WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 ||

Для оценки вклада адвекции количества движения в динамику вод Балтийского моря в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов в уравнениях движения отключались адвективные ускорения и полученные таким образом результаты анализировались и сравнивались с результатами решения полной задачи. Результаты показали, что нелинейные эффекты, связанные с адвекцией количества движения, практически не влияют на постоянную циркуляцию Балтийского моря. Максимальные значения средних за год остаточных течений были всего лишь 0.05 см/с. Для подавляющего большинства регионов Балтики адвективные ускорения не вносят также заметного вклада и в средний уровень моря. Среднегодовые значения остаточного уровня везде не превышают 0.5 см. Исключение составляет район к северо-востоку от о. Котлин и Невская губа Финского залива, где эти значения достигают +34 см. Этот результат говорит о том, что нелинейные эффекты, связанные с работой адвективных ускорений вносят очень значительный вклад в формирование поля среднего уровня моря на самом востоке Финского залива.

Оцененные за год по среднесуточным модельным рядам дисперсии низкочастотных колебаний уровня, полученные с учетом и без учета адвективных ускорений, а также разности между ними, показывают, что в целом за год, за исключением восточной части Финского залива, вклад адвекции количества движения в суммарную дисперсию синоптических колебаний уровня очень низкий и не превышает 1 - 3%. На самом востоке Финского залива влияние адвективных ускорений очень существенно. Причем, здесь, в районе о. Котлин при исключении влияния адвективных ускорений происходит увеличение дисперсии колебаний уровня более чем в 2 раза, а в восточной части Невской губы – ее снижение на 30-40%.

Cравнение модельных рядов среднесуточных значений уровня моря в Невской губе, рассчитанных с учетом и без учета адвективных ускорений показало, что учет адвекции количества движения приводит к заметному преобладанию нагонов уровня моря над их сгонами. Можно предположить, что здесь за счет адвективных ускорений происходят значительные нелинейные взаимодействия между стоком Невы и низкочастотными волновыми возмущениями уровня анемобарического происхождения, типа топографических волн Россби, которые, согласно результатам, представленным в работе (Динамика вод Балтийского моря…, 2007) вносят существенный вклад в синоптическую изменчивость уровня в восточной части Финского залива.

Для проверки этой гипотезы был проведен еще один численный эксперимент. В этом эксперименте было отключено влияние стока всех 29 рек, учитывавшихся в модели, при учете влияния адвективных ускорений. Отключение стока показало, что в целом для моря происходит уменьшение дисперсии уровня приблизительно на 5-7%. Исключением является район Датских проливов, где это уменьшение достигает 23%. При отключении стока рек, дисперсия течений, наоборот, в большинстве районов увеличивается. Это увеличение в центральной части моря не превышают 1%, однако, в локальных районах Ботнического и Финского заливов увеличение дисперсии течений достигает значений 30, 60 и даже 90 %. Значительное уменьшение дисперсии течений, достигающее 30-60%, происходит в 3-х локальных районах Ботнического залива.

Сравнение модельных рядов среднесуточных значений уровня моря в Невской губе, рассчитанных с отключенным речным стоком и с учетом и без учета адвективных ускорений показало, что речной сток не имеет большого влияния на формирование уровня моря. Разница уровней, полученных для полной задачи и задачи с отключенным речным стоком не превышает в районе Невской губы 5-7 см, тогда как отключение влияния адвекции количества движения приводит к очень значительному преобладанию сгонов уровня моря над нагонами.

При оценках дисперсии для отдельных сезонов года на самом востоке Финского залива отмечается выраженная нестационарность влияния адвективных ускорений на интенсивность синоптических колебаний уровня. Летом здесь, при отключении адвекции отмечается наибольшее увеличение дисперсии на большей части акватории, достигающее 302%, в то время как весной это увеличение достигает только 20% в очень локализованном районе Невской губы у побережья г. Ломоносова. Наибольшее уменьшение дисперсии синоптических колебаний уровня моря при исключении влияния адвективных ускорений происходит весной (на 78%), а наименьшее (до 3 – 6 %) – зимой. Влияние адвекции количества движения на дисперсию синоптических колебаний течений в среднем за год также низкое практически для всех районов моря и не превышает 1 – 3%. Только в локализованных районах Ботнического залива это влияние немного больше и составляет 5-7%.

