Динамика распространения и изменчивость речных плюмов в прибрежной зоне моря

Осадчиев, Александр Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Динамика распространения и изменчивость речных плюмов в прибрежной зоне моря
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Динамика распространения и изменчивость речных плюмов в прибрежной зоне моря"

На правах рукописи

Осадчиев Александр Александрович

ДИНАМИКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ РЕЧНЫХ ШНОМОВ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ МОРЯ

Специальность 25.00.28 - Океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 7 ОКТ 2013

Москва-2013

005535200

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Научный руководитель: доктор географических наук

Завьялов Петр Олегович Официальные оппоненты: Морозов Евгений Георгиевич

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П. II. Ширшова Российской академии наук

Гельфан Александр Наумович

доктор физико-математических наук, заместитель директора Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института водных проблем Российской академии наук Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение высшего

профессионального образования Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет

Защита состоится «12.» 2013 г. в ¿5 ч. С<7мин. на заседании диссертационного

совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу. 117997, г. Москва, Нахимовский пр., д.З 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Автореферат разослан «$_» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук / у / / Л Гинзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы. Пресноводный материковый сток играет важнейшую роль в физических, химических и биологических процессах в океане, особенно в шельфовых областях. Он является основным источником поступления в море взвешенных и растворенных терригенных и биогенных веществ, а также продуктов антропогенного загрязнения. Приустьевые зоны смешения речных и морских вод, несмотря на свою сравнительно малую площадь и объем по отношению ко всему океану, играют роль так называемого «маргинального фильтра» [Лисицын, 1994], который удерживает 90-95% взвешенных и 20-40% растворенных веществ, поступающих в океан с речным стоком.

Объектом данного исследования являются речные «плюмы» (от английского plume) - специфические мезомасштабные линзы вод пониженной солености и плотности по сравнению с окружающим морем, которые формируются материковым стоком, поступающим из реки в море. Как правило, эти структуры выделяются также в распределениях концентрации взвешенных и растворенных терригенных веществ и биооптических характеристик. Пространственные масштабы плюмов, приуроченных к устьям рек, могут составлять от десятков метров до десятков и даже сотен километров, при этом они во многих случаях сохраняют резко очерченную границу, часто шириной всего несколько сантиметров, с окружающими морскими водами.

Из натурных и спутниковых наблюдений известно, что плюмы обладают собственной внутренней динамикой, взаимодействуют с донным рельефом и вихревыми образованиями на шельфе, переносятся ветром и фоновой прибрежной циркуляцией и лишь после этого, перемешиваясь в конце концов с окружающими морскими водами, доставляют в море вещества материкового происхождения, а вместе с ними и сигнал терригенных и антропогенных воздействий.

Плюмам крупнейших рек мира, таких как Амазонка, Янцзы или Миссисипи, было посвящено значительное число исследований. Тем не менее, в мире есть большое количество густонаселенных прибрежных регионов, распространение речного стока в шельфовой зоне которых вообще никогда не изучалось. Одной из причин подобной ситуации является сложность и трудоемкость контактных исследований речных плюмов, которые вызваны их высокой временной

изменчивостью, а также резкими градиентами на границах. Спутниковые наблюдения, в свою очередь, ограничены поверхностью моря и не затрагивают трехмерную структуру плюмов. Кроме того, дискретность этих наблюдений имеет порядок десятков часов и более, что явно недостаточно для разрешения мелкомасштабной временной изменчивости. Этими причинами вызвана необходимость сочетать натурные исследования с численным моделированием при изучении речных плюмов.

Работы, посвященные речным плюмам, как правило, рассматривают лишь конкретные региональные примеры с ограниченным набором внешних условий, воздействующих на динамику материкового стока в море. Поэтому, несмотря на серьёзный прогресс в изучении поведения плюмов некоторых конкретных рек в условиях конкретного ветрового, приливного или циркуляционного форсинга, фундаментальные аспекты этой проблемы по-прежнему мало исследованы, а имеющиеся на этот счет данные противоречивы. В частности, до сих пор нет полной теории поведения речного плюма в зависимости от силы и направления ветра.

Цель работы заключается в выявлении малоизученных закономерностей изменчивости речных плюмов, образованных пресноводным материковым стоком в прибрежной зоне моря, средствами контактных наблюдений и дистанционного зондирования, а также в исследовании физических механизмов динамики распространения речных плюмов с помощью методов численного моделирования. Для этого в рамках диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

1. Получить новые и обобщить уже имеющиеся данные контактных и дистанционных измерений пространственной структуры и временной изменчивости речных плюмов в различных районах;

2. Разработать физически обоснованную и пригодную для оперативного использования численную модель распространения и диссипации речного плюма в море и выполнить ее валидацию на основе натурных и спутниковых данных;

3. Описать закономерности отклика речных плюмов на ветровые воздействия, изменения параметров стока и фоновой прибрежной циркуляции.

Научную новизну работы составляют основные положения, выносимые на защиту:

1. На основе данных контактных и спутниковых измерений впервые получена оценка основных структурных характеристик (пространственных масштабов, аномалий солености и концентрации взвеси) и изменчивости речных плюмов в районах исследования, расположенных в Чёрном, Южно-Китайском и Карском морях и характеризующихся разнообразием океанографических и метеорологических условий;

2. Разработана и обоснована новая лагранжева модель динамики и диссипации речного плюма, позволяющая получать результаты численного моделирования, находящиеся в хорошем соответствии с натурными измерениями, при низких вычислительных затратах;

3. На основе разработанной модели впервые получены и физически обоснованы зависимости пространственных характеристик плюмов малых рек от скорости и направления ветрового воздействия, скорости и направления фонового вдольберегового течения, интенсивности речного стока и географической широты.

Достоверность научных результатов и выводов работы обеспечивается сочетанием анализа данных контактных измерений и спутниковых наблюдений с использованием современных методов гидродинамического численного моделирования. Данные специализированных высокоразрешающих контактных измерений были получены с помощью современных высокоточных приборов (CTD-зонды SBE, измерители течения Nortek AquaDopp и SeaHorse и пр.), широко используемых в научном сообществе. Спутниковые изображения были построены на основе данных видимого диапазона, полученных спутниковым сканером цвета MERIS-EnviSat, с помощью алгоритма MERIS Case-2 Regional. Результаты численного моделирования распространения речного стока показали хорошее соответствие с данными контактных наблюдений и дистанционного зондирования.

