Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численный анализ динамики и энергетики мезомасштабных особенностей циркуляции Черного моря

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численный анализ динамики и энергетики мезомасштабных особенностей циркуляции Черного моря"

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Дымова Ольга Алексеевна

УДК 551.465.4

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ И ЭНЕРГЕТИКИ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ЧЕРНОГО МОРЯ

04.00.22 - Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Севастополь - 2014

1 I ДЕК 2014

005556726

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте HAH Украины.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, Дёмышев Сергей Германович, Морской гидрофизический институт HAH Украины, ведущий научный сотрудник.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, Залесный Владимир Борисович, Институт вычислительной математики РАН, ведущий научный сотрудник;

доктор физико-математических наук, профессор, Копачевский Николай Дмитриевич,

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, заведующий кафедрой.

Защита состоится « 29 » декабря 2014 г. в 14°° часов на заседании Специализированного ученого совета Д 50.158.02 в Морском гидрофизическом институте HAH Украины по адресу: 299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, 2, малый конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского гидрофизического института HAH Украины, г. Севастополь, ул. Капитанская, 2.

Автореферат разослан » -1L_2014 г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого совета Д 50.158.02 доктор физико-математических наук, профессор

В.В. Кныш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Активная хозяйственная деятельность в прибрежных и открытых зонах Мирового океана стимулирует рост научных исследований, направленных на решение задач рационального природопользования. Освоение ресурсов шельфа, промышленное рыболовство, навигация, развитие рекреационного потенциала прибрежных территорий - вот только немногие отрасли, одним из решающих факторов влияния на которые является гидросфера. Диагноз и прогноз течений и волн, температурных аномалий, транспорта биогенов и загрязняющих веществ невозможен без точных гидрофизических данных. Поэтому численное моделирование гидродинамических процессов, происходящих в Мировом океане и отдельных его частях, представляет прикладной и научный интерес.

Существующие на данный момент глобальные модели имеют достаточно высокое разрешение для воспроизведения мезомасштабных особенностей циркуляции океана. Однако такие расчеты требуют больших вычислительных мощностей, что не всегда является целесообразным при изучении гидрофизических процессов в морях, бухтах и заливах. Поэтому особое значение имеют региональные модели, позволяющие не просто диагностировать водную динамику на малых пространственных масштабах, но и исследовать причины и механизмы формирования тех или иных особенностей морской среды, обусловленные географическим положением района. В литературе представлено большое количество публикаций, относящихся к вопросам регионального моделирования. Исследования динамики водной среды выполнены практически для всех акваторий Мирового океана, при этом горизонтальное разрешение моделей изменяется от нескольких десятков метров до 5 — 10 км.

Из анализа натурных измерений и спутниковой информации известно, что вклад мезо- и субмезомасштабных структур (вихревые образования, струйные течения, фронтальные зоны и др.) в динамику прибрежной циркуляции Черного моря существенен. Их изучение возможно на основе численных гидродинамических моделей, использующих высокое пространственное разрешение, детальное представление рельефа дна, учитывающих влияние стока рек, обмен через открытые границы и т.д. Для Черного моря построен и адаптирован ряд моделей, позволяющих реконструировать и исследовать крупно- и мелкомасштабные особенности. По размеру изучаемой области эти модели можно разделить на два класса: те, которые рассчитывают циркуляцию во всем море, и те, в которых моделируется динамика конкретного района. В первом варианте горизонтальное разрешение моделей составляет в среднем 5 км, что не всегда является достаточным для реконструкции мезо- и субмезомасштабных структур. Во втором случае высокое разрешение достигается за счет использования технологии вложенных сеток, но здесь возникает проблема задания условий на жидкой границе. Поэтому, несмотря на многолетний опыт построения численных моделей динамики Черного моря, остается открытым вопрос минимизации ошибок диагноза и прогноза гидрофизических характеристик циркуляции вод.

Возможность получать реалистичные гидрофизические поля определяется способностью математической модели качественно воспроизводить картину динамики вод моря, где важную роль играют мёзомасштабные структуры. В настоящее время для реконструкции циркуляции Черного моря широко "применяют численную нели-

нейную термодинамическую модель МГИ с шагом по пространству 5 км. Увеличение горизонтального разрешения модели МГИ позволит более корректно описать турбулентные процессы и обеспечить адекватный отклик морской системы на реальное атмосферное воздействие. Вихри в Черном море обуславливают обмен количеством движения, теплом, солью и любыми трассерами (биогены, примеси, радионуклиды и др.) между прибрежной и глубоководной частями моря. Для понимания причин их генерации и эволюции необходим анализ динамических и энергетических характеристик циркуляции. Для Черного моря такое исследование было проведено на сетке с горизонтальным разрешением 5 км, где циркуляция формировалась под воздействием климатических краевых полей. Поэтому теоретический и практический интерес представляет работа по анализу энергетики циркуляции, полученной с высоким разрешением и учетом реального атмосферного форсинга, что и обуславливает актуальность диссертационной работы.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Морского гидрофизического института HAH Украины в рамках следующих завершенных и действующих научно-исследовательских проектов:

тема HAH Украины «Исследование изменений климата в системе океан - атмосфера - литосфера на глобальных и региональных масштабах» (шифр «Океан-климат»), ГР № 0101U001023 (2000 - 2005 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Современное состояние шельфовой зоны Черного моря и рекомендации по использованию минеральных и рекреационных ресурсов» (шифр «Ресурсы шельфа»), ГР № 0102U001482 (2001 - 2006 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Фундаментальные и прикладные физико-климатические исследования морской среды и климатической системы океан-атмосфера» (шифр «Климат»), ГР № 0106U001406 (2006 - 2010 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Создание и развитие на основе современных технологий междисциплинарной океанографической системы мониторинга и прогноза состояния Черного моря» (шифр «Оперативная океанография»), ГР№ 0106U001407 (2006 -2010 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Междисциплинарные фундаментальные исследования прибрежных и шельфовых зон Азово-Черноморского бассейна» (шифр «Эко-шельф»), ГР № 0106U001409 (2006 - 2010 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Мониторинг Азово-Черноморского бассейна и природных катастроф» (шифр «Мониторинговые системы»), ГР № 0107U001160 (20062011 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Управление прибрежным ресурсным потенциалом морских акваторий Украины» (шифр «Управление»), ГР№0107Ш01161 (20072011 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Фундаментальные исследования физических процессов, определяющих состояние морской среды» (шифр «Физика моря»), ГР № 0109U003178 (2009 - 2010 гг.), исполнитель,

тема HAH Украины «Оперативный морской прогноз» (шифр «Морской прогноз»), ГР № 0111U001419 (2011 - 2013 гг.), исполнитель,

