Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численный анализ циркуляции в прибрежной зоне Черного моря на основе гидродинамической модели с ассимиляцией данных наблюдений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численный анализ циркуляции в прибрежной зоне Черного моря на основе гидродинамической модели с ассимиляцией данных наблюдений"

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Евстигнеева Наталья Александровна

УДК 551.465.4

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ЦИРКУЛЯЦИИ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ НА ОСНОВЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С АССИМИЛЯЦИЕЙ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

04.00.22 - геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г г пай ген

Севастополь — 2014

005548993

005548993

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте Национальной академии наук Украины.

Научный руководитель:

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

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник; Фомин Владимир Владимирович,

Морское отделение Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института МЧС Украины, заведующий лабораторией гидрометеорологии моря;

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник; Бровченко Игорь Александрович,

Институт проблем математических машин и систем HAH Украины, старший научный сотрудник.

Защита состоится « /9 » ШоИЯ 2014 г. в часов на заседании Специализированного ученого совета Д 50.158.02 в Морском гидрофизическом институте Национальной академии наук Украины по адресу: 99011, 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 « v5~ » 2014 г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого совета Д 50.158.02 кандидат физико-математических наук

А.И. Кубряков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прибрежная зона моря имеет важнейшее значение для жизнедеятельности людей. Развитие туризма, рыболовства и рыборазведения, строительство прибрежных и портовых сооружений, добыча полезных ископаемых делают актуальными вопросы экологического мониторинга, охраны и рационального использования природных ресурсов. Решение этих вопросов неразрывно связано с задачами исследования динамики вод в шельфовой области моря, их перемешивания и обмена с открытыми частями моря. В связи с этим изучение динамических процессов в прибрежных районах Черного моря занимает одно из ведущих мест в научных проектах, реализуемых в Украине.

В настоящее время существует ряд численных моделей, которые позволяют одновременно рассчитывать течения на шельфе и в глубоководной части моря. В частности, для реконструкции полей течений Черного моря успешно используется гидродинамическая модель, которая была разработана в Морском гидрофизическом институте (МГИ) HAH Украины (Демышев, Коротаев, 1992; Демышев, 2010). Тем не менее, численные модели для всего моря не дают возможности проводить расчеты с пространственно-временной детализацией, которая необходима для решения проблем рыболовства, судоходства и добычи нефти на шельфе. Из анализа контактных измерений и спутниковой информации известно, что вклад мезо- и субмезо-масштабных структур (вихревые образования, струйные течения и фронтальные зоны) в суммарные гидрофизические поля существенен. В частности, вихри играют исключительно важную роль в гидродинамике и экологии прибрежных районов. Вертикальные и горизонтальные движения, вызванные такими динамическими возмущениями, способствуют вовлечению в прибрежную зону чистых, насыщенных кислородом вод из открытых районов моря. Поэтому очевидна важность разработки эффективной и современной модели с высоким пространственным разрешением для локальных акваторий, которая могла бы описывать основные особенности эволюции гидродинамических полей.

В связи с необходимостью знания особенностей прибрежной циркуляции Черного моря на масштабах мезо- и субмезомасштабной изменчивости в данной работе модель МГИ HAH Украины адаптирована к условиям шельфовой зоны. При этом учитывалось, что для расчета течений на шельфе гидродинамическая модель должна иметь высокое пространственное разрешение, учитывать более детальное представление рельефа дна, описывать более аккуратно влияние стока рек и обмен через открытую границу. Проблема расчета циркуляции в прибрежных районах Черного моря, возникающая из-за сложности постановки краевых условий на открытых границах, протяженность которых велика, все еще окончательно не решена. Поэтому в работе особое внимание уделяется изучению роли краевых условий для открытых границ при формировании полей уровня, горизонтальной и вертикальной скоростей течений, а также термохалинных полей. Для воспроизведения гидрофизических полей, близких к реальным, важно также ассимилировать в модели имеющуюся гидрологическую информацию.

В прибрежной зоне Черного моря выполняются экспедиционные наблюдения, затем полученные данные анализируются гидрологами, однако обработка данных

съемок с помощью гидродинамических моделей до настоящего времени еще не проводилась. Важность такой обработки данных, выполненной в диссертации, заключается в возможности на современном уровне эффективно использовать результаты измерений, восстанавливая полную картину циркуляции в области съемки, и получать близкую к наблюдаемой в природе картину изменчивости гидрофизических полей, а также рассчитывать неизмеримые непосредственно гидрофизические характеристики (например, вертикальную скорость). Полученные при этом результаты обработки данных наблюдений дают подробную информацию о мезо- и субме-зомасштабных структурах на шельфе Черного моря.

Таким образом, недостаточная изученность мезо- и субмезомасштабных особенностей прибрежной циркуляции Черного моря, сложность постановки краевых условий на открытых границах расчетной области и отсутствие программного комплекса для обработки данных гидрологических съемок, которые проводятся в прибрежной зоне Черного моря, обуславливают актуальность данной 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 тем и проектов:

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

тема HAH 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 гридтехнологий» (шифр «Фундаментальная океанология»), ГР №011111001420,2011-2015 гг., исполнитель;

совместный проект HAH Украины и РФФИ «Исследование особенностей формирования и изменчивости циркуляции вод Черного моря на основе мультимодель-ного подхода» (шифр «Мультимодельное моделирование»), ГР№0112Ш04272, 2012-2013 гг., исполнитель.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось воспроизведение и анализ прибрежной циркуляции на основе ассимиляции данных наблюдений гидрологических съемок в z-координатной трехмерной нелинейной модели Черного моря.

В ходе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. адаптировать гидродинамическую модель МГИ HAH Украины к условиям северо-западного шельфа Черного моря в баротропном варианте и изучить роль различных типов краевых условий для компонентов скорости на открытой границе при формировании полей уровня, горизонтальной и вертикальной скоростей течений при длительном интегрировании;

2. адаптировать гидродинамическую модель МГИ HAH Украины к условиям северо-западного шельфа Черного моря в бароклинном варианте и

выбрать численную схему для расчета скорости переноса возмущений при задании условий излучения на открытой границе, которая дает минимальные ошибки при расчете значений температуры и солености вблизи границы;

3. провести анализ полей уровня, течений, температуры и солености, полученных с высоким разрешением по пространству для северо-западного шельфа Черного моря, в зимний и летний сезоны и исследовать особенности формирования зимней и летней циркуляции;

4. реализовать схему последовательной оптимальной интерполяции данных наблюдений по температуре и солености в численной гидродинамической модели и на ее основе провести усвоение данных наблюдений, полученных в июле 2000 г. в прибрежной зоне Южного берега Крыма и в октябре 2007 г. на северозападном шельфе Черного моря;

5. проанализировать пространственно-временную изменчивость полученных полей уровня, течений, температуры, солености в прибрежных областях и изучить мезомасштабные структуры в полях течений (динамические и кинематические характеристики, возможные механизмы их формирования);

6. провести сопоставление полученных результатов с выполненными ранее расчетами и данными наблюдений.

Объекты исследования: северо-западный шельф (СЗШ) Черного моря, прибрежная зона Южного берега Крыма (ЮБК).

Предмет исследования: поля уровня, течений, температуры и солености.

Метод исследования: численное моделирование с использованием методов геофизической гидродинамики, вычислительной математики. Для решения поставленных задач применялись методы программирования на языке Фортран.

Научная новизна полученных результатов.

1. Гидродинамическая модель МГИ HAH Украины адаптирована для расчета прибрежной циркуляции в районах с открытыми границами, реализовано полное кинематическое условие на поверхности моря, дана оценка роли различных типов условий на жидкой границе при формировании полей уровня, горизонтальной и вертикальной скоростей течений при длительном интегрировании уравнений движения (5 - 10 лет). Улучшено пространственное разрешение модели и использовано более детальное представление рельефа дна.

2. Впервые в климатических полях течений на северо-западном шельфе Черного моря для зимнего и летнего периодов получены и исследованы мезомасштабные структуры в виде вихрей с диаметрами ~ 15 км (в северной, центральной и западной части шельфа, а также в Каркинитском заливе) и узких струйных течений.

3. Впервые для прибрежной зоны Черного моря адаптирован программный комплекс для обработки данных гидрологических съемок, который позволяет восстанавливать непрерывную пространственно-временную картину циркуляции.

4. Обработаны две полигонные съемки, проведенные в прибрежной зоне ЮБК в июле 2000 года и на северо-западном шельфе в октябре 2007 года, на основе гидродинамической модели с ассимиляцией данных наблюдений, что позволило более точно описать мезо- и субмезомасштабные особенности гидрофизических полей.

Практическое значение полученных результатов. Адаптированная к условиям прибрежной зоны гидродинамическая модель МГИ HAH Украины с усвоением

данных натурных измерений может быть успешно использована для обработки данных гидрологических съемок, которые выполняются на северо-западном шельфе Черного моря и в прибрежном районе ЮБК.

Предложенный программный комплекс, состоящий из численной модели динамики и процедуры ассимиляции данных наблюдений, может быть применен для других акваторий и на различных временных масштабах.

Реконструированные поля течений на северо-западном шельфе и в прибрежном районе ЮБК могут быть использованы при решении задач, связанных с гидротехническим проектированием, навигацией, добычей полезных ископаемых, а также при прогнозировании воздействия на морскую среду аварийных выбросов загрязняющих веществ и состояния морской экосистемы.

Личный вклад автора в получение результатов. Личный вклад соискателя состоял в адаптации модели МГИ HAH Украины к условиям СЗШ Черного моря и прибрежной зоны ЮБК, в проведении численных экспериментов, обработке и интерпретации их результатов, обобщении и формулировке выводов и подготовке текстов статей.

Постановка задачи, выполнение численных экспериментов, обработка и интерпретация их результатов, формулировка выводов в публикациях [5, 12, 13, 15] выполнены автором самостоятельно, под общим руководством научного руководителя С.Г. Демышева.

Вклад соискателя в совместные публикации определяется следующим образом:

- в работах [1,4, 8] - модификация конечно-разностных уравнений баротропной модели в случае открытых границ, включение в модель полного кинематического условия на поверхности моря, подготовка массива глубин северо-западного шельфа Черного моря, подготовка начальных и краевых полей для использования в модели (поля тангенциального напряжения трения ветра), численная реализация трех типов граничных условий на открытой границе для баротропного варианта модели, выбор коэффициентов турбулентной вязкости по горизонтали и вертикали на основе серии специализированных численных экспериментов;

- в работах [2, 9, 10] - модификация конечно-разностных уравнений бароклинной модели при учете открытых границ, подготовка начальных и краевых полей для использования в модели (поля тангенциального напряжения трения ветра, потоки тепла, осадки и испарение), выбор коэффициентов турбулентной вязкости и диффузии по горизонтали и вертикали на основе серии численных экспериментов, подготовка данных для краевых условий на жидкой границе для компонент скорости, температуры и солености, выбор численной схемы для расчета скорости переноса возмущений при задании на открытой границе условий излучения для температуры и солености,

- в работах [3,6, 11] - подготовка начальных и краевых полей для использования в модели (поля тангенциального напряжения трения ветра, потоки тепла, коротковолновой радиации, осадки и испарение), подготовка данных для краевых условий на жидкой границе для компонентов скорости, температуры и солености, включение в численную гидродинамическую модель схемы последовательной оптимальной интерполяции, обработка и подготовка данных гидрологических

съемок (температура и соленость) для использования в модели, сопоставление модельных полей со спутниковыми снимками и данными наблюдений; - в работах [7, 14] - подготовка массива глубин прибрежного района Южного берега Крыма для использования в модели, подготовка начальных и краевых полей для использования в модели (поля тангенциального напряжения трения ветра, потоки тепла, коротковолновой радиации, осадки и испарение), обработка и подготовка данных гидрологических съемок (температура и соленость) для использования в модели, сопоставление модельных полей со спутниковыми снимками и данными наблюдений.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на следующих международных научных конференциях и семинарах.

1. Международная научная конференция «Морскому гидрофизическому институту HAH Украины - 80 лет: прошлое, настоящее и будущее». - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 8-10 сентября 2009 г.

2. Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2009». - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 14—18 сентября 2009 г.

3. Международная научная конференция «Функционирование и эволюция экосистем Азово-Черноморского бассейна в условиях глобального изменения климата». - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь -п. Кацивели, 6-11 сентября 2010 г.

4. Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2010». — Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 13 - 17 сентября 2010 г.

5. Научная конференция «Ломоносовские чтения - 2011». — Филиал МГУ в г. Севастополе, Севастополь, 25 -28 апреля 2011 г.

6. Международная научно-практическая конференция «Pontus Euxinus - 2011» по проблемам водных экосистем, посвященная 140-летию Института биологии южных морей Национальной академии наук Украины. - Институт биологии южных морей HAH Украины, Севастополь, 24 - 27 мая 2011 г.

7. Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды — 2011». - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 12-16 сентября 2011 г.

8. Украинско-российский семинар «Компьютерное моделирование динамики вод морей и Мирового океана: достижения и проблемы» и конференция «Гидродинамическое моделирование динамики Черного моря». - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 19-23 сентября 2011 г,

9. Научная конференция «Ломоносовские чтения — 2012». — филиал МГУ в г. Севастополе, Севастополь, 24 - 27 апреля 2012 г.