Научная и практическая значимость работы определяется прогрессом в понимании общих механизмов динамики речных плюмов под воздействием разнообразных внешних факторов. Полученные в результате исследования закономерности и разработанная численная лагранжева модель динамики речных плюмов могут найти применение в краткосрочном оперативном прогнозировании загрязнений морских вод прибрежной зоны, в частности, в курортных районах, а

также при идентификации районов побережья и шельфа, наиболее уязвимых по отношению к антропогенным и терригенным загрязнениям.

Личный вклад автора. Автор лично участвовал в нескольких научно-исследовательских экспедициях в Черном, Южно-Китайском и Карском морях, данные которых составили основу использованного в работе фактического материала. Им была выполнена статистическая обработка данных натурных и спутниковых наблюдений. Автор участвовал в разработке лагранжевой численной модели, обеспечил ее программную реализацию, осуществил валидацию модели и выполнил с ее помощью все описанные в работе численные эксперименты, а также предложил физическую интерпретацию их результатов. Автор обеспечил подготовку результатов к опубликованию, а также представлял их на международных конференциях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседаниях ученого совета Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2011, 2012, 2013), заседаниях ученого совета физического направления Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2011, 2013), X Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу в г. Томск (2013), ежегодных ассамблеях Европейского союза по наукам о Земле в Вене, Австрия (2011, 2012, 2013), III международном симпозиуме по мелким течениям в Айова-Сити, США (2012), научном семинаре Океанографического института университета Сан Пауло, Бразилия (2012), коллоквиуме лаборатории химии моря Католического университета Рио де Жанейро, Бразилия (2012).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи (из них 2 в рецензируемых журналах из списка ВАК и 1 в сборнике трудов международной конференции), 4 - тезисы докладов на конференциях. Также приняты к публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК и находятся в печати еще 3 статьи.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и списка литературы из 228 источников. Общий объем диссертации - 138 страниц, включая 72 рисунка и 3 таблицы.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору географических наук П.О. Завьялову. Автор благодарит своих соавторов и коллег за плодотворное сотрудничество, помощь во время экспедиционных работ, полезные обсуждения результатов и поддержку при

подготовке диссертационной работы. Автор особенно признателен Д.М. Соловьеву (МГИ НАНУ, Севастополь) за подготовленный им массив спутниковых изображений, а также A.C. Ижицкому, Б.В. Коновалову и O.A. Короткиной, любезно предоставивших некоторые из использованных в диссертации материалов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, описана методика решения поставленных задач, приведены основные положения, выносимые на защиту, обсуждена их научная новизна, обоснованность, а также научная и практическая значимость. Кроме того, приведен список работ автора, в которых опубликованы результаты исследования, указан личный вклад автора и апробация результатов диссертации.

Глава 1 имеет вводный характер и посвящена истории и современному состоянию исследований динамики и изменчивости речных плюмов. В разделе 1.1 приведен литературный обзор основных этапов развития представлений и методов исследований процессов смешения морских и речных вод в приустьевых зонах. В разделе 1.2 дано описание районов исследований, проводившихся в рамках диссертационной работы.

Глава 2 посвящена натурным и спутниковым исследованиям речных плюмов. В разделе 2.1 подробно описаны экспедиционные работы, проводившиеся в приустьевых областях рек российского и абхазского побережий Черного моря (§2.1.1), рек острова Тайвань в Южно-Китайском море (§2.1.2) и рек Обь и Енисей в Карском море (§2.1.3).

В разделе 2.2 рассмотрены результаты контактных наблюдений структуры и изменчивости речных плюмов. В §2.2.1 представлена сводная таблица основных характеристик плюмов малых и средних рек черноморских и тайваньских полигонов, составленная на основе данных натурных измерений. Эта таблица дает представление о линейных масштабах плюмов, аномалии солености и концентрации взвеси в них по сравнению с окружающими морскими водами (таблица 1). Исследуемые речные плюмы, как правило, имели хорошо определенную внешнюю границу, при

пересечении которой регистрировалось скачкообразное понижение солёности, сопровождающееся повышением концентраций взвеси, хлорофилла и растворенного органического вещества.

Таблица 1. Общие характеристики речных плюмов, рассчитанные на основе данных измерений 12 экспедиций_

Река Средний расход, м /с Число съемок Горизонталь ный масштаб, км Вертикальный масштаб, м Аномалия солености, епс Аномалия содержания взвеси, г/м3

Черное море

Кодор 132 1 5.1 5.1 5.9 -

Мзымта 49.5 19 3.0±1.8 2.6±1.2 3.1±1.4 25.5±17.3

Сочи 16.1 3 2.2±1.2 1.9±1.5 2.4±1.0 3.0±2.1

Келасур 13.2 1 2.7 3.6 2.7 -

Туапсе 12.8 1 1.8 2.0 1.1 24.0

Пшада 9.8 2 1.3±0.7 0.9±0.7 0.2±0.1 0.8±0.3

Вулан 6.4 9 1.2±0.6 0.6±0.5 0.2±0.1 0.9±0.4

Мачара 5.1 1 1.3 2.1 2.1 -

Хоста 4.9 1 2.3 2.3 1.5 -

Мезыб 3.9 2 0.4±0.1 0.1±0.1 0.05±0.02 не обнаружена

Басла 3.5 1 1.1 1.7 1.6 -

Кудепста 3.4 12 0.9±0.7 1.0±0.8 1.1±0.8 9.3±8.3

Битха 0.3 2 0.1±0.02 1.0±0.6 1.0±0.8 не обнаружена

Южно-Китайское море

Гаопинг и Донгганг 268 3 10.0±1.2 2.6±1.2 1.2±0.6 6.2±0.2

Чжошуйси 220 1 8.1 4.1 2.5 -

Линбиан 28 3 5.9±0.6 1.9±0.9 0.4±0.1 14.1±2.2

Из таблицы 1 видны существенные структурные различия в пространственных характеристиках областей опреснения рек черноморских и тайваньских полигонов. Сток рек черноморского побережья аккумулируется в сравнительно небольшой по площади приустьевой зоне, что выражается малым горизонтальным масштабом, но относительно большой аномалией солености и вертикальным масштабом. В то же время плюмы рек Тайваня растекаются по большей площади, чем определяются малые значения величин аномалии солености и вертикального масштаба и большие — горизонтального масштаба.