тема НАН Украины «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, которые определяют функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского морей, на основе современных методов контроля состояния морской среды и грид-технологий» (шифр «Фундаментальная океанология»), ГР № 011Ш001440 (2011-2015 гг.), исполнитель,

совместный проект НАН Украины и РФФИ «Исследование особенностей формирования и изменчивости циркуляции вод Черного моря на основе мультимодель-ного подхода» (шифр «Мультимодельное моделирование»), ГР № 01121ГО04272 (2012-2013 гг.), ученый секретарь,

тема НАН Украины «Черное море как имитационная модель океана» (шифр «Черное море»), ГР № 0112Ш01884 (2011 - 2015 гг.), исполнитель,

тема НАН Украины «Научное обоснование наращивания запасов полезных ископаемых и природных ресурсов в прибрежной зоне Азово-Черноморского бассейна» (шифр «Ресурс»), ГР № 0112Ш01781 (2012-2016 гг.), исполнитель.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы формулируется следующим образом: анализ мезомасштабной изменчивости циркуляции Черного моря методами математического моделирования.

В ходе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. оценить влияние геометрических параметров идеализированного бассейна и потоков в проливах на формирование и эволюцию мезомасштабных вихрей и течений;

2. получить дискретные уравнения бюджета кинетической и потенциальной энергии Черного моря с учетом рек и проливов;

3. рассчитать динамические и энергетические характеристики мезомасштабных вихрей в прибрежных областях Черного моря для 2006 года на основе численного эксперимента с учетом реального атмосферного воздействия;

4. проанализировать среднегодовую и сезонную изменчивость интегральных компонентов бюджета кинетической и потенциальной энергии Черного моря;

5. исследовать возможные механизмы формирования мезомасштабных особенностей прибрежной циркуляции на основе анализа ее энергетических характеристик.

Объект исследования — мезомасштабные особенности циркуляции Черного моря.

Предмет исследования - термохалинные, динамические, энергетические характеристики циркуляции Черного моря.

Метод исследования - численное моделирование. Научная новизна полученных результатов.

1. Получило дальнейшее развитие исследование влияния конфигурации бассейна и параметров потоков в проливах на характеристики мезомасштабных вихрей. Для этого в рамках нелинейной теории длинных волн построена численная двумерная модель динамики жидкости в прямоугольном бассейне с двумя проливами, с помощью которой рассчитывались поля скорости. Показано, что при учете нелинейных членов в уравнениях движения в бассейне пере-

менной глубины воспроизводятся мезомасштабные вихри при смене направления осциллирующего потока в проливах.

2. Детально описаны мезомасштабные особенности циркуляции в прибрежных областях Черного моря для 2006 г. С этой целью термогидродинамическая модель МГИ была модифицирована для проведения расчетов с горизонтальным разрешением 1,6 км, с использованием параметризации турбулентности Мел-лора-Ямады 2.5 и реалистичных атмосферных полей.

3. Улучшена методика анализа энергетических характеристик циркуляции Черного моря за счет учета стока рек и водообмена через проливы в уравнениях бюджета кинетической и потенциальной энергии. Программный код модели циркуляции МГИ дополнен блоком расчета уравнений изменения кинетической и потенциальной энергии.

4. Впервые рассчитаны интегральные и мгновенные энергетические характеристики циркуляции всего Черного моря с разрешением 1,6 км по горизонтали и с учетом реального атмосферного воздействия. Количественно оценены среднегодовые и сезонные вклады в энергию, обусловленные действием ветра, работой силы плавучести, вертикальными турбулентными процессами. Показано, что эти физические факторы формируют основные энергетические потоки, определяющие изменение баланса энергии Черного моря.

5. Впервые на основе анализа мгновенных компонентов бюджета кинетической и потенциальной энергии, полученных с высоким горизонтальным разрешением и учетом реального атмосферного воздействия, определены преобладающие физические механизмы формирования мезомасштабных и субмезо-масштабных особенностей циркуляции в северо-восточной части моря, у берегов Крыма, у южного и юго-восточного побережья Черного моря. Практическое значение полученных результатов.

Усовершенствованная гидродинамическая модель МГИ может быть использована в системах морского и экологического мониторинга для реконструкции мезомасштабных и субмезомасштабных особенностей циркуляции на всей акватории Черного моря и определения роли процессов баротропной и/или бароклинной неустойчивости Основного черноморского течения и ветрового воздействия в формировании и эволюции мезомасштабных вихрей.

Разработанный для Черного моря с учетом стока рек и водообмена через проливы программный комплекс расчета составляющих бюджета кинетической и потенциальной энергии может быть применен для других полузамкнутых бассейнов.

Реконструированные трехмерные поля течений, температуры, солености и поле уровня могут бьггь использованы в качестве граничных условий при моделировании динамики вод с применением технологии вложенных сеток; а также при решении таких практических задач, как контроль переноса загрязняющих веществ, защита гидротехнических сооружений, оценка гидродинамических свойств морской среды в районах нефте- и газодобычи на шельфе Черного моря.

Личный вклад соискателя. Личный вклад соискателя состоял в написании программного кода двумерной нелинейной гидродинамической модели; модификации численной модели МГИ для проведения расчетов динамических и энергетических характеристик с высоким горизонтальным разрешением, учетом реального ат-

мосферного воздействия и учетом стока рек и водообмена через проливы; в получении, обработке и интерпретации результатов расчетов. Физическая постановка задач, обсуждение научных результатов и формулировка выводов проводилась совместно с научным руководителем С.Г. Демышевым. Научные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы совместно с JI.B. Черкесовым, С.Г. Демышевым, C.B. Довгой, Н.В. Марковой. Соискатель выражает глубокую благодарность всем соавторам за сотрудничество.