При оценке дисперсии синоптических течений по сезонам заметное влияние на нее адвективных ускорений отмечается только в зимний период в локализованных районах Ботнического залива и на самом востоке Финского залива. Наибольшее увеличение дисперсии при отключении адвективных ускорений здесь достигает 52%, а ее уменьшение – 13%.

Сравнение спектров модельных низкочастотных колебаний уровня и течений, рассчитанных с учетом и без учета адвективных ускорений на большей части акватории Балтийского моря не выявляет существенных изменений их спектральной структуры. Лишь в отдельных точках моря при исключении влияния адвекции количества движения отмечается незначительное увеличение спектральной плотности на периодах изменчивости около 8 суток. Совершенно другая картина наблюдается при сравнении спектров уровня, рассчитанных для района Невской губы. Здесь при включении адвективных ускорений происходит заметное уменьшение спектральной плотности в диапазоне периодов приблизительно от 2.5 до 20 суток и ее значительный рост в диапазоне периодов более 20 суток. Этот результат свидетельствует о том, что в Невской губе за счет нелинейных взаимодействий, связанных с работой адвективных ускорений в уравнениях движения, происходит передача энергии от возмущений уровня из высокочастотного диапазона в более низкочастотную область спектра колебаний синоптического масштаба, т.е. работает эффект «отрицательной вязкости».

Это подтверждается результатами вейвлет-анализа модельных рядов уровня в Невской губе, рассчитанных по полной и частной (без адвективных ускорений) задачам. Вейвлет-анализ модельного ряда уровня (базисные вейвлеты Морле), полученного с учетом влияния адвективных ускорений, выявляет максимумы энергии в январе-феврале на годовом периоде и его третьгодовом обертоне, с сентября по декабрь – на годовом периоде и его полугодовом обертоне, а также в диапазоне периодов 50 – 80 суток. С апреля по август энергия колебаний уровня сосредоточена в основном на низких частотах (на периодах от 140 суток до 1 года). В феврале-марте, а также в августе – сентябре отмечаются потоки энергии от колебаний меньших масштабов к колебаниям более крупных масштабов. В апреле-мае и сентябре-октябре, наоборот, энергия перераспределяется от крупных масштабов к мелким. При исключении влияния адвекции количества движения исчезают энергетические максимумы в низкочастотной области на периодах 240 суток – 1 год, а с мая по декабрь происходит резкое снижение энергии и на других частотах сезонного и синоптического диапазонов. Обращает на себя внимание также тот факт, что при отключении адвективных ускорений с января по май продолжается перераспределение энергии между колебаниями разных временных масштабов в диапазоне периодов от нескольких суток до полугода. Этот процесс может быть связан с действием других нелинейных эффектов: адвекцией тепла и соли, придонным трением, мелководностью, заданием граничных условий на поверхности моря для вертикальной составляющей скорости течения.

В целом, интерпретируя результаты численных экспериментов, можно сказать следующее. На большей части акватории моря адвекция количества движения не оказывает заметного вклада в пространственно-временную изменчивость уровня моря. Исключение составляет Невская губа Финского залива, где за счет работы адвективных ускорений происходит существенное увеличение среднего уровня (+34 см), значительные изменения дисперсии его низкочастотных колебаний и преобладание нагонов уровня над сгонами, что, по-видимому, увеличивает подверженность данного района к воздействию наводнений. За исключением весеннего периода, влияние адвекции здесь приводит к уменьшению в несколько раз дисперсии колебаний уровня. Весной, наоборот, на большей акватории Невской губы происходит рост дисперсии низкочастотных колебаний уровня на 50-80%.

Заметное влияние адвективных ускорений на низкочастотную изменчивость течений проявляется только зимой в центральной и северной частях Ботнического залива, а также в Невской губе, где, в локальных районах, за счет адвекции происходит как уменьшение (на 10-50%), так и увеличение дисперсии течений (на 5-13%).

Можно предположить, что в районах, где за счет адвекции количества движения отмечается уменьшение дисперсии колебаний уровня и течений, происходит диссипация энергии низкочастотных возмущений и осуществляется каскадный механизм передачи энергии от колебаний больших масштабов к меньшим. В регионах, где отмечается рост дисперсии низкочастотных колебаний уровня и течений, по-видимому, за счет явления отрицательной вязкости осуществляется передача энергии от колебаний меньших масштабов к более крупным. С подобным механизмом может быть связан также заметный рост среднего уровня моря в Невской губе.

