкий з другий максимум більше, ніж перший, а при швидкості вітру не менше ніж 7,5 м/с найбільше значення K_z досягається на поверхні моря. Чітко виділяється залежність цього другого максимуму (рис. 1б) від горизонтальних координат. У зоні невеликих значень K_z ізолінії аналогічні ізобатам. Зона великих значень другого максимуму розташовується на південному сході розрахункової області, де спостерігаються великі глибини. Це пов'язано з неоднорідним розподілом глибини (рис. 1а).

Як ілюстрацію якості відновлення картини циркуляції, отриманої за допомогою тривимірного моделювання ШПШ, наведемо результати зіставлення розрахованих і фактичних значень швидкості і напряму поверхневої течії. На рис. 1д представлені значення розрахованого модуля вектора течії і дані вимірювань на рейдовому пункті спостережень в Одеській затоці за 1961-1973 рр. На рис. 1е представлені розраховані і виміряні кути відхилення вектора течії від напряму вектора вітру. Розраховані величини отримані в експерименті 2 (табл. 1) для відстані 0,3 км від берега, виміряні величини наведені Івановим Р.Н. на основі даних спостережень течій. Середнє абсолютне розходження розрахованих і виміряних модулів течії (2 см/с) лежить в межах похибки вимірювань. Отримане розрахункове відхилення вектора течій ліворуч від вектора вітру добре узгоджується з даними вимірювань. Узгодження результатів розрахунку і вимірювань підтверджує висновок про застосовність розробленої моделі для розв'язання прикладних задач прибережної мілководної зони моря.

Для тривимірної моделі ШПШ для задання верхніх граничних умов необхідно знати складові тангенціального напруження вітру і атмосферну динамічну швидкість. Тому в четвертому розділі "Кількісна оцінка параметрів зовнішнього впливу на морські акваторії (на прикладі Південно-Китайського моря)" показані результати уточнення цих величин за допомогою моделі атмосферного пограничного шару (АПШ) з використанням даних об'єктивного аналізу для періоду від 6 до 9 січня 1994 р., для якого у вибраному регіоні реалізується типовий синоптичний процес - друга фаза розвитку зимового мусону, при якому територія, що розглядається, знаходиться під впливом гребеня Азіатського антициклону.

З використанням моделі АПШ виявляється можливим зв'язати безпосередньо діагностичне і прогностичне поля тиску зі структурою ШПШ. Моделювання поля приводного вітру за допомогою моделі АПШ було виконано для району Південно-Китайського моря з координатами 8_18 пн. ш., 110_120 с. д. Отримані характеристики ШПШ для прибережної мілководної частини Південно-Китайського моря. Для всієї розрахункової області розраховані турбулентний потік тепла, атмосферна динамічна швидкість і середня висота сталого хвилювання. Відзначимо основні закономірності розподілу параметрів, необхідні для розрахунку характеристик ШПШ.

Розподіл вітру і висоти хвиль має значну горизонтальну мінливість. Часова динаміка характеризується ослабленням швидкості вітру і висоти хвилі (відповідно від 11,7 до 8,9 м/с і 1,45 до 0,85 м), потім невеликим посиленням (до 9,6 м/с і 0,97 м) і ослабленням наприкінці періоду (до 8,1 м/с і 0,69 м). При цьому швидкість поверхневої течії відповідно зменшується від 19,2 см/с на початку періоду до 12,0 см/с наприкінці. Невелике збільшення швидкості вітру не приводить до посилення швидкості поверхневої течії через те, що при цьому вітер змінює напрям з північно-східного на східний, і швидкість геострофічної течії меншає.

У термічному взаємозв'язку атмосфери і океану на початку періоду переважала передача тепла з океану в атмосферу і спостерігалась максимальна абсолютна величина потоку, а потім контраст температури води і повітря зменшувався, потік тепла поступово змінював напрям на більшій частині акваторії на зворотний. Максимальна величина додатного потоку поступово поменшала від 37 до 9,3 Вт/м ², а значення модуля потоку від атмосфери до океану спочатку знижувалось від 15 до 10 Вт/м ², а потім зросло до 15 Вт/м ². У полі динамічної швидкості на початку періоду сталося деяке зменшення від 0,47 до 0,30 м/с, потім - збільшення від 0,30 до 0,36 м/с і в кінці періоду - пониження динамічних швидкостей від 0,36 до 0,29 м/с, що пов'язано з часовою динамікою поля вітру.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ

Сформульована постановка задачі кількісного опису нестаціонарного стратифікованого бароклінного шельфового пограничного шару з урахуванням основних зовнішніх і внутрішніх механізмів формування його внутрішньої структури для обмеженої тривимірної розрахункової області моря з топографічно складним рельєфом дна.

Розроблений і реалізований розрахунковий метод визначення векторів течії і параметрів турбулентності для ШПШ.

Побудоване квазідвовимірне наближення для опису ШПШ як спрощений варіант тривимірної моделі, який дає прийнятну точність розрахунку поверхневої течії і досить простий для застосування в оперативній практиці.