На основе полученных данных были рассчитаны эмпирические зависимости для характеристик черноморских плюмов: ~ 0.1 + 0.98 ¿15 « —0.18 + 1.08

где Lh - горизонтальная протяженность плюма (км), Lv - его вертикальный масштаб (м), а Л5 - величина аномалии солености в плюме (епс) (рисунок 1). Эти соотношения могут быть полезны на практике для получения оценочных значений Lv и AS в тех частых случаях, когда известны, например, из спутниковых данных, лишь горизонтальные размеры плюма

Коэффициент корреляции г = 0.92

Коэффициент корреляции г = 0.9

Í 2 3 4 5 6

Горизонтальный масштаб, км

1 2 5 i 5

Горизонтальный масштаб, км

Рисунок 1 - Эмпирические зависимости вертикального масштаба плюмов (слева) и величины аномалии солености в них (справа) от горизонтального масштаба

плюма; сплошные красные линии соответствуют выявленным линейным зависимостям, пунктирные красные линии обозначают 95% доверительный интервал

§2.2.2 посвящен плюму р. Мзымта, самой крупной реки, впадающей в Черное море на российском участке побережья. Геометрические характеристики плюма р. Мзымта, такие как его форма и площадь, наблюдаемые в течение полевых работ, характеризовались высокой временной изменчивостью. В течение интервала времени порядка суток и менее направление распространения плюма часто менялось на противоположное, а значения площади плюма в отдельные моменты наблюдений отличались друг от друга более чем в 30 раз. Сопоставление спутниковых и натурных наблюдений показало, что площадь и направление распространения области опреснения в первую очередь определяются силой и направлением преобладающего ветра.

В этом же разделе в §2.2.3 на основе выполненных в 2007 и 2011 гг. натурных исследований гигантского плюма Оби и Енисея в Карском море описаны его основные пространственные характеристики и проанализирована их межгодовая изменчивость.

Структура термохалинных и био-оптических полей поверхностного слоя Карского моря в сентябре 2011 г. определялась взаимодействием обско-енисейского материкового плюма, поверхностных вод арктического бассейна из района желоба Св. Анны и вод Баренцева моря, поступающих через пролив Карские Ворота. Пропорции содержания этих трех основных водных типов в целом по акватории моря (точнее, по ее части, охваченной экспедиционными измерениями) составляли приблизительно 34:59:7. Практически все разнообразие водных типов в поверхностном слое моря удовлетворительно описывалось линейным смешением этих базовых водных масс. Подобная же картина наблюдалась и в экспедиции 2007 г.

Установлено, что положение обско-енисейского плюма в Карском море, а также его площадные и термохалинные характеристики обладают значительной межгодовой изменчивостью. Если в сентябре 2007 г. зона максимального опреснения занимала изолированную область у побережья центральной части Новой Земли, то в сентябре 2011 г. она образовывала непрерывную полосу к северу и востоку от речных устьев, периферийно достигающую северо-западной оконечности острова, но наиболее ярко выраженную у побережья полуострова Таймыр (рисунок 2). Абсолютные значения солености в плюме в 2011 г. превышали значения, характерные для 2007 г., на 1-3 епс.

Sí

м '

Рисунок 2 - Доли (в процентах по объему) содержания материкового стока в составе вод поверхностного слоя Карского моря в сентябре-октябре 2011 года

В разделе 2.3 на основе данных спутниковых измерений был выполнен статистический анализ синоптической изменчивости течений в области распространения плюма р. Мзымта и выявлена ее связь с синоптической изменчивостью ветра и расхода реки. Распределение наблюдавшихся площадей плюма по месяцам года показывает, что наибольшие средние размеры области опреснения наблюдаются весной, максимальное значение приходится на апрель, в то время как наименьшие - в январе-феврале и августе-сентябре (рисунок 3). Это распределение качественно совпадает с годовым ходом расхода р. Мзымта. Однако более внимательное сравнение указывает на то, что на изменчивость площади плюма существенно влияют и обстоятельства, не связанные непосредственно с расходом реки. Так, например, в период с февраля по апрель среднемноголетний расход р. Мзымта увеличивается в 3 раза, в то время как характерная площадь плюма возрастает в 30 раз. Таким образом, малые площади плюма зимой должны быть связаны не только со слабостью расхода в этот период года, но и с другими факторами, например, пониженной вертикальной устойчивостью вследствие выхолаживания верхнего слоя и более интенсивным ветровым перемешиванием.

с*

Рисунок 3 - Сезонное распределение средних значений площади плюма р. Мзымта и среднемноголетний расход р. Мзымта (слева) и распределение средних

значений площади плюма р. Мзымта в зависимости от направления оси его распространения и среднемноголетняя роза ветров в приустьевом регионе (справа)

Ш «

хт* ма;> шр май 1ти юед пкг «ет он иея лек

«роза»

ПЖЩШЙУ плюш.

Месяцы »ода

роза ветров

сродняя площадь плюма

V средмемноголетмии

\ расход р Мзымта

Распределение средних значений площади плюма в зависимости от направления оси его распространения демонстрирует, что плюмы, вытянутые вдоль

берега в северном направлении, в среднем примерно в 2 раза обширнее плюмов других геометрических конфигураций (рисунок 3). Вообще «роза» направлений плюма существенно отличается от розы ветров, что говорит о сложной зависимости плюма от силы и направления ветра (см. также далее Главу 3).

В разделе 2.4 даны выводы по второй главе.

Глава 3 посвящена численному моделированию речных плюмов, которое, наряду с натурными и спутниковыми наблюдениями, является важнейшим методом изучения изменчивости и динамики распространения речного плюма. К настоящему моменту для моделирования поведения речных плюмов, в основном, используются трехмерные эйлеровы модели циркуляции, а также ряд региональных моделей, созданных на их основе. В рамках данной диссертационной работы была разработана численная лагранжева модель, названная нами STRiPE (Surface-Trapped River Plume Evolution), которая описывается в разделе 3.1.

сила трения ветра

сипа Кориолиса

ускорение / -частицы "*" **

Рисунок 4 - Схема сил, воздействующих на индивидуальную частицу

Моделирование поведения речного плюма происходит посредством воспроизведения движения отдельных «частиц» стока в море. Частица в модели представляет собой элементарную однородную колонну воды, простирающуюся от поверхности вниз до границы между плюмом и нижележащими морскими водами. Движение индивидуальной частицы после выхода ее из речного устья определяется

балансом сил, приложенных к ней. Интерполяция физических параметров (прежде всего, солености) по всей совокупности частиц на регулярную сетку в каждый момент времени задает речной плюм, и, таким образом, моделируется его эволюция во времени. На каждую отдельную частицу действуют следующие силы: сила Кориолиса, сила градиента давления, напряжение трения ветра, трение на нижней границе плюма и латеральное трение (рисунок 4).

