Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование структуры и циркуляции Южно-Китайского моря на основе гидродинамических уравнений со свободной поверхностью

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование структуры и циркуляции Южно-Китайского моря на основе гидродинамических уравнений со свободной поверхностью"

РГ6 о л

государственна; комитет по вшшш образозлккю

РЮСШСКШ ГОСУДАРСТВЕННЫ.! ГИНРШШСРШЮГИЧЕСКИЯ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

НГУЕН КИ У/КГ МОДКЯПОЗДНИЕ СТРУКТУРЫ И ЦИРКУЛЯЦИИ КИНО-КИТАЙСКСГО МОРЯ НА ОСНОВЕ ПЩРОДШАШЕСКИХ УРАВНЕНИЕ СО СВОБОДНОЕ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Специаль.юоть: 11.00.08 - океанология

■автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физнко-матенаткческих наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Российском Государственном гидрометеорологическом институте

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор А.В.Некрасов, доктор физ-математичеоких наук, профессор Д.З.Чалкков.

Официальные оппоненти: доктор физ-математических няук -

Г.В. Алексеев;

кандидат Физ-математических наук -В. И.Сичев.

Ведуиая организация: Санкт-Петербургское отделение Государственного океанографического института. Министерство РосГидромета.

Зашита состоится "¿3 » Ср-Ш^Ж

на заседании Специализированного Ученого Совета К-06%. 19-04 пр1. Российском Государственном гидрометеорологическом институте по адресу: 195196, г.Санкт-Петербург, Мплоохтиноккй пр.98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного гидрометеорологического института.

Автореферат рааоолаи

Ученый секретарь Спеииплияиоовпниого Совета

< ♦

ОБШАЧ ХАРАКТЕР ГОТИКА РАБОТЫ

развития экономики Вьетнама, особенно морского промысла и нефтедобывающей промышленности, все болькее значение приобретают исследования гидрологического режима Юяно-Кнта;1ского моря, ватшеймич элементом которого является циркуляция вод. Проведение исследования, позволясцкх получить полнув картину течений моря в зимний и летний периоды, является поэтому весьма актуальным.

Цель.,» основное,.задачи работ». Целью настоящей работы является изучение трехмерно!') циркуляции вод моря на основе исходных уравнения гидротермодинамики океана со свободной поверхностью. В соответствии о этой целью в диссертации решаются следушие задачи:

- Создание базы данных для расчетов.

- Расчет полей температуры и солености.

- Выполнение теоретических оценок эффектов, обусловленных учетом верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) при моделировании.

- Диагностический и адаптационный расчет циркуляции в Шно-Китайском море.

^ работе впервые на основе гидрологических данных проведены диагностический и адаптационный расчеты морских течений, обеспечивающие более высокий уровень анализа динамики вод Гяно-Китайского моря.

П2пкт^иеское_значение. Результат», полученные в работе, могут быть использованы при решении ряда прикладных задач, в частности, для составления новых атласов течений Шно-Китайоко-го моря, навигационных пособий, технического обоснования инженерных сооружений в районах нефтепромыслов.

*

Апробация работу. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидромеханики Политехнического института г. Хоякмина и на кафедре динамики океана РГП.1И.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, Общий объем работы 151 страниц«}. включая Ю*» страниц" машинописного текста, 47 рисунок.

С0ДЕР1АНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования циркуляции вод Сяно-КиюПского моря, формулируются Цели и задачи диссертации.

В пеЕвоЯ_гляве дается описание основных особенностей . гидрометеорологического рек юла 'Аяно-Китайского моря.

В первом разделе дана общая характеристика моря. Климат Южп-Китайского моря относится к муссонно-тропическому типу.

