Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Численное моделирование циркуляции вод Онежского озера

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование циркуляции вод Онежского озера"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОЗЕРОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи УДК 556.55

БЕЛЕЦКИЙ Дмитрий Викторович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД ОНЕЖСКОГО ОЗЕРА

11.00.11 — охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1992

/А^

л

Работа выполнена в Институте озероведения РАН.

Научные руководители — академик РАН

К. Я. Кондратьев, доктор географических наук Н. Н. Филатов.

Официальные оппоненты — доктор физико-математических

наук Л. А. Руховец, кандидат физико-математических наук И. А. Неелов.

Ведущая организация — Санкт-Петербургский государственный университет.

Защита диссертации состоится *—-1992 г.

в часов на заседании специализированного совета

Д. 200.10.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте озероведения РАН по адресу: 196199, г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института озерсзеденпя РАН.

Автореферат разослан п ^ "--1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук

М. А. БЕЛОВА

СЕПДЯ /ГАР/,КГЕРИСТI'КА РЛБ0Т11

Актутииость ?нп. Гольапа озера Сеи>ро-!Эгшада России и, и частности, СЫкексв оееро яграт- вязкую ¡лип, в иа|юдаом гозяйстьо рагксип, япгллт, крупгааг.г нсгочниканл подоон'!0>х.н:;л. ГСшс известно, в ¡¡усго^еч вр-.'г.я пробл.-:.;а окрски и рмияжбЛ!ного использования поп«п:х ¡"асугсос :: рогиом на фане {«иририкко Бозрастгшц&й антропогенно:! нагрузки стмкшигсл чраэшч^йко сстроЯ. Оспоснш/а причг.шш, внаивану-ли ухудавнкэ качнстьй озорных ВОД, Я1ШШТСЛ ШГрОПОГвШКЮ эвтрофирздокпв, определяемое избыточным поступлением биогешшх эджгжтсв (ь первую очередь фосфора), и нагрязнен»? ог^р примшш*1Ы.%а{ стокам!. В этих условиях в цзлдг разработка кэроприятий по продотьращешт последствий антропогенного тоадойсимя особую важность приобретает экологическое прогнозирование. К-зобшдрг/ы?. предпоеижоЛ такого • прогноза является азучонюа х'идронытиорологических характеристик ьодоьыов, в иориун очзрмдь температурного режима и ц тырьсП структуры течений, поскольку жегою отн характеристики ьо шм он онрвдблают распределен;;-бкогонов и зшфлзняших рещеотв в озерах.

Термический реи:» крушшк озер поучен отноелтеллно неплохо. В то то ираия натуры^ наблюдения над иок-и т«ч.жвй в больших озарах. носят пока весьма эпизодический хар-лстир, что обьясняится значиголышки матзрияльшяди затратам;; и сло^остыа подобшх работ. В г>т;;х условиях первостепенное аначенио првобргтаот научение гндро гермодпнаыичооких процессов, протекающих и озерах, кото^мз митьмптичверого мадндироьания.

II. ль и задачи иослилогання. Целью ннсюл^ой работы является исчшдювэкио циркуляшш ьод Онежского оаера методом численного моделирования, сценка надемностп иримоняекых моделей. В соответствие о атим били поставлени и решенн сло.яуыаю задачи:

- выбор численной трехмьрмой термогидро,щшам1!чоск(,й модели! п ая&птацня ео к уснобизм Онежского озера;

- диагностические расчета течений Он>лг:екого оаера прь различшю сннотич-глскх ситуациях; гшгыиз роли 1'еграьых ::

- -ДМ

бароклишшх факторов в формировании циркуляции вод Онежского озера; анализ роли нелинейных эффектов;

адаптационные и прогностические расчеты течений Онежского озера; экспериментальное и теоретическое исследование динамики ветровых апвеллингов в Онежском озере и связанных с ней процессов изменчивости полей течений И температуры;

верификация диагностической, адаптационной и прогностической моделей Онежского озера на основе длительных рядов измерений течений в озеро.

Научная новизна. Проведет! расчеты и исследованы особенности синоптической изменчивости полей : течений и температуры Онежского озера в период гидрологического лета. Расчеты выполнены как но диагностической, так и по прогностической моделям. Показано, что в формировании циркуляции вод Онежского озера одинаково важную роль играют как бароклшшые факторы,так и ветер. Показана важная роль нелинейных членов в динамике течений береговой зоны озера. На основании данных измерений и численного моделирования выделены основные фазы развития ветровых апвеллингов и соответствующие им режимы циркуляции. Показано, что циклоническая циркуляция в период гидрологического лета в Онежском озере носит неустойчивый характер, однако благодаря явлению релаксации апвеллинга в Онежском озере, а также в других больших озерах существует устойчивая тенденция к восстановлению циркуляции циклонического типа. Впервые проведена верификация численных моделей динамики вод озер на основе длительных рядов измерений течений.

