WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

лаб. прибрежных систем АО ИО РАН кф-мн Б.В.Чубаренко. Благодарна коллегам за заинтересованные обсуждения и полезные рекомендации: дгн В.Ф.Дубравину, кф-мн Н.Н.Голенко, кгн А.Н.Бабакову, кф-мн Н.Ю.Демченко, сотрудникам из лаборатории прибрежных систем АОИОРАН за всестороннюю помощь и поддержку в работе, коллегам географического факультета РГУ им. Канта за участие в обсуждении и полезные замечания.

С глубокой благодарностью отмечаю роль своего первого научного руководителя дф-мн, проф. В.Н.Анучина, без которого я не могла бы состояться как океанолог.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Предмет исследования – пространственная структура и внутригодовая изменчивость горизонтального водообмена в Балтийском море. Во Введении представлена общая характеристика работы, сформулированы цели исследования, обоснована актуальность и практическая значимость решаемой научной задачи, кратко изложено содержание диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту. Далее изложение материала построено следующим образом.

Глава 1 посвящена обзору и анализу публикаций по современному состоянию исследований Балтийского моря. В разделе 1.1 приводится краткое физико-географическое описание Балтийского моря и его гидрологического режима. Раздел 1.2 представляет собой обзор работ по межбассейновому обмену в Балтике. Анализ публикаций последних лет свидетельствует, что основное внимание исследователей было сосредоточено на изучении особенностей циркуляции вод Балтийского моря (Meier, Kauker, 2004; Meier et al., 2004; Ds et al., 2004; Hagen, Feistel, 2007; и др.). Часть работ посвящена численному моделированию мезомасштабной циркуляции: распространению затоковых североморских вод (Журбас, Пака, 1997;

Журбас и др., 1999; Zhurbas, Paka, 1999; Журбас, Пака, 2001; Zhurbas et al., 2003; Meier et al., 2006; Kuzmina et al., 2005.; Пака, Голенко, 2004; Гриценко, Юрова, 1997; и др.), мезомасштабных вихрей (Kuzmina et al., 2005;

Кузьмина и др., 2008; Журбас, Пака, 1997; Журбас и др., 2002). Численное моделирование водо-, тепло- и солеобмена между бассейнами Балтийского моря (Lehmann et al, 2002; Andrejev et al., 2004; Meier, 2005; Savchuk, 2005;

Myrberg, Andrejev, 2006; и др.) позволило оценить зависимость их потоков от вариаций режимообразующих факторов (речного стока, ветрового режима и т.д.). В разделе 1.3 приведен обзор численных моделей, применяющихся в исследованиях Балтийского моря. Рассматриваются задачи, решаемые методами численного моделирования (Stigebrandt, 1987; Omstedt et al., 2000; Schrum, 2001; Lehmann et al., 2002; Stigebrandt, Gustafsson, 2003; Коротенко, 2003; Jankowski, 2003; Meier, 2003; Meier, Kauker, 2003;

Gustafsson, 2004; Andrejev et al., 2004; Zhurbas et al., 2004; Ds et al., 2004;

Meier, 2005; Odakowski et al., 2005; Jdrasik, 2005; Rudolph, Lehmann, 2006;

Meier et al., 2006; и др.). Раздел 1.4 посвящен обзору экологических проблем Балтийского моря (Роотс, Пустельников, 1992; Блажчишин, Краснов, 1998; Емельянов и др., 1999; Литвин, Нарожная, 1999; Израэль и др., 1999;

Матишов и др., 2000; Геоэкология шельфа и берегов морей России, 2001;

Краснов, 2002; Емельянов, Кравцов, 2002; Орлёнок и др., 2002; Орлёнок, Рябкова, 2003; Коротенко, 2003; Пака, 2004; Емельянов и др., 2005; Roose, Roots, 2005; Пака и др., 2007; Ilus, 2007; Bartnicki, 2007; Knuuttila, 2007; и др.).

Несмотря на многочисленность исследований Балтийского моря, информация о количественных характеристиках водообмена внутри бассейнов в настоящее время практически отсутствует, хотя является важной и с точки зрения фундаментальных вопросов общей динамики вод, и для широкого спектра практических приложений.

В главе 2 излагаются этапы создания численной модели динамики вод Балтийского моря на основе трёхмерной негидростатической численной модели MIKE3-FlowModel (DHI Water & Environment, http://www.dhi.dk): усвоение натурных данных, настройка внутренних параметров модели и её верификация путём сравнения с независимыми рядами натурных данных и исследованиями других авторов.