Уравнения движения для индивидуальной частицы имеют следующий вид:

(+1 * I . Т* Ц' ~ . ^ /Ц*-Ы*.У + их-Лх,у ~ 2ц' ,

а* 7~+¥{ Тх +

их.у+Лу + их.у-Ау ~ 2u'\ ^х+йх.у ~ ^-х-Ах.у

• Лу-)~9Н-£-'

- 2Р'

(1)

¡+1 ~-f ,• ТУ niv'-vsea . ßh (K+Ax.y + У*-Ах.у аУ ~ 'U+plhi hi hi + hi\ ¿х

, Vx,y+Ay + Vx.y-Ay ~ 2v'\ Ь'х у+Лу — Ь.ху_Лу

+--¿r1—i"5*—з?—'

где (uxy, vxy) - интерполированные значения компонент скорости в узле сетки (х, у); / — параметр Кориолиса; (тХ1ту) - компоненты напряжения трения ветра; р — плотность воды в частице; h - «толщина плюма» для данной частицы (частица интерпретируется как однородный столбик воды внутри плюма, простирающийся по вертикали от поверхности до границы между плюмом и нижележащей морской водой); hxy - интерполированное значение толщины плюма в узле сетки (дг,у); nhи Hv - горизонтальный и вертикальный коэффициенты турбулентной вязкости, параметризации для которых будут приведены ниже; (usea,vsea) - компоненты скорости фонового морского течения; д - ускорение свободного падения; н — безразмерный масштабирующий коэффициент для градиента давления. Верхние индексы обозначают номер шага по времени.

После вычисления компонентов ускорения (ах,ау) из уравнений (1) скорости

(u, р) определяются исходя из кинематических формул: ui+i =ui+ ai+iAti vf+i =vi + a'x+1At,

где üt - величина временного шага.

Для воспроизведения горизонтального мелкомасштабного турбулентного перемешивания указанные выше детерминированные расчеты дополнялись следующей схемой случайных блужданий, задаваемой методом Монте-Карло:

а'+Мс2 = х1 + — +

2 \

20^4'

= yi+vi+1At-

(2)

где (х,у) - координаты частицы; - коэффициент горизонтальной диффузии, зависящий от поля скорости, как будет показано ниже; г)х и ц — независимые случайные ряды, подчиняющиеся стандартному нормальному распределению. Подобная параметризация, сочетающая в себе детерминированное описание движения и стохастическую схему случайных блужданий, использовалась в ряде более ранних работ, главным образом, для описания процессов переноса загрязнений \Korotenko, 1994].

Диссипация плюма описывается с помощью уравнения диффузии солености:

3£_

дЬ ~ дг*'

(3)

где 5 - соленость, - коэффициент вертикальной диффузии. По мере того как пресная вода в плюме постепенно перемешивается и замещается морской водой, высота элементарной водной колонны в плюме уменьшается по закону:

= (4)

ас ~ V

где /г£ - вертикальный масштаб турбулентности.

Наконец, коэффициенты горизонтальной и вертикальной диффузии, используемые в уравнениях (2), (3) и (4), рассчитываются по следующим формулам:

Р^^-Ах-Ау

/их+Лх,у ~ их-Ах.у\ {Ух.у+Ау ~ ^х.у-Лу^

Ах ) +[ Ау ) +

, 1 ( у'х+Ах.у ~ Ух-Лх.у цх,у+4у ~ цх,у-4у\

2 V Ах Ау )

.и')2)3.

(5)

где и - горизонтальный и вертикальный масштабирующие коэффициенты, Ш' = число Ричардсона, Nl = _ частота плавучести Вяйсяля-Брента,

. „(u'-iii, a)2+(v'-pi„)2

S = -----вертикальный сдвиг скорости. Уравнение (5) представляет

собой известную формулу Смагоринского [Smagorinsky, 1963], а формула (6) заимствована из работы [Large et al., 1994]. Параметризация вертикальной диффузии с помощью числа Ричардсона представляется наиболее физически адекватной для моделирования распространения в море речного стока. Для плюма вертикальное перемешивание определяется «противоборством» двух факторов: плавучестью верхнего слоя, стремящейся подавить перемешивание, и сдвигом скорости между водами плюма и нижележащего слоя, стремящимся увеличить перемешивание.

Раздел 3.2 посвящен валидации разработанной лагранжевой модели. Способность модели реалистично воспроизводить поведение речных плЮмов тестировалась несколькими способами. Первая серия тестовых экспериментов моделировала динамику плюма в идеализированных условиях отсутствия внешнего воздействия при разных значениях скорости речного стока, а также в присутствии умеренного вдольберегового ветрового воздействия, а получившиеся результаты сравнивались с известными решениями для этих предельных случаев (§3.2.1). Динамика плюма под воздействием этих простейших видов внешнего воздействия показала хорошее соответствие с опубликованными результатами предыдущих исследований речных плюмов.

На втором этапе валидации модель проверялась на способность реалистично воспроизводить отмеченные в реальных наблюдениях синоптические и сезонные особенности плюмов, образованных реками с различной мощностью стока, в трех тестовых регионах, расположенных в арктической, умеренной и тропической зонах (§3.2.2). В качестве внешнего воздействия для модели задавались реальные значения ветра, фоновой прибрежной циркуляции и речного стока, а полученные в результате моделирования поверхностные распределения солености сравнивались с соответствующими данными натурных измерений и спутникового мониторинга. Объектами исследования стали районы, описанные в Главе 2 (области распространения плюма р. Мзымта в Черном море; плюмов рек Гаопинг, Линбиан и

Донгганг на шельфе острова Тайвань в Южно-Китайском море; плюмов рек Обь и Енисей в Карском море).

Модель БТШРЕ воспроизвела синоптическое и сезонное поведение плюмов четырех рек с малым и средним стоком на черноморском (Мзымта) и тайваньском (Гаопинг, Линбиан и Донгганг) полигонах в условиях слабого и умеренного внешнего воздействия. Полученные в результате численного моделирования форма, площадь и направление распространения опресненных линз для всех случаев хорошо совпадают с данными натурных и спутниковых наблюдений. Численное сравнение площадей плюмов, полученных в результате моделирования , и соответствующих им площадей, рассчитанных на основе данных натурных измерений (£„), показало, что среднее квадратическое отклонение соответствующих площадей составило

Также для каждого плюма был рассчитан коэффициент сходства моделируемого и

моделируемого и наблюдаемого плюмов. Среднее значение коэффициента сходства для всех рассматриваемых плюмов составило у = 0.68. Таким образом, было продемонстрировано, что модель ЗТШРЕ может быть с успехом использована для имитации синоптической и сезонной изменчивости плюмов малых и средних рек, во всяком случае, в условиях умеренного внешнего воздействия.