10. Научная конференция «Южные моря как имитационная модель океана». — Морской гидрофизический институт HAH Украины. Севастополь, 17 — 21 сентября 2012 г.

11. Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды - 2012». - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 24 - 28 сентября 2012 г.

12. Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы современной гидрометеорологии». - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 17-19 октября 2012 г.

13. Научная конференция «Ломоносовские чтения - 2013». - Филиал МГУ в г. Севастополе, Севастополь, 25 - 26 апреля 2013 г.

14. Международная научная конференция «Интегрированная система мониторинга Черного и Азовского морей». - Морской гидрофизический институт HAH Украины, Севастополь, 24 - 27 сентября 2013 г.

15. Общеинститутский семинар Института гидромеханики HAH Украины. - Киев, 19 декабря 2013 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, в том числе: в периодических журналах - 3 [1-3], в сборниках научных трудов - 7 [4-9, 12], в сборниках материалов и тезисов докладов конференций - 5 [10, 11, 13, 14, 15]. Публикации [1-7] содержатся в изданиях, отвечающих требованиям МОН Украины к научным специализированным изданиям по физико-математическим наукам, и отражают основные результаты диссертации. 2 публикации [1, 3] включены в международную наукометрическую базу "SCOPUS". Работы [5, 12, 13, 15] выполнены без соавторов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения. Она содержит 145 страниц машинописного текста, 62 рисунка и 5 таблиц. Список использованных источников включает 109 работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первый раздел посвящен расчету баротропных течений на шельфе Черного моря с помощью гидродинамической модели МГИ HAH Украины и выбору граничных условий для компонентов скорости на открытой границе области.

В подразделе 1.1 представлен обзор результатов численного моделирования течений в прибрежной зоне Черного моря. Для расчета циркуляции вод СЗШ Черного моря перечислены модели, с помощью которых изучалось влияние направления и величины скорости ветра, рельефа дна, атмосферных возмущений, речного стока в формировании циркуляции, проанализированы изменения термогидродинамических полей по сезонам. Особое внимание уделено особенностям гидродинамики вод СЗШ и прибрежной зоны ЮБК, а также основным требованиям, которым должна удовлетворять численная термогидродинамическая модель для воспроизведения циркуляции в прибрежной зоне. Отмечены работы по моделированию и прогнозу гидрофизических полей с высоким горизонтальным разрешением, в которых получен ряд

новых результатов по мезо- и субмезомасштабным особенностям циркуляции в отдельных регионах Мирового океана.

В подразделе 1.2 приведено описание трехмерной нелинейной модели Черного моря (Демышев, Коротаев, 1992), адаптированной для расчета баротропных течений на шельфе моря, возникающих под действием климатического ветра. Уравнения модели в приближении Буссинеска, гидростатики и несжимаемости морской воды представлены в форме Громеки-Лэмба. В отличие от предыдущих вариантов модели на поверхности моря (г = 0) использовалось полное кинематическое условие ■и> = -(д£/дг+идС/дх+уд£/ду). В качестве условий на жидкой границе рассмотрено три типа граничных условий: условия Дирихле (для каждого момента времени задавались компоненты скорости и|г =мв, у(г = Vе), условия свободного протекания (ди/дп = 0,ду/дп=0), условия смешанного типа: для участков границы, где вода

втекает, задавались условия Дирихле; где вода вытекает — свободного протекания. Конечно-разностное уравнение для расчета приведенного уровня в случае

твердых боковых границ имело вид: (с,у1 =-¿{¿,«,7* +<5/7/* ~

где и, V - проекции вектора скорости течения, Е — кинетическая энергия, — количество боксов по вертикали, Ьх,Иу— горизонтальные размеры боксов, А* =^*+1/2г~ шаг по времени, /1 = 0,1,2,..., / =1,....198=1.....116;

к = 1,... ,44, /"¿з.^мз- слагаемые, обусловленные вязкостью, нелинейные

слагаемые.

Уравнение для С, вблизи жидкой границы в случае задании условий Дирихле

переписано в виде: (<Г£' + = -х[<5Л£+2т¿,(С "Ош +

ы

+ -^у^уг/К-ЩЕ^!^ +2т(С -Щ^шАук' где для

значений использовались интерполированные на выбранную сетку данные

расчетов по модели для всего Черного моря с разрешением 5 км.

При задании условий свободного протекания уравнение имело вид: (с/^1 - С," )/~

+ -2-2Ч2£,^+2г<Жз В случае задания усло-

вий смешанного типа предусматривался выбор уравнения для нахождения Си ■

В подразделе 13 описаны параметры численной модели и условия проведения экспериментов. Расчеты проводились с разрешением по оси х— 1,66 км, по оси у — 1,56 км. По вертикали горизонтальные составляющие скорости течений рассчитывались на 44 горизонтах. Шаг по времени 2 мин. Для коэффициентов турбулентной вязкости по горизонтали и вертикали выбраны следующие значения: v/^ =5-Ю1с.м2/с, уг =5 см2/с. На поверхности моря задавались поля климатического ветра. При расчетах учитывался сток рек.

В подразделе 1.4 приведены результаты четырех численных экспериментов. В эксперименте 1 получены поля течений по баротропной модели для всего Черного моря с разрешением 5 км. Последующие три расчета проводились для района СЗШ и отличались заданием краевых условий на жидкой границе (общее время интегрирования 5 лет). В отличие от эксперимента 1 в расчетах учитывался уточненный рельеф дна, полученный оцифровкой навигационных карт сотрудниками отделов гидрофизики шельфа и теории волн МГИ НАН Украины.

Проведен анализ баротропных течений на шельфе для каждого месяца. В течение года наблюдалось качественное соответствие между полями течений, полученными для всего моря и результатами экспериментов, выполненных для области шельфа. На верхних горизонтах модель с шагом ~ 1,6 км воспроизводила течения в мелководных заливах и лиманах, наблюдалось усиление течений вблизи мелководья по сравнению с результатами эксперимента с шагом 5 км. На глубинных слоях были отображены течения, не воспроизводимые моделью с крупным шагом.

Основная особенность в полях уровня и вертикальной скорости, возникающая при использовании условий Дирихле, заключалась в формировании пограничного слоя у открытой границы, что свидетельствовало о том, что при задании на боковой границе скоростей на каждом шаге по времени не учитывалось влияние внутренней динамики области. Применение условий свободного протекания могло приводить к ошибкам при расчетах значений скорости течений в тех областях, где вода втекает. Использование условий смешанного типа позволяло уменьшить ошибку при моделировании течений около жидкой границы, и в поле вертикальной скорости возникал менее интенсивный пограничный слой. Во всех экспериментах в течение длительного времени (5 лет) ширина и интенсивность погранслоя не увеличивались, что свидетельствовало о корректности конечно-разностных аппроксимаций уравнений модели, в которых учитывалась открытая граница.

Второй раздел посвящен численному моделированию бароклинной циркуляции на северо-западном шельфе в зимний и летний сезоны. В подразделе 2.1 приведено описание полной трехмерной нелинейной модели Черного моря, адаптированной к условиям шельфа моря в бароклинном варианте. Численные эксперименты проводились с разрешением ~ 1,6 км. Шаг по времени 30 с. По вертикали использовалось 44 горизонта. Коэффициенты турбулентного обмена импульсом и диффузии по вертикали рассчитывались с аппроксимацией (Pacanowski, Philander, 1981). На поверхности моря задавались поля климатического ветра, потоки влаги и тепла. При расчетах учитывался сток рек. При задании начальных полей и граничных условий на открытой границе области использовались полученные ранее климатические поля по модели для всего моря с шагом 5 км. Для компонентов скоростей на жидкой границе задавались условия смешанного типа (выбранные по результатам адаптации баротропной модели).

В подразделе 2.2 выполнены численные эксперименты, направленные на выбор корректного способа расчета температуры (солености) на открытой границе при использовании условия излучения с различными аппроксимациями соответствующего уравнения (Orlanski I., 1976; Kantha L., 1990). При анализе полей температуры и солености, рассчитанных вблизи открытой границы в тех областях, где вода вытекает, минимальные ошибки при расчете значений температуры и солености при

прохождении открытой границы были получены при использовании явной центральной схемы для расчета скорости переноса возмущений.

В подразделе 2.3 и 2.4 поля уровня, течений, температуры и солености моделировались и анализировались в зимний и летний сезоны. При сравнении полей уровня, полученных по модели с пространственными шагами -1,6 и 5 км, отмечено, что между ними наблюдалось качественное соответствие, однако в полях уровня, рассчитанных с более высоким разрешением, детально воспроизведены изменения уровня в мелководных заливах и лиманах, получены элементы вихревого движения. При действии северно-восточного и северного ветров наблюдались вихревые образования в различных частях области (рис. 1), сформировалась фронтальная зона (рис. 1, б), разделяющая область положительных и отрицательных значений уровня. Отмечено, что существенную роль в формировании циркуляции на СЗШ играет рельеф дна. Определены местоположения зон подъема и опускания вод при ветрах различного направления.

51 3?" И* И В Л

Рис. 1. - Поля уровня (см): а - полученное для северо-восточного ветра 26 января, б - для северного ветра 6 февраля

Рис. 2. - Поля скорости течений (см/с), рассчитанные по модели с шагом ~1,6 км 6 февраля на горизонте 3 м: а - в Каркинитском заливе, б -в западной части, в - в центральной части СЗШ

С помощью численного моделирования с мелким шагом сетки и уточненным рельефом дна в верхнем слое воды удалось воспроизвести и получить в зимний период количественные характеристики мезомасштабных вихрей в Каркинитском заливе (рис. 2, а), в северной и центральной (рис. 2, б), в западной (рис. 2, в) частях шельфа, не воспроизводимые моделью с крупным шагом. Диаметр вихревых образований составлял около 15 км. В летний период получены элементы вихревого движения в верхнем слое на севере, в центре области и Каркинитском заливе. Отмечено, что указанные особенности циркуляции с характерными масштабами и временем жизни неоднократно фиксировались по данным спутниковых наблюдений.

В слое воды 10 — 26 м наблюдалось интенсивное струйное течение шириной ~ 15 км, направленное на север и ограниченное изобатами 22 - 26 м. Указанное те-

чение в предыдущих экспериментах для всего Черного моря либо не наблюдалось, либо проявлялось в довольно сглаженном виде.

Показано, что зимой вследствие интенсивного охлаждения и конвекции вода СЗШ перемешивалась от поверхности до дна и характеризовалась практически однородным распределением характеристик по вертикали. Летом характерной особенностью вертикальной структуры являлось наличие больших градиентов величин температуры и солености. Показано, что воздействие ветра оказывало преобладающее влияние на формирование зимней циркуляции, а летом существенный вклад в формирование пол«! течений вносил градиент плотности.

Третий раздел посвящен анализу гидрофизических полей на СЗШ, восстановленных посредством ассимиляции данных измерений в октябре 2007 г. температуры и солености (рис. 3) в гидродинамической модели (с разрешением -1,6 км). В подразделе 3.1 проведено описание гидрологической съемки на шельфе в октябре 2007 г. и дана характеристика используемых данных измерений температуры и солености, имеющихся в банке данных МГИ. В подразделе 3.2 приведены уравнения модели, краевые и начальные условия и параметры модели. В уравнении переноса тепла было добавлено слагаемое, обеспечивающее учет коротковолновой радиации.

Для задания граничных условий на открытой границе области использовались гидрофизические поля, полученные по модели для всего моря на сетке 5x5 км в рамках проекта «Оперативная океанография» (Коротаев Г.К., Еремеев В.Н., 2006). На поверхности моря каждые сутки задавались поля напряжения трения ветра, потоки тепла, коротковолновой радиации, осадки и испарения, полученные по данным региональной атмосферной модели "ALADIN", предоставленные отделом морских прогнозов МГИ (Рат-нер Ю.Б. и др., 2005).

В подразделе 3.3 описан алгоритм ассимиляции данных натурных наблюдений, основанный на методе оптимальной интерполяции (Гандин Л.С., Каган Р.Л., 1976). Для реализации процедуры усвоения использовалась упрощенная процедура четырехмерного анализа (Кныш В.В., Моисеенко В.А., Саркисян A.C., Тимченко И.Е., 1970), в предположении однородности и изотропности ковариационных функций полей температуры и солености. Из анализа статистической структуры полей (вычисления пространственных корреляционных функций полей температуры и солености) был определен радиус корреляции -20 км. Ковариационные функции полей ! Т, S аппроксимировались функцией экспоненциального типа ехр(-/1 [{х - х')2 + (у - У)2 J), где Я — размерный параметр (равный 0.01б(Ах)~2), выбранный на уровне значения корреляционной функции 0,1.

В подразделе 3.4 проведено сопоставление результатов расчета без ассимиляции данных температуры и солености с данными наблюдений и были

"Эксперимент" 15-17 октября 2007 г

выявлены следующие отличия: - наличие более соленой воды по всему СЗШ (разница между модельными значениями и данными наблюдений на верхних горизонтах составляла 2%о, на горизонте 30 м - 1%о); - отсутствие в модельных профилях Т и 5 слоя скачка. С целью уменьшения ошибки в начальных полях была проведена процедура коррекции исходных термохалинных полей.

В подразделе 3.5 приведены результаты трех численных экспериментов. В эксперименте 1 проведен расчет гидрофизических полей без учета данных наблюдений с начальными полями, рассчитанными по модели для всего моря с шагом 5 км, в эксперименте 2 - расчет с модифицированными начальными полями без применения процедуры ассимиляцией данных в течение расчета, в эксперименте 3 - расчет гидрофизических полей с модифицированными начальными полями с ассимиляцией данных наблюдений 1 раз в сутки. В процессе интегрирования уравнений модели в экспериментах 2 и 3 в моменты поступления данных проводился расчет модулей средних и среднеквадратических ошибок оценки полей температуры и солености на различных горизонтах. Показано, что наибольшие значения ошибок оценки полей температуры наблюдались в слое скачка, наибольшие значения средних ошибок оценки полей солености - в верхнем слое воды. Со временем на всех горизонтах значения модулей ошибок убывали, что свидетельствует об эффективности применения процедуры ассимиляции. При сравнении результатов экспериментов 2 и 3, отметим, что применение процедуры ассимиляции данных в течение расчета позволило уменьшить модули значений ошибок примерно в 2 раза.

I Далее приведено подробное описание полей уровня и течений, полученных в течение периода 14-17 октября 2007 г. (результаты эксперимента 3).

Обнаружены и исследованы ме-зомасштабные вихревые образования, не противоречащие спутниковым наблюдениям, и интенсивные струйные течения (рис. 4). Е! частности, во всем слое воды между меридианами 30,8 и 31,2° в.д. (рис. 4, а) генерировался циклоническое вихревое образование с радиусом ~15 км, которое соответствовало спутниковым наблюдениям ЫОАА-ХЫМ. Формирование этого вихря — следствие влияния неоднородностей рельефа дна на струйное течение. На горизонтах 10 — 26 м наблюдалось интенсивное струйное течение шириной ~ 15 км, направленное на север, ограниченное изобатами 22 - 26 м (рис. 4, б и 4, в). В слое воды 20 - 30 м (рис. 4, г) отмечалась интенсификация течений.

30" 304' КГ 31.2" и. 30° ЗМ* 30.8« 31.2" « Рис. 4. - Поля течений (см/с) в западной части СЗШ 17 октября 2007 г. в эксперименте 3: а - на горизонте 5 м. б - на горизонте 10 м. в - на горизонте 17 м, г-на горизонте 24 м

Показано, что значительный вклад в формирование полей течений на верхних горизонтах до 10 м вносит учет касательных напряжений трения ветра, поэтому при сравнении результатов экспериментов без учета и с учетом данных наблюдений температуры и солености не было обнаружено значительных изменений в структуре полей течений на верхних горизонтах. Однако на горизонтах ниже 10 м были получены качественные и количественные отличия в структуре полей течений (смена направления течений, формирование струйных течений, формирование вихревых образований, усиление течений в слое скачка).

Проведено сравнение горизонтальной и вертикальной (рис. 5) структуры полей температуры и солености, полученных в экспериментах 1 и 3. В отличие от результатов эксперимента 1 (рис. 5, а, в), в эксперименте 3 наблюдений удалось воспроизвести структуру пикноклина (рис. 5. б. г), близкую к наблюдаемой.

Сформировался и поддерживался на протяжении всего периода интегрирования на глубине 20 — 25 м слой скачка в поле температуры (рис. 5, б) и в поле солености (рис. 5, г). Перепады в температуре и солености в слое скачка составляли ®6°С и 1%о соответственно. В соответствии с наблюдениями в поле температуры сформировались зоны с более холодной водой, в поле солености — более пресные воды, а также получен ряд качественных изменений в структуре полей, в частности, формирование больших градиентов в слое ниже 15 м по сравнению с результатами расчета без учета данных наблюдений.

Также было проведено сравнение рассчитанных полей поверхностной температуры со спутниковыми изображениями №2,44—15/17 (разрешение 1 км) и получено качественное соответствие (наличие в прибрежной зоне распресненных и относительно холодных вод ~15°С, грибовидное образование к северу от устья Днестра с более теплой водой относительно прилегающих вод и потоки более теплой воды ~17°С вблизи открытой границы).

Четвертый раздел посвящен исследованию гидрофизических полей в прибрежной зоне ЮБК с использованием данных наблюдений гидрологической съемки в июле 2000 г. В подразделе 4.1 проведено описание гидрологической съемки, выполненной от м. Кикинеиз до м. Аю-Даг в июле 2000 г.,

30.5 31 чл 30 30.5 31 ».я

Рис. 5. - Вертикальные разрезы вдоль 46° с. ш. 17 октября: а - в поле температуры в эксперименте 1, б - в поле температуры в эксперименте 3, в - в поле солености в эксперименте 1, г - в поле солености в эксперименте 3

метеорологические условия, в которых проводилось данное исследование, а также дана характеристика используемых данных измерений температуры и солености,

В подразделе 4.2 приведено описание модели, адаптированной к условиям прибрежной зоны Черного моря, расположенной между параллелями 44,25 и 44,72° с.ш. и меридианами 33,95 и 34,55° в.д. (рис. 6), а также описание начальных и граничных условий. Численные эксперименты проведены с разрешением 350 м по осям х и у. Шаг по времени 10 с. Общее время интегрирования уравнений модели -105 час (с 11 июля 13 час по 15 июля 22 час 2000 г.). По вертикали использовалось 38 горизонтов. Для коэффициентов турбулентной вязкости и диффузии по горизонтали выбраны значения ун =15- 104см21с, кп =35• 104сл< /с.

На поверхности моря задавались поля тангенциального напряжения трения ветра, потоки тепла и влаги с разрешением 0,01°, полученные сотрудниками отдела взаимодействия атмосферы и океана МГИ.

В подразделе 4.3 проведен численный анализ рассчитанных гидрофизических полей в прибрежном районе ЮБК в период с 11 по 15 июля 2000 г. Показано, что изменение метеоусловий привело к качественным изменениям в структуре полей приведенного уровня, в частности, при действии штормового ветра к сгущению изолинии при приолижении к берегу (максимальное значение |С|

достигало 6,4 см вблизи южной открытой границы). Получено, что в рассматриваемый период Основное Черноморское течение (ОЧТ) оказывало преобладающее влияние на формирование циркуляции вод, и только воздействие интенсивных юго-западных и западных ветров (с максимальной скоростью до 20 м/с) привело к качественным изменениям в структуре полей в верхнем слое, при этом скорость течений увеличилась до 1,35 м/с.

В районе г. Ялта при действии юго-западного ветра сформировалась динамическая структура с антициклонической завихренностью в верхнем слое (рис. 7, а).

Рис. 7. - Фрагменты полей течений (см/с) 12 июля 04 час на горизонте 5 м (а) и 15 июля 16 час на горизонте 150 м (б)

34° 34.1° 34.2° 34.3° 34.4° 34.5« в.д. Рис. 6. - Месторасположение океанографических станций, выполненных на НИС "Нептун" в прибрежном районе ЮБК 11-15 июля 2000 г.

В полях течений в районе п.Симеиза получены мезомасшабные антициклонические образования с радиусами около 8 км в слое воды 1 - 65 м, отмеченные по данным наблюдений. Эти явления являлись причиной того, что вдольбереговое течение могло менять направление с юго-западного на юго-восточное и восточное. Формирование таких образований могло быть следствием влияния на ОЧТ выступов берегов. Указанные динамические структуры неоднократно наблюдались по спутниковым изображениям.

В рассматриваемый период времени восстановлены субмезомасштабные особенности циркуляции с диаметрами менее 5 км в слое 1 - 95 м севернее 44,5° с.ш. вблизи береговой черты, которые отличались непродолжительными временами жизни. В слое воды 95 - 300 м (рис. 7, б) вихревые образования сформировались в открытом море в период времени с 15 июля 07 час по 22 час. Диаметр данных антициклонических вихрей составлял более 7 км.

Для выявления механизмов формирования вихрей в прибрежной зоне анализировались энергетические потоки силы плавучести. Те области, в которых сила плавучести отрицательна и, как следствие, происходит переход из кинетической энергии в потенциальную, могут быть зонами бароклинной неустойчивости. В частности, из анализа энергетических потоков для 12 июля 04 час на горизонте 5 м и 15 июля 16 час на горизонте 150 м отмечено, что центры полученных вихрей вблизи г. Ялты (рис. 7, а) и в глубоководной части (рис. 7, б) являлись зонами бароклинной неустойчивости.

Проанализирована изменчивость в полях температуры и солености на различных горизонтах на масштабах от нескольких часов до 5 дней. Согласно спутниковым изображениям, после действия штормового ветра в ночь с 14 на 15 июля у западной части ЮБК наблюдалась зона апвеллинга с выходом на поверхность вод с температурой ниже 20°С, которая подтверждена результатами численного расчета. По модельным полям температуры прослеживалось распространение холодных вод вдоль побережья, минимальное значение поверхностной температуры (13°С) достигалось 15 июля 04 час. Прибрежный апвеллинг ограничивался прибрежным слоем, ширина которого равна бароклинному радиусу деформации Россби (~ 9 км для исследуемого района), а вертикальная скорость при этом достигала значений порядка 10"' см/с.

ВЫВОДЫ

В работе предложен современный метод обработки данных гидрологических съемок, полученных в прибрежной зоне Черного моря, основанный на последовательной оптимальной интерполяции данных наблюдений по температуре и солености в гидродинамической модели. На его основе с использованием данных двух полигонных съемок, осуществленных в прибрежной зоне Южного берега Крыма в июле 2000 года и на северо-западном шельфе в октябре 2007 года восстановлена пространственно-временная структура полей течений, уровня, температуры и солености, что позволило провести физический анализ мезо- и субмезомасштабных особенностей прибрежной циркуляции.

Сформулируем основные научные результаты выполненной работы.

1. В рамках баротропного варианта гидродинамической модели МГИ HAH Украины, адаптированной к условиям открытого моря, дана оценка роли граничных условий на открытой границе при формировании полей уровня и течений при длительном интегрировании. Показано, что использование условий Дирихле может приводить к неадекватному вертикальному переносу вблизи жидких границ. При задании условий свободного протекания возникают большие ошибки в полях уровня и скорости течений в приграничной области. Условия смешанного тала позволяют уменьшить ошибку в расчетных полях и более корректно описать перенос по вертикали.

2. Анализ восстановленных в рамках бароклинного варианта модели, адаптированной к условиям шельфовой зоны, климатических гидрофизических полей для зимнего и летнего сезонов показал, что использование мелкого шага сетки и уточненного рельефа дна позволяет исследовать мезомасштабные структуры, которые не противоречат независимым наблюдениям, но отсутствуют в экспериментах с более грубым разрешением и сглаженным рельефом дна. Это вихревые образования с диаметрами ~ 15 км в верхнем слое воды в Каркинитском заливе, в северной, западной и центральной частях области и узкое интенсивное струйное течение шириной ~15 км на горизонтах 10 - 26 м, направленное на север.

3. Показано, что для воспроизведения гидрологической структуры полей на северо-западном шельфе в октябре 2007 г., близкой к наблюдаемой, необходимо использовать уточненные начальные условия и ассимилировать данные наблюдений гидрологической съемки в течение всего расчета. Это позволило воспроизвести слой скачка в вертикальных профилях температуры и солености и описать распространение опресненных речных вод вдоль берега. В соответствии с наблюдениями в поле температуры сформировались зоны с более холодной водой, в поле солености - более пресные воды, а также получен ряд качественных изменений в структуре термо-халинных полей, в частности, формирование больших градиентов в слое ниже 15м по сравнению с результатами гидродинамического прогноза.

4. В период с 14 по 17 октября 2007 года получены и исследованы следующие особенности динамики вод на шельфе: во всем слое воды при воздействии подводной ложбины на течение сформировался циклонический вихрь с радиусом -15 км между меридианами 30,8 и 31,2° в.д., соответствующий спутниковым наблюдениям; в верхнем слое антициклонические вихри с радиусами ~8 км вблизи г. Одесса и в центральной части СЗШ. На горизонтах 10 — 26 м наблюдалось интенсивное струйное течение, направленное на север, ограниченное изобатами 22 - 26 м. В слое скачка отмечена интенсификация течений по сравнению с гидродинамическим прогнозом. Сопоставление результатов экспериментов без учета и с учетом данных наблюдений температуры и солености показало качественные и количественные отличия в структуре полей течений на горизонтах ниже 10 м (смена направления течений, формирование струйных течений и вихревых образований, усиление течений в слое скачка).

5. Анализ восстановленных с высоким разрешением (350 м по горизонтали и 38 горизонтов по вертикали) полей течений в прибрежной зоне ЮБК в период с 11 по 15 июля 2000 года позволил выявить следующие особенности динамики вод. В районе г. Ялта в верхнем слое при действии юго-западного ветра сформировалась мезо-

масштабная динамическая структура с антициклонической завихренностью, возможным механизмом формирования которой являлась бароклинная неустойчивость течений. Вдольбереговое течение в районе Симеиза - Алупки могло менять направление с юго-западного на юго-восточное и восточное, что связано с антициклоническими вихрями с радиусами ~ 8 км в слое воды 1 - 65 м, образованию которых способствовала орография береговой черты. При влиянии на ОЧТ неоднородностей рельефа шельфа и конфигурации побережья в слое воды 1 - 95 м сформировались субмезомасштабные особенности циркуляции с диаметрами менее 5 км (расположены в непосредственной близости от береговой черты и отличались непродолжительными временами жизни), а также антициклонические вихри с диаметром ~ 8 км в глубоководной части в слое воды 95 — 300 м. Описано зарождение и развитие апвел-линга 14-15 июля, наблюдавшегося по спутниковым изображениям.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Демышев С.Г. Расчет баротропных течений на шельфе Черного моря на основе гидродинамической модели МГИ HAH Украины / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Морской гидрофизический журнал. - 2011. - № 6. - С. 43 - 58.

2. Демышев С.Г. Численный эксперимент по моделированию климатических полей на северо-западном шельфе Черного моря в летний и зимний сезоны / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Морской гидрофизический журнал. - 2012. - №

2.-С. 18-36.

3. Демышев С.Г. Анализ гидрофизических полей на северо-западном шельфе Черного моря / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Океанология. - 2013. - Том 53, №5.-С. 585-595.

4. Демышев С.Г. Численная баротропная модель течений на шельфе Черного моря / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. — Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. - 2009. - Вып. 19. - С. 78 - 86.

5. Евстигнеева H.A. Расчет гидрофизических полей в зимний период в северозападной части Черного моря / H.A. Евстигнеева // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. - 2010. - Вып. 22. - С. 31 - 39.

6. Демышев С.Г. Численный анализ термохалинных полей на северо-западном шельфе Черного моря в октябре 2007 года на основе ассимиляции в гидродинамической модели данных наблюдений / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. - 2011. - Вып. 25, Т. 2 -С. 204-219.

7. Демышев С.Г. Численное моделирование гидрофизических полей с ассимиляцией данных наблюдений в прибрежной зоне Южного берега Крыма в июле 2000 г. / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. — Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. - 2012. - Вып. 26, Т. 2. - С. 27 - 39.

8. Демышев С.Г. Численный анализ влияния краевых условий на формирование течений в северо-западной части Черного моря / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Системы контроля окружающей среды. — Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. -2009.-С. 189-191.

9. Демышев С.Г. Численные эксперименты по расчету полей температуры и солености в зимний период на северо-западном шельфе Черного моря / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Системы контроля окружающей среды. — Севастополь: ЭКО-СИ-Гидрофизика. - 2010. - Вып. 15. - С. 112 - 115.

10. Демышев С.Г. Численный эксперимент по моделированию климатических полей на северо-западном шельфе Черного моря в летний и зимний сезоны / С.Г. Демышев, Н.А.Евстигнеева // Ломоносов-2011: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 25 - 28 апреля 2011 г.: материалы конференции. — Севастополь, 2011. — С. 65 — 66.

11. Демышев С.Г. Численный эксперимент по моделированию гидрофизических полей на северо-западном шельфе Черного моря в октябре 2007 года / С.Г. Демышев, Н.А.Евстигнеева // Pontus Euxinus 2011: Международная научно-практическая конференция по проблемам водных экосистем, посвященная 140-летию Института биологии южных морей Национальной академии наук Украины, 24 - 27 мая 2011 г.: материалы конференции. - Севастополь, 2011. - С. 92 - 93.

12. Евстигнеева H.A. Расчет термохалинных полей на северо-западном шельфе Черного моря в октябре 2007 года с ассимиляцией данных наблюдений / H.A. Евстигнеева // Системы контроля окружающей среды. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. -2011. - Вып. 15.-С. 118-121.

13. Евстигнеева H.A. Численный анализ влияния ассимиляции данных наблюдений на формирование гидрофизических полей на северо-западном шельфе Черного моря в октябре 2007 года / H.A. Евстигнеева // Ломоносов-2012: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 24 - 27 апреля 2012 г.: материалы конференции. - Севастополь, 2012. -С. 76.

14. Демышев С.Г. Обработка гидрологической съемки в прибрежной зоне Черного моря в июле 2000 года на основе ассимиляции данных наблюдений в гидродинамической модели МГИ НАНУ / С.Г. Демышев, H.A. Евстигнеева // Актуальные проблемы современной гидрометеорологии: Международная научная конференция студентов и молодых ученых, 17-19 октября 2012г.: материалы конференции. -Одесса, 2012.-С. 184 - 185.

15. Евстигнеева H.A. Анализ мезомасштабных особенностей прибрежной циркуляции Черного моря на основе ассимиляции в гидродинамической модели данных наблюдений гидрологических съемок 2000 и 2007 г. / H.A. Евстигнеева /У Ломоно-сов-2013: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 25 - 26 апреля 2013 г.: материалы конференции. - Севастополь, 2013. - С. 262 -263.

АНОТАЩЯ

Евстигнеева Н.О. Чисельний аналв циркуляци в Пйибережнш зош Чорного моря на основ! пдродинам1чно*1 модем з асиммящею даних спостережень. — На правах рукопису.

Дисертащя на здобутгя наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук за спещальшстю 04.00.22 - геоф1зика. — Морський пдроф1зичний шститут HAH УкраТни, м. Севастополь, 2014.

Дисертащя присвячена чисельному моделюванню прибережноТ циркуляци Чорного моря на основ! асимшяцп даних вим1рювань температури i солоностт, отриманих при виконант пдролопчних зйомок, у чисельнш тривим1ршй нелшшнш модел1 NU! HAH УкраТни.

Пдродинам1чна модель МП HAH УкраТни, адаптована до умов ПЗШ Чорного моря в бароклинному наближенш, була застосована для розрахунку к-шматичних пдроф1зичних пол1в з високим роздшенням (1.66x1.56 км по горизонтит й 44 горизонта по вертикат) i бшып детальним представлениям рельефу дна, що дозволило в1дновити мезомасштабт вихори, струминш течи, фронталып зони, вщсутш в вико-наних рашше розрахунках для всього Чорного моря з кроком 5 км. Проанашзоваш елементи вихрового руху, не вщтворюват моделлю з великим кроком, вщзначене посилення течш поблизу мшководних райошв у пор1внянш з попередшми розра-хунками, проведеними на бшьш грубей С1тщ (5х 5 км).

Синтез чисельно? модел1 динам1ки й даних спостережень дав можливклъ вщно-вити з високим роздьпенням по простору й часу тривимфш поля течш, ршня моря, температури й солоносп в перюд з 14 по 17 жовтня 2007 року на швшчн0-зах1дн0му шельф i в перюд з 11 по 15 липня 2000 р. у прибережно!' облает! Швденного берега Криму. Це дозволило провести ф!зичний анализ мезо- i субмезомасштабних особли-востей прибережно'1 циркуляци i точшше вщновити комплекс пдроф1зичних пара-MeipiB.

Вщзначено, що для вщтворення пдролопчно!' структури пол1в близькоУ до спо-стережуваноТ, необхцщо використовувати уточнен! початков! умови i асим1лювати даш спостережень пдролопчшл зйомки протягом усього розрахункового перюду.

Кпючовi слова: чисельне моделювання, високе просторове роздшення, прибе-режна зона, Чорне море, асимшящя даних спостережень, гтдроф1зичш поля, мезо-маецггабш i субмезомасштабш особливост! циркуляци.

АННОТАЦИЯ

Евстигнеева H.A. Численный анализ циркуляции в прибрежной зоне Черного моря на основе гидродинамической модели с ассимиляцией данных наблюдений. — 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 численному моделированию прибрежной циркуляции Черного моря на основе ассимиляции данных измерений температуры и солености,

полученных при выполнении гидрологических съемок, в численной трехмерной нелинейной модели МГИ HAH Украины.

Гидродинамическая модель была адаптирована к условиям СЗШ Черного моря с высоким разрешением (1.66x1.56 км) и на ее основе решена задача моделирования баротропных течений, возникающих под действием климатического ветра. Проведен анализ результатов трех экспериментов, в которых на открытой части боковых границ для компонентов скорости задавались соответственно условия Дирихле, свободного протекания и смешанного типа и дана оценка роли граничных условий при формировании полей уровня и течений при длительном интегрировании.

Гидродинамическая модель МГИ HAH Украины, адаптированная к условиям СЗШ Черного моря в бароклинном приближении, была применена для расчета климатических гидрофизических полей с высоким разрешением (1,66x1,56 км по горизонтали и 44 горизонта по вертикали) и более детальным представлением рельефа дна, что позволило восстановить мезомасштабные вихри, струйные течения, фронтальные зоны, отсутствующие в выполненных ранее расчетах для всего Черного моря с шагом 5 км. Проанализированы элементы вихревого движения, не воспроизводимые моделью с крупным шагом, отмечено усиление течений вблизи мелководных районов по сравнению с предыдущими расчетами, проведенными на более грубой сетке (5x5 км).

Алгоритм ассимиляции данных измерений температуры и солености, который основан на последовательной коррекции модельных значений этих параметров методом оптимальной интерполяции невязок, был впервые применен для обработки гидрологических съемок в прибрежной зоне Черного моря. Синтез численной модели динамики и данных наблюдений дал возможность восстановить с высоким разрешением по пространству и времени трехмерные поля течений, уровня моря, температуры и солености в период с 14 по 17 октября 2007 года на северо-западном шельфе и в период с 11 по 15 июля 2000 г. в прибрежной области Южного берега Крыма. Это позволило провести физический анализ мезо- и субмезомасштабных особенностей прибрежной циркуляции и более точно восстановить комплекс гидрофизических параметров.

Сопоставление результатов экспериментов без учета и с учетом данных наблюдений температуры и солености показало качественные и количественные отличия в структуре полей течений на горизонтах ниже 10 м (смена направления течений, формирование струйных течений, усиление течений, формирование вихревых образований). Отмечено, что для воспроизведения гидрологической структуры полей близкой к наблюдаемой, необходимо использовать уточненные начальные условия и ассимилировать данные наблюдений гидрологической съемки в течение всего расчетного периода. ,р

В поле течений на северо-западном шельфе получены и исследованы мезомасштабные вихревые образования на севере, в западной и центральной частях шельфа, а также в Каркинитском заливе, не противоречащие спутниковым наблюдениям, и интенсивные струйные течения. Траектория движения вод струи совпадала с изобатами 22-26 м.

В прибрежном районе ЮБК изучена структура полей уровня и скорости течений в зависимости от действующего ветра, а также исследованы особенности гори-

зонтальной и вертикальной термохалинной структуры вод, сформированной до и после действия штормового ветра. В поле течений обнаружены и исследованы мезо-и субмезомасштабные структуры (в районе г. Ялта, Симеиза - Алупки, вдоль береговой черты севернее 44,5° с.ш., а также в глубоководной части моря), которые не были обнаружены в экспериментах с более грубым пространственным разрешением. Проанализировано зарождение и развитие апвеллинга, подтверждённого спутниковыми наблюдениями.

Ключевые слова: численное моделирование, высокое пространственное разрешение, прибрежная зона, Черное море, ассимиляция данных наблюдений, гидрофизические поля, мезомасштабные и субмезомасштабные особенности циркуляции.

SUMMARY

Evstigneeva N.A. Numerical analysis of circulation in the coastal area of the Black sea on the basis of hydrodynamic model with assimilation of data observation. -Manuscript.

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

The Thesis is devoted to numeral modeling of coastal circulation of the Black sea on the basis of assimilation of data observation of temperature and salinity, got at implementation of hydrological surveys, in the numeral three-dimensional nonlinear model of MHI of NAS of Ukraine.

Hydrodynamic model of МШ NAS of Ukraine, adapted .to the conditions of northwest shelf of the Black sea in the baroclinic approach, was applied for the calculation of the climatic gidrophysical fields with a high resolution (horizontal resolution 1,66x1,56 km and vertical resolution 44 horizons) and more detailed presentation of bottom topography, that allowed to recover mezoscale eddies, jet currents, frontal areas, which were absent in the previous calculations for the Black sea with a step 5 km. The elements of eddies, which were not reproduced by a model with a more curse step, were analyzed, intensification of currents was marked near-by shallow districts as compared to previous calculations, conducted on more rough grid (5x5 km).

The synthesis of numeral model of dynamics and data observations enabled to recover the three-dimensional fields of currents, sea level, temperature and salinity with a high resolution on space and time in a period from 14 to 17 of October 2007 on a north-west shelf and in a period from 11 to 15 of July 2000 in coastal area of the South bank of the Crimea. It enabled to conduct the physical analysis of mezo- and submezoscale features of coastal circulation and more exactly recover the complex of gidrophysical parameters.

It was marked that it was necessary to use the specified initial conditions and assimilate data observation of hydrological survey during all calculation period for reproducing of hydrological structure of the fields close to observed.

Keywords', numeral modeling, spatial high resolution, coastal area, Black sea, assimilation of data observation, hydrophysical fields, mezoscale and submezoscale features of circulation.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Евстигнеевой Натальи Александровны

Подписано к печати 22.04.2014 г. Формат бумаги 60 х 84

Объем 0.9 авт.л._Заказ 14_Тираж 100 экз._

Отпечатано в НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика» 99011, г. Севастополь, ул. Ленина, 28 Свидетельство о государственной регистрации серии ДК № 914 от 16.02.2002