В разделе 2.1 описывается профессиональная лицензионная трёхмерная гидродинамическая численная модель MIKE3-FlowModel. Семейство моделей MIKE – лицензионное программное обеспечение, разрабатываемое Датским Гидравлическим институтом и институтом Качества Воды (DHI Water & Environment; http://www.dhi.dk/) для моделирования гидродинамических, гидрохимических, гидробиологических, эвтрофикационных и других процессов в эстуариях, заливах, озёрах, прибрежных зонах, морях и океанах. Гидродинамический модуль (HD) является основным модулем MIKE3; он позволяет рассчитать трёхмерные течения на реальной батиметрии, учитывая наиболее важные внешние воздействия – переменные во времени и пространстве метеорологические условия (ветер, температуру воздуха, облачность, влажность, прозрачность атмосферы), приливы, сток рек, теплообмен с атмосферой (с учётом суточного хода солнечной радиации в зависимости от широты), трение о дно, вращение Земли. Математической основой MIKE3 являются уравнение сохранения массы, уравнения Навье-Стокса (с осреднением по Рейнольдсу) в трёх измерениях, включая эффекты турбулентности, уравнения сохранения для солености и температуры, уравнение состояния морской воды. Для параметризации турбулентности была выбрана модель Смагоринского (Smagorinsky, 1963). Решение получается на прямоугольной регулярной сетке; толщина слоёв по вертикали также постоянна.

Рис.1 а) Область моделирования и батиметрия модельного бассейна на прямоугольной регулярной сетке 306 ячеек (5 км 5 км). Показано положение разрезов и контрольных профилей BY15, BY5, BY9, Х100, Z55, использовавшихся для настройки модели.

В разделе 2.2 приведена характеристика натурных данных, положенных в основу моделирования.

За основу информации о батиметрии взяты данные http://www.iowarnemuende.de. Расчёты проводились на регулярной прямоугольной сетке 152 306 ячеек по горизонтали (5 км 5 км) (рис.1), 92 слоя по вертикали (шаг 4 м); шаг по времени, определяемый условием близости к единице числа Куранта, составляет с. Пространственный шаг сетки выбран исходя из опыта моделирования HIROMB (http://www.smhi.se) и рекомендаций Межправительственной Панели Изменения Климата (International Panel of Climate Change (http://www.ipcc.ch)). В качестве начальных трёхмерных полей температуры и солёности использовались данные на февраль (Janssen et al., 1999) (помесячные среднемноголетние данные за период 1900-1996 гг.). Поля заданны пространственной интерполяцией по 30 профилям T и S на весь модельный бассейн. На открытой границе, помещённой в Северном Каттегате, поле солености и температуры T, S (x, z, t) задаётся по среднемесячным данным (Janssen et al., 1999). В процессе моделирования, температура воздуха над поверхностью моря задаётся пространственной интерполяцией по 30 точкам, в которых значения меняются помесячно в течение года в соответствии со среднемноголетними данными (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992). Для поля ветра (единого для всей Балтики) использованы данные ежедневных измерений за 2007 г. на станции Висбю (о.

Готланд (http://rp5.ru/)). Облачность задана по среднемесячным данным (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992); речной сток распределён по 21 источнику с изменениями согласно среднегодовому ходу (помесячно) (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992, Sea and Coast, 1992). Длительность модельного расчёта составляла 2 года; для второго года использовались те же – помесячные среднемноголетние – внешние условия; время установления модели составляет около 2 месяцев (первого года моделирования); анализ водообмена основан на данных второго года моделирования.

В разделе 2.3 описывается процесс настройки модели с использованием следующих натурных данных (рис.1): вертикальные профили температуры и солености вод в центре (BY15) и южной части Готландской впадины (BY9), в Борнхольмской впадине (BY5); горизонтальные профили температуры и солёности на поверхности в открытой части моря (X100), горизонтальные профили температуры воды на поверхности над шельфом восточной части центральной Балтики (Z55). Внутренними параметрами модели, с помощью которых проводилась калибрация, являются безразмерные коэффициенты горизонтального и вертикального турбулентного обмена (формулировка Смагоринского (Smagorinsky, 1963)) и коэффициент трения о дно; проводилось тестирование на чувствительность решения к величине коэффициента трения ветра и вариациям облачности. Результаты моделирования с разными коэффициентами горизонтального турбулентного обмена (0.44-2.64) на июнь показаны на рис.2: представлены вертикальная структура температуры воды в центре Готландской впадины (BY15) и горизонтальные профили температуры поверхности вод в открытой части Балтийского моря (X100). По результатам сравнения со среднемноголетними данными (Janssen et al., 1999), модель наилучшим образом воспроизводит глубину залегания холодного промежуточного слоя и падение температуры воды с юга на север при коэффициенте горизонтального турбулентного обмена 1.76. Детальный сравнительный анализ показал, что модель в целом хорошо воспроизводит ход полей температуры и солёности; наилучшее совпадение со среднемноголетними данными наблюдается в Центральной и Юго-Восточной части Балтики; удовлетворительное совпадение – в Южной и Северной частях Балтики.