Практическая цонность. Полученные в работе результаты могут быть использованы для решения задач охран; окружающей среды, в частности, при изучении переноса загрчзняицих веществ в озерах. Результаты проведенных исследований могут служить основой при планировании натурных экспериментов в озерах; при анализе гидрохимических и гидробиологических процессов, определяющих тенденции изменения экосистемы Онежского озера в условиях антропогенного эвтрофирования.

Апробация работы. Основные результаты диссертации

~ок~адкза.лнсь на ооштско-'-глодо". сг.^^цг;;1:-.! аре:: .,:■ г.

:шчбитва вод (Потроз-ако.:..1935),, ко&|сронцчч голод-:х '.''>ок»-к. Института оз^сьзцепил СССР (Лэкгай'рад.ХЕЗЗ), 4-е-;

Всосо;;;:г:'И сомщаш::; по- про г ра; •,!,•,-) "Разроои" (Ог.)исо-, ТЭ90)

Всесоюзном

ссжщанич

'•Иятсг:атгп0с1соо

ьадолироьякио

гпдрозкологш! - РП" (Лошшгрпд ,1993) , итоговой сбсски Ученого копоти Шст::у озвровзджта (1991), сФпгата-:- Отдол-г.:1ч>гслпишю."Г гъгоматалп /Л ССОР (192<3>, Институт-; ооэрогадзшу; АН СССР (1587,1569}.

Щйшкацки. По материалам дкоовртацаи опубликоьгшо ? работ.

Оттеку упя я оЗъс-н работы. Дассортадпя сооточт из вт:'?д:'1!::л,чь'гырьх глав н заключения. Г8боте> есдертт Ш сграшщы, Ю таблиц, 39 рисунков. Список лктзратуры включая? 105 вашлвновшшЗ, из ип:с 85 зпруСв-аш:-:.

СОДЕЕКШТЕ РАБОТ! I

Во вбэдош-ш сбоу^дона актуальность выбранной теть пр'.тоден обзор хптератури по патеуатическому ггодалированпо плркулиции вод ирзеноводтшг тдоег.-ов, еТормулироашп! иелл :: задачи исследования.

Порпая глава пссвяцеиа постановив задачи о численно:) шдвх.ироьшши циркуляции вод страи5фацяроваюшх озер.

В IЛ приведена спстэиа дгДфаренциалышх урашош!:"; падритермодинэмики страти&щироваиного водоема в приблнгэншк Буссшшска, гидростатики ц (3 - плоскости.

(1и

'"

XV =

К 8— дх.

5 г 1,р ^ "О -Г 7" ^

г О <9^:

а <щ + - V — <32 32

+ Аи , (I)

й! (11

н Ги =

ас

■у--

->

ау

~ <?р Г - ¿1

в аУ

5 ау + - V — 64 Ой

+ Ц (Л' , (2)

<311

¿V

— = О

аъ

- Б -

<31 а £Т

— = - V — ц ЛТ (4)

(11 02, 02

Обозначения общепринятые. Начало координат помещено аа невозмущенной поверхности водоема, ось II направлена на восток,ось У - на север,ось Ъ - вертикально бнпз.

На свободаой поверхности водоема принято условие непрерывности касательных напряжений на границе раздела вода -воздух, условие "жесткой крышки" для вертикальной составляющей скорости, а также условие отсутствия потока тепла. На дне заданы условия прилипания , а также условно отсутствия потока твпла. На боковой поверхности принимается .условие свободного скольжения вдоль стенок, а так:;е условие отсутствия потока тепла. Касательное напряжение ветра 'определялось по традиционной квадратичной зависимости (КрауссДЭ76). Уравнение состояния взято в форме Саймонса (1973):

р = ро (1-0.68x10~5(Т-4)2) (5)

Масштабный анализ уравнений движения показал, что кругоюмаштабные движения в открытых частях водоемов находятся в состоянии квазигеострофического баланса, а при моделировании прибрехшой циркуляции необходим учет всех членов в ураьчениях движения.

В 1.2 приводится вывод уравнения для интегральной функции диагностической модели (Демин,Саркисян,I977). Исходная трехмерная систома уравнений, из которой исключается уравнение переноса тепла (4), сводится к двумерному уравнении эллиптического типа для определения приведенной уровениой поверхности водоема.

1 ан ¿»С 1 аН аС 1 н

АО----— +--— ---(ЧН-гМрЗг -

Н ах н ву ву р0н 0

1 -зН " ар 1 ап в ар 1 " з'и* а'и? ¿V

--------| _ йа---Г — с1а--Г(—г +2— +—-)<1з -

р II п г, «IX р Н ау эу « Н 0 ахг .иау а/

;>( Г " 3? ¿Н1 ¿17 ч

— + -— --->Й2 + - Ь

8И 0 СЗ ; « лу р0£П

1 ¿и О лу

(- у - + -. у - ) (6)

2Н <гз ву еа з=Т1

Грахшчшз условия для уровня выводятся путем :а-:тегрировышя уравнений дбшяэшй с учете»« граничных условкй ¿утя скорости. Отг.этии, что из боковых границах н диагностической гадап условие свободного скольгазшю заменено условном щяшотання. Для разностной аппроксимации уравнений дв*.1;.-:он1!я к уровня используется полунэявная схема направленных разностей, имэющая первый порядок точности. Полученная систома алгебраических уравнений решается итерационным методом Гауссе-Ззйдоля. Щаг по времени был выбрел путем численных экспериментов рав1шм 10 ш.