Также модель БТШРЕ была адаптирована для воспроизведения крупномасштабной динамики вод поверхностного опресненного слоя в Карском море, находящегося под влиянием обско-енисейского плюма (§3.2.3). Полученные результаты моделирования крупномасштабной изменчивости речного стока в Карском море в диапазоне пространственных масштабов более 50 км показали достаточно хорошее соответствие с натурными данными, полученными в ходе 59-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» с помощью бортовой проточной СТБ-системы, а также с данными спутникового зондирования.

Раздел 3.3 содержит выводы по третьей главе.

Глава 4 посвящена исследованию зависимостей характеристик речных плюмов от различных показателей внешних условий. Методами численного моделирования

среднем значении площадей плюмов 1-1 "' =

= 13.1 км2.

ОС

наблюдаемого контуров плюма у — "/(£ +5)' где ~ площадь пересечения

были исследованы зависимости между пространственными размерами плюма с одной стороны, и напряжением трения ветра, фоновой прибрежной циркуляцией, скоростью речного стока, а также значением параметра Кориолиса с другой стороны. Для решения поставленной задачи использовалась описанная выше модель ЭТИРЕ, обладающая высокой эффективностью при относительно малых вычислительных затратах, что дало возможность провести необходимое число численных экспериментов, варьируя с достаточно мелким шагом значения показателей внешнего воздействия.

В разделе 4.1 были выявлены три главных типа зависимостей развития плюма от ветрового воздействия для характерных направлений ветра (рисунок 5). Здесь и далее: вдольбереговой ветер, направленный вправо/влево от наблюдателя, стоящего на берегу лицом к морю в Северном/Южном полушарии будет условно называться «даунвеллинговым», направленный вдоль берега влево/вправо от наблюдателя -«апвеллинговым»; нормальный берегу ветер, направленный на сушу - «нагонным», нормальный берегу и направленный в море - «сгонным».

О (КЯ5 0.«» ода? 0.0Ц 0,0)5 0,018 £Ш! 0.024 &0!? 0,0} <Ш) &Ш ОШ 0.0« 0.(Ж

Напряжение трения ветра, М/мг * нагонный ветер » даунвеллимговый ветер

® сгонный ветер ф ашеллиигоеый ветер

Рисунок 5 - Графики зависимостей площади плюма от напряжения трения ветра для разных типов ветрового воздействия

Для сгонных и даунвеллинговых направлений площадь плюма сначала растет вместе с ростом т, а затем уменьшается, после того как т превысит определенное

пороговое значение. Для нагонного ветра площадь плюма монотонно, но нелинейно уменьшается с ростом г. Наиболее сложная зависимость наблюдается для апвеллингового ветра. Площадь плюма вначале уменьшается, пока напряжение трения ветра не достигнет первого порогового значения, затем площадь увеличивается вместе с г и достигает максимума, а потом падает до нуля при дальнейшем росте г. Подобные зависимости для всех остальных направлений ветра являются промежуточной формой описанных типов. В рамках принятых моделью допущений наибольших площадей плюмы малых и средних рек достигают при умеренных апвеллинговых ветрах, а наименьших площадей - при нагонных. При сильных ветрах площадь плюма стремится к нулю вне зависимости от направления ветра.

В разделе 4.2 было изучено влияние фоновых вдольбереговых течений на площадь плюма. Оно оказалась подобным ветровому воздействию соответствующих направлений с той разницей, что действие даже очень сильных течений не превосходит действия слабых или умеренных ветров. Были выполнены также численные эксперименты, в которых на плюм действовали одновременно и ветер и течение. Они показали, что при реалистических значениях параметров ветровое воздействие, как правило, имеет гораздо большее влияние на плюм, чем фоновые морские течения.

В разделе 4.3 была изучена зависимость площади плюма от географической широты (рисунок 6). Из проведенных экспериментов следует, что при прочих равных условиях (одинаковые мощность стока, геометрия устья, ветровое воздействие и скорость фонового течения) речные плюмы в тропических и субтропических широтах должны занимать большую площадь, чем такие же в экваториальных и субполярных широтах. Физическое объяснение этого факта состоит в том, что как «слишком большие», так и «слишком малые» значения силы Кориолиса уменьшают пространственное развитие плюма. Полученная зависимость площади плюма от широты, конечно, имеет в значительной степени умозрительный характер, поскольку точного равенства условий никогда не бывает. Несмотря на это, полученные зависимости являются показательными, так как они иллюстрируют сравнительную значимость фундаментальных механизмов, формирующих динамику плюмов.

а I

»■»ж. <вГтж »»я. V аг<я, «"еж. «Г«*.

5«*»» КГ».«. Шг.ш, »<¡.0, 60Ч.я.

Широт», градусы о у0.35 м/с • .05 м/с

* »1=0.7 м/с а иг, я 1.4 м/с

Рисунок 6 - График зависимости площади плюма от широты при отсутствии внешнего воздействия

В разделе 4.4 представлены выводы по четвертой главе.

В Заключении выполнено краткое обобщение представленного в диссертации материала и сформулированы следующие полученные результаты:

1. На основе данных натурных исследований описаны основные структурные характеристики (горизонтальный и вертикальный масштабы, площадь, аномалия солености, аномалия концентрации взвеси) речных плюмов российского и абхазского побережий Черного моря, а также западного побережья острова Тайвань в Южно-Китайском море. Получены эмпирические зависимости, связывающие вертикальный и горизонтальный масштабы плюмов и аномалию солености в них;

2. В результате анализа массива спутниковых данных построены статистические распределения для площади, линейной протяженности и направления распространения плюма крупнейшей реки российского побережья Черного моря -реки Мзымта, проанализирован их сезонный ход;

3. Показано, что структура термохалинных полей поверхностного слоя Карского моря осенью 2011 г. определялась взаимодействием обско-енисейского материкового плюма, поверхностных вод арктического бассейна и вод Баренцева моря. Пропорции содержания этих трех основных водных по акватории моря составляли

приблизительно 34:59:7. Установлено, что положение обско-енисейского плюма в Карском море, а также его площадные и термохалинные характеристики обладают значительной межгодовой изменчивостью. Если в сентябре 2007 г. зона максимального опреснения занимала изолированную область у побережья центральной части Новой Земли, то в сентябре 2011 г. она образовывала непрерывную полосу к северу и востоку от речных устьев, периферийно достигающую северо-западной оконечности острова, но наиболее ярко выраженную у побережья полуострова Таймыр. Абсолютные значения солености в плюме в 2011 г. превышали значения, характерные для 2007 г., на 1-3 епс.