Заключение

В представленной диссертационной работе решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение – исследованы и описаны пространственно-временная изменчивость и механизмы формирования плохо изученных полей уровня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России. Впервые такие исследования проведены с учетом динамики градиентно-вихревых волн и волн Кельвина и использованием спутниковых альтиметрических данных. Основные результаты исследования сводятся к следующему:

1. На основе подиапазонного дисперсионного анализа рядов уровня и течений, выполненного в нестационарном приближении показано, что во многих районах морей, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, в определенные временные периоды наибольший вклад в динамику вод вносят возмущения синоптического масштаба

2. В синоптическом диапазоне частот основные энергонесущие максимумы колебаний уровня и течений отмечаются в большинстве случаев не в диапазоне характерных частот прохождения крупномасштабных анемобарических образований типа атмосферных циклонов и естественного синоптического периода, а в более низкочастотной области спектра.

3. На основе предложенных моделей низкочастотной волны и синоптического вихря произведено их сравнительное кинематическое описание. Показано, что в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, синоптическую изменчивость уровня и течений определяют в основном не ветровые течения и синоптические вихри, а низкочастотные волны

4. С помощью статистического анализа контактных и спутниковых альтиметрических измерений оценены различные характеристики низкочастотных волновых возмущений в полях уровня и течений исследуемых морей и произведено их сравнение с теоретическими дисперсионными соотношениями различных типов градиентно-вихревых волн и волн Кельвина, которое позволило идентифицировать выделенные низкочастотные волны, как баротропные и бароклинные топографические волны Россби и внутренние волны Кельвина.

5. Энергоснабжение низкочастотных волновых возмущений течений в арктических морях, идентифицируемых как топографические волны и внутренние волны Кельвина, осуществляется эпизодически в определенных районах моря различными составляющими анемобарических сил. Очень большие различия в интенсивности синоптических течений в осенне-зимний и весенне-летний периоды года могут свидетельствовать о том, что в эти периоды работают разные механизмы передачи энергии от анемобарических сил к волновым возмущениям в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов. По-видимому, в периоды наибольшей интенсивности синоптических течений создаются благоприятные условия для резонансного механизма передачи энергии. В другое время осуществляется нерезонансный механизм передачи энергии, когда перемещающиеся над морем анемобарические возмущения выводят систему его вод из равновесного состояния, после чего релаксация этой системы к условиям равновесия происходит в виде свободных топографических волн и бароклинных волн Кельвина.

6. С помощью численных экспериментов на гидродинамической модели, выполненных при различных упрощающих сценариях на примере Балтийского моря оценены и описаны вклады разных процессов и факторов в формирование и эволюцию синоптических полей уровня и течений в шельфовых, частично замкнутых морях, которые позволили сделать следующие выводы:

  • В синоптическом диапазоне частот собственные (свободные) колебания уровня от начальных анемобарических возмущений быстро затухают и уже в конце первых 7 - 10 суток полностью исчезают, в то время как свободные колебания течений затухают сравнительно медленнее и отчетливо прослеживаются на всем интервале расчетов. Свободные синоптические возмущения течений идентифицируются как короткие и длинные баротропные топографические волны Россби. Система собственных колебаний Балтийского моря в синоптическом диапазоне частот реагирует избирательно на действие вызвавших их возмущающих сил в зависимости от их структуры и пространственно-временных масштабов. Учет размеров бассейна существенно влияет на пространственно-временные характеристики свободных градиентно-вихревых волн Балтийского моря.
  • После исключения вклада вращения Земли происходит существенное увеличение интенсивности колебаний уровня и течений на большей акватории открытой Балтики, главным образом, на периодах изменчивости от 1.5 до 3 месяцев, а в сравнительно узких прибрежных зонах и Рижском заливе, наоборот, значительное уменьшение их дисперсии во всем синоптическом диапазоне частот, которое связывается с фильтрацией волн Кельвина и топографических волн. Основные энергонесущие максимумы в диапазоне периодов 1.5-3 месяца в спектрах уровня и течений, отмечающиеся при условии f = 0, связаны с динамикой ветровых течений.
    Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»