В статьях, опубликованных с соавторами, конкретный вклад соискателя заключается в следующем:

в [1, 2,4, 5,11 - 17, 19,21] - участие в постановке задач, реализация программного кода двумерной модели динамики жидкости в бассейне с двумя проливами, проведение численных экспериментов по моделированию мезомасштабных вихрей и струйных течений в бассейне с двумя проливами, обработка и интерпретация результатов, формулировка выводов, подготовка статей;

в [7, 23] — участие в постановке задач, модификация программного кода модели МГИ для проведения расчетов с высоким горизонтальным разрешением и учетом реального атмосферного воздействия, подготовка начальных и краевых полей для использования в модели (поля касательных напряжений ветра, потоки тепла, осадков и испарения, температура поверхности моря), проведение численных экспериментов по реконструкции полей термогидродинамических характеристик в 2006 г., анализ результатов, сопоставление с данными наблюдений и результатами расчетов на сетке 5 км, формулировка выводов, подготовка статей;

в [8,9] — участие в постановке задач, включение в модель МГИ с высоким горизонтальным разрешением и учетом реального атмосферного воздействия блока расчета коэффициентов вертикального турбулентного обмена импульсом и вертикальной турбулентной диффузии тепла и соли на основе теории Меллора-Ямады 2.5, проведение численных экспериментов, анализ и сопоставление результатов с данными наблюдений и результатами расчетов с использованием параметризации Па-кановски-Филандера, формулировка выводов, подготовка статей;

в [3, 10, 25] - участие в постановке задач, модификация конечно-разностных аналогов уравнений изменения кинетической и потенциальной энергии в связи с заданием граничных условий на открытых участках границы бассейна и использованием бигармонического оператора в уравнении изменения потенциальной энергии, включение в модель МГИ блока расчета энергетических характеристик, проведение расчетов динамических и энергетических характеристик циркуляции, анализ и интерпретация результатов, формулировка выводов, подготовка статей.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы были представлены на следующих семинарах и научных конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2005» (Севастополь, 4-6 мая, 2005); Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2005» (Севастополь, 19-23 сентября, 2005); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2006» (Севастополь, 3-5 мая, 2006); Международная научная конференция «Фундаментальные исследования важнейших проблем естественных наук на основе интеграционных процессов в образовании и науке» (Севастополь, 19-24 ав-

густа, 2006); Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2006» (Севастополь, 18-22 сентября, 2006); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2007» (Севастополь, 3-5 мая, 2007); Международная конференция молодых ученых «Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины» (Севастополь - Кацивели, 12-14 июня, 2007); V Международная научная конференция студентов и аспирантов «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (Днепропетровск, 24-25 апреля, 2008); Международная конференция «Динамика прибрежной зоны бесприливных морей» (Балтийск, Калининградская область, 30 июня-4 июля, 2008); Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2008» (Севастополь, 18-22 сентября, 2008); Международная научно-практическая конференция молодых ученых по проблемам водных экосистем «Понт Эвксинский VI» (Севастополь, 21— 24 сентября, 2009); Международная научная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2010» (Севастополь, 21-23 апреля, 2010); VII Международная научная конференция студентов и аспирантов «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (Днепропетровск, 11-14 мая, 2010); Международная научная конференция «Функционирование и эволюция экосистем Азово-Черноморского бассейна в условиях глобального изменения климата» (Севастополь - Кацивели, 6-11 сентября, 2010); Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2011» (Севастополь, 12-16 сентября, 2011); Международная научная конференция «Гидродинамическое моделирование динамики Черного моря» и российско-украинский семинар «Компьютерное моделирование вод морей и Мирового океана: достижения и проблемы» (Севастополь, 1924 сентября, 2011); Международная научная конференция «Южные моря как имитационная модель океана» (Севастополь, 17-21 сентября, 2012); Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2012» (Севастополь, 24-28 сентября, 2012); Международная научная конференция «Интегрированная система мониторинга Черного и Азовского морей» (Севастополь, 24—27 сентября, 2013); Международная научная конференция «Современное состояние и перспективы наращивания морского ресурсного потенциала юга России» (п. Кацивели, 15-18 сентября, 2014).

Публикации. Материалы, вошедшие в диссертацию, отражены в 25 публикациях, в том числе статьи в периодических научных журналах - 6 [1 - 5, 9], статьи в сборниках научных трудов - 7 [6 - 8, 10, 12, 15,24], материалы международных научных конференций - 12 [11, 13, 14, 16 - 23, 25]. Требованиям МОН Украины к научным специализированным изданиям по физико-математическим наукам отвечают 10 публикаций [1 - 10]. 3 публикации [1 - 3] включены в международную наукометрическую базу "SCOPUS". Работы [6, 18,20, 22,24] выполнены без соавторов.

Структура работы. Работа состоит из вступления, трех разделов, выводов, списка использованной литературы. Она содержит 132 страницы машинописного текста, 49 рисунков и 2 таблицы. Список использованных источников включает 150 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Вступлении обосновывается актуальность темы диссертации, показана ее связь с научными темами МГИ HAH Украины и международными проектами, формулируются цель и задачи работы, изложены методы исследования и научная новизна полученных результатов, описаны их практическое значение и апробация, приведены количество публикаций и структура работы.

В Разделе 1 приводится обзор литературы по вопросам моделирования мезо-масштабных вихрей в Мировом океане и в Черном море. Представлены результаты исследования возникновения и развития течений и вихрей под воздействием потоков импульса через незамкнутые участки границы в идеализированных бассейнах. С использованием двумерной модели проведены численные эксперименты, на основе которых изучается влияние параметров потоков в проливах и геометрических характеристик бассейна на структуру поля скорости. Показано, что периодическое формирование вихрей в бассейне с двумя проливами происходит при смене направления осциллирующего потока в проливе. Наиболее интенсивные вихри возникают в бассейне переменной глубины с несимметричными проливами. Для исследования причин возникновения вихрей в проточном бассейне переменной глубины изучен баланс слагаемых в уравнении вихря. Выявлено, что основной вклад при образовании мезомасштабных вихрей дает адвекция по параллели, при этом адвективное слагаемое качественно соответствует изменению завихренности.

В Разделе 2 представлены результаты численных экспериментов по оценке влияния параметров модели циркуляции Черного моря на качество реконструированных термогидродинамических полей.

На основе трехмерной нелинейной модели МГИ проведено три эксперимента по моделированию гидрофизических полей Черного моря в 2006 г. Во всех экспериментах в качестве краевых полей использованы поля тангенциального напряжения трения ветра, полного потока тепла, испарения и осадков, полученные по данным региональной атмосферной модели "ALADIN". В модели каждые сутки усваивалась температура поверхности моря, полученная по данным спутника NOAA. В первом расчете поля, полученные с разрешение 1,6 км по горизонтали, сравнены с аналогичными данными, рассчитанными на сетке 5 км, и с данными наблюдений. Для параметризации вертикальных турбулентных процессов в обоих расчетах использовалась параметризация Пакановски-Филандера. Выявлен ряд отличий в структуре циркуляции: модель с высоким разрешением более корректно описывает отклик уровневой поверхности на экстремальные атмосферные воздействия по сравнению с расчетами на грубой сетке. Так, в начале января 2006 г. под действием мощного штормового ветра у западного побережья Черного моря сформировался пограничный слой. Максимальное повышение уровня наблюдалось 06.01.06 и составило 32 см, скорости течений на поверхности достигали 90 с м/с. В то же время в расчете с разрешением 5 км подъем уровня составил 38 см, а скорости течений достигали 130 см/с. Сравнение с данными альтиметрии показало, что результаты, полученные на сетке 1,6 км, соответствуют альтиметрии, а величины динамических характеристик, рассчитанных на грубой сетке, завышены. В поле скорости получены мезо-масштабные вихри и течения, отсутствовавшие в расчетах на грубой сетке, но соответствующие спутниковым наблюдениям.