4. Разработана и обоснована лагранжева численная модель распространения речного стока под влиянием ветрового форсинга и фоновой прибрежной циркуляции. Выполнена валидация модели на основе натурных и спутниковых данных.

5. С помощью модели получены зависимости площади плюма от характера ветрового воздействия. Показано, что:

• Плюмы достигают наибольших площадей при «апвеллинговых» ветровых условиях (ветер параллелен берегу и направлен влево по отношению к смотрящему в море береговому наблюдателю в Северном полушарии) и наименьших при «нагонных» (ветер перпендикулярен берегу и направлен на сушу);

• При достаточно сильном ветре площадь плюма стремится к нулю вне зависимости от направления ветра;

• Для условий ветра «аггееллингового» типа характер зависимости площади плюма от напряжения трения ветра г имеет наиболее сложный вид и предполагает сокращение площади плюма с ростом ветра при малых т, быстрый рост и достижение максимального значения при дальнейшем возрастании г и последующее уменьшение до нуля при больших г;

• Для условий ветров «даунвеллингового» (ветер параллелен берегу и направлен вправо от наблюдателя) и «сгонного» (ветер перпендикулярен берегу и направлен в сторону моря) типов площадь плюма вначале слабо возрастает, а затем убывает до нуля при усилении ветра;

• Для условий «нагонного» ветра площадь плюма. монотонно убывает с ростом г;

6. Установлено, что форма, площадь и направление распространения речных плюмов в реалистичном диапазоне параметров определяются ветром в гораздо большей степени, чем фоновой морской циркуляцией. Воздействие вдольберегового течения на площадь плюма аналогично воздействию слабого ветрового воздействия соответствующего направления;

7. Установлено, что при прочих равных внешних условиях в тропических широтах (20'-30") формируются плюмы с наибольшей площадью по сравнению с экваториальными, умеренными и субполярными широтами.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи, опубликованные в изданиях из перечня ВАК

1. Короткина O.A., Завьялов П.О., Осадчиев A.A. Субмезомасштабная изменчивость полей течений и ветра в прибрежной акватории Сочи // Океанология. 2011. Т. 51. №5. С. 797-806.

2. Osadchiev A.A., Zavialov P.O. Lagrangian model of a surface-advected river plume // Continental Shelf Research. 2013. Vol. 58. P. 96-106. doi: 10.1016/j.csr.2013.03.010.

Другие опубликованные статьи

3. Zavialov P.O., Zhurbas V.M., Osadchiev A.A. Dynamics of river plumes in coastal ocean // Proceedings of the Third International Symposium on Shallow Flows. Iowa City, Iowa, USA. 2012. P. 53-68.

Статьи, принятые к публикации

4. Короткина O.A., Завьялов П.О., Осадчиев A.A. Синоптическая изменчивость течений в прибрежной акватории г. Сочи // Океанология (в печати).

5. Завьялов П.О., Маккавеев П.Н., Коновалов Б.В., Осадчиев A.A., Хлебопашев П.В., Пелевин В.В., Грабовский А.Б., Ижицкий A.A., Гончаренко И.В., Соловьев Д.М., Полухин A.A. Гидрофизические и гидрохимические характеристики морских акваторий у устьев малых рек российского побережья Черного моря. Океанология (в печати).

6. Завьялов П.О., Ижицкий А.С., Осадчиев А.А., Пелевин В.В., Грабовский А.Б. Структура термохалинных и био-оптических полей на поверхности Карского моря в сентябре 2011 г. Океанология (в печати).

Опубликованные тезисы докладов

1. Осадчиев А.А., Завьялов П.О. Оценка изменчивости речного стока на основе спутникового мониторинга // X Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Томск, Россия. 2013.

2. Osadchiev А.А., Zavialov P.O. Mzymta river plume dynamics in the eastern part of the Black Sea: observations and modeling // European Geoscience Union General Assembly 2013. Vienna, Austria. 2011. EGU2011-382.

3. Osadchiev A.A., Zavialov P.O. Lagrangian model of a surface-advected river plume in marginal and enclosed seas II European Geoscience Union General Assembly

2012. Vienna, Austria. 2012. EGU2012-407.

4. Osadchiev A.A., Zavialov P.O. Use of satellite imagery to improve estimates of total river discharge into the Black Sea // European Geoscience Union General Assembly

2013. Vienna, Austria. 2013. EGU2013-1656.

Список цитируемой литературы

1. Лисицын А.П. Маргинальный фильтр океанов / А.П. Лисицын // Океанология. - 1994. - Вып. 34. - С. 735-747.

2. Korotenko К.А. The random walk concept in modeling matter transport and dispersion in the Sea / K.A. Korotenko // Journal of the Moscow Physical Society. - 1994. -Vol. 4.-P. 335-338.

3. Large W.G. Oceanic vertical mixing: A review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization / W.G. Large, J.C. McWilliams, S.C. Doney // Reviews of Geophysics. - 1994. - Vol. 32. - P. 363-403.

4. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equation. 1. The basic experiment / J. Smagorinsky // Monthly Weather Review. - 1967. - Vol. 91. - P. 99-165.

Подписано в печать:

07.07.2013

Заказ № 8799 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1,25усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Осадчиев, Александр Александрович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ ИМ. П.П. ШИРШОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201363604

Осадчиев Александр Александрович

ДИНАМИКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ РЕЧНЫХ ПЛЮМОВ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ МОРЯ

Специальность 25.00.28 - Океанология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор географических наук Завьялов Петр Олегович

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................................................................3

Глава 1. История и современное состояние исследований речных плюмов.............10

1.1. Развитие представлений о речных плюмах...............................................10

1.2. Районы натурных исследований................................................................21

Глава 2. Контактные и спутниковые наблюдения изменчивости речных

плюмов...............................................................................................................29

2.1. Описание измерений...................................................................................29

2.1.1. Черноморские полигоны...............................................................29

2.1.2. Тайваньские полигоны..................................................................36

2.1.3. Карский полигон............................................................................39

2.2. Контактные измерения структуры и изменчивости речных плюмов....42

2.2.1. Плюмы малых и средних рек Черного и Южно-Китайского морей.........................................................................................................42

2.2.2. Связь плюма реки Мзымта с изменчивостью локальных полей течений и ветра.............................................................................49

2.2.3. Исследования распространения стока рек Обь и Енисей в Карском море...........................................................................................56

2.3. Анализ спутниковых данных по изменчивости речных плюмов...........62

2.4. Выводы по второй главе.............................................................................72

Глава 3. Численное моделирование динамики речного плюма..................................74

3.1. Лагранжева модель динамики речного плюма.........................................74

3.2. Валидация модели.......................................................................................80