Виявлені основні закономірності турбулентно-циркуляційної структури ШПШ для широкого діапазону гідрометеорологічних і морфометричних параметрів.

Показаний теоретично і підтверджений експериментальними даними факт лівого відхилення вектора поверхневої течії від вектора вітру.

Розрахований тривимірний просторовий розподіл векторів течій і характеристик турбулентності в прибережній зоні Одеської затоки для швидкості і напряму вітрів, які мають найбільші кліматичні повторюваності.

Розроблений і застосований для розрахунків структури ШПШ метод, який дозволяє зв'язати діагностичне і прогностичне поля тиску для кількісної оцінки характеристик прибережної зони моря і параметрів взаємодії атмосфери і морської акваторії (на прикладі Південно-Китайського моря).

Достовірність моделі підтверджена узгодженням розрахованих і виміряних модулів і напрямів вектора поверхневої течії.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Ле Тхи Куинь Ха. Адаптированная одномерная модель циркуляции водных масс в прибрежной зоне // Метеорология, климатология и гидрология, - Одесса, 1997, Вып. 34, С. 42_55.

2. Ле Тхи Куинь Ха. Вклад вдольберегового геострофического течения в формировании структуры шельфового пограничного слоя // Метеорология, климатология и гидрология, - Одесса, 1998, Вып. 35, С. 374-385.

3. Ле Тхи Куинь Ха. Количественные характеристики взаимодействия атмосферы и океана в тропической зоне // Метеорология, климатология и гидрология, - Одесса, 1997, Вып. 38, С. 386-394.

4. Le Thi Quynh Ha. One-dimensional modified model of the water circulation in the coastal region// Vietnam Meteorology and Hydrology. -1997. -№ 12. - pp. 25-33.

АНОТАЦІЇ

Ле Тхи Куінь Ха. Моделювання шельфового пограничного шару. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.08 - океанологія. Одеський гідрометеорологічний інститут, Одеса, 1999.

Дисертація присвячена розробці методу кількісного опису турбулентно-циркуляційної структури прибережної мілководної зони моря - шельфового пограничного шару (ШПШ) і виявленню основних закономірностей тривимірного розподілу характеристик ШПШ. Постановка задачі кількісного опису нестаціонарного стратифікованого бароклінного ШПШ сформульована з урахуванням основних внутрішніх і зовнішніх механізмів для обмеженої тривимірної розрахункової області моря з топографічно складним рельєфом дна. Виписана система рівнянь гідротермодинаміки і турбулентного замикання і запропоновано метод визначення циркуляційних і турбулентних характеристик ШПШ шляхом чисельного розв'язання цієї системи для широкого діапазону гідрометеорологічних і морфометричних параметрів. Достовірність моделі підтверджена узгодженням розрахованих і виміряних модулів і напрямів вектора поверхневої течії. Показана можливість застосування розробленого методу в оперативній практиці на прикладі Одеської затоки і Південно-Китайського моря.

Ключові слова: турбулентність, шельф, пограничний шар, тривимірний розподіл, поверхнева течія, турбулентні характеристики, гідродинаміка, турбулентне замикання, оперативна практика, достовірність.

Le Thi Quynh Ha. Modeling of the shelf boundary layer. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by specialty 11.00.08 - oceanology. - Odessa State Hydrometeorological Institute, Odessa, 1999.

The dissertation is devoted to performance of the turbulence and circulation structure quantitative description method for coastal sea zone - the shelf boundary layer (SBL). This method was used for obtaining the main objection laws of three-dimensional distribution of the SBL parameters. The quantitative description task of the non-stationary stratified baroclinic SBL is formulated in account with the main internal and external mechanisms of SBL internal structure formation for the limited sea area with the orographical complex bottom. The hydrodynamic, thermodynamic and turbulent closure equation system is written. The method of determination for current vectors and turbulence characteristics is constructed with numerical solutions of this system for the wide spectra of hydrometeorological and morphometric parameters. The model reliability is confirmed by the agreement between calculated and measured surface current vector modules and directions. The performed method useness is shown on the calculation example for the Odessa Bay and South China Sea.

Key words: turbulence, shelf, boundary layer, three-dimensional distribution, surface current, turbulence parameters, hydrodynamics, turbulent closure, reliability.

Ле Тхи Куинь Ха. Моделирование шельфового пограничного слоя. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.08 - океанология. - Одесский гидрометеорологический институт, Одесса, 1999.

Диссертация посвящена разработке метода количественного описания турбулентно-циркуляционной структуры прибрежной мелководной зоны моря - шельфового пограничного слоя (ШПС) и выявлению основных закономерностей трехмерного распределения характеристик ШПС. Физическая постановка задачи описания ШПС выполнена с учетом влияния основных внешних и внутренних механизмов формирования внутренней структуры ШПС. Сформулирована замкнутая начально-краевая задача, описывающая структуру нестационарного стратифицированного бароклінного трехмерного ШПС, включающую в себя уравнения гидротермодинамики и турбулентного замыкания, внешние воздействия на формирование структуру ШПС. Рассмотрен квазидвумерный упрощенный вариант модели ШПС для выбора параметров, начальных и краевых условий, в рамках которого разработана методика учета сгонно-нагонных явлений путем расчета геострофического течения. Вблизи берега геострофическое течение порождается наклоном уровня моря, возникшим в результате сгонно-нагонного воздействия ветра. Это геострофическое течение играет существенную роль в формировании внутренней структуры ШПС. В частности с учетом геострофического течения удалось описать эффект левого отклонения поверхностного течения от ветра в северном полушарии, подтвержденный данными наблюдений, а также зависимость скорости поверхностного течения и коэффициента вертикальной турбулентности от направления ветра. Так как квазидвумерный вариант дает физически обоснованные результаты с приемлемой точностью, то он используется в качестве начальных условий для модели трехмерного ШПС. Проведены три вида численных экспериментов по моделированию ШПС для прямоугольного расчетного участка с одной береговой боковой границей, вдоль которой направлена ось Оу и тремя жидкими для следующих значений модельных параметров:

1) ветер постоянной скорости 10 м/с и переменного направления, меняющаяся глубина, размеры расчетной области 20 км 10 км, горизонтальный шаг 1 км;

2) ветер постоянной скорости 10 м/с и переменного направления при постоянной глубине 5 м моря, размеры расчетной области 1,2 км 1,2 км, горизонтальный шаг 100 м;

3) ветер возрастающей с удалением от берега, переменного направления, глубина моря 5 м, размеры расчетной области 20 км 10 км, горизонтальный шаг 1 км.

Приведем основные закономерности распределения характеристик ШПС, полученные в результате проведенных экспериментов. Поверхностное течение испытывает наибольшую изменчивость вблизи берега (до 3 км) и здесь при некоторых направлениях ветра отмечается левое отклонение течения от ветра. С ростом глубины скорость поверхностного течения уменьшается. Эффект обрушения ветровых волн проявляется в уменьшении поверхностного течения при увеличении ветра от 6 до 7 м/с. Вертикальный профиль коэффициента вертикальной турбулентности имеет максимум на поверхности моря, увеличивающийся с ростом скорости и не зависящий от направления ветра и расстояния от берега. В толще ШПС значение коэффициента турбулентности на 2 порядка меньше его поверхностного значения при опрокидывании ветровых волн и на один порядок - при его отсутствии. Выполнены расчеты по трехмерной модели ШПС применительно к Одесскому заливу для ветров, имеющих наибольшие повторяемости (З, СЗ, СВ, ЮВ и С ветры). Получены закономерности пространственного распределения скоростей течений и коэффициента турбулентности при указанных условиях. Самые большие максимальные скорости поверхностного течения наблюдаются при северном ветре и приходятся на канал с наибольшими значениями глубины. Как правило, течение отклоняется вправо от ветра, лишь при СВ направлении отмечается левое отклонение. Из полученных оценок следуют существенное различие в распределении поверхностной скорости в зависимости от скорости и направления ветра. В отличие от модельных экспериментов за счет горизонтальной неоднородности глубин четко проявляется пространственная изменчивость скорости течения вдоль и поперек берега. При всех направлениях ветра и глубине моря больше 5 м выделяются три максимума в вертикальном распределении коэффициента турбулентности (на поверхности моря, в средней части и вблизи дна). Первый максимум растет, а второй уменьшается с ростом ветра, максимум у дна практически не зависит от скорости ветра. Четко выделяется зависимость этого второго максимума от горизонтальных координат. Это связано с неоднородным распределением глубины. шельфовий пограничний турбулентна циркуляційна

Выполнено сопоставление рассчитанных и измеренных значений скорости и направления течения, которое подтверждает необходимость и возможность учета сгонно-нагонных явлений при описании прибрежной зоны моря. С помощью модели атмосферного пограничного слоя (АПС) рассчитаны верхние граничные условия с использованием данных объективного анализа. Оказывается возможным связать непосредственно диагностическое и прогностическое поля давления со структурой ШПС. Результаты моделирования поля приводного ветра с помощью модели АПС для района Южно-Китайского моря были применены для расчетов динамических скоростей, толщины слоя максимальной диссипации турбулентной энергии, турбулентного потока тепла и высоты волн для выбранного естественно-синоптического периода. Таким образом, основным результатом диссертационной работы является физически обоснованная и экспериментально подтвержденная модель шельфового пограничного слоя и выявленные закономерности пространственно-временного распределения полей течений и характеристик турбулентности с учетом основных физических и морфометрических факторов и для различных географических регионов.

Ключевые слова: гидродинамика, шельф, пограничный слой, замыкание, трехмерное распределение, поверхностное течение, вертикальный профиль, турбулентные характеристики, физическое обоснование, экспериментальное подтверждение.

Размещено на Allbest.ru