характеризуется высокой температурой и выраженными двухсе-аонными аномалиями. Атмосферная циркуляция над морем в течение года характеризуется двумя системами ветров: северо-восточного и юго-западного направлений. Продолжительность существования каждой оистемы около 5 месяцев, первая наблюдается обычно с ноября по м^рт, вторая - о мая ро сентябрь. Апрель и октябрь -месяцы перестройки мусоонов.

Во втором разделе первой главы рассматриваются ооновные юрты гидрологических условий ¡Окно-Китайского моря, приводятся данные о. распределении температуры и солености по материаяам ряда экспедиций и литературно источникам.

Во втоеоЙ„главе ггркводится обзор молодой циркуляции океана.

В разделе 2.1. рассмотрены диагностические модели морских течений. Среди них следует отметить модель А.С.Саркисяна ( А.С.Саркисян, М., Наука, 1980 ), где используется информация об уровенкой поверхности океана ^ , а компоненты скорости и* и V- на поверхности и в толще моря рассчитываются с учетом касательных напряжений ветра и заданного поля плотности. Составляющие касательного напряжения ветра , вычисляется обычно с помощь» квадратичной зависимости между Г и скоростьо ветра.

Далее рассмотрена модель Холланда и Хирямана (Холланд, Хирпман, 1970), которые тгтае выполнили расчеты течений по заданно^ поли плотности. В различных экспериментах была рас-очитана циркуляция в барогропном океане с переменным рельефом дна, в бароклинном океане о ровным дпом и в бароклинном океапе переменной глубины.

В разделе 2. 2. рассмотрены некоторые прогностические Модели гидрофизических полеЯ, особенно представленные в работах, появившихся в последнее время.

В работе (Б. Л.Каган, Океанология, 1975) предполагается, что вместо трехмерного ноля температуры можно искать двумерное поле те\тературн на поверхности (температуру верхнего квазиоднородного слоя), а вглубь океана температура должна убывать по известному закону. Далее исполь^увтоя уравнения для функции тока и температуры. Эти уравнения дополняются выражениями для расчета касательных напряжений на поверхности и дне океана, а такке потока тепла на поверхности раздела вода --воздух. При заданных значениях толщины верхнего квазиоднородного слоя и бар-жл или ого слоя Н система уравнений замкнута. Раочет продолжается до выхода решения на стационарный режим.

- б -

Более внимательно рассматривается модель Л.В.Чачикова и И.А.Неелова (Д.В.Чаликов, И.А.Неелов, Океанология, 1981). Эта модель основана на примитивных уравнениях динамики, учитывавших горизонтальный и вертикальный турбулентный обмен импульсом, и уравнениях переноса плотности. В основу модели положены динамические уравнения в гидростатическом и буссинесковском приближениях на ^ -'плоокости. В выполненных экспериментах рассматривалась трехслойная по вертикали область с размерами 4'Х) х 400 км с толщинами олоев 1400, 1000, и 200 м (считая от дна ).

2&£1ья_£лава посвящена описание модели, использованной в настоящей диссертационной работе.

В разделе 3.1. представлена формулировка математической модели для расчета полей течений С ь- , V- , ие ), температуры, солености, плотности и давления. Система уравнений состоит из уравнений движения вязко" несжимаемой жидкости на сфере. - „

т ¿(и) - «л и.» - глп» = _ .

Н Л <*-/,, ) \

(аи + (4 - м4п*)и + г гли 1 •

* 1 ■ П I '

* ¡Ь /» ¿г ал 1 : П

1± + /(V) + 2И. И.* + £ -П 71 и - ¿¿^

Н а л а ¿> Ф

Л 11. + ± + ■

* А ¿г . а I М '

Зи/ Ш / Ри. <)( О/ \\ л

г; I + г*'/ х 0 ■

Уравнения переноса тепла и соли

3 г л *

и уравнения состояния = ^ ( Т) $ /

гдо - _±_ п = ся*

Ш - --• и

, Г ; 4 Р

Л т

4 с? \

• ¿/V ■

(X \ 1/Ь ^ ' ¿6 ^ "1 V ¿'г - долгота; ^ - дополнение до пкроты; ¡э - давление; / - плотность; Л - радиус Земли; К и А - коэффициенты вертикального и горизонтального обмена; -Я- - угловая скорость вращения Земли; ось И направлена на восток; ось направлена на север; ось 2 направлена вверх; начало координат расположено на невозмугаенной поверхности моря.