3.2.1. Моделирование идеализированных предельных случаев.........81

3.2.2. Моделирование плюмов малых и средних рек в Чёрном

море и Тайваньском проливе........................................................84

3.2.3. Моделирование распространения стока рек Обь и Енисей

в Карском море...............................................................................94

3.3. Выводы по третьей главе..........................................................................100

Глава 4. Исследование зависимости динамики речного плюма от основных

управляющих параметров..............................................................................102

4.1. Динамика речного плюма под воздействием ветра................................102

4.3. Динамика речного плюма под воздействием фоновых прибрежных

течений........................................................................................................107

4.3. Влияние параметров реки (географическая широта и скорость

стока) на динамику речного плюма.........................................................108

4.4. Выводы по четвертой главе......................................................................112

Заключение.....................................................................................................................114

Список литературы........................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Пресноводный материковый сток играет важнейшую роль в физических, химических и биологических процессах в океане, особенно в шельфовых областях. Процесс распространения речного стока в прибрежной зоне моря и образования речных плюмов является основным механизмом взаимодействия океана с водами суши. Изучение динамики и изменчивости этого процесса составило основную цель исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы.

Суммарный среднемноголетний объем стока рек в Мировой океан оценивается в 41000 kmj в год, что составляет около десятой части приходной части водного баланса для океана в целом (437000 км3 в год) [Львович, 1986; Shiklomanov, 1997; Oki and Капае,

-у

2006]. Оставшиеся девять десятых складываются из осадков над океаном (391000 км в год) и подземного стока грунтовых вод (5000 км в год) [Church, 1996; Shiklomanov, 1997; Oki and Капае, 2006]. Однако для отдельных шельфовых районов океана, а также внутренних и окраинных морей материковый сток может играть на порядок более существенную роль. Так, например, для Черного моря годовой речной сток (338 км в год) превышает объем атмосферных осадков (238 kmj в год) и приближается к объему испарения с поверхности моря (396 км3 в год) [Симонов и Альтман, 1991]. Приустьевые зоны смешения речных и морских вод, несмотря на свою сравнительно малую площадь и объем по отношению ко всему океану, в значительной степени определяют глобальные процессы переноса вещества с материка в океан. Эти зоны играют роль так называемого «маргинального фильтра» [Лисицын, 1974; 1978; 1988; 1994], который удерживает 90-95% взвешенных и 20-40% растворенных веществ, поступающих в океан с речным стоком. Как правило, в процессе перемешивания речных и морских вод в этих зонах на поверхности воды формируются мезомасштабные структуры, называемые «плюмами» (от английского «plume») - линзовидные водные массы пониженной солёности и плотности по сравнению с окружающим морем, приуроченные к устью реки. Пространственные масштабы этих опресненных линз могут составлять от десятков метров до сотен километров (для крупных рек), при этом они в большинстве случаев сохраняют резко очерченную границу, иногда толщиной всего нескольких сантиметров, с окружающими морскими водами.

Воды плюма являются переходной формой между речной и морской водой, и, в то же время, плюм представляет собой обособленную структуру со своими собственным динамическими, физическими и химическими характеристиками, отличающимися от соответствующих характеристик, как речного потока, так и окружающего моря (например, [Garvine, 1987; 1995; Simpson, 1997; Geyer et al., 2000]). Более того, динамика плюма и другие его характеристики в общем случае являются производными не только параметров образующей его реки и окружающего моря. На них также оказывает существенное воздействие целый ряд атмосферных факторов, в первую очередь ветер. Речные плюмы могут и сами существенно влиять на свойства окружающего моря. Воздействие опресненных вод материкового происхождения на стратификацию приповерхностного слоя в приустьевых областях и обеспечиваемый ими поток плавучести могут быть сравнимы или даже превосходить потоки, связанные с воздействием сезонного перепада температур [Simpson, 1997]. Опресненный поверхностный слой в прибрежной зоне моря может порождать бароклинную неустойчивость вдольберегового потока [Коротенко, 2007] и изменять его структуру, генерируя мезомасштабные вихри, меандры, струйные и грибовидные течения [Cushman-Roisin et al., 2001; 2007]. Интенсивность вдольберегового переноса также может зависеть от пресноводного стока [Orton and Jay, 2005; Sentchev and Korotenko, 2005], оказывая существенное влияние на биологические процессы на шельфе, например, на миграцию икры и личинок рыб [Sentchev and Korotenko, 2004]. С материковым стоком связаны значительные потоки тепла и импульса в океан, и, как уже было сказано выше, он является основным источником поступления в море взвешенных и растворенных терригенных и биогенных веществ, а также продуктов антропогенного загрязнения. Только в моря России с речным стоком ежегодно поступает до 1200 тысяч тонн взвешенных веществ, 200 тысяч тонн аммонийного азота, 60 тысяч тонн соединений фосфора, 50 тысяч тонн металлов, таких как железо, цинк, медь, до 30 тысяч тонн нефтепродуктов и до 1 тысячи тонн фенолов [Государственный доклад..., 2011]. Материковый сток в случае высокого содержания в нем биогенных веществ определяет уровень первичной продукции в приустьевом районе [Maliin et al., 2005], что зачастую является причиной эвтрофикации и гипоксии на обширных шельфовых территориях [Wiseman and Kelly. 1994: Rabailais at al., 1996].

Из натурных и в особенности спутниковых наблюдений известно, что для речных плюмов характерно большое разнообразие морфологических форм и типов динамического поведения. Плюмы обладают собственной динамикой, взаимодействуют с донным рельефом и вихревыми образованиями на шельфе, переносятся ветром и фоновой прибрежной циркуляцией и лишь после этого, смешиваясь, в конце концов, с окружающими морскими водами, доставляют в море вещества материкового происхождения и сигнал терригенных и антропогенных воздействий [Geyer et al., 2000; Fong and Geyer, 2002; Gan et al., 2008].

Механизмы взаимодействия материкового стока с морскими водами в зоне маргинального фильтра и вне его необходимо рассматривать не только с точки зрения непосредственного смешения речной и морской воды, но и в контексте взаимодействия речных плюмов как отдельных структур с окружающим морем и атмосферой. Цель данной диссертационной работы заключается в изучении малоизвестных основных закономерностей изменчивости речных плюмов, образованных пресноводным материковым стоком в прибрежной зоне моря, средствами контактных наблюдений и дистанционного зондирования, а также в исследовании физических механизмов динамики распространения речных плюмов с помощью методов численного моделирования. Для этого в рамках диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

1. получить новые и обобщить уже имеющиеся данные контактных и дистанционных измерений пространственной структуры, основных характеристик и изменчивости речных плюмов в различных районах;

2. разработать физически обоснованную и пригодную для оперативного использования численную модель распространения и перемешивания материкового стока в море и выполнить её валидацию;

3. описать закономерности отклика речных плюмов на ветровые воздействия, изменения параметров стока и фоновой прибрежной циркуляции.