Во втором эксперименте для описания вертикального турбулентного обмена импульсом и вертикальной турбулентной диффузии тепла и соли используется параметризация Меллора-Ямады 2.5. Результаты эксперимента сравнены с расчетом, проведенным с использованием параметризации Пакановски-Филандера, и с данными натурных измерений. Непосредственный учет напряжений трения ветра в теории Меллора-Ямады обеспечивает корректное описание скоростей течений в верхних слоях при экстремальном ветровом воздействии. На рис. 1 приведено поле скорости, сформировавшееся при сильном северо-восточном ветре со скоростями до 17 м/с. Видно, что в эксперименте 1 (рис. 1а) струя ОЧТ в юго-западной части моря распадается, а в эксперименте 2 сохраняется (рис. 16). Величины скоростей течений во втором эксперименте в среднем на 10% ниже, чем в первом.

В третьем численном эксперименте была уменьшен коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии в уравнениях переноса тепла и соли. Для валидации полей температуры и солености использованы данные натурных измерений, полученные в ходе морской экспедиции ИО РАН им. П.П. Ширшова (рейс CTD101, 23.06.06 - 26.06.06) в районе Геленджика. Сравнение профилей Т и S, полученных по результатам третьего эксперимента, с данными эксперимента 2 и результатами контактных измерений показало, что при уменьшении коэффициента горизонтальной диффузии в поле температуры воспроизводится особенность в слое скачка плотности, характерная для летних месяцев и наблюдаемая в данных измерений, что видно из рис. 2а, 6. Профили температуры практически совпадают для экспериментов 2 и 3, но в слое 30 - 60 м данные третьего эксперимента (рис. 2а, синяя кривая) лучше отражают известное из натурных данных изменение температуры по глубине, когда наблюдается ядро аномально холодных вод в слое ХПС, сформировавшееся в результате зимнего выхолаживания. Профили солености, полученные в эксперименте 3 (рис. 26, синяя кривая), ближе к данным наблюдений (рис. 26, черная кривая), однако, в обоих экспериментах наблюдается завышение значений в среднем на

0,5 %о в слое 50-150 м.

Таким образом, по итогам предварительных численных экспериментов были выбраны следующие параметры модели для расчета и дальнейшего анализа динамических и энергетических характеристик циркуляции в 2006 г.: сетка 1,6x1,6 км; по вертикали рассматривалось 27 z-горизонтов; шаг по времени - 1,5 мин. На поверхности моря задавались ветер, осадки, испарение, полный поток тепла по данным модели «ALADIN», температура поверхности моря - по данным спутника NOAA. Начальные поля соответствовали 28 декабря 2005 г. Коэффициенты турбулентности по вертикали рассчитывались по теории Меллора-Ямады 2.5. Коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости \Г=1016 см4/сек, коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии А"=5- 10й см4/сек. Время интегрирования - с 1 января по31 декабря 2006 г.

В результате расчета получены поле уровня, трехмерные поля скорости, температуры и солености на каждые сутки периода интегрирования. Анализ карт горизонтальных скоростей показал наличие мезомасштабной и субмезомасштабной изменчивости вод моря. Под мезомасштабами мы понимаем вихревые структуры размерами 30 - 100 км и временем жизни порядка месяца; субмезомасыггабы - вихри с размерами порядка 10 км и временем жизни несколько суток.

а б

Рис. 1. Поле скорости (см/с) 26.01.06, полученное в экспериментах 1 (а) и 2 (б) на горюонге 2,5 м

Рис. 2. Профили (красная кривая), кривая)

Рассмотрим отдельные районы черноморского бассейна. Поля скорости на верхнем расчетном горизонте, характерные для этих областей, представлены на рис. 3. Наиболее интенсивное образование мез см ас штабных вихрей происходит около Кавказского (рис. За) и Анатолийского (рис. 36) побережий. Видно, что круговороты, формирующиеся в этих районах, имеют ангициклонический знак завихренности (рис. За, б); они возникают квазипериодически и перемещаются по направлению движения ОЧТ. Время жизни этих антициклонов составляет 25 - 40 дней, в среднем скорость течений здесь равна 30 — 35 см/с, а по периферии вихрей в зоне взаимодействия с ОЧТ скорости возрастают до 50 см/с. Возле побережья Кавказа вихри наблюдаются до глубин около 100 м, возле Турции - структура вихрей прослеживается до глубин 300 м. Перемещаясь на восток, мезомасшгабные вихри, возникающие у побережья Турции, оказывают влияние на Батумский антициклон. К концу лета - началу осени взаимодействие с двигающимися с запада вихрями при-

СОЛЕНОСТЬ (Ко)

а б

температуры (а) и солености (б), полученные в эксперименте 2 эксперименте 3 (синяя кривая) и по данным измерений (черная

водит к тому, что Батумский антициклон уменьшается в размерах, а справа от него формируется множество вихрей различного размера и знака завихренности (рис. Зв). Субмезомасштабные образования располагаются у берега и наблюдаются до 100 м, мезомаспггабные вихри - до 300 м.

Анализ результатов представленного эксперимента показал, что в поле скорости воспроизводятся вихревые образования с пространственными масштабами до десяти километров и временными - до нескольких суток. В основном эти субмезомасштабные вихри располагаются на северо-западном шельфе и около берегов Крыма (рис. Зг). Скорости в них составляют 5-7 см/с, время жизни не превышает 7 суток. На СЗШ структура вихрей прослеживается до глубин 25 м. У южного и юго-восточного побережья Крыма мезомасштабные и субмезомасштабные вихри со скоростями 10-15 см/с наблюдаются до глубин 80 м. Повышение скоростей по сравнению с подобными образованиями на СЗШ обусловлено влиянием струи ОЧТ.

38»Е 39°Е 40°Е 4|°Е 31=Е 32°Е 33"Е 34»Е Э5°Е

в г

Рис. 3. Поле скорости (см/с) на горизонте 2,5 м возле побережья Кавказа 11.04.06 (я), возле побережья Турции 14.08.06 (б), в юго-восточной части моря 18.09.0(5 (в) и на СЗШ 07.08.06 (г)

В Разделе 3 проведен анализ энергетических характеристик циркуляции, рассчитанных на основе конечно-разностных аналогов уравнений изменения кинетической (КЭ) и потенциальной энергии (ПЭ) с учетом рек и проливов. Символьная запись уравнения бюджета кинетической энергии имеет вид:

Е, + АсЫ(Р + Е) = П -о. Е + ^ (Е) - (Е) - ШвзНог (Е) - (Е),

где АсЬ(Р) - работа сил давления, Аск(Е) - адвекция кинетической энергии, П<-*Е - работа силы плавучести, Рщг (Е) - приток от ветра и потеря за счет трения о

дно, DissveAE) - вертикальное внутренне трение, DissHor(E) - горизонтальное внутренне трение, DFic(E) - трение о боковые стенки. Сток рек и водообмен через проливы непосредственно учитывается во втором слагаемом в левой части и в последнем слагаемом правой части уравнения. Изменение потенциальной энергии определяется следующим уравнением:

П, + АсМП) = - П Е- Diffffor(YT) + Differ (П) - DifTZ (П) + DiffZ^iП) - Dffl?(П),

где Adv(Yl) - адвекция потенциальной энергии, DiffHor (П) - горизонтальная турбулентная диффузия, Diff^T' (П) - изменение ПЭ за счет потоков плавучести и вертикальной внутренней диффузии, Diff"°' ~s"r (П) - изменение ПЭ за счет разницы между придонной и поверхностной плотностью, DiffZ (П) - изменение ПЭ за счет неоднородности коэффициента вертикальной турбулентной диффузии по глубине, (П) - добавка за счет нелинейной зависимости плотности от температуры и солености. Реки и проливы учтены в адвективном слагаемом и в слагаемом, описывающем горизонтальную турбулентную диффузию.

Рассмотрим результаты расчета проинтегрированных по объему и осредненных за год слагаемых в уравнениях бюджета кинетической и потенциальной энергии. Схематически направления энергетических потоков в системе представлены на рис. 4.

Рис. 4. Проинтегрированные по объему осредненные за год энергетические потоки (10"6 эрг/см3 с)

Полная энергия системы складывается из КЭ и ПЭ, обмен между которыми происходит за счет доступной потенциальной энергии и определяется работой силы плавучести. Положительное значение означает переход из ПЭ в КЭ. Потоки плавучести, определяющие стратификацию вод, и ветер - это основные источники увеличения механической энергии Черного моря. Из рис. 4 видно, что в среднем за 2006 г. максимальный вклад в КЭ идет за счет действия ветра г —»£. Приток от ветра компенсируется внутренним вертикальным трением Ог'лу^Е). Адвективные слагаемые малы, однако они не обращаются в ноль, т.к. мы задаем потоки на незамкнутых участках границы. Горизонтальное трение 1>юядДЕ) уменьшает кинетическую энергию, и величина этого слагаемого за год превышает приток за счет работы силы

плавучести на 46%. На примере 2006 г. видно, что изменение ПЭ определяется вертикальной диффузией и работой силы плавучести. Полная вертикальная диффузия в системе определяется балансом между слагаемыми (П) и£)/^(Е). Из

рис. 4 вццно, что величина Ог$уег(П) в среднем за год положительна. Потоки плавучести на поверхности моря, определяемые в среднем за год отрицательны. Это означает, что энергия переходит из моря в атмосферу. Горизонтальная диффузия уменьшает ПЭ, однако, эта величина на порядок меньше вертикальной! диффузии. Анализ осредненных посезонно вкладов показал, что в холодные месяцы года максимальный вклад в кинетическую энергию обеспечивается притоком от ветра. Весной и летом ослабление ветров приводит к тому, что преобладающим в ба лансе КЭ становится вклад работы силы плавучести. Интенсивный прогрев верхних слоев моря приводит к увеличению кривизны изопикнических поверхностей и, следовательно, увеличению доступной потенциальной энергии. В результате чего развиваются процессы бароклинной неустойчивости.

Анализ пространственных распределений слагаемых в уравнгниях изменения КЭ и ПЭ показал, что у побережья Крыма и северного Кавказа наблюдается соответствие зон генерации субмезомасштабных вихрей с зонами увеличения работы силы плавучести. На рис. 5а представлено поле скорости 13.08.06 на верхнем расчетном горизонте.

33"Е 34°Н 35°Е 36°Е 37°Е ЗГЕ Э9°Н б

Рис. 5. Поле скорости (см/с) на горизонте 2,5 м (а) и поле П<н>Е (эрг/с) на горизонте 20 м (6)13.08.06

Видно, что в поле скорости локализованы несколько субмезомасштабных структур: вихри с масштабами от 8 до 17 км к западу от Крыма, небольшой вихрь диаметром около 12 км южнее Керченского пролива, орбитальные скорости здесь меняются от 5 до 15 см/с. Вихри западнее Крыма наблюдались 10 сут., вихрь около Керченского пролива 4 сут. Все вихри имели антициклонический знак завихренности. Соответствующее 13.08.06 пространственное распределение работы силы плавучести показано на рис. 56. Сравнение обеих карт показало, что области максимальных значений работы силы плавучести пространственно совпадают с расположением субмезомасштабных особенностей циркуляции в прибрежных зонах. Из рис. 56 видно, что у крымского побережья рядом с областями максимальных значений #<-»£ расположены зоны минимальных значений величины 77<-»£. Т.к. работа силы плавучести определяется плотностью жидкости, то такое пространственное распределение свидетельствует о больших горизонтальных градиентах плотности, что является критерием развития бароклинной неустойчивости. В результате доступная потенциальная энергия возрастает. Таким образом, в весенне-летний сезон 2006 г. возможным механизмом формирования субмезомасштабных особенностей циркуляции в прибрежных зонах северной части Черного моря являлась бароклинная неустойчивость.

У юго-восточного побережья Крыма наблюдается относительно мощный антициклонический вихрь (рис. 5а). Мы относим его уже к мезомасштабным вихрям, т.к. его размеры достигали 33 км, а скорости в нем составили 25 - 30 см/с. Увеличение размера и скорости по сравнению с субмезомасштабными вихрями связано с влиянием основного черноморского потока. Обширная область отрицательных значений работы силы плавучести (рис. 56) в зоне локализации вихря свидетельствует о том, что скорости вихря подпитываются струей ОЧТ. Таким образом, можно предположить, что развитие мезомасштабной циркуляции здесь обусловлено баротропно-бароклинной неусгойчи-востью.У южных берегов Черного моря квазипериодическое образование мезомас-штабных вихрей наблюдается в течение всего года. Определяющими факторами здесь являются сила ветра и конфигурация береговой черты. В холодные месяцы года Основное черноморское течение имеет вид узкой прижатой к берегу струи. При ослаблении действия ветра между ОЧТ и береговой линией формируются антициклонические вихри. Исследование этого механизма в лабораторных условиях выполнено под руководством А.Г. Зацепина (Зацепин и др., 2010). Выводы, сделанные авторами, подтверждаются и нашими численными экспериментами. Пример сопоставления карт течений с пространственным распределением слагаемого, характеризующего вклад в КЭ от ветра, представлен на рис. 6. Скорость приводного ветра 18.03.06 в среднем составляла 1,5 - 2 м/с. Видно, что слагаемое г->£ увеличивает кинетическую энергию ОЧТ и между областями максимальных значений т->Е и берегом возникают области отрицательных значений (рис. 66). Расположение этих областей четко совпадает с локализацией мезомасштабных вихрей в поле скорости (рис. 6а). Отрицательная величина слагаемого т->Е физически означает, что ветер и течения на поверхности направлены в противоположные стороны. Происходит торможение потока и при набегании на неровности береговой линии в шельфовых зонах формируются антициклонические вихри (Елкин, Зацепин, 2013). Глубина шельфа у Анатолийского побережья в среднем составляет 100 м. Следовательно, при

слабом ветре орография берега оказывает существенное влияние на ОЧТ и за мысами в относительно мелководных районах Анатолийского побережья формируются мезомасштабные вихри. При усилении ветра размеры компенсационных зон уменьшаются, скорости струи возрастают и мезомасштабные вихри в прибрежной зоне не развиваются. Таким образом, ослабление ветрового воздействия в сочетании с влиянием орографии береговой черты могут являться основными механизмами формирования мезомасштабных особенностей циркуляции в южной и юго-восточной части Черного моря.

б

Рис. 6. Поле скорости (см/с) на горизонте 2,5 м (а) и поле т-+Е (эрг/с) на поверхности (б) 18.03.06

ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проанализировано влияние параметров потоков в проливах и геометрических характеристик бассейна на генерацию и эволюцию мезомасштабных вихрей. Выявлено, что вихри периодически формируются под воздействием осциллирующего потока в проливах при смене направления потока. Наиболее интенсивные вихри возникают в бассейне переменной глубины с несимметричными проливами. Основной вклад при образовании мезомасштабных вихрей в идеализированном бассейне с узкими проливами дают адвекция по параллели и вязкость, при этом временная из-

менчивость адвективного слагаемого качественно соответствует изменению завихренности.

2. Оценена чувствительность результатов моделирования к параметрам модели МГИ и способам аппроксимации турбулентных процессов. Показано, что при пространственном разрешении 1,6x1,6 км воспроизводятся вихревые структуры размерами до нескольких десятков километров, наличие которых подтверждено данными наблюдений. Продемонстрировано, что с использованием теории турбулентности Меллора - Ямады 2.5 корректно моделируются структура поля скорости и модельная температура в верхнем 40-метровом слое и слое скачка плотности. При уменьшении коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии в расчетных данных по температуре в слое 30 - 60 м в летний период воспроизводится ядро вод пониженной температуры в слое ХПС, наблюдавшееся в натурных съемках.

3. Подобраны оптимальные параметры модели МГИ для реконструкции термогидродинамических характеристик Черного моря в 2006 г. с высоким горизонтальным разрешением. По результатам моделирования уточнено расположение прибрежных зон моря, в которых квазипериодически формируются мезомасштабные вихри: это южное и юго-восточное побережье Крыма, побережье северного Кавказа, северо-западный шельф, восточный угол моря (побережье Грузии), южная и юго-восточная прибрежные зоны (побережье Турции).

4. Получены дискретные уравнения изменения кинетической и потенциальной энергии с учетом рек и проливов, на их основе проведена модификация модели МГИ для расчета динамических и энергетических характеристик циркуляции. Рассчитаны интегральные балансы и мгновенные вклады слагаемых в уравнениях изменения кинетической и потенциальной энергии. Построены диаграммы энергетических потоков осредненных за год и посезонно.

5. Анализ среднегодовой изменчивости энергетических потоков показал, что уменьшение кинетической энергии вследствие горизонтального и вертикального внутреннего трения превышает рост за счет вкладов от ветра и работы силы плавучести. В холодные месяцы года максимальный вклад в кинетическую энергию обеспечивается притоком от ветра. Весной и летом ослабление ветров приводит к тому, что преобладающим становится вклад работы силы плавучести. В среднем за год работа силы плавучести уменьшает потенциальную энергию. В теплые месяцы года интенсивный прогрев верхних слоев моря приводит к увеличению кривизны изо-пикнических поверхностей, в результате чего интенсифицируются процессы барок-линной неустойчивости. В теплый сезон работа силы плавучести максимальна в верхнем квазиоднородном слое, а в осенне-зимний сезон - на горизонтах, где сосредоточены воды холодного промежуточного слоя.

6. Анализ пространственного распределения работы силы плавучести показал, что весной и летом в северо-восточной части моря и у берегов Крыма усиливаются процессы бароклинной неустойчивости и в поле течений формируются субме-зомасштабные структуры. У южного и юго-восточного побережья Черного моря формирование мезомасштабных вихрей происходит при слабых ветрах, когда уменьшается вклад в кинетическую энергию от ветра и существенным становится влияние орадрафических особенностей береговой черты.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ, содержащихся в изданиях, включенных в перечень МОН Украины: «физико-математические науки»

1. Demyshev S.G. Numerical simulation of currents in a basin of variable depth with two straits / S.G. Demyshev, O.A. Dymova, L.V. Cherkesov // Physical Oceanography. -2007. - Vol. 17, № 4. - P. 191 - 199. (Работа является переводом: Демышев С.Г. Численное моделирование течений в бассейне переменной глубины с двумя проливами / С.Г. Демышев, O.A. Дымова, Л.В. Черкесов // Морской гидрофизический журнал. -2007,-№4.-С. 3-12.).

2. Demyshev S.G. Influence of straits and bottom topography on the structure of baro-tropic currents in a flow-through basin / S.G. Demyshev, O.A. Dymova // Physical Oceanography. - 2010. - Vol. 20, № 2. - P. 90 - 98. (Работа является переводом: Демышев С.Г. Влияние расположения проливов и рельефа дна на структуру баротроп-ных течений в проточном бассейне / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Морской гидрофизический журнал. - 2010.-№ 2. - С. 17 - 25.).

3. Demyshev S.G. Numerical analysis of the mesoscale features of circulation in the Black Sea coastal zone / S.G. Demyshev, O.A. Dymova // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. - 2013. - Vol. 49, № 6. - P. 603 - 610. (Работа является переводом: Демышев С.Г. Численный анализ мезомасштабных особенностей циркуляции в прибрежной зоне Черного моря / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2013. - Т. 49, № 6. - С. 655 - 663.).

4. Исследование приливных волн и течений в бассейне с двумя проливами / С.Г. Демышев, O.A. Дымова, Н.В. Маркова, Л.В. Черкесов // Доповда НацюналыюТ Академи наук Укршни. - 2005 - № 11. - С. 101 - 105.

5. Демышев С.Г. Численное моделирование приливных волн и течений в бассейне с двумя проливами / С.Г. Демышев, O.A. Дымова, Н.В. Маркова // Морской гидрофизический журнал. — 2006. - № 2. — С. 66 - 76.

6. Дымова O.A. Исследование возможных условий образования вихрей в проточном бассейне / O.A. Дымова // Экологическая безопасность прибрежной и шельфо-вой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2009. - Выпуск 19. - С. 87 - 92.

7. Демышев С.Г. Результаты прогностического расчета гидрофизических полей Черного моря с высоким пространственным разрешением / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2010. - Выпуск 22. - С. 22 - 30.

8. Демышев С.Г. Моделирование циркуляции Черного моря с высоким пространственным разрешением / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. - Выпуск 25, Т. 2 - С. 114 - 135.

9. Демышев С.Г. Моделирование гидрофизических полей Черного моря в январе-сентябре 2006 года с высоким пространственным разрешением с использованием параметризации Меллора-Ямады / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Морской гидрофизический журнал. — 2012. - Ка 5. - С. 59 — 69.

10. Демышев С.Г. Энергетический анализ мезомасштабной изменчивости циркуляции вод Черного моря по результатам расчета гидрофизических полей в период январь - сентябрь 2006 г. / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа.

- Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2012. - Выпуск 26, Т. 2 - С. 40 - 49.

СПИСОК РАБОТ В ДРУГИХ ИЗДАНИЯХ И ТЕЗИСОВ В СБОРНИКАХ МАТЕРИАЛОВ НАУЧНЫХ КОНФЕРЕНЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

11. Исследование развития волн и течений в бассейне с двумя проливами / С.Г. Демышев, O.A. Дымова, Н.В. Маркова, Л.В. Черкесов // Ломоносов - 2005: межд. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 4-6 мая 2005 г.: материалы конф. - Севастополь, 2005. - С. 20 - 21.

12. Расчет течений в Черном и Мраморном морях с учетом рек и проливов на основе трехмерной нелинейной модели / С.Г.Демышев, C.B.Довгая, О.А.Дымова, Н.В. Маркова // Системы контроля окружающей среды. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2005.-С. 183 - 185.

13. Демышев С.Г. Исследование структуры течений в бассейне с двумя проливами / С.Г. Демышев, O.A. Дымова, Л.В. Черкесов // Ломоносов - 2006: межд. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 3-5 мая 2006 г.: материалы конф. - Севастополь, 2006. - С. 22 - 23.

14. Демышев С.Г. Численное моделирование течений в бассейне переменной глубины с двумя проливами / С.Г. Демышев, О.А.Дымова, Л.В. Черкесов // Фундаментальные исследования важнейших проблем естественных наук на основе интеграционных процессов в образовании и науке: межд. науч. конф., 19-24 августа 2006 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2006. - С. 76.

15. Демышев С.Г. Влияние нелинейности при моделировании течений однородной жидкости в проточном бассейне / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Системы контроля окружающей среды. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2006. - С. 201 - 203.

16. Демышев С.Г. Исследование влияния конфигурации бассейна на структуру течений в проточном бассейне / С.Г. Демышев, O.A. Дымова, Л.В. Черкесов // Ломоносов - 2007: межд. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 3-5 мая 2007 г.: материалы конф. - Севастополь, 2007. - С. 9 - 10.

17. Демышев С.Г. Исследование влияния конфигурации бассейна на структуру течений в проточном бассейне / С.Г. Демышев, O.A. Дымова, Л.В. Черкесов // Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины: межд. конф. молодых ученых, 12-14 июня 2007 г.: тезисы докл. -Севастополь, 2007. - С. 8 - 9.

18. Дымова O.A. Исследование возникновения вихрей в проточном бассейне / O.A. Дымова // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: V межд. науч. конф. студентов и аспирантов, 24-25 апреля 2008 г.: материалы конф.

- Днепропетровск, 2008. - С. 21 - 24.

19. Демышев С.Г. Возникновение вихрей в проточном бассейне / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Динамика прибрежной зоны бесприливных морей: межд. конф., 30 июня-4 июля 2008 г.: материалы конф. - Балтийск, 2008. - С. 186 - 190.

20. Дымова O.A. Исследование возможных механизмов образования вихрей в проточном бассейне / O.A. Дымова // Литодинамика донной контактной зоны океанов: межд. конф., посвященная 100-летию со дня рождения профессора В.В. Лонгинова, 14-17 сентября 2009 г.: материалы конф. - Москва, 2009. - С. 17 - 19.

21. Демышев С.Г. Влияние рельефа дна на образование вихрей в проточном бассейне / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Понт Эвксинский: VI межд. науч.-практ. конф. молодых ученых по проблемам водных экосистем, 21-24 сентября 2009 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2009. - С. 40.

22. Дымова O.A. Адаптация гидродинамической модели с высоким пространственным разрешением для расчета гидрофизических полей Черного моря / O.A. Дымова // Ломоносов - 2010: межд. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 21 - 23 апреля 2010 г.: материалы конф. - Севастополь, 2010. - С. 86 - 87.

23. Дымова O.A. Прогностический расчет гидрофизических полей Черного моря для периода январь - сентябрь 2006 года / O.A. Дымова, Н.В. Маркова // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: VII межд. науч. конф. студентов и аспирантов, 11-14 мая 2010 г: материалы конф. - Днепропетровск, 2010. -С. 24 - 26.

24. Дымова O.A. Восстановление вертикальных скоростей течений в модели циркуляции Черного моря с высоким горизонтальным разрешением / O.A. Дымова // Системы контроля окружающей среды. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. -С. 120-124.

25. Демышев С.Г. Реконструкция мезомасштабной и субмезомасштабной динамики вод и анализ энергетических характеристик у побережья Крыма / С.Г. Демышев, O.A. Дымова // Современное состояние и перспективы наращивания морского ресурсного потенциала юга России: межд. науч. конф., 15-18 сентября 2014 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2014. - С. 188 - 190.

АННОТАЦИЯ

Дымова O.A. Численный анализ динамики и энергетики мезомасштабных особенностей циркуляции Черного моря. - На правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 2014.

Диссертация посвящена исследованию мезомасштабных особенностей циркуляции Черного моря на основе численной модели динамики МГИ и конечно-разностных аналогов уравнений изменения кинетической и потенциальной энергии. Расчеты выполнены с высоким горизонтальным разрешением и учетом реального атмосферного воздействия, что позволило с достаточной степенью точности воспроизвести изменчивость циркуляции вод с масштабами порядка 10 км. Особое внимание в работе уделено распределению энергетических потоков в прибре:кных районах Черного моря, а также изучению механизмов формирования и эволюции

мезомасштабных вихрей.

Представлен обзор результатов натурных, численных и лабораторных исследований мезомасштабных вихрей в реальных и идеализированных бассейнах. Освещены основные механизмы генерации вихревых структур. С учетом имеющихся лите-

ратурных данных рассмотрены возможные механизмы формирования и эволюции мезомасштабной изменчивости вод Черного моря.

С использованием авторской двумерной нелинейной модели движения жидкости проведены численные эксперименты, на основе которых определено влияние геометрической конфигурации бассейна и параметров потоков через незамкнутые участки границы на структуру поля скорости в идеализированном прямоугольном бассейне с двумя проливами. Показано, что в бассейне воспроизводятся мезомас-штабные вихри при нелинейной постановке задачи. Наиболее интенсивные вихри возникают под воздействием осциллирующего потока в бассейне с переменным профилем дна и несимметричным расположением проливов. Вихри формируются при смене направления потока в проливах, струйные течения устанавливаются при максимальной величине модуля скорости в проливах. Анализ баланса слагаемых в уравнении абсолютного вихря скорости показал, что временная изменчивость адвективного слагаемого качественно соответствует изменению завихренности.

Выполнен анализ качества реконструированных термогидродинамических полей Черного моря, полученных при различных параметрах модели циркуляции МГИ. Численные эксперименты проведены с использованием реального атмосферного воздействия. Результаты сравнены с данными наблюдений, что позволило обосновать выбор параметров и аппроксимаций, при которых модель наиболее корректно воспроизводит поля течений, уровня, температуры и солености. Уточнено расположение зон моря, в которых наблюдается наиболее интенсивная мезомас-штабная и субмезомасштабная изменчивость, что позволило выбрать районы для проведения анализа динамических и энергетических характеристик циркуляции.

Модифицирована модель динамики МГИ для вычисления компонентов баланса кинетической и потенциальной энергии с учетом стока рек и водообмена через проливы. Рассчитаны и проанализированы интегральные и мгновенные динамические и энергетические характеристики циркуляции вод Черного моря в 2006 г. Изучена среднегодовая и сезонная изменчивость компонентов бюджета кинетической и потенциальной энергии. Исследованы некоторые механизмы формирования мезомас-штабных вихрей в прибрежных районах Черного моря. Показано, что возможным механизмом генерации мезо- и субмезомасштабных вихрей у побережья Крыма и Северного Кавказа является бароклинная неустойчивость. Основной фактор, определяющий мезомасштабную динамику у южного и юго-восточного побережья, - это орография берега, влияние которой наиболее сильно проявляется при слабых ветрах.

Ключевые слова: численное моделирование, Черное море, мезомасштабная и субмезомасштабная изменчивость, кинетическая энергия, потенциальная энергия, бароклинная неустойчивость, орография берега.

АНОТАЦ1Я

Днмова О.О. Чисельний ana.ih динамйш та енергетики мезомасштабних особливостей циркуляцн Чорного моря. - На правах рукопису.

Дисертац1Я на здобуття науковош ступеня кандидата ф^зико-математичних наук за спешальшстю 04.00.22 - геоф1зика. - Морський пдроф1зичний in статут HAH УкраУни, Севастополь, 2014.

Дисертащя присвячена доипдженню мезомасштабних особливостей циркуляцп Чорного моря на основ1 чисельноУ модел1 динамки та юнцево-р1зницевих аналогов р1внянь зм1ни кшетично!" i потенцШноТ енергн. Розрахунки виконаш з високим прос-торовим роздшенням i урахуванням реального атмосферного впливу, що дозволило з достатшм ступенем точности вщтворити особливост1 циркуляцп вод з масштабами порядку 10 км. Особливу увагу в робот! придшено розподшу енергетичних потоив в прибережних районах Чорного моря i вивченню мехашзм1в формування та еволюцн мезомасштабних вихор1в. Проведена модифшащя модел! динам1ки МГ1 для обчис-лення компонент!в бюджету кшетичноТ i потенцШноУ енергн з урахуванням стоку р1чок та водообмшу через протоки. Розраховаш й проанал1зоваш ¡нтегралып та мит-Teei динам¡4ni та енергетичш характеристики циркуляцп вод Чорного моря в 2006 р. Вивчена середньор1чна i сезонна м1нливють компонент бюджету кшетичноУ i по-тенц1йно1 енергн. Досл1джен1 таки мехашзми формування мезомасштабних вихор1в в прибережних районах Чорного моря як бароклинна нест1йюсть, в^тровий вплив, орограф1я берега.

Ключовг слова-, чисельне моделювання, Чорне море, мезомасштабна i субмезо-масиггабна М1нлив1сть, мнетична енерпя, потеншйна енерпя, бароклинна нест1й-KicTb, орограф1Я берега.

SUMMARY

Dymova О.А. Numerical Analysis of the Dynamics and Energetics of the Black Sea Mesoscale Variability. - As manuscript.

The Thesis to claim the academic degree of candidate of physical-mathematical sciences on the specialty 04.00.22 - Geophysics. - Marine Hydrophysical Institute of Ihe National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2014.

The Thesis is focused on research of the Black Sea mesoscale circulation features by a numerical model of the dynamics and finite-difference analogs of kinetic and potential energy changes equations. Calculations was carried out with high spatial resolution and taking into account the real forcing. With a high degree of accuracy it was allowed to reproduce the circulation features with scale about 10 km. Special attention is paid to the distribution of energy flows in the coastal areas of the Black Sea and study of generation and evolution mechanisms of mesoscale eddies. The modification of MHI dynamic model was made to calculate the components of the kinetic and potential energy budget with taking into account water exchange through the rivers and straights. The integrated and instantaneous dynamic and energetic characteristics of the Black Sea circulation in 2006 were calculated and analyzed. We studied annual and seasonal variability of components of the kinetic and potential energy budget. Such mechanisms of mesoscale eddies formation in the coastal areas of the Black Sea as baroclinic instability, wind effect, shore orography were investigated.

Keywords: numerical modeling, the Black Sea, mesoscale variability, submesoscale variability, kinetic energy, potential energy, baroclinic instability, shore orography.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Дымовой Ольги Алексеевны

Подписано к печати 15.10.2014 Формат бумаги 60 х 84 1/16.

Объем 0.9 автл. Заказ № 46 Тираж 100 экз.

Напечатано в НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика» 299011, г. Севастополь, ул. Ленина, 28 Свидетельство о государственной регистрации № 914 серия ДК от 16.02.2002