3 разделе 3.2 рассмотрены граничные и начальные условия. На пог.?рх!!ост;г моря задавались составляющие касательного напряжения ветра, которые описываются по формуле - (о.асоб5 ь О.оссо 66 V ) V и^ , <г

Ьу - (о.сооб з + о.осооёб V Щ __

где а^ , - компоненты скорости ветра; V »♦ ) причем, требуется выполнение кинематического условия

' Ч =

сИ

Для уравнения переноса тепла и соли задаются температура и солёность на поверхности ( Т, . 5. ). На дне граничные 'олотт задастся в следует,ей форме:

л-р^ : к"

аг.

и

И

ГД0

А .11 =2-,

д z

= I и ( Ун Аи * + ин иь Л )

г: = /Ли - «„ л«у)

причем: и = ( ** + ^) 'и

I - коэффициент трения, равный 0,0035; с< - угол поворота вектора скорости « 0,51 со1» Для вертикальной скорости имеем:

а, ¿1 1\ а. д-0-

Для температуры и солености' у дна полагаем:

- 0 ' 11-0 " ' ' г* "

На твердой и нидкой границе отавятся в обшей стандартные условия. • -

В разделе 3.3. оистема уравнений приводится к безразмерному виду. Физический смысл введенных безразмерных критериев заключается в том, что они определяет порядок отношения различных членов уравнений термогидродинамики друг к другу, позволяют вы/.вить относительную роль различных факторов в формировании течений и термохалинных процессов, а также выделить главные из них.

т

В разделе 3.4. приведена численная схема модели. Область интегрирования разбивается на Л' ( N = Ю) вертикальных слоев фиксированной толщины Д (переменную толяииу имеет верхний и придонный слои, ограниченные соответственно свободной поверхность«) 2 ( ^ , & . * > и дном Н ( * , * >• Уравнения интегрируются в пределах каждого из слоев с учетом граничных условий на поверхности и на дне. Для описания обмена между слоями используется выражение для коэффициента

турбулентного обмена в виде_

< =

где С - постоянная константа, равная - ЗкиановскиЯ слой трения Для апроксимации горизонтально производных используются обычные центральные разности. Вертикальная компонента скорости относится к границе ие«>ду слоями К + I и & . (Итератор Лапласа апроксимируется традиционным образом.

Для нелинейных членов используется центральные разности

в следугаем виде где =

£ - номер узла по координате ^ .

Дчя нелинейных членов весьма напеяной апроксимацией является -лпзности "против потоков". Производные по времени ппрок-симируются направленными разностями.

В разделе 3.5. производился численный алгоритм процесса

вычисления. В результате получено м. , -и , Т ,

5 . 2 . ■

В четве£той_главе излагается ход моделирования циркуляции океана с учетом верхнего квазиоднородного слоя (ВКС).

В разделе '»Л. рассмотрены теоретические основы моделирования шфкуляции с учетом эффектов ВКС. Рассматривается интегральная модель ВКС, температура и солёность которого рассчитываются по формулам:

" - Тл I 1 = I л --

1 _ ¿1

Ь 5 =

5

5

(<4)

л

где Н - толщина верхнего слоя; т ( $ средние по

слою солёность и температура;. Тл , - температура и

солёность на нижней границе ВКС, совпадавшие о температурой и

солёностью во втором слое; - толгчна верхнего квазиодно/

родного слоя.

Толщина ВЯЗ -1\. опреде;шетоя из эволюционного уравнения

0 ^ .

— - + 1Г

приМ^О (режим конвекции),

где V*/ - поток механической энергии из атмосфера в море;

- плотность воздуха; кроме того, = I, А «• 10"^.

^ - поток мпоси на поверхности океана, М ~ и $

3 ' Л, г с/.

где <*5 = 8- ^ = 2- 10~\ с » 4'19-Ю3 ОЬс/кг' град),

- плотность воды, £ к Р - испарение и осадки, & - поток тепла в океане.

При устойчивой стратификации (М<ГО) рассчитывается по формуле

£ ^ *

На елсдущем этапе производится расчет потоков тепла.

. С методической точки зрения центральным моментом диссертации является подключение рассмотренного метода расчета В КО к модели циркуляции, описанной в третьей глазе. Летг ,ъпо описывается процедура такого подключения. Его смысл заключается в том, что после раабиения океана по вертикали на ^ слоев верхний из них отождествляется с В1<С, толщина которого пркнкма ется равной й = Н т ^ - Д , в далыюйэсм процесс интегрирования производится аналогично тому, как это делается в третьей главе. , >

В пятой^главе приводится аначиз результатов выполненных • \

расчетов.

В первой части главы С параграфы 5.Г., 5. 2., 5.3. ) представлены оценки влияния различных факторов на циркуляцию вод в пределах расчетной сеточной области. Рассматриваемый район ограничен параллелями 3°ю,ш. на юге, 2С°о.и. на севере и меридианом 1210в.д. на востоке, в то время яах на западе море ограничено аьлатским континентом. Построенная сеточная область хорошо отображает геометрические особенности береговой черти моря. Использована равномерная сетка о пространственном шагон, равным 0,5 градуса. Поскольку имеющиеся в нашей распоряжении данные относились только к одкогрндусной сетхе, то для задания

их на полуградусной сетке приходились прибегать к интерполиров анип.

Исходной масоив иклвчает данные о температуре, солености, радиационном балансе, глубине моря и т.д. Для контроля над процессом вычисления наиболее эффективным и очень простым оказался контроль выхода решения на стационар по временному ходу кинетической энергии, которая вычисляется по формуле

К£ я ± (я + 1>Х

где , V* - компоненты скорости течений по слоям (параграф 5Л.).

Процесс считается установившимся, если кинетическая энергия перестает изменяться.

В параграфе 5.5. представлен» расчетные картины трехмерной циркуляции Хкно-Китайского моря. По вертикачи водная толща разбита на 10 слоев меиду горизонтами 0, 50, 100, 150, 200, 300, 500, 1000, 1500, 2000 ы и дном.

Решение задачи производится в 2 этапа: на первом этапе считается диагностическая задача, т.е. ноля температуры и солености задастся и расчет ведется до установления значений кипетстеской энергии. После этого диагностического этапа проводится процесс адаптации и репение считается завершенным, когда содержание кгаетической энергии на этом втором этапе также выходит на стационар.

В период юго-западного муссона Слетом) в поверхностном слое четкс фиксированы циклонический и антициклоничсский круговороты с центрами в точках с координатами 2сЯс.ш., П4°п.д. и 7°с.ш., 108°в.д. соответственно.

В восточной части моря движение вод на поверхности откло-

t

няется на угол примерно 40 + 45° от направления ветрз, что ¡гаходдася в согласии с теорией.

Движение на западной периферии циклонического круговорота происходит в обратном направлении, т.е. фактически против общего направления ветра.

В результате моделирования получен узкий струйный поток, текупиЯ на юг около берега Вьетнама в центральной части. Этот результат полностью совпадает с данными измерений течений в вельфовой зоне. Между паралле^ми 10 и 1Э°с.и. наблюдается интенсификация поверхностных течений. Это объясняемся тем, что здесь имеет место сложение движения вод круговорота о дрейфовыми течениями. Максимальная скорость на горизонте 25 м достигает 40 су/с в районе с координатами 110°о.ш,, П°в.д. Циркуляция вод в мелководных районах и заянвах носит чисто дрейфовый характер. Течение здесь слабее, его средняя скорость составляет 5 + 10 си/с.

Далее даются картины горизонтальной циркуляции в глубинном олое, В период юго-западного цуссона на глубинных горизонтах отмечается крупный циклонический1 круговорот в центральной части моря. Скорость течения здесь небольшая, в среднем 0,6 0,8 см/с, около берега 1,5 f 1,7 ом^с.

При установивпейся циркуляции во всем море, за исключением его восточной части, возникает обширная область подъема вод. Интенсивное опускание вод происходит в шной и северо-госточной час-ях моря. На глубине 250 и в восточном районе моря образуется преимущественный подъем вод. Вдоль берегов Вьетнама и в центральной части моря подъем вод сохраняется. На глубине 400 м картина вертикальных дяикений в качественном отношении не изменяется.

- in -

В зимний сезон (февраль ^ чля кшо-Китайского моря характерна крупномасзтабная дгзухслоГшая циркуляция. В верхнем слое (О + 200 м) развивается циклоническая циркуляция вод. а на глубинных горизонтах отмечается крупномасштабный антвцтслоии-чески;! круговорот, который усложнен мезомасптабными вихрями топогенного происхождения.

3 пределах верхних 10 и течения носят хорошо выраженный дрейфов«;! характер.

В пределах сравнительно узкой полосы, прилегающей к западному побережью, наблюдается перемещение поверхностных вод к югу. Однако ядро идуией к югу западной ветви круговорота располагается значительно глубже поверхностного слоя.

Заметил, что в циклонический круговорот в верхнем слое Юкшо-Китайского моря вовлекается теплая и соленая вода, поступающая из Тихого океана через пролив Бапи. Расчет показывает, что ниле 300 и скорость течений мала и составляет лииь 10 20$ от скорости в ядре.

Циркуляция глубинных вод происходит в обратном и .травлении по сравнению о циркуляцией в верхнем слое. В центре моря вместо цтслонического образуется антициклонический круговорот. -Этот анткцщслонкческиЯ круговорот значительно усложнен ыезо-масштабными вихрями топогенного происхождения со слабой горизонтальной скоростью.

В Юкно-Китайсхои море эффекты перегенного рельефа дна доминируют над / - эффектом. Здесь отсутствует явление западной интенсификации.

Численные эксперименты показывают, что глубинная циркуляция определяется глпвнкм образом эффектами топогенного характера. Среди них ведущую роль играет СЭБ№ и совместны!!

»

эффект касательного напряжения ветра и переменного рзльефа дна.

В феврале вертикальная циркуляция в верхнем слое моря характеризуется:

- Систематическим опусканием вод в северной и центральной частях я вдоль побережья Вьетнама;

- Систематическим поднятием вод вдоль берегов Калимантана и Филиппинских островов, а также в пределах вытянутой полосы от берега Вьетната до широты Л3°с.ш.

Такея картина вертикальной циркуляции находитоя в согласии с циклоническим круговоротом в верхнем слое.

С глубиной указанный выше общий характер распределения вертикальной скорости на шельфе сохраняется, а полосы опускания вод протягиваются от северного берега Вьетнама до острова Калимантан. Это соответствует антициклоническому круговороту в глубинных слоях.

Т<^мохадиннм_ха£!1£те222.1Н£.Ц /

При моделировании исследовалось влияние адвекции на распределение температуры и солености в Касно-Китайском море. Результаты вычисления показывают, что степень -этого влияния неодинакова в различные сезоны года.

В период юго-западного .луссона адвективные потоки маю влияют на поля температуры и солености. В этот период, когда поля температуры и солености более или менее однородны, картина распределен да Т и 5 о учетом или без учета адвекции практически одинаковы.

В летний сезон в поверхностном слое только.в оамой северовосточной части моря изотермы направлены приблизительно вдоль меридианов, а на остальной части акватории моря они ориеьтиро-

ванн в зональном направлении. Температура постепенно увеличивается от берега Вьетнама в сторону моря. Ее горизонтальный градиент невелик я составляет 0,5 + 0,7°С на 100 120 км. В северо-восточной части моря на участке к северу от берегов 'Филиппинских островов существует теплая струя, температура которой достигает более 29,

С глубиной температура уменьшается и на нижних горизонтах сохраняется тенденция увеличения температуры от берега Вьетнама в сторону моря.

В зимниП период температура монотонно увеличивается с севера на иг. Наиболее низкая температура в северо-западной части моря (22, ^С) связана с поступлением охлажденного воздуха, расположенного к северу материка. На юге моря температура достигает максииачьного значения 27°С.

Известно, что изменение солености вызывается процессами, которые определяют его водный баланс. Здесь основным фактором является материковый сток, действие которого приводит к повышению солености с удалением берегов в поверхноотном слое. Водообмен с Тихим океаном и соседними морями не создает особенностей в распределении солености моря.

В период северо-восточного муссона соленость поверхностного слоя незначительно измёняется по сравнению с летним периодом. Она повышается по мере удаления от берегов в сторону моря.

Пониженная соленость у берегов обусловлена значительны),? речным "стоком, связанным с сильными дождями на суше и вдоль берегов в этот период года.

Них с глубины ЕКС до горизонта 500 м соленость быстро увеличивается, а далее, с горизонта 500 и и до дна, она почти не меняется кагс зимой так и летом.

Заключение

Основные результаты исследования можно сформулировать следующим образом.

1. Разработана математическая модель трехмерно» циркуляции, учитывающая вэаимосвязанность полей скорости течения, температуры и солености воды.

2. Путем реализации указанной модели с использованием исходных натурных гидрометеорологических дан них получена целостная картина крупномасштабной трехмерной циркуляции вод Рхно-Киатйского моря в зимний и летний сезоны.

3. Проведенное моделирование позволило выявить новые черты циркуляции, важнейшими из которых являются:

а) §_летний_сезон

- циклоническое образование в северной части моря, фрагменты которого были известны раньше;

- течение южного направления вдоль берегов Вьетнама;

- циркуляция в мелководных районах; • /

- антицихлона^ыгое образовали^ в юяноГ; части моря;

- ачвеллинг в районе, прилегающим к берегам Южного Вьетнама.

б)

- крупномасштабный циклонический круговорот в шном районе;

- полна" картина трехмерной циркуляции йкпу-Китайского

моря.

в) Установлено круглогодичное супествованпе направленного на юг течения вдоль берегов центрального Вьетнама.

Показано, что картина составляющих скоростей течения на поверг.ностном слое определяется в основном влиянием ветра

и очертаниями берегов, а роль баро;:линности и рельефа дна становится важной для течений глубинных слоев.

5. Пол/пена трехнерная картина распределения температуры и солености в море для летнего и зимнего сезонов, проанализировано влияние течения на их распределение.

Результаты расчетов могут использоваться для решения различных океанологических задач, в частности, для составления новых атласов течений Ш но -Кот ай ского моря, навигационных пособий, технического обоснования инженерных сооружений в районах нефтепромыслов. '

По теме диссертации подготовлена статья, находящаяся в печати.

НГУЕН КИ ФУНГ АВТОРЕФЕРАТ

Пописано в печать 23.IT.93. Форлат 60x84 Т/Тб. Б.тип. ;"> 2. Печ.л.'Т.О. Б.л. 0,15. Тираж ТОО. Заказ 6у5. РП1 изд-ва СПбУЭО. Бесплатно.

Издательство Санкт-Петербургского университета .экономики и С'/НЯНСОВ

Т91023, Санкт-Петербург, Садовая'ул., д.21.