Аналогичный процесс калибрации по величине коэффициента вертикального турбулентного обмена привёл к величине 0.264, трение о дно – 0.05. Коэффициент трения ветра – 0.0016.

june BY15 june_Xtemperature, C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2.1.0.2.1.0.0.44 0.Janssen et al., Janssen et al., 0 150000 300000 450000 distance, m а) б) Рис.2. Калибрация модели: результаты моделирования с разными коэффициентами горизонтального турбулентного обмена: а) вертикальные профили температуры воды в Готландской впадине (BY15); б) горизонтальные профили температуры поверхности вод в открытой части Балтики (X100).

Среднемноголетние данные (Janssen et al., 1999) обозначены точками.

В разделе 2.4 описывается процесс и результаты верификации модели. Рассматривается сезонная динамика вертикальных профилей температуры воды в Готландской и Борнхольмской впадине. Сравнение с натурными данными (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992) показало, что в вертикальной термической структуре вод во впадинах хорошо прослеживается верхний квазиоднородный или прогретый слой, холодный промежуточный слой, глубинная более тёплая вода. В таблице приведены данные по глубине залегания ядра ХПС в Готландской впадине.

Модель хорошо воспроизводит динамику вертикального профиля температуры воды, глубину залегания ядра ХПС и его заглубление со временем.

Проводится анализ среднемесячных полей температуры воды на поверхности. На рис.3 приведены графики температуры воды на горизонтальном разрезе вдоль оси Балтийского моря (рис.3а) – среднемесячной для октября (рис.3б) и среднегодовой (рис.3в) – модельный расчёт в сравнении с диапазоном изменения за 1990-2004 гг. (Siegel, Gerth, 2007). Проведено сравнение годового хода среднемесячной температуры поверхности depth,m temperature, C воды для Арконской и Готландской впадины. Показано, что модель дает немного заниженные величины (на 1.0-2.5°С) для летнего и осеннего сезона, по сравнению с данными за период 1990-2004 гг. (Siegel, Gerth, 2007), но они находятся в хорошем соответствии с результатами численных экспериментов (Omstedt et al., 2000) для Готландской впадины (BY15).

Таблица 1 – Глубина залегания ядра ХПС в Готландской впадине по натурным и модельным данным Глубина залегания ядра ХПС, м (Гидрометеорология и сезон гидрохимия морей Модель СССР, 1992) весна 40-50 20-лето 50-60 40-осень 60 70-Рис.3. Положение поперечного разреза через центральные бассейны Балтийского моря. Температура воды на поверхности: б) среднемесячная для октября; в) среднегодовая. Модельный расчёт (непрерывная кривая) в сравнении с диапазоном изменения за 1990-2004 гг.

(Siegel, Gerth, 2007) (отдельные крупные тёмные точки).

Далее анализируются среднемесячные поля солености воды на поверхности. В модели не учитывается ледовая обстановка, поэтому расчётные значения солености в северных районах Балтики несколько отличаются от среднемноголетних (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992) (на ~0.2 psu). В модели наблюдается небольшое отклонение от широтного распределения изохалин, но в целом картина соответствует среднемноголетнему распределению солености и качественно совпадает с результатами численных экспериментов (Eilola, Stigebrandt, 1998; Lehmann et al., 2002).

Проводится сравнительный анализ системы общей поверхностной циркуляции вод в Балтийском море по различным данным. В целом, в рассчитанном движении вод прослеживается общее циклоническое направление в верхнем однородном слое, отмечавшееся многими исследователями (Добровольский, Залогин, 1982; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992; Sea and Coast, 1992; и др.). Циркуляция имеет достаточно сложную пространственную структуру. Модельный расчет для Ботнического залива дает картину движения вод, которая находится в хорошем согласии с результатами численного эксперимента (Myrberg, Andrejev, 2006), для Финского залива – в удовлетворительном согласии с результатами численного эксперимента (Andrejev et al., 2004). Для собственно Балтийского моря результаты расчета дали картину, качественно близкую к результатам, представленным (http://www.balticuniv.uu.se/).

Проведено сравнение с опубликованными данными величин компонент водного баланса отдельных частей моря. Наибольшие расхождения результатов численного моделирования с данными других источников (Sea and Coast, 1992; Savchuk, 2005; и др.) по величинам компонент обмена установлены между Боттенвиком и Ботническим морем, что связано с отсутствием учёта ледовой обстановки; между Балтийским и Северным морем (Соскин, 1963; Sea and Coast, 1992; Savchuk, 2005; и др.), что можно связать со сложностью адекватного воспроизведения узких Датских проливов при относительно большом шаге численной сетки. Получено хорошее соответствие величин компонент обмена между собственно Балтийским морем и Ботническим заливом (Fonselius, 1971; Dahlin, 1976; Ehlin, Ambjrn, 1978; Sea and Coast, 1992; и др.), с Финским заливом (Witting, 1912; Savchuk, 2005; Andrejev et al., 2004) (расхождение не более 20 %). В общем, модель удовлетворительно воспроизводит водный баланс отдельных частей моря.

Таким образом, по всем рассмотренным характеристикам верификация модели показала хорошее и удовлетворительное соответствие с опубликованными данными.

Глава 3 посвящена анализу режима водообмена в Балтийском море.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.