Исследуемая акватория была покрыта равномерной по горизонтали сеткой с наго?! 5 км,по вертикали было выбрано С горизонтов: 0, 3, Б, 10, 20, 30, 40 и БО и. Коз,£фнциентц горизонтального и вертикального турбулентного обмена взято постоянными и составляли роатветствотго 1СРси2/с и 10 с?;£/с. 3 расчетах использовались данные температурной съемки озера,, выполненной в иэлэ 19ВВ г. Проводзшшз численные эксперименты показали довольно сложную картину циркуляции еод в Онежском озере, состоящую из нескольмк круговоротов, распространявшихся до дна. Апвэллинг наблюдался у западного берега озера и в центральной ого части, даунволлияг - у восточного берега. Для проверки результатов диагностической модели были использованы данные наблюдений за точениями -на двух АБС. Результаты моделирования в целом согласуются с данщдог наблидеш'Л.

В 1.3 приводится вывод разностной схемы прогностической модели (Демин,Ибраав,1338), ' по которой выполнялись все дольнойзие расчеты. В модели используется "бокс-метод", обеспечивающий сохранение мпссц, тепла, количества движения л анэргии. Мсслэдуегай бассейн аппроксимируется набором боксов, з центре горизонтального сечешя которых определен вектор

ско^исы. 1'вт тегдгература , юдоиосп; и бг.о^аЗьа

давления определены в угл«:с гор/,ззонталыгаго сечвк::л ;0окса» Конечно-разностная йппрокгаиацая исходной систем (I )-•(■£) виглядат следу щзт образом ;

54и + 0,, (й»йя )1. 4- Ву.(ууйу51 + )1 - =

= - е(бДу)1 - |(8н(е ру"авп5)4 ч- (г^и)1^1 +

"О ■

+ Ц(бх (ехи)+5у(буи))1-1 » (7)

г

о V + е (и"^)1 + о (уучу)1 + е + 5-(и141+и1"4 •) -

* к у "

- , б , I <

= - - о(0.,(Е р"Аап))1 + б (г>а V)1-' +

У ! О '

+ ^ох.(5!<у)+бу(ау7))1-1 , (а)

В йу + 0 ? + 5 й = О , (9)

«У *

а.1 + 6„("иуГ)1 + +5, (пГ)1 = <3Т (г^Т)1"' +

+ }1т(ох (ект)геу(бут))х"4 (Ю)

где I - шаг по времени, 6„и = [и(х+0.5&х)-и(х-0.5Ах) йм= (и(х+0.5Дх) + и(х-0.5Дх)]/2 .

Особенность данной модели заключается в том, чтс разностное уравнений для интегрально!! функции (уровня) полую не не путем аппроксимации соответствующего да1Д4ореициалыюгс уравнения, как в диагностической !,'.одели (в), а выведено пс системы разностных уравнений движения, неразрывности 5 гидростатики с использовать» в прпгратчшл уз лях раога^гш: граничных, .условий для скорости. Гззностнсе уразпешю для уровне

зокаотся методом последовательной Еэрхшй релаксации. Ошгоькяд зхвмо интегрирования .гго сравни - схема "чехарда" по отножеияп t градиенту -давленая ' и адвективным членам и схема Эйлера по шгсшешэ к диффузионным члоньм. Длл нзбо;гчгая "расщепления" решения по времени периодически ксггользуется схь-ма МацуНо.

Во второй главе приводятся результаты гидродинамического пиогноза синоптических течетгй Онежского озера.

В 2.1 описышштся доли и задачи снвциалнгировашого •штурнсго эксперимента "Онего", проводигшегося в I9S7-I990 it ira Ohosckom озера. Одна из целей эксперимента заключалась е ЕортЯшкщии численодх Гйдротормодинешчбских моделей. В рамках окспзршюнта проводились ' сшк'.рошшэ температурные съемки Оиекского озера, наблюдения за течениями и температурой на буйковых станциях, дистанционное ИК и СЕЧ-зондирование поверхности озера. Полигоны с ЛЕС устанавливались на центральном разрезе (1937 г), в юкной части озера (1988 г) и в центральной части озера (1939 г). Ежегодно устанавливалось 9-II измерителей точений и температуры на горизонтах 6,10,20 и GO м. Данные о ветре поступали с двух ГМО, расположении на островах Василисин и Маячный в центральной части Онежского озера.

В 2.2 описывается изменчивость полей температуры Онежского озера по данным судовых наблюдений. Известно, что синоптическая изменчивость температуры в Онежском озере п значительной маре определяется штроьши прибрежными апвеллишч.ми (Бояринов, 1985). Нипреривно изменяк:;иеся во времени и в пространстве ветровые прибрежные »шиллинги (ЕПА.) наблюдались практически во всех ¡экспериментах, причем б отдельные моменты времени их площадь составляла да,сольно значительную часть от обще-й площади озера (до ЗС5). Продоламтельность зашна ВГ!А ограничена, а сам процесс ¡июлюции аньеллинга могыт бить описан с помощью трех основных Фаз: генерации, установления и релаксации.

Особый интерес представляют случаи, когда в результате сильных ьитров торм-лсдин выходит на поверхность и образуется фронт апьеллипгп. Ослаблений или разрушение термоклина на вначшил! ной части i/oopa приводит к усилении водообмена между глубинными и поверхностными слоями озера, к выносу биогенных

- ш -

элементов из гшюлимниаи в зташшнион. Благодаря этому ВПА становятся вэжиейкгш элементом экосистемы Онежского озера, а их роль в "вентиляции" гиполимниона может бить сравнима'с ролью термобара в период гидрологической весны.

Ослабление или прекращение ветра дает начало .процессу релаксации адвеллинга, в результате ,которого цроисходиа.' восстановление Термоклина '(КоеяедиД977). 'Процзсои восстановления термоклика у берега и в центре озера протекают разной скоростью: у берега они идут быстрее за счет продвижения фронта аивелдинга, вытесняющего холодную воду, .поднятую ч; поверхности, в глубоководную часть озера.

Наблюдения показывают, что релаксация В11А сопровождается появлением меандров на фронте апвеллинга и образова!В1еы кээомаептабных вихрей с горизонтальными размэраш порядка нескольких киломзтров. -Проведенные с .небольшим 'интервалам но времени и высоким ■пространственный разрешением -(до 4 ка) термосъемки позволили проследить релаксаций алволлиига -ш только на поверхности озера, как это смог.сделать Ксонедо, но и на глубинах. ' '

В 2.3 рассматривается результата тияродинаиноского диагноза синоптических течений Ойоеского :озера. Комсжуеаая акватория была покрыта -равномерной но горизонтали •еьтшЗ с шагом 4 к.м, но вертикали'было выбрано 8 горизонтов: 1,3,Б, 10,20,, 30,40 и 45 м. Во всех диагностических расчетах использовалась постоянные коэффициенты -вертикального .и горизонтального турбулентного обмена: г>= 10 с:л2/с, -р= '5х1СГ с;л2/с. Шаг ш времени равен 20 иш. При -принятых параметрах модели рэ^знлз устанавливается приблизительно за трое -суток,, исходя -из критерия установления:

тах ( |и1 + 1 -и1|,|у1*' - V1 | ) ■<'.0:05-см/а, -.(ШЮ

а тш;>".е выхода на стационарный рокиы -кинетической -энергии.

Изучена роль различных факторов, онроделяюцих течения Онекского озера. Для этого по данным первой термосъеиш 1987 г, выполненной в фазе установления апвеллинга, были рассчитаны сладко варианты гидродинамического диагноза: ветровой. (бзротрошпГ; ), плотностной (бароклинный) и полный, учитывающий

?

как прямей эффект ветра (т = 0.4 дан/см ), так и шюткостше фактор«). Средняя кинетическая энергия течений в озере составила 3, 12 и 15 см2/с2, а перепад уровня I, 3 и 4 см для бароклинного, баротрошюго и полного вариантов соответственно.

В полном варианте по сути получена двухъячейковая циркуляция ветрового происхождения (Ксенеди,1&75), усложненная влиянием плотностных эффектов. Отличительной чертой двухъячойкоьой циркуляции является наличие интенсивных и узких вдольбероговых потоков, направленных по ветру (в полном диагностическом варианте скорости достигал! 20 см/с) , и еирокого, ко более медленного возвратного штока в глубоководной части озера. Наибольшие вертикальные скорости (Ю-2- Ю-3 см/с) отмечены в районах прибрежного апвеллинга и даунвеллинга, в центральной части озера вертикальные движения более слабые (Ю-3- 10~5 сн/с).

Анализ различных слагаемых в уравнениях полных потоков показал, что существует три приблизительно ранних члена, определяющих интегральную циркуляцию в озеро в этот период: сила Ксриолиса, интеграл от давления и касательное напряжение ветра. Нелинейные слагаемое и горизонтальный турбулентный обмен оказались на порядок меньше остальных слагаемых, однако расчеты показывают, что учат этих слагаемых особенно важен в прпбремшх районах, где их значения возрастают на порядок.

Проведенные расчеты показали, что роль ветра оказалась значительно более важной по сравнение с результатами ранее выполненных диагностических расчетов (Демин,Филатов,1939). Это объясняется тем, что в ранних диагностических моделях озер роль прямого эффекта ветра у береговой грашщы либо не учитывалась вообще, либо учитывалась в слабой форме (из-за приближенной формулировки граничных соотношений для уровня). Это приводило к существенному ослаблению или даже к отсутствию прибрежного сгонно-ньгонного эффекта в иоде уровня. Таким образом, проведенные • ранее расчеты уровня озера, т.е. давления на поверхности выполнены фактически по бароклинным диагностическим моделям, поскольку вне прибремной зоны роль ветрових градиентных течений в »тих моделях незначительна.

В свою очередь, столь сильная- чувствительность диагностических моделей к выбору ветра позволяет выдвинут! гипотезу, что именно рассогласованность шлей ветра и нлотносп: »¡окот явиться источником наиболее серьезных ошибог диагностических расчетов точений в озерах. Очевидно, что эй ошибки будут минимальными, если ветер в период съемки не претерпевает существенных изменений и смены фазы ВПА не происходит. Такая ситуация характерна, в частности, для фаз1 установления ВПЛ. Будем считать, что в этой случае поля ветра I плотности рассогласованы лишь частично.

Совершенно иначе обстоит дело в тех случаях, когда смен? ветра в период термосъемки или непосредственно перед не! вызывает или потенциально моает вызвать смэну фазы, ВПА. 1 подобной ситуации ноля ветра и плотности оказываются годность; рассогласован!".;;«! и потому представляется целесообразны; проводить расчеты с отключенным ветром* 'Г.о- по Оароклинкм: глодвлям. ■ в . качестве примера рассматриваются результат] гидродинамического диагноза течений по данным термОсъемо! 1937-ОЭ гг,. выполнешшх й фазах генерации и релакеащи апволлинга.

Поскольку эти фазы ВПА представляют собой пер"ходнк1 режимы от циклонической (плотностной) цирс/ляци (Охлопкова,1972) к ветровой (двухъячейковой) или от одно, двухъяче'йковой ьрфкуляции к другой, как например, фаз генерации, или ае наоборот, от двухъячойковоЯ циркуляции : циклонической -'фаза релаксации, определить тин циркуляця здесь довольно слоено, особенно если речь идет о начальных ил промежуточных стадиях. переходного резшдз. С больше определенностью ыошо говорить о типах циркуляции н заключительных стадиях переходных режимов, в частности диагностические расчеты, выполнение для заключительных стади фазы релаксации,. показывают преобладание в озере цнклоиичоско циркуляции.

В третьей глава рассматриваются результаты адаптационных прогностических расчетов течений Оненсного озера.

В 3.1 приводятся результаты адаптационных расчетов поле

температуры и течений Онежского озера.

Адаптационные модели, получившие широкое распространение в скеаиолопш, представляют собой методику последовательного пр5й*енешя диагностичеодк. н прогностических моделей, при этом расчет по- прогностической модели проводится но до полного установления* а лишь до наступления этапа согласования полей (Демин,Саркисян,1983). В моделях адаптации одновременно происходит как согласование полей ветра, плотности и рельефа дна, таге и сглалашанио присутствувдих з исходных полях плотности погрешностей измерений. '

Для изучешш вопроса о перспективности использования адагаоцпоншх. кодовой в ла/кологии моделировался процесс г.сроткоперподной адаптации полей плотности и течешь! Онеаского озера в период цзрвоЛ торкосъемки 1987 г. Поскольку в этом окешркганте поля вотра и плотности были рассогласованы лишь чостп'гоо» расчета проводились по полной (с учетом ветра) адаптационной модели. Коэффициенты турбулентной вязкости и ди'ШзШ! в адаптационно;* модели составляли: V;; 10 см2/с, 1>т=1 СМ2/С, (I = бхЮ^ см2/с.

Время адаптации составило 30 часов, а результата расчетов по адаптационной модели оказались близки к диагностическим, произошло сглоккванкв градиентов в полях температуры. В

адаптированных шлях все более отчетливо проявляются черты, присущие двухъячейкоБой ветровой циркуляции, средняя кивет;ноская анергия в модели уменьшается с 15 до 14 см2/с2 и в пределе, по-Ендимсму, стремится к 12 см^/с2 , т.е. к средней кинетической энергия, полученной в ветровом ■ диагностическом варианте.

Численныо эксперименты по короткопориодной адаптации гидрофизических полей Онеяского озера показал!, что в отличив от океана выигрыш от. применения адаптационных моделей для описания синоптических течений в озерах не столь очевиден. Это в равной степени относится как к полным адаптационным моделям, так и к бароклшешм, которые притенялись в случаях полного рассогласования ползй ветра и плотности. .По-видимому, это обусловлено тем, что "?уп" а'полях темгературк, полученных по

данным квазисинхронных термосъешк значительно слабло "аула" в климатических полях океана. В частности,-в оиьшааи. мэдэдях в начале адаптации наблюдается значительно более штенсшш спад энергии по сравнению с моделями озер. Кроме того, в озерах отсутствует соленость - одно из трех вззимоооглаоуешх в океанских моделях долей, что также снижает роль адаптации.

В 3.2 приводятся результаты моделирования динамики В11А. в Онежском озере: исследуются фази Генерации, установления н релаксации. Б первом эксперименте во всем озере задано горизонтально однородное поле температуры, изменякцееся от 15°С на поверхности до 4°0 у дна. В начальный момент времени течения в озере отсутствую'?. Ииелздуотся отклик озера на внезапно вознякащий к шконямцился во вромони, но постоянный в пространстве ветер, имитирующий ситуацию, наблюдавшуюся перед пврьой термостойко!! 1937 г. Параметры прогностической ?иоделш следующие: V- 10 сиг/с, уг= I см^/с, р, = ц.г= ЬхЮ5 см2/с.

Через дьое суток поели начала действия ветра в озера формируется квазистационарная дыухъячейковая циркуляция (Фаза установления). Рассчитанные но прогностической модели поля уровня и скосхзстц в большой степени сходки с аналогичным;! полями дли диагностического и адаптационного вариантов 1537 г, однако в прогностическом варианте скорости течений заметно вше. У западного берега Онежского озера иод действием ветров егннх направлений »¡х/рмировалс:- аивеллинг, а у восточного -дауныеллиаг, прослакшаьедйся до глубин 20 м и более. Перепад температур мекду западным и восточным берегом составляет 5-7°С, что в целой соответствует данным первой термосъемки 1987 г. Поле температуры ь модели выглядит более сглажешшм по сравнению с данными наблюдении, что объясняется, по-ьидшэму, недостаточным горизонтальным разрешением модели.

Во втором эксперименте моделируется фаза релаксации ВПЛ. Процесс релаксации апьеллиш-и мо^.ио рассматривать как один из основных механизмов долгопериодной адаптации поля точений и плотности в озере. В качьстье начальных данных использовались результата бароклшшого диагноза,рассчитанного по данным первой тврмосъомки 106Э Г. Интегрирование продолжалось 4 суток - до

•момента проведения -второй тормосъекки, ветер не учитывался. Как показали численные расчета, использованный ранее когдащиент горизонтально!! турбулентной диффузии тепла ц^-бхЮ'см'/с приводит к -быстрому рпгшватш горизонтальных градиентов тшературн во фронтальной зоне, поэтому он был уменьшен на порядок.

Расчета -показал:;., «то модель правильно воспроизводит основной мехашкзм релаксации - движущийся вдоль берега в направлении распространения золпч Кельиша фонт ааведяинга. При этом происходят восстановление купола холодных вод и усиление циклонической циркуляции. 2а 4 суток фронт апвеллинга продвинулся на север на расстояния порядка 40 км, что несколько ¡¡гмшпе, чем было получено по результатам наблюдений. Занижение скорости продвижения Фронта, по-видимому, объясняется тем,что волновой механизм продвижения франта в .модели в большой степени ослаблен из-за недостаточного горизонтального разрешения и продвижение фронта в значительной степени обусловлено адвекцией.

В 3.3 рассмотрен ошт краткосрочного прогноза течений и температуры Онежского озера. Известно, что при прогнозировании течений на небольпие сроки .шрЕОстепешюэ значение приобретает качество нз,,"лышх дсашх. Для задания начальна .полей ¿ечеиий з прогностической кодзлп применялся метод гидро/цшамического диагноза с последующей адаптацией (исходные дшвшэ - первая •термосъемка 1987 г). Расчет!» по прогностической модели ;1троводт!ЛНсь на срок около одной нёдели - до момента проведения -зтореЛ тормосгомлш. Параметры прогностической модели: v- i'T- 10 cr.i^/c , |х - цт= 5x10® сп2/с. Поскольку в : горели использовалось условие отсутствия потока тепла через верхнюю границу, все измзнешм температуры в озеро были обусловлены только ветровым воздействием. С качественной точка зрения гад-эль правильно воспроизвела основные злем-знтк термической структур:! озера, однако поло температуры прч этом оказалось чрезмерно

СГЛаЕЗННЫ!,!.

В четвертей главе рассмотрены вопросы вериДикзции численной модели гидротермодшз;ччсп Онежского озера.

- 1С -

В 4.1 приводите« съедения об изменчивости полей течений Онежского озера, полученные по ьколершаенталышм дааыад, Последоьа.ля изменчивости течений Онедасого озера показали, чтс? спектры прибразкасй части озера. и открытой существенно отличаются друг от друга ' (ч'Шштоь,Шл«?щцШ,Зайцвв,1990), Наибольший вклад в изменчивость течений в ирибрекшх районах озера вносят синоптические колебания с периодом более 2 суток, сравнительно небольшой. вклад в общую изменчивость шосят колибэшш с инерционным периодом (13.7. часа). На станциях, расположенных в открытой части озера, наблюдается обратная картина: анэргия инерционных колебшдп! превышает энергии синоптических.

Одной из шзкоаных причш!, обусловливавших синоптическую изменчивость течений б больших озерах, являются топографические вешш (ТВ). Для изучения динаглш ТВ .в Онежском озеро использовался оаратрошщй вариант модели (р-сопБ1;). На первом этапе ь течение суток происходит приспособление поля течений Онежского озара к юго-восточному вотру (т-1 дин/см*"). На втором этапе ветер отключается: на фоне вязкого затухания начинается процесс распространения топографических волн. Ко^фициенты турбулентного обмена в модели: V =■ I см^/с, р = 5хЮ5 см^/с.

Подученное решение сравнивается с известным аналитическим решением задачи о распространении топографических волн вдоль линейного склона (Ксенеди,1:/6). Проведенные численные йкснеримонты в целом подтверждают вывод линейной теории: фазовая скорость ТВ зависит прь-еде всего от ширины склона. Максимальная скорость продвикешн фронта волш (около 0.£ м/с) Ииолчдиьчсп у восточного берега, где существует широкий участок склона.

Прохождение фронта ТВ называет емеиу направления течении у береги ни нротиьогкшшюе, однчко скорости противотечения иод действием трения заметно ослабевают. В этом ааюшчается одно из отличий распространения 1В в онетсом о&оре от болиь глубоких озер Онтарио и Мичиган (Саймоне,1&60), где реверсивные течения нъ уступает пи силе ветровым. Это позволит рассчитывать на то, что топографические волны Ни будут вносить значительных

^егроплюсгчЛ в рэзугьтатч дтпгкоет;пес:г:!Х расч^тсз п Оч?г,скс:е.

В 5.2 рзульттп гсггфихшцки «нслеч.чо1 модели

г::р:суляц!;:1 »од Скезского -огера. Точность использозаБШпхся ^рителэД' течений в среднем составляла I- 2 см/с по скорости л .10-15° по направлен:».

rcrr^nwiUüj даргя<зс?ичг?(я:сД л одоптсцнсглсЛ моделей '::одтпер~1ла гндз'лнутуп гипотезу, что сспоньплм г.стсчшЬ:см озпСск 3 ГОДЗЛЯХ ЭТОГО КЛЕССЯ ЛЕДЯОТСЯ 7ОСССГЛОСОВОНКЗ нзтрз И •::лэтностл. Лучшз результата д:пптссшч0'.ясго? (адаптационные) ■::одэяй дез? з случае частичного рассогласования полой Еетрп п плотности, что характерно для фэсн установивши ВПЛ - а среднем сг.оло 35° для сп:бки опред-злэгаш нсправлэння течекяй. В. здучзях -полного •рассогдэсов'иия полей ветра и плотности, ^ггрлмер, в Фазе генерации яяи релаксации, использование в соделл срэдзого гетра «окот увеличить срэдата списку до 100°.

Пр'."'.онекне бароюшного варианта модели модола позволяет Р'зпвглтъ срздшма сшибку вдвое (до 50°), однако в качестве побочного Еффекта возникает .сущептнэккое в ряде случаев скорости течений. В целом :;э погрешность определения скорости точек:!.'! в большинстве диагностических расчетов не кспэтла и трумэитэльяую погрешность измерения течении.

Помимо основной причини, выэнвакдэй раехоадошэ диагностических расчетов и натурных данных, необходимо отметить ?з:с:е кеучет горизонтальней изменчивости касательного папряпзнпя ветра и недостаточное пространственное разрешение ¡•одели.

Вери£шшви1 прогностической модели показала, что такие Оактсрн как пространств гчзноэ разрешение модели я то'шость епкеапая взш'чодейптЕия озера с атмосферой, включая теплообмен, оказывают наиболее сунестЕенное влияние на эффективность краткосрочных пропгоогэ течений, осэ^етео в верхнем ело9 и в прибрегашх районах озера, отмечено, что прогностические расчеты уступает по точности днагнссттюским, 5 частности, средняя ошибка з определят!» тпгрэпгрния течений возрастает до F-0Ü.

П 4.3 онисаны :мкоторне зашг1 «ряоети • формирован

гидрофазлчаох;1!.<. u.:Xu.: Онежского озера ь период гдргюхогичэсхдахч; лета.

' Данные наблюдений к результата »адбляроввшг» свидетельствуют о неустойчивости ццююнкчзской циркуляции Онежского озера в летний период. Под влиянием ветра периодически происходит перестройка гидрофизических полей озера. Это дает основание говорить (по аналогии с атмосферой) о существовании постоянно меняющейся погоды озера.

Своеобразным индикатором смены погода выступают ветровые прибрежные апвелликги: смена фазы ВПА означает к начало перестройки циркуляции вод в озере. Особое место срэди других фаз ВПА занимает фаза релаксации. Именно благодаря явлении релаксация, аоситанаапиввщему купол холодных вод, в Онезгеко:; озере, как ц в других больших озерах, существует устойчива;; тенденция к восстановлению циркуляции циклонического типа. Мокно полагать, что эта тенденция способна прожиться при изучении более длительных временных масштабов, в частности, в характере летней климатической циркуляции еод Онежского озера.

В заключении перечислены основные результаты диссертации, которые сводятся к следующему.

I. Проьэд-эны диагностические и адаптационные расчет;! циркуляции вод Сиенского озера, с использованием различных тшюв нелинейшх моделей, которые показали, что в период стратификации одинаково вакную ,лль играют как ветровые, так и бароклиш-ше фактора. В динамико вод прнбрэкных районов важув роль играют нелинейные адвективные члени.

2. Под влиянием ветра в озере пзриэдачэш! происходи'* перестройка поля течений к тепюратуры, индикатором которой являются ветровые прибреыше апьеллзнгк. Выделаны три основные фазы эволюции анвеллинга: генерация, установлениэ и релаксации» Саза генерации играет роль переходного ровные от одной ветровс.'. двухъячейковой циркуляции к другой иди от цшслоцнческо:. (шютносхной) циркуляции к двухъячейковой. Обратный передо;; обеспечивает фаза релаксации, благодаря которой в. озерах й период стратификации существует устойчивая тенденция I. восстановлении циклоничасш!: циркуляции. Ockoehoü кехашоу

релаксации - дииуьщйся вдоль берега фронт апвеллинга, восстанавливающий купол холодных вод в озере.

3. Впервые осуществлена верификация диагностических и адаптационных моделей циркуляшга вод Онежского озера с вривлеченлегс длительных рядов наблюдений за течениями. Результаты адаптационных и диагностических моделей незначительно отличаются друг от друга. Средняя сшибка в определении направления течений составила около 50°, ошибка определения скорости течений в большинстве случаев не превышала погрешность измерителей течений.

Выполненная верификация позволила выработать определенную технологию использования диагностических моделей в зависимости от характера рассогласования полей ветра и плотности. Рекомендуется применять полные (с учетом ветра) диагностические модели и -случаях частичного рассогласования полей, что характерно для фазы установления апвеллинга, и бароклишше С?=0) в случаях полного рассогласования - для фаз генерации и релаксации.

4. Проведены прогностические расчеты полей течений и температуры , онежского озера сроком на одну неделю. Прогностические расчеты уступают лэ -точности диагностическим, в частности, средняя ошибка в определении направления течений составила 80°. Наибольшие погрешности возникают в верхнем слое и в прибрежных районах, что обусловлено как недостаточным горизонтальным разрешением модели, так упрощенным описанием взаимодействия озера с атмосферой. .

5.Показано, что в процесса апвеллинга происходит ослабление или разрушение термоклина на значительной части озера, сопровождающееся усилением водообмена между глубинными и поверхностными слоями озера. Следствием этого является, с одной стороны, насыщение кислородом глубинных слоев озера, с другой -вынос биогенных элементов в поверхностные слои озера. Это указывает на необходимость точного описания гидрофизических процессов при оценке состояния и прогнозировании тенденций развития экосистемы Онежского озера в условиях антропогенного эвтрофирования.

Cc;;ol/;.j .г.чсс^лап::;; с,:1уол.:;:ов.:1.о в

работа.;.,

1. Ät&Äiü Ю.Л. .БблецгшЛ ,й-;:латов H.H. Д>:згкостк*:ис:й: расчет Xc-i-u6ü адркуллццц вод ОйЗЕСКОГО öjopu // Г,00.¿Ii СССР. &:зика (т&лхОДп u океана.1989.7.25.!;ö. C.t-bS-tö-l

2. Взлоцг.ьш Д.В. ГвдродиньшчоаоШ доагаоа течении osop: // ito.u'üüiücfi гидрофизических nunei: онежского озорг.

"tfwro". Пйтроааводс:с.:КНЦ Ali СССКШуО.С.83-97

3. Дс;:,:лн Ю.Д. .лзхордкев И.О. .Белещшй I£.ß. Дплатов ii.ii. Гидродинамический дкашоз течении в крушшг оззр:л: г водохранилищах. Препринт ОБИ All СССР N 267. M.IS3Q.28 с.

4. i.Liüi'üb H.H., Еолыьй'Л Д.В., Зайциь JI.B. Кзиешодюстг гпдроупи^чеошх гкыьй Сщеасиохо озера. Зймиргдаит "Огзго" Штроэаьодск.:КНЦ дН СССР.1900.114 с.

Ь. Филатов H.H. .Бел&цчии Д-В.,Зайцев Л.В. Особенности изменчивости течений Оникского озера ь период стратификации п. данным наблюдений и ьеделирзвапия // Экосистема Океиского озер и тенденции ее изменения.Л.:Иау1;а.1Э90.С.S5--94

G. BjJiJUKiiii Д.Ii. .Демин Ю.Л. , Филатов ii.II. Комплексны'

иоя-гГ. ШеШ'-ою озера kl шатылсоказь кидемл uKöuia // Поз. ¿Н С5ССГ.С'иаш:а аткэсОзрц ' оке аш. 1S9 Г - 'Г. 2r'. III О. С, 1172 -1182

7. Сллатив H.H..БнйецмШ Д.В..ЗаИцев Л.13. Синте численного мидродоаьод и ньО; i.netiiii; ь гидродинамике озер / Тезиси кйнфероыцйи "Пчрсгькшьпме цгшди планирования н анализ б ; с с л е р': i ,м е i ri о f; при иисдадовашш vii-/4i.UiiU mnvß и процессов. Петрозаводск. I-J9I .СЛТ4-Ш