Научную новизну исследования составляют основные положения, выносимые на защиту.

исследования, расположенных в Чёрном, Южно-Китайском и Карском моря и характеризующихся разнообразием океанографических и метеорологических условий;

Обоснованность научных результатов и выводов работы обеспечивается сочетанием анализа данных контактных измерений и спутниковых наблюдений с использованием современных методов гидродинамического численного моделирования. Исследования проводились на различных региональных полигонах, расположенных в Чёрном, Южно-Китайском и Карском морях и характеризующихся разнообразием океанографических и метеорологических условий. Данные специализированных высокоразрешающих контактных измерений были получены с помощью современных высокоточных приборов (CTD-зонды SBE, измерители течения Nortek AquaDopp и SeaHorse и пр.), широко используемых в научном сообществе. Спутниковые изображения были построены в результате обработки данных видимого диапазона, полученных спутниковым сканером цвета MERIS-EnviSat, с помощью алгоритма MERIS Case-2 Regional. Результаты численного моделирования распространения речного стока показали хорошее соответствие с данными контактных наблюдений и дистанционного зондирования.

Научное и практическое значение исследования определяется прогрессом в понимании общих механизмов динамики речных плюмов под воздействием разнообразных внешних факторов. Полученные в результате исследования закономерности и разработанная численная лагранжева модель динамики речных плюмов могут найти применение в краткосрочном оперативном прогнозировании загрязнений морских вод прибрежной зоны, в частности, в курортных районах, а также при идентификации районов побережья и шельфа, наиболее уязвимых по отношению к антропогенным и терригенным загрязнениям.

Автор лично:

1. участвовал в работе научно-исследовательских экспедиций в Чёрном, Южно-Китайском и Карском морях, в которых были собраны натурные данные, использовавшиеся в диссертационной работе;

2. выполнил статистическую обработку и анализ данных контактных и дистанционных наблюдений, результаты которой описаны в диссертационной работе;

3. участвовал в разработке лагранжевой численной модели, обеспечил её программную реализацию, осуществил валидацию модели и выполнил с её помощью диагностические численные эксперименты;

4. предложил интерпретацию результатов численных экспериментов, на основе которых были описаны закономерности отклика речных плюмов на внешние условия и воздействия;

5. обеспечил подготовку результатов к опубликованию в журналах, а также представлял их на международных конференциях.

Основные результаты, составившие содержание данной работы, докладывались на заседаниях учёного совета Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2011, 2012, 2013), на заседаниях учёного совета физического направления Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2011, 2013), научном семинаре Океанографического Института Университета Сан Пауло (2012), коллоквиуме лаборатории химии моря Католического Университета Рио де Жанейро (2012), ежегодных ассамблеях Европейского геофизического общества в Вене, Австрия (2011, 2012, 2013) и на третьем международном симпозиуме по мелким течениям в Айове, США (2012). Материалы диссертации представлены в научно-технических отчетах по проектам РФФИ, ГК и отчетах о научно-исследовательской работе в экспедициях «Малые реки Чёрного моря» (2010-2013), на НИС «Академик Мстислав Келдыш» в Карском море (2011) и на НИС «Chen Lai Chun 8» в Тайваньском проливе (2012-2013). Исследования, составившие содержание данной работы, получили финансовую поддержку Президиума РАН в рамках программы 23, МинОбрНауки РФ в рамках ГК 2042 и ГК 8338, РФФИ в рамках научных проектов 07-05-00240 а, 13-05-00626 а и 13-05-96518 р_юг_а, а также проекта CLIMSEAS в рамках международного гранта.

По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи (из них 2 в рецензируемых журналах из списка ВАК и 1 в сборнике трудов международной

конференции), 4 - тезисы докладов на конференциях. Также приняты к публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК и находятся в печати еще 3 статьи.

Статьи, опубликованные в изданиях из перечня ВАК:

2. Osadchiev A.A., Zavialov P.O. Lagrangian model of a surface-advected river plume // Continental Shelf Research. 2013. Vol. 58. P. 96-106. doi: 10.1016/j.csr.2013.03.010.

Другие опубликованные статьи:

3. Zavialov P.O., Zhurbas V.M., Osadchiev A.A. Dynamics of river plumes in coastal ocean // Proceedings of the Third International Symposium on Shallow Flows. Iowa City, Iowa, USA. 2012. P. 53-68.

Статьи, принятые к публикации:

6. Завьялов П.О., Ижицкий A.C., Осадчиев A.A., Пелевин В.В., Грабовский А.Б. Структура термохалинных и био-оптических полей на поверхности Карского моря в сентябре 2011 г. Океанология (в печати).

Опубликованные тезисы докладов:

1. Осадчиев A.A., Завьялов П.О. Оценка изменчивости речного стока на основе спутникового мониторинга // X Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Томск, Россия. 2013.

2. Osadchiev A.A., Zavialov P.O. Mzymta river plume dynamics in the eastern part of the Black Sea: observations and modeling // European Geoscience Union General Assembly 2013. Vienna, Austria. 2011. EGU2011-382.

3. Osadchiev A.A., Zavialov P.O. Lagrangian model of a surface-advected river plume in marginal and enclosed seas // European Geoscience Union General Assembly 2012. Vienna, Austria. 2012. EGU2012-407.

4. Osadchiev A.A., Zavialov P.O. Use of satellite imagery to improve estimates of total river discharge into the Black Sea // European Geoscience Union General Assembly 2013. Vienna, Austria. 2013. EGU2013-1656.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

РЕЧНЫХ ПЛЮМОВ

1.1. Развитие представлений о речных плюмах

Зоны смешения речных и морских вод, зачастую имеющих четкую границу перехода, различимую невооруженным глазом, с давних времен привлекали внимание человека. Одно из первых в истории человечества письменных описаний речного плюма, дошедших до наших дней, принадлежит Публию Овидию Назону (рисунок 1.1). Находясь в ссылке недалеко от места впадения Дуная в Чёрное море, Овидий в 14 году н.э. писал в своих «Письмах с Понта»:

(...) Замкнут вдобавок Понт, а рек принимает немало, И разжижают они крепость с�

Информация о работе

Осадчиев, Александр Александрович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.28

Диссертация

Динамика распространения и изменчивость речных плюмов в прибрежной зоне моря - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы