Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование термогидродинамических процессов в Чёрном и Каспийском морях методами математического моделирования

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Трухчев, Димитър Иванов

Актуальность темы. Система морских течений - важная гидрофизическая характеристика, знание которой необходимо для решения целого ряда важных задач в области теории климата, прогноза погоды, взаимодействия "океан - атмосфера", охраны морской среды от загрязнения, биопродуктивности и биоразнообразия, навигации, рыбного промысла и т.д. Широкий спектр масштабов характерных движений в море создает большие затруднения при организации измерений течений. Известно, что в Черном море динамика характеризируется различными масштабами изменчивости: вертикальная стратификация вод и крупномасштабные течения составляют гидрологический фон, на котором развиваются процессы более мелких пространственно-временных масштабов (сезонные колебания, мезо-, мелкомасштабные и синоптические вихревые образования). Сложный характер гидродинамических процессов требует решения полной нелинейной системы уравнений геофизической гидродинамики - модели бароклинной циркуляции, позволяющие восстановить трехмерную структуру полей течений (достоверную информацию о которых пока невозможно получить другими методами), и спрогнозировать динамическое состояние морской среды.

Численные расчеты для Черного и Каспийского морей ведутся практически с самого начала развития методов математического моделирования морских течений школами акад. Г.И. Марчука и акад. A.C. Саркисяна. Модельные исследования циркуляции вод Каспийского моря относительно немногочисленны. В последние годы заметно вырос интерес к региональным океанографическим исследованиям с упором на оперативность получаемых результатов. Исследования динамических процессов в Черном и Каспийском морях занимают одно из важных мест в совместных программах (проектах), реализуемых океанологами в регионе. Возрастание хозяйственного значения прибрежных акваторий делает актуальными задачи экологического мониторинга прибрежной зоны и ее рационального использования. Являясь пограничной между сушей и морем, эта зона в наибольшей степени подвержена антропогенным нагрузкам, вместе с тем в ней сосредоточены основные рыбные запасы. Её экологическое состояние зависит не только от действия источников загрязнения, но и от динамических процессов, влияющих на самоочищение, перенос, перемешивание и водообмен с глубоководными районами моря. Для этого требуются хорошие знания общих, характерных для всего бассейна закономерностей динамики течений. Крупномасштабные гидрологические съемки, измерения скорости течений буйковыми станциями и космические наблюдения указывают, что доминирующей чертой динамики моря Черного моря, наряду с циклоническим характером общей циркуляции, являются вихри синоптического масштаба. Поэтому умение моделировать генерацию рингов фронтального течения на фоне основного черноморского течения (ОЧТ), динамику синоптических вихрей на шельфе и склоне, имеющие существенное значение в обмене вод между шельфом и глубоководными районами), природу формирования и эволюции холодного промежуточного слоя (ХПС) является проблемой весьма актуальной и значимой. Важными составляющими являются моделирование конкретных синоптических ситуаций, сравнение результатов моделирования с данными контактных и дистанционных измерений. Синоптическими вихрями определяются в основном мгновенные распределения основных термодинамических полей (скорости течений, температура, соленость, уровень моря) и других важных гидрохимических и гидробиологических характеристик (концентрации органических и минеральных взвесей, загрязнителей, растворенных газов и пузырьков, скорость звука, преломление света, энтропия). Этот комплекс формирует погоду бассейна; синоптические вихри играют существенную роль и для формировании средних распределений океанографических характеристик и их долгопериодической изменчивости (климат бассейна).

Цели исследования. Целями настоящей работы являются:

1. Развитие методов диагноза и прогноза морских течений для бассейнов Черного и Каспийского морей и разработка прогностической термогидродинамической модели для отдельных регионов болгарского побережья;

2. Развитие методов динамического распространения и диффузии примесей в морской среде для решения практических задач охраны и контроля качества морской воды;

3. Исследование природы внутригодовой изменчивости термогидродинамических процессов в бассейнах Черного и Каспийского морей и в отдельных районах болгарского шельфа.

Основные задачи. Для достижения указанных целей необходимо решить следуюшие основные задачи:

- воспроизвести климат Черного и Каспийского морей методом термогидродинамической адаптации;

- воспроизвести эволюционной моделью внутригодовую климатическую изменчивость верхнего перемешаннного слоя и ХПС в Черном море; реконструировать отдельные синоптические поля циркуляции вод в западной части Черного моря методом термогидродинамической адаптации; воспроизвести методом прямого моделирования гидротермодинамические процессы в Бургаском заливе; спрогнозировать поле концентрации ' примесей, поступающих в акваторию Бургасского залива.

Методы исследований. Основной метод исследований -синтез численных гидродинамических моделей и данных гидрологических наблюдений. Для анализа особенностей гидрологических структур использовались архивные и новые экспедиционные материалы, при сборе которых автор принимал личное участие, а так же самые богатые в настоящее время климатические массивы Косарева и Тужилкина для Черного и Каспийского морей, которые были любезно предоставлены авторами для целей настоящих исследований. Базовой для большинства из расчетных экспериментов является полная нелинейная модель термогидродинамики океана, разработанная в Институте вычислительной математики РАН и развитая автором для целей настоящего исследования в Институте океанологии Б АН.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследования особенностей внутригодовой изменчивости климатической циркуляции в Черном и Каспийском морях, полученные на основе численных экспериментов с использованием полной нелинейной трехмерной модели и максимально полных мссивов данных многолетних гидрологических измерений, а так же прогностических расчетов по той же модели;

- усовершенствованная методика для диагноза морских течений синоптического масштаба в районах с открытыми границами и с учетом речного притока;

- численная модель эволюции гидрологических полей в Бургасском заливе с использованием оперативных метеоданных о ветре; результаты исследования характерных особенностей динамики вод в летний сезон для прибрежой зоны в центральной части болгарского шельфа; численно реконструированные поля климатических среднемесячных и характерных синоптических полей циркуляции вод в Бургасском заливе; численная нестационарная 3-х мерная модель динамического переноса примесей в морской воде и результаты расчетов для акватории Бургасского залива.

Научная новизна. Предложенные в диссертации адаптационные и прогностические модели, отличающиеся гидродинамической полнотой, параметризацией турбулентности и консервативными свойствами разностных схем, испытаны на численных экспериментах по диагнозу и воспроизведению эволюции гидрофизических полей в двух бассейнах и отдельных их регионах. Исследована чувствительность моделей к вариациям входных параметров, показана значимость использования вместо постоянных коэффициентов перемешивания более обоснованных вариантов параметризаций, связывающей эти коэффициенты с динамическими характеристиками среды. Разработанный аппарат гидродинамического согласования и эволюции применен для исследования климатической циркуляции вод Черного и Каспийского морей. Для всех основных гидрофизических полей приведены характерные особенности в различных слоях от поверхности до дна для каждого месяца. Проведено сравнение с результатами прямых измерений, дистанционных наблюдений и прежних расчетов. Для отдельных акваторий на западном побережье Болгарии выполнен гидродинамический диагноз синоптической циркуляции. При этом решена проблема задания граничных условий в точках оттока жидкости через открытые границы модельной области. Проведен численный эксперимент по прогнозу течений в Бургасском заливе сроком на 14 суток с

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА усвоением оперативных ветровых данных гидрометслужбы. Многие из этих исследований, включая адаптационные расчеты на полигоне "Камчия", в Бургасском заливе и в Каспийском море были выполнены впервые

Выявлена сезонная изменчивость и даны количественые оценки климатической циркуляции вод исследуемых бассейнов. Полученные результаты на наш взгляд вносят существенный вклад в понимание термогидродинамических процессов двух морей. Получена новая, подробная информация о структуре течений в западной части Черного моря, установлена важная роль поля ветра, бароклинных и топогенных эффектов. Впервые выполнена гидродинамическая оценка антропогенного воздействия при выполнении крупных строительных работ в акватории Бургасского залива.

Степень достоверности результатов численного моделирования обычно определяется степенью их соответствия данным наблюдений. Во всех основных климатических расчетах в Черном и Каспийском морях использованы климатические поля температуры и солености, обеспеченные наибольшим количеством инструментальных измерений. Поля течений, восстановленные с применением этих данных, играют роль фактических климатических течений. Достоверность полученных результатов подтверждается их общим соответствием результатам расчетов другими методами, многократной воспроизводимостью одних и тех же эффектов в численных экспериментах, в частности специально выполнеными для верификации моделей натурными экспериментами в Бургасском заливе.

Результаты решения поставленных задач выносятся на защиту.

Теоретическая и практическая значимость.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИО-БАН, в том числе в рамках проектов Национального фонда научных исследований Болгарии (НЗ-412: "Атлас основных гидрофизических полей Черного моря", НЗ-805: "Метод для компьютерной оценки распространения загрязнений в морской среде: моделирование динамики загрязнителей и оптимизация расположения источников загрязнений при помощи аналитических и численных решений прямой и сопряженной диффузионной задачи", НЭ-1305: "Исследование внутригодовой изменчивости циркуляции вод Черного моря на синоптических пространственных масштабах и влияние генерированных на шельфе интенсивных движений на перемешивание вод"), совместных научно-исследовательских проектов по линии двухстороннего межакадемического сотрудничества Болгарская Академия Наук (БАН) - Российская Академия Наук ("Моделирование термогидродинамики внутренных морей", "Математическое моделирование динамики синоптических вихрей и процессов вентиляции шельфовых вод Черного моря", "Исследование внутригодовой изменчивости циркуляции вод Черного моря синоптических пространственных масштабов с применением модели гидродинамики внутренних морей") и БАН - Национальная Академия Наук Украины ("Влияние интенсивных движений в прибрежных районах Черного моря на состояние экосистемы и перемешивание вод"), NATO TU Black Sea, проект EC EVK3-2002-00516-ARENA: "А regional capacity building and networking programme to upgrade monitoring and forecasting activity in the Black Sea". Bee представленные в диссертации методы направлены прежде всего на решение практических задач, связанных с анализом данных наблюдений. Общая методология всей работы - синтез численных гидродинамических моделей и данных наблюдений. Представленные карты распределений динамических характеристик Черного и Каспийского морей и результаты диагностического анализа течений в западной части болгарского побережья необходимы для решения целого ряда прикладных задач. Разработанные модели гидродинамики и динамического распространения примеси прибрежных районов позволят строить численные эксперименты по чувствительности динамики вод бассейнов к различным естественным и антропогенным воздействиям, а также проводить исследования и получать экспертные оценки широкого круга вопросов, связанных с природой изменчивости циркуляции и охраной окружающей среды. По результатам расчетов сценариев переноса примеси для акватории Бургасского залива даны рекомендации для выбора оптимального района выброса строительных отходов.

Современными численными моделями, на современных вычислительных средствах невозможно адекватно воспроизвести все типы движений и таким образом получить оценки для разных динамических взаимодействий характеристик моря. Однако, представленные модели циркуляции могут быть удачно использованы для реконструкции региональных движений под влиянием локальных физических сил и макромасштабной циркуляции. Опыт по численной реконструкции отдельных синоптических ситуаций позволяет перейти к моделированию непрерывных процессов их пространственно-временной эволюции, прослеживая ее на разных этапах: генезисе, развитии, диссипации и во взаимодействии. Имеется возможность адекватного описания изменчивости основных гидрофизических полей, являющихся основными факторами для переноса субстанций разного типа в морской воде и формировании условий жизни в море. Модель с усвоением регулярных данных из метеонаблюдений направлена на проведение расчетов в Бургасском заливе в условиях близких к реальным." Подобная модель может послужить основой для создания оперативной модели краткосрочного прогноза основных гидрофизических полей, поля концентрации примеси и состояния экосистемы в западной части Черного моря.

Апробация работы. Основная часть полученных результатов опубликована в центральных журналах России и Болгарии, издательством Kluwer Academic Publisher. Результаты работы докладывались на конференциях и семинарах в разках международных программ CoMSBlack и NATO TU Black Sea ("Экологическое моделирование Черного моря", София, 1994;

Чувствительность Северного, Балтийского и Черного морей к антропогенным и климатическим изменениям", Варна, 1995; "Научные результаты", Севастополь, 1997), 19-й Генеральной ассамблеи европейского геофизическго общества (Гренобль, 1994), конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей" (Москва, 1995), международном симпозиуме МОК-ЮНЕСКО "Природные и социально-экономические последствия от разработки и управления водных ресурсов" (Москва, 1995), общероссийской конференции с международном участием по проблемам Каспийского моря (Москва, 1995), 19-м международном симпозиуме "Экология'96" (Одесса, 1996), международных конференциях МОК-ЮНЕСКО "Региональная программа для Черного моря" (Варна, 1996) и "Black Sea GOOS" (Албена, 1999), международных конференциях "Развитие портов и окружающая среда побережья" (Варна, 1997; 2000; 2001), 5-й экологической конференции с международным участием "Экология, рациональное усвоение и воспроизводство природных ресурсов в черноморском регионе" (Варна, 1998), международной конференции "Прибрежный океан и полузамкнутые моря: моделирование и мониторинг циркуляции и экологии" (Москва, 1998), на семинарах по научной программе ЕС "ARENA" (Турция, 2003; Албена, 2003; София, 2004), Международной конференции "Океанография Восточного Средиземного и Черного моря: сходства и различия двух взаимосвязанных бассейнов" (Афины, 1999), на 3-й национальной конференции по геофизике (София, 2000), на конференции по океанским наукам Американского геофизического союза (Гонолулу, 2002), Балканском съезде по геофизике (2002), международной конференции ЕС "Научные и политические проблемы, связанные с эффектным управлением окружающей среды для поддержки устойчивого развития регионов Черного и Средиземного моря" (Албена, 2003), семинарах Института вычислительной математики РАН, Института океанологии БАН, Морского гидрофизического института НАНУ (Севастополь, 2003). Полностью работа докладывалась на семинаре ИО им. Ширшова (Москва, 2003).

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований автора в период 1994-2004 гг. и под его руководством в секции "Физика моря" в Институте океанологии, БАН. Автором разрабатывались постановки задач, стратегия и методы исследований, часть из основных блоков численных моделей по динамике морских течений и диффузии примеси. Автор принимал участие при анализе и интерпретации полученных результатов. В совместных работах, выполненных с акад. A.C. Саркисяном, д.ф-м.н. P.A. Ибраевым и проф. А.Н. Косаревым, автор принимал равноценное участие на всех этапах исследований. Кроме того автором выполнено планирование и непосредственное руководство специализированной экспедиции в Бургаском заливе, анализ архивных данных и результатов инструментальных измерений полей скорости, температуры и солености морской воды в исследуемых акваториях западного шельфа Болгарии. Представленные в диссертации результаты отражают точку зрения автора и находятся на его ответственности.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 15 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения.

Содержание работы

Во Введении дается краткий обзор по проблеме моделирования гидродинамики Черного и Каспийского морей, обосновывается актуальность темы, сформулированы цели диссертации и дается обзор содержания диссертации.

Глава 1. Диагноз климатической сезонной циркуляции Черного моря

Исследуется сезонная климатическая изменчивость гидродинамики Черного моря - реконструируется трехмерная структура течений для 12 месяцев, отражающая среднее климатическое состояние моря. Анализируются основные физические процессы, важные с точки зрения воспроизведения сезонной изменчивости термо-гидродинамики бассейна Черного моря. Значительное внимание уделяется проблеме внутригодовой пространственно-временной изменчивости верхнего перемешанного слоя и холодного промежуточного слоя (ХПС) и объективным критериям для оценки достоверности полученных результатов. В разделе 1.1 рассматривается математическая постановка задачи: в

§1.1.

§1.1.3 последовательно описаны система уравнений термогидродинамики моря, граничные условия и параметризации процессов турбулентного перемешивания. Далее в

§1.2 приводится анализ среднемноголетних гидрологических данных Черного моря. Описание методологии диагноза течений моря и метода гидродинамической адаптации сделано в

§1.3. В

§1.4 анализируется реконструированная климатическая циркуляция вод Черного моря: прослеживаются особенности циркуляции вод в верхнем

§1.4.1) и в глубинных

§1.4.2) слоях, а также сезонная изменчивость верхнего слоя и ХПС

§1.4.3). В последнем разделе 1.5 сформулированы основные выводы. постановка задачи. Рассматриваются особенности дифференциальной и разностной постановки модели термо-гидродинамикн моря [Ибравв, 1993]. Модель включает в себя 3-х мерные полные уравнения геофизической гидродинамики в сферической системе координат (X,q>,z), ось z направлена вертикально вниз. Верхняя граница модельной области подвижная и задается уравнением z--Q{X,(p) или г = -£"(Я,<М), где £ - отклонение поверхности моря от невозмущенной поверхности океана z = 0. Нижней границей служит топография дна моря, описываемая функцией z = H(X, ф). В системе уравнений используются приближения Буссинеска и гидростатики. Система уравнений следующая: ul+(v-V)u+wu!-jv+u2tg<p/a = ~(p0a cos <р)~' Рл + (Kmu,), +F„, (1) v, + (v ■ V) v + wv, + fu + uv tgcp la- -(p0a)"' P9 + (K„v2 \ + F„, ( 2 ) p,=flg, (3)

Vv + vfj = 0, (4)

S, + (v • V)S + wS, = cT1 (K„S:, \+Fs, (6)

P~P(T,S), (7) где t - время, v = («,v) и w - вектор горизонтальных компонент и вертикальная компонента скорости, T,S,p,p„ - температура, соленость, плотность и средняя плотность морской воды, (vV)tj = u/(a.co5<p)7fa -tv/arjp - 2-мерный оператор градиента, / = 2fi¡rsin?> - параметр Кориолиса KmJCh - коэффициенты вертикальной турбулентной вязкости и диффузии, а - радиус Земли, Fu,Fv,FT,Fs -члены описывающие горизонтальную турбулентную вязкость и диффузию тепла и соли, 5 - оператор гидростатического приспособления. Уравнение состояния (7) представляет собой полином 3-й степени от Т и S. В модели используется нелинейная параметризация процессов горизонтального обмена и перемешивания следуя работе Марчука и др". [1984], Rosati, Miyakoda [1988], Smagorinsky [1963]:

F. =-т-Ц—д + 2 ' 2 (4, cos3 И'/cos-1 <p)X> (8) a cos q> a cos p

Fv = a 1 , (Л.Ч.), + 2 1 ¿ (Л. cos3 ^(vcos-19),) , (9) a cos cp a cos q> * где коэффициент

Лт0+[(СаДАсо5^ +(CaA<¡,f]J(D; +D¡)I2 , (10) а Ат0 - его минимальное значение. Напряжения сжатия и сдвига соответственно равны: acostp a cosip acostp а cos?»

Члены горизонтального обмена тепла и соли определяются как Wfoh+^—W oos^l, (12) a cos <р a'cosip где в обозначает Т или S, As =«Am, а - параметр.

Для воспроизведения особенностей верхнего перемешанного слоя (ВПС) и ХПС в модель включена параметризация [Münk and Anderson, 1948; Pacanowski, Philander, 1982] вертикального турбулентного перемешивания для устойчивой стратификации в зависимости от числа Ричардсона Ri = SP,!iu, +v,2), коэффициенты вертикального обмена Km,Kh выражаются фрмулами: —--+v",K„=——+v>, ' (13) aRiy " 1+aRi т где v\v£,v0,a,n параметры.

К системе ставятся следующие граничные условия: на поверхности моря задается напряжение трения ветра г, условие "жесткой" крышки и нулевые потоки тепла и соли; на дне -условия тепло- и солеизоляции и условия турбулентного трения; на боковых границах - условия непротекания и свободного скольжения вдоль границ и условия изоляции для тепла и соли.

Методика расчета. Основой для проведения исследования являются массивы гидрологической информации для Черного моря (среднемесячные, сренемноголетние за период 1940-1990 гг. данные о Т и S на 25 горизонтах от поверхности до дна и среднемесячные климатические напряжения трения ветра. Расчеты проводились на сетке 15'х12' для всех 12 месяцев в следующем порядке: 1) диагностический расчет на 10 сут. при постоянных значениях коэффициентов горизонтального и вертикального турбулентного трения (//,v)=(6.io7,io)c/w2/c; 2) адаптационный [Sarkisyan, Demin, 1983] расчет, длительность которого (3 сут) определяется завершением начального этапа согласования функций Г,S.v. Наличие ХПС в адаптированных полях является индикатором правильности параметризации процессов вертикалкьного обмена в модели. Оптимальные (относительно близости среднего температурного профиля T(z) к исходным данным для августа, лета и зимы) значения констант параметризаций равны: (|/о,аг,1/м1/',и)=(30см2/с,1, \cai2/c,0.2cm2/c,2), коэффициенты горизонтального перемешивания и диффузии постоянные и составляют 2.10б см2/с и 106 см2/с, соответственно.

Изменчивость циркуляции верхнего слоя моря. Подтвердилось (рис. 1) существование в течение года западного и восточного циклонических круговоротов (ЦК). Прослеживается взаимосвязь изменчивости термохалинной структуры с интенсивностью ОЧТ. Показано, что ОЧТ не является стабильным течением, текущим регулярно вдоль кромки шельфа, оно наиболее интенсивно в зимний сезон (средняя скорость ~40 см/с, максимальная ~70 см/с - в марте, южнее Крыма). Одной из важных причин интенсификации является усиление градиентов плотности между шельфовым и глубоководным районом за счет притока холодных вод со стороны берега, усиление градиента плотности поддерживается совместным влиянием СЭБИРа и бароклинного ß-эффекта. В зимне-весенний период ЦК охватывает все море единным кольцом, в остальное время западный и восточный ЦК разделены антициклоническим вихрем (АЦК) в центре моря. Западная часть ОЧТ более регулярна и интенсивна, чем восточная. Показано существование положительной обратной связи между градиентом плотности "море-шельф" и подъемом вод в центрах ЦК. Структуры реконструированной циркуляции согласуются с прямыми измерениями скорости течений.

Эволюция ХПС. В результате зимнего конвективного перемешивания к январю на мелководье северо-западного и западного шельфа однородная вода с Т~7.2-8'С занимает районы с глубинами до 125 м, холодные и распресненные воды распространяются вдоль берега к югу и востоку до Босфора, одновременно опускаясь по склону. Часть этих вод захватывается течением внутрь ЦК и переносится в его центральную часть, где происходит конвективное перемешивание независимо от процессов на шельфе: в слое до 50 м холодные воды из шельфа и из центра резделены относительно теплой водой, на горизонте 75 м оба массива холодных вод соединяются. В восточной части основной механизм образования ХПС - это более интенсивное охлаждение воды в центрах ЦК, адвекция холодной воды от центров на глубинах ~50 м, захват АЦК и ее заглубление. Процесс эволюции ХПС в модели согласуется с экспедиционными данными Овчинникова и др. [1991].

Глава 2. Исследование процессов сезонной изменчивости верхнего слоя и циркуляции вод Черного моря методами прямого моделирования постановка задачи. В

§2.1 особое внимание уделено особенностям граничных и начальных условий с учетом влияния стока впадающих в морей рек и водообмена через Босфор. Результаты сезонной эволюции термодинамики верхнего слоя и ХПС представлены в

§2.2. В разделе 2.3 сформулированы основные выводы.

Особенности постановки задачи. На сетке 15'х12', соответственно по долготе и широте и 21 горизонтах выполнены расчеты сезонной изменчивости динамики вод Черного моря. Модель реализована в прогностическом режиме. Особое внимание уделено правильной реконструкции моделью верхнего перемешанного слоя и внутригодовых вариацией ХПС на глубинах 30 - 75 м. К использованной в Главе 1 параметризации вертикального турбулентного перемешивания (13), добавлена нелинейная горизонтальная вязкость (8)-(12); набор параметров, для которых удалось достичь реалистичные результаты, следующий: (С,®,лга0)=(0.4,0.2,105сл/2/е). Модель реализована по заданным среднемесячным климатическим полям ветра, температуры и солености на поверхности моря. Учитывалось влияние на динамику притока вод Дуная и водообмена через Босфор, а именно - на отвесных стенках заданы климатические среднемесячные значения скорости, аппроксимирующие приток Дуная, а также, Верхнее и Нижнее Босфорское течения. Специальное внимание при построении численных экспериментов удалено настройке параметров в формуле Манка -Андерсена. При использовании постоянного значения коэффициента у* не удается получить обоснованные результаты для верхнего слоя моря. Поэтому вводится переменный, зависищей от глубины коэффициент: значения V® варьируются от 1.0 см2/с на поверхности моря до 0.01 см2/с на глубинах, больше чем 50 м.Таким образом параметризируются высокочастотные компоненты модельного форсинга.

Результаты расчетов. Показана сильная сезонная изменчивость течений в верхнем слое моря. Западная часть ОЧТ является постоянной чертой общей циркуляции вод моря. В летний сезон, с ослаблением интенсивности ОЧТ, в восточном бассейне появляется Батумский антициклон. Вызванные особенностями в распределениях полей ветра процессы апвеллинга и даунвеллинга приводят к локальным аномалиям в потоках тепла.

Глава 3. ЧИСЛЕННАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ СЕЗОННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД

Каспийского моря с использованием средне-многолетних гидрологических данных

Первые адаптационные расчеты сезонной циркуляции глубоководной части Каспийского моря показали, что динамика вод имеет среднемасштабный вихревой характер, вертикально когерентный в верхнем 100-метровом слое с четко выраженной эволюцией полей от сезона к сезону. Третья

глава посвящена дальнейшему, более детальному изучению характера движений в этом бассейне. Поставлена задача о реконструкции климатической циркуляции вод моря для каждого месяца по среднемноголетним гидрологическим данным с применением метода гидродинамической адаптации. Особенности постановки задачи для данного бассейна расматриваются в

§3.1, в

§3.2 анализируются результаты реконструкции климатической циркуляции вод Каспийского моря, основные выводы исследования сформулированы в

§3.3. Используется наиболее полный в настоящее время гидрологический массив, который явился основой создания Косаревым, Тужилкином [1995] атласа полей Т и 5 в Каспийском море. Важным элементом изменчивости динамики моря являются синоптичские вихри - их характерный масштаб составляет 20-40 км и более. Эти вихри отфильтрованы уже на этапе осренения Г и $ данных, поэтому здесь, при диагнозе климатической среднемесячной циркуляции, изучается крупномасштабная циркуляция бассейна.

Методика реконструкции течений. Проводится инициализация среднемноголетних полей Т и Я методом термогидродинамической адаптации. На первом шаге восстанавливаются неизвестные из наблюдений 3-х мерные поля скорости. Диагностические расчеты проводились на 20 суток модельного времени, срок интегрирования по времени на адаптационном этапе 5 суток. Для уравнений движения на границах задаются напряжения ветра (на поверхности), трение (на дне), свободное скольжение (на боковых границах). Для уравнений переноса тепла и соли на всех границах задается условие изоляции, за исключением жидких (р. Волга), где задаются скорость притока, Г и 5. Чтобы компенсировать речной приток и обеспечить выполнение закона сохранения массы, на поверхности моря задано равномерное значение и- направленного вверх, имитирующего испарение. Горизонтальное разрешение гидрологических данных равнялось 12' по широте и 15' по долготе, по вертикале сетка неравномерная (20 горизонов, минимальная глубина 2.25 м, максимальная - 900 м). Коэффициенты вертикального турбулентного трения и диффузии равны (Г„,А:Л,^„,Лк) = (10>1Д0М06)сл<2/,с. Распределения касательных напряжений тангенциального трения ветра были рассчитаны по данным о климатических полях результирующего ветра [Самойленко, Сачкова, 1963].

Результаты реконструкции климатических течений. Полученые данные о ежемесячной трехмерной циркуляции моря проанализированы совместно с данными о солености, температуре и ветре (рис. 3). Показано, что динамика течений определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются: дрейфовые течения и их взаимодействие с топографией дна; горизонтальный, а также вертикальный перенос водных масс; локальные потоки тепла через поверхность моря. Выбор более адекватного (чем в предыдущих расчетах) по периоду осреднения гидрологическим полям воздействия ветра привел к значительным расхождениям полученных результатов. Поверхностные течения над глубоководными частями Среднего Каспия в среднем за год образуют ЦК, однако из-за сильной сезонной изменчивости циклонический характер крупномасштабной циркуляции можно рассматривать только как качественную информацию о поверхностных течениях. Отличительной чертой динамики моря является квазипостоянный апвеллинг вдоль восточного берега в теплое время года, выражающийся в наличие полосы холодных вод. Пространственная структура вертикальных и горизонтальных скоростей у восточного берега - сильное южное течение на шельфе, его дивергенция и подъем вод вдоль берега -согласуются с распределением температуры (рис. 3). Структура течений на западном шельфе Среднего Каспия также согласуется с распределением Т и Я. Хорошо коррелируют пространственное распределение Т и характер горизонтальных и вертикальных течений в вихрях. Причинами образования АЦК и ЦК в июле по-видимому являются дрейфовые течения и их взаимодействие с берегом (инерционные пограничные течения), вызванные завихренностью ветра, вертикальные движения, горизонтальный и вертикальный перенос различных водных масс, локальные потоки тепла через поверхность моря.

Данные измерений на восточном шельфе Среднего Каспия, согласно которым над участками шельфа с глубинами до 50 м в летний период наблюдается устойчивое южное течение, согласуются с результатами расчета. В тоже время качественно циклонический харакетр течений среднего бассейна противоречит подобным результатам. Анализ результатов показывает, что следует различать прибрежное течение над глубинами ~50 м и течение над склоном.

В Южном Каспии наиболее яркой чертой циркуляции является Куринский АЦК в западной части - доминирующее динамическое образование в течение года. И по натурным данным в 50-53% из наблюдаемых случаев течение на Куринском взморье имеет северное направление, что, наряду с другими данными, свидетельствует о наличие АЦК в этом регионе.

Глава 4. диагноз течений на полигоне "диффузия'84" в средней части болгарского шельфа

В океанологической практике для качественного анализа квазисинхронного состояния динамики в основном изпользуются динамический метод и квазигеострофические модели, дающие реалистичные результаты при диагнозе крупномасштабной поверхностной циркуляции в открытых акваториях. В шельфовой зоне, при анализе синоптических динамических образований с пространственными масштабами ~10 км, невозможно правильно описать течения без учета нелинейных эффектов, пограничных слоев, детальных особенностей рельефа дна. Поэтому в четвертой главе для полигона на западном шельфе Черного моря (рис. 4.1) построена 3-х мерная нелинейная численная модель морских течений. Основные цели - совершенствовать методику адаптации для районов, включающих часть шельфа с развитой вихревой структурой и реконструировать циркуляцию по данным для Г и .У двух гидрологических экспедиций. В разделе 4.1 анализируются результаты гидрологических съемок на полигоне "Диффузия'84". Модельная постановка задачи восстановления течений дается в

§4.2, важным особенностям математической модели - наличие "жидких" границ и учет втока р. Камчия -удаляется внимание в

§4.2.1. Основные выводы исследования сформулированы в

§4.3.

Район исследований. Данные. Исследуемый регион с размерами 45 миль по долготе и 20 миль по широте охватывает часть болгарского побережья в районе устья р. Камчия. В основном это шельфовая зона, шириной около 30 миль, восточная часть области - это материковый склон с глубинами до 400 м. Результаты вычислений основаны на двух независимых гидрологических состояниях полигона, соответствующих двум квазисинхронным съемкам международного эксперимента "Диффузия" в 1984 г., и обозначенные далее как С1 (9-10.06., 27 станций) и С2 (20-21.06., 25 станций). Во время экспедиций и между ними производились измерения течений на трех АБС в центре полигона. В расчетах для обоих съемок в качестве характерных брались ветры восточной четверти со скоростью 3-4 м/с.

Летом интенсивность ОЧТ ослабевает, в западной части бассейна создаются благоприятные условия для меандрирования ОЧТ и вихреобразования на его периферии как следствия гидродинамической неустойчивости. Анализ измеренных течений в районе болгарского шельфа показывает их слабую устойчивость в мелководной зоне и нарастание устойчивости и интенсивности над материковым склоном. По данным наблюдений и результатам расчетов представленным в главе 1 налицо существенная интенсификация термохалинных неоднородностей, обусловленная переносом на юг в море трансформирующихся пресных вод северозападной части с образованием характерного гидрофронта. Воздействие на динамику, вызванное притоком пресных вод из р. Камчия, формирующим мелкомасштабный стоковый фронт, имеет весьма локальный характер. Немаловажную роль играют ветровые факторы, в частности в термохалинной структуре С1 отчетливо прослеживается влияние сгона, а по данным для С2 его влияние заметно ослабло (рис. 4.2). На поверхности в центральной части района виден гидрологический фронт, изохалина 18%о разделяет воды глубокого моря и шельфовые. Этот фронт хорошо прослеживается в слое над термоклином (глубины до 10-15 м) и в поле Т. В зоне ХПС и главного халоклина, как для Т, так и для 5, линия раздела совпадает с линией кромки шельфа. Существуют значительные перепады температуры (более ТС) и солености (~1%о) на поверхности. Вследствие подъема холодных вод на поверхность и сгона более теплых и пресных вод, более плотные воды оказываются со стороны берега. Налицо тенденция постепенного подъема изопикнических поверхностей с востока на запад, существенное увеличение градиентов в термоклине и его подъем к поверхности. На глубине различия в распределении термохалинных характеристик для двух съемок сохраняются до горизонта 100 м. На горизонте 150 м Т и S более консервативны: горизонтальная структура качественно сохранилась в период между С1 и С2, а количественные изменения незначительны.

Постановка задачи. Методика расчетов. Граничные условия на морской поверхности - условие "жесткой" крышки и тангенциальное напряжение трения ветра, нулевые потоки для Т и 5; на "твердых" участках отвесных стенок - условия свободного скольжения, непротекания, тепло- и солеизоляции, в районе устья Камчии задан поток воды соленостью 0%о и температурой из климатического справочника; на морском дне тепло- и солеизоляция и обтекание с трением. На отвесных стенках, соответствующих "жидким" границам области, фиксируется распределение Т и S, задача Дирихле решается и для горизонтальных компонент скорости, которые вычисляются из квазигеострофических соотношений. Шаг по горизонтали равномерный (1 миля), минимальная глубина в области -5 м, максимальная - 400 м, вертикальная сетка состоит из 20 горизонтов.

Реконструкция морских течений, фильтрация исходных шумов и взаимное приспособление полей скорости, температуры и солености к рельефу дна и ветру проводятся методом гидродинамической адаптации. Процесс вычислений проходит в два этапа: 1) восстанавливается (интегрированием за 4 сут модельного времени) поле течений, соответствующее "замороженным" за период каждой съемки полям Т и >*?; 2) интегрирование (12 час) полной системы исходных уравнений, (при этом происходит диссипация вихревой кинетической энергии поля течений в результате трения и рассеяния энергии инерционно-гравитационными волнами).

В области, несмотря на относительно небольшие глубины, налицо развитая бароклинность: наличие горизонтальных неоднородностей и хорошо выраженной стратификации. Поэтому объективным критерием правильности выбора параметров вертикального перемешивания являлось сохранение среднего температурного профиля Т, полученного из измерений для каждой съемки. При постоянных коэффициентах эти требования не удовлетворялись. С выбором параметров в (13) (у0,а,у„,у1 ,п) =(10см2/с, 0.6,0.1см2/с,0.01см2/с, 2), удалось одновременно сохранить как Т в области термоклина, так и структуры ХПС и халоклина. Другой цикл рассчетов был посвящен выбору подходящей параметризации горизонтального обмена импульсом. Известно, что ввиду дискретизации, получаемые в модели волны с длиной менее 4к (Л - горизонтальный шаг сетки) не адекватны физическим и могут считаться паразитарными. Для определения параметра С в (10) его значения варьировались в интервале [0.2; 2]. Выполнение условия отфильтровки 2-3-шаговых локальных образований, при этом минимально сглаживая структуры больших масштабов, контролируется поведением функции у(к) = ~, к=1, 2, 3, 4'для каждого значения С, (ЙД* - средние по области значения энстрофии полученные в конце диагноза и адаптации, индекс к означает усреднение по квадрату со стороной кИ). Реалистичное воспроизведение поля течений получается при С-0.8, (в среднем соответствующие коэффициенты вязкости равны 5.10^ см2/с, в точках с большими градиентами скорости до ~10в см2/с). По сравнению с использованием постоянных коэффициентов, избирательный контроль над диссипацией приводит к более контрастному выделению вихревых образований и струйных течений на фоне менее слабых и усилению влияния особенностей в рельефе дна. Оптимальность выбора приведенных выше значений перечисленных параметров проверена на каждой из двух гидрологических съемок. При тестовых расчетах специальное внимание было уделено и выбору граничных условий на поверхности моря, на "жидких" границах и у устья р. Камчия.

Результаты экспериментов. Несмотря на описанные отличия входных полей Т и Б, картины реконструируемых полей течений, характерных для обоих периодов наблюдения, оказываются качественно близкими: ЦК (с диаметром ~8-10 миль) со стороны берега и АЦК мористее (рис. 4.3). В обоих случаях можно выделить прибрежную зону менее слабых течений и мористую зону с сильно выраженной динамикой, по периферии АЦК отмечаются и максимальные значения вектора скорости на поверхности (31 см/с для С1 и 48 см/с для С2). Динамические образования во второй съемке более развиты. Характер основных течений с глубиной меняется слабо. Самая мощная система -АЦК, в обоих съемках баротропизирована и охватывает весь водный слой: на горизонте 150 м ее ядро также хорошо очертано, как и на поверхности. Пространственный масштаб вихревых образований вполне вписывается в шкалу дистанционно наблюдаемых и модельно расчитанных ранее вихрей. Восстановленные трехмерные поля течений хорошо согласуются с данными прямых измерений скорости.

В работах по динамике течений на западном шельфе, как правило, принимается, что струя ОЧТ располагается над склоном. По данным измерений в С1 и С2 на поверхности отсутствует ярко выраженная струя, характерная для ОЧТ. По-видимому струя ОЧТ в данный период не приурочена, как принято, к свалу глубин, во всяком случае к району глубин менее 400 м, и ее следует искать мористее. Также следует обратить внимание на существование в верхнем 5-метровом слое довольно слабого по скоростям течения северного направления, расположенного у берега, его ширина составляет в среднем для обоих съемок 20 миль. Некоторые старые циркуляционные схемы также указывают на наличие такого потока.

Глава 5. Диагноз циркуляции вод и расчет синоптических течений в бургаском заливе с усвоением оперативных данных о ветре В этой главе обсуждаются постановка задачи и результаты расчета течений в Бургасском заливе. В

§5.1 и

§5.2 рассматриваются гидрологический режим Бургасского залива и результаты натурных измерений гидрологических параметров осенью 1999 года. В

§5.3 дается постановка задачи о реконструкции 3-х мерных течений Бургасского залива, а в

§5.4 выполнены анализ результатов диагностических расчетов климатических течений и типизация характерных ветровых ситуаций. Постановка задачи о моделировании синоптической изменчивости течений в заливе и анализ полученных результатов приводится в

§5.

§5.6, в

§5.7 сформулированы основные выводы по динамике вод.

Общая климатическая характеристика. Бургасский залив самый обширный залив в западной части Черного моря, с характерными для прибрежного района особенностями континентального типа климата, легко смягченного воздействием Средиземного моря. Максимум (22.7°С) среднемесячной температуры воздуха в г. Бургассе приходиться на июль, минимум (2.4°С) - на январь. Преобладают Е, ЫЕ и V/ ветра. Распределение солености морской воды определяется балансом между осадками и испарением и водообменом между заливом и шельфом. Зимой частые и сильные штормы благоприятствуют вертикальной и прибрежной вентиляции вод. Согласно Рождественского [1986] внутригодовая климатическая изменчивость .V на поверхности характеризируется следующими значениями: 12.30-18.17 %о на северовостоке у м. Емине; 13.3518.95 %о - в юговосточной части и 12.02-18.18 %о - внутри залива. Существующие данные дают весьма ограниченную информацию о характере течений в самой внутренней части залива, где циркуляция определяется в основном как круговорот циклонического типа.

Океанографическая съемка в сентябре 1999 г. Обсуждаются результаты наблюдений полей 7\Л' и течений в поверхностном и придонном горизонтах на 4 суточных и одной многосуточной станциях в западной части залива. Анализ полученных с борта НИС "Валканов" времевых рядов с дискретностью 1 мин дает некоторые особенности в распределениях гидрологических индексов на конец гидрологического лета. Прослеживаются характерные процессы осеннего охлаждения и адвективного переноса в глубину более соленных вод с открытой части в прибрежную зону в результате апвеллинга после сильных и продолжительных сгонных ветров. Анализ данных о морских течениях показывает присутствие двухслойных, противоположено-направленных движений со средней скоростью в каждом слое "10 см/с. Характер циркуляции определяется главным образом влиянием ветра и локальными особенностями рельефа дна. Налицо хорошая корреляция между направлением ветра и движениями на поверхности. Приводятся основные статистические и спектральные характеристики течений, из-за сильной изменчивости ветра за период наблюдений течения в наблюдаемой акватории весьма неустойчивы. Основная часть энергии флюктуации течения концентрирована в некоррелированных высокочастотных движениях периодами ~5 мин, что приводит к низкому уровню спектральных амплитуд колебаний (значительно меньше, чем амплитуды в акваториях других, более открытых болгарских заливов и прибрежных шельфовых районов). Присутствие во всех временных рядах характерных колебаий с периодами 1-6 час и ~10 час связано с влиянием геометрии залива и особенностей орографии, выявлены и более длинные периоды колебаний: ~18 час (инерционный), 24-час (бризовый, в основном в поверхностном слое), "30-36 час.

Постановка задачи. Построена полная 3-х мерная нелинейная численная модель морских течений с шагами по горизонтали и по вертикали, соответственно, 500 м и 1 м. Модельная область ограничена 42.7°М, 42.32°Ы, 27.9°Е и линией берега, минимальная глубина -2 м, максимальная - 50 м. Граничные условия аналогичны условиям в предыдущих

главах, за исключением того, что на "жидких границах" задаются проинтерполированные климатические профили; Т* =Тт(х,у,г) .и Я' =8т(х,у,г) для сентября (т= 9), полученные для данного региона при расчетах в Главе 1, и квазигеострофические скорости. Для функции уровня моря, кроме условия жесткой крышки, рассматривался и вариант с кинематическим условием Другая характерная особенность решения это оперативное использование во время прогноза регулярных ветровых данных -поле ветра восстанавливалось каждые 3 часа по наблюдениям в трех синоптических станциях в регионе и судовым измерениям.

Начальные условия - состояние покоя и горизонтально однородные поля Т и 5: Т"(х,у,г)=Тш{г) и =Зт(г). Начиная с

00:00 час 01.09.1999 г. - т.е. за 6 часов до начала эксперименальных наблюдений, осуществлен модельный мониторинг сроком на 14 дней (т.е. до конца экспедиции) за эволюцией гидрологических полей в заливе. Результаты экспериментальных наблюдений с борта НИС "Валканов" использовались для калибрации параметров модели и для верификации полученных результатов. Значения параметров перемешивания:

С,со, Ам0у\п)~-(0.4,0.2,10"см2 /с, 50см2 /с, 1,0.1 слг /с, 2).

Особенности реконструированной динамики вод. Анализ циркуляции указывает на хорошо развитую вихровую динамику с прибрежными течениями и топогенными вихрями (рис. 5.1). Приводится типизация характерных синоптических ситуаций: как правило существует один основной круговорот в середине западной части залива, для N. ЫЕ и Е (V/, 8Е и Б) ветров система течений циклоническая (антициклоническая). На периферии главного динамического образования в сторону берега развиваются вихри более мелкого масштаба. В западной прибрежной части залива течение как правило двухслойное со средней скоростью 10 см/с. Существует очень быстрая реакция течений на ветер, при сильных ветрах поверхностная циркуляция (за изключением узкой 1-2 км прибрежной полосы) Экмановского типа, скорость течения увеличивается до 35-40 см/с, амплитуда топографии уровня моря доходит до 20 см и больше. Антициклонические движения преобладали в период океанографических наблюдений. Установлено, что вертикальный градиент плотности воды является существенным фактором для формирования двухслойной структуры течений на мелководье. Данные расчета качественно совпадают и количественно близки к измеренным данным. В реконструированных полях присутствуют процессы апвеллинга и даунвеллинга, а также бризовая циркуляция. Близость к результатам прежних расчетов и наблюдениям из космоса доказывает, что в модели правильно описываются взаимодействия моря с атмосферой и основные термогидродинамические процессы моря.

Отдельно ставилась задача о реконструкции ежемесячной климатической циркуляции. На той-же сетке, с описанными параметрами для каждого отдельного месяца проводились диагностические расчеты на трое суток и адаптационное приспособление на 12 часов. На открытых границах области задавались проинтерполированные в узлы сетки климатические профили температуры, солености и горизонтальных скоростей течений, полученных для данного региона и изложенных в Главе 1 Т' =Тт(х,у,г), 5" =5т(х,у,г) и и'=ит(х,у,г) для каждого конкретного месяца (от = 1,2,.,12). При восстановлении полей среднемесячного климатического ветра рассматривались два источника: ИСЕР-ЫСАЯ спутниковые массивы и данные для 5 прибрежных пунктов из Климатического справочника Болгарии. Сравнительный анализ показал достаточную качественную и количественную близость обоих типов распределений. Для целей настоящего исследования были выбраны данные первого типа, которые обладают более современным периодом осреднения. Диагноз ежемесячной климатической циркуляции показал циклонический характер движений (рис. 5.2). Самые интенсивные движения отмечеются зимой, по своему характеру климатичские течения осенью близки к зимним, весенняя динамика сходится к летней.

Глава 6. Численная модель прогноза полей концентрации примесей для осуществления контроля над морской средой в Бургасском заливе

Рассматриваются постановка и результаты расчетов задачи о динамическом переносе примесей с использованием уравнения турбулентной диффузии. Конкретными значениями параметров задачи, которые задавались в работе, описывается важная практическая задача об определении достаточно безконфликтного по отношению степени загрязнения морской среды района для захоронения строительных отходов при предстоящем расширении Бургасского порта. При постановке задачи

§6.1) приводится описание нестационарной 3-х мерной модели переноса распространения примеси в морской воде на основе полуэмпирического уравнения диффузии

§6.1.1), граничных условий

§6.1.2) и масс-балансовых характеристик

§6.1.3). В

§6.2 и

§6.3 анализированы результаты прогноза переноса примесей, поступающих в акваторию Бургаского залива и сформулированы основные выводы.

Постановка задачи. Для численной имитации сложных природных процессов применяется иерархия двух 3-х мерных моделей: а) гидродинамически модель, при помощи которой воспроизводится поле течений (в данной работе используются результаты по реконструкции среднемесячной климатической циркуляции вод заливе приведенные в

§5.4); б) модель адвекции и диффузии примеси в морской среде, в которой скорости морских течений задаются из результатов по первой из перечисленных моделей.

Для концетрации примеси (/ =1,2,.,ЛГ, N - число примесей) в произвольной области моря, заданной в декартовых координатах как £)Ц(х,^)е5,0<г <Н{х,у)), где Н(х,у) - рельеф дна, рассматривается следующая система диффузионных уравнений: а ' & " 1 ' ^ ' с начальным состоянием с, = с° при < = 0. (15)

Здесь есть объемный источник /-ой примеси,

1=у.(«-ЛГ.У) - оператор, описывающий перенос примеси, «=((/,V,м-) вектор скорости течения, У=(—,—,—), К - тензор коэффициентов ¿Ь> ск турбулентной диффузии, {и»,,}- диагональная матрица с элементами Ып^-Мр, - собственная скорость седиментации /-ой примеси, А1 - оператор, описывающий химические переходы (при линейных взаимодействиях 4=аг5су). К системе (14) ставятся следующие граничные условия. Если а есть граница области интегрирования Б, то она можен быть разделена на св (морское дно или верхняя граница моря) и <т„ (отвесные стенки). Тогда на ав задается: п.(ис1-КУс,) = -рчс, + Ч!, (х,у,г)еств, (16) где п единичный вектор нормали к направленный внутри области, | - матрица описывающей абсорбцию дном или инфильтрацию через поверхность моря, у, (х,у,1) - функция источника, расположенного на дне или на поверхности моря. На нужно задавать значения концентраций или потоки, но так как они чаще всего неизвестны, то рассматриваются условия типа: с,= 0, если )7.я>0 и й.Ус,=0, если й.ГкО. (17)

Для численного решения задачи методом, предложенным Марчуком [1982], при аппроксимации адвективных членов использовались явные монотонные консервативные схемы 2-ого порядка [типа Ван Леера и Смоларкевича). В модели предусмотрено нахождение ряда интегральных характеристик загрязнения (масс-балансные оценки для количества примеси в отдельных подоблястях и на поверхностях), обладающих важным прикладным эффектом.

Результаты расчета. Осуществляется прогноз на 1.5 года, (что соответствует периоду активного выброса отходов в море), поля концентраций в Бургасском заливе с учетом внутригодовой изменчивости циркуляции, гидродинамических характеристик примеси и ряда конкретных технологических особенностей процесса выброса ~7 500 ООО м3 жидкой глины. Приводятся результаты расчета по разным сценариям (рис. 6) о пространственно-временной эволюции концентраций жидкой глины, поступающей с объемного источника. Выбраны два альтернативных района в Бургаском заливе, где с практической точки зрения можно осуществить необходимый выброс. В первом варианте это маленький заливчик Вромос на южном побережье, во втором - открытая акватория в центральной части залива, перед г. Поморие. В расчетах количества жидкой глины варьируют от месяца к месяцу, учитывается использование при осуществлении захоронения двух различных типов транспортных средств, с которых глина будет поступать в морскую воду различными количествами на различные глубины, а так-же изменения в собственной гравитационной скорости загрязнителя в зависимости от изменений в гидрологических условиях. Для оценки происходящих процессов прослеживается за изменениями по времени в полях концентраций и осадков на дно, анализируются масс-балансовые характеристики как для всей области, так и для отдельных ее подобластей. На основе расчитанных разультатов даются рекомендации о выборе района с минимальным негативным эффектом от антропогенного воздействия. Из-за меньшей глубины в заливе Вромос, примерно около половины выброшенных количеств оседают быстро, остальная часть переносится течениями и диффузией в основном на запад, а потом на югозапад и юг, попадая в конечном счете в акватории с большим водообменом, в которых эффект повышенной мути занижен. Наоборот, выброс во второй район, где глубины доходят до 40 м и динамика более развита, связан с непосредственным выносом больших количеств глины прямо к курорту "Солнечный берег" и к Бургассу. Таким образом, объективно показано, что негативный эффект в данном случае будет существенен.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Методом гидродинамической адаптации реконструированы климатические ежемесячные циркуляции Черного и Каспийского морей, получены взаимно согласованные 3-х мерные распределения температуры, солености и течений. Реконструированные поля течений согласуются с имеющимися данными прямых измерений течений. Для Черного моря подтвердилось существование в течение года западного и восточного циклонических круговоротов. Показано, что ОЧТ не является стабильным течением, текущим регулярно вдоль кромки шельфа. Оно наиболее интенсивно и устойчиво в зимний сезон. Эта интенсификация сопровождается усилением градиентов плотности между шельфовым и глубоководным районами, что и обеспечивает устойчивость течений. Установлено существование положительной обратной связи между градиентом плотности море-шельф и подъемом вод в центрах циклонических круговоротов. Показано, что в Каспийском море динамика течений определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются дрейфовые течения и их взаимодействие с топографией дна; горизонтальный, а также вертикальный перенос водных масс; локальные потоки тепла через поверхность моря. Представленые в диссертации карты и результаты диагностического анализа основных гидрофизических полей необходимы для решения целого ряда научных и прикладных задач для обоих бассейнов. В частности, в последующих расчетах с учетом 3-х мерных климатических течений, выполненных уже после представления настоящей работы, был смоделирован внутригодовой ход полей концентрации сероводорода и кислорода в Черном море, в т.ч. сезонная эволюция слоя их совместного сосуществувания и показано, что гидродинамические факторы имеют определяющую роль в формировании пространственном распределении этого природного феномена.

2. На основе разработанной модели сезонной изменчивости климатической циркуляции вод Черного моря исследован процесс сезонной эволюции термодинамики верхнего слоя и ХПС с учетом влияния стока впадающих рек и водообмена через Босфор. Показана сильная сезонная изменчивость течений в верхнем слое моря. Западная часть ОЧТ является постоянной чертой общей циркуляции вод моря. В летний сезон, с ослаблением интенсивности ОЧТ, в восточном подбассейне появляется Батумский АЦК. Процессы апвеллинга и даунвеллинга, вызванные особенностями в распределениях полей ветра, приводят к локальным аномалиям в потоках тепла.

3. Разработана региональная модель синоптических течений на шельфе моря с учетом речного притока и влияния открытых границ. Модель апробирована для нескольких районов центрального и южного шельфа Болгарии и позволила сделать обобщающий анализ океанографических наблюдений, проведенных на полигоне «Диффузия'84» в рамках одного из международных экспериментов «Камчия». Показано, что в этом районе поля течений, Т и S имеют развитую вихревую структуру. Для обеих съемок (в первую и последнюю декаду июня 1984 г.) схемы течений оказались качественно близкими: циклонический вихрь с диаметром 8-10 миль у берега и антициклонический -мористее; выделяется прибрежная зона сравнительно слабых течений и мористая с сильно выраженной динамикой (скорости ~50 см/с). Характер основных течений с глубиной меняется слабо: основная, самая развитая схема (АЦК) в обеих съемках баротропизирована и охватывает весь водный слой от поверхности до дна (глубина 150 м). Установлена важная роль ветровых факторов. Воздействие втока р. Камчия имеет весьма локальный характер, оно заметно только в узкой прибрежной полосе шириной ~2-3 мили вдоль берега, распространяется по направлению ветра в районе непосредственно у самого устья и медленно затухает с глубиной до верхней границы сезонного термоклина (горизонт 10 м).

4. Впервые для акватории самого обширного в западной части Черного моря Бургасского залива построена 3-х мерная нелинейная термогидродинамическая модель. Результатами прогностических расчетов с прямым усвоением оперативных ветровых данных показано, что модель воспроизводит динамику течений адекватно данным наблюдений. Установлено, что циркуляция в заливе имеет, в основном, вихревой характер, существует очень быстрая реакция динамики на изменения ветра. Проведена типизация характерных динамических образований в зависимости от ветра. В большинстве случаев главной особенностью развитой циркуляции вод Бургасского залива является наличие одного основного вихря: циклонического (более развитого, со скоростями на поверхности "25 см/с) - при северных, восточных и северовосточных ветрах и антициклонического - при западных, южных и юго-восточных ветрах. На этом фоне развиваются локальные вихревые образования, подповерхностные компенсирующие противотечения, процессы апвеллинга и даунвеллинга и пр. В работе реконструированы месячные климатические распределения течений в заливе, которые наиболее интенсивны в осенние и зимние месяцы.

5. При помощи нестационарной 3-х мерной модели динамического переноса примесей, поступающих в акваторию Бургасского залива, и с учетом внутригодовой изменчивости циркуляции вод и ряда особенностей в специфики самого выброса, исследована эволюция поля концентрации сроком на 1,5 года. Показаны качественные и количественные характеристики процесса распространения примеси жидкой глины для двух альтернативных районов выброса. Один из районов для сброса (к востоку от г. Поморие) расположен в открытой зоне залива (с глубинами 20-40 м) на северо-востоке от г. Бургас, второй - в заливе Вромос в южной части Бургасского залива. Выброс во второй район оказался менее опасным: вынос мути из залива Вромос гораздо меньше, район с повышенными концентрациями ~ менее обширен и сосредоточен прежде всего в самом Вромосе, что само по себе позволяет поставить процесс загрязнения под контроль. Указанием подходящего района для выброса строительных отходов при будущем расширении Бургасского порта на наш взгляд решена важная экологическая проблема.

Публикации по теме диссертации

Trukhchev D.I., Kosarev A.N, Tuzhiikin V.S. Specific features of the Black Sea seasonal climatic circulation. Part I: Variability of the upper layer circulation. - Comptes rendus de ¡'Académie bulgare des sciences, 1995, 48, 8, p. 21-24.

Трухчев Д.И., Саркисян А.С. Гидродинамический диагноз климатических полей температуры,лености и течений в Черном море. - Изв. АН СССР, ФАО, т. 31, 6, 1995, 809-819.

Trukhchev D.I., Kosarev A.N, Tuzhiikin V.S. Specific features of The Black Sea seasonal climatic circulation. Part II. Deep sea circulation and evolution of the cold intermediate layer. - Comptes rendus de l'Academie bulgare des sciences, 1995, 48, 9-10, 35-38.

Trukhchev D.I., Kosarev A.N, Ivanova D.P., Tuzhiikin V.S. Numerical analysis of the general circulation in the Caspian Sea. -Comptes rendus de l'Academie bulgare des sciences, 1995, 48, 1112, c. 35-38.

Ибраев P.A., Трухчев Д.И. Сезонная изменчивость климатической циркуляции Черного моря. - Докл. РАН, т. 350, 4, 1996, 541-543.

Ибраев Р.А., Трухчев Д.И. Диагноз климатическойзонной циркуляции Черного моря. - Изв. АН СССР, ФАО, т. 32, 5, 1996, 655-675.

Trukhchev D. I., Ibrayev R.A. Seasonal variability of the Black Sea climatic circulation. - In; E. Ozsoy and A. Mikaelyan (eds.), Sensitivity to change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea. NATO

ASI Ser., 2. Environment -Vol. 27, Kluwer Acad. Publ., 1997, pp. 365-374.

Тужилкин B.C., Косарев A.H., Трухчев Д.И., Иванова Д.П. Сезонные особенности общей циркуляции вод глубоководного бассейна Каспийского моря. - Метеорология и гидрология, 1,

1997, 91-99.

Ibrayev R. A., Trukhchev D. 1. Model study of the seasonal variability of the Black Sea circulation. - In: NATO TU-BLAC.K SEA Project Ecosystem Modelling as a Management Tool for the Black Sea. NATO-ASI Ser., 2: Environment, Vol. 2, Kluwer Acad. Publ.,

1998, pp. 179-196.

Трухчев Д.И., Иванов Д.В., Ибраев Р.А. Диагноз течений на полигоне "Диффузия'84" на западном шельфе Черного моря. -Океанология, т. 39, 4, 1999, 474-482.

Ибраев Р.А., Саркисян А.С., Трухчев Д.И. Сезонная изменчивость циркуляции вод Каспийского моря, реконструированная поеднемноголетним гидрологическим данным. - Изв. РАН, ФАО, 2001, т. 37, 1, 103-111.

Трухчев Д.И., Иванов Д.В., Иванова Д.П. Решение прямой диффузионной задачи для моделирования распространения примеси в морскойеде для условий болгарского шельфа. Изв. на Съюза на уцените - Варна, 2'98 - Г99, Варна., 1999, 36-43 (на болг.).

Trukhchev D.I., Ivanov D.V., Ivanova D.P., Patzireva T.N., Avramov A.M., Rabie A. Hydrophysical study of the Bourgas Bay. Results from oceanographic survey in September 1999. - C.omptes rendus de l'Academie bulgare des sciences, vol. 57, № 2, 2004, 3540.

Trukhchev D.I., Ivanov D.V., Ibrayev R.A., Ivanova D.P., Patzireva T.N., Rabie A. Hydrophysical study of the Bourgas Bay. Modelling the synoptic and climatological circulation patterns. -Comptes rendus de l'Academie bulgare des sciences, vol. 57, № 3, 2004, 29-34.

Trukhchev D.I., Ivanov D.V., Ibrayev R.A., Ivanova D.P., Patzireva T.N., Ganev K.G., Rabie A. Hydrophysical study of the Bourgas Bay: environmental simulation study for the port of Bourgas expansion project. - Comptes rendus de l'Academie bulgare des sciences, vol. 57, № 10, 2004, 29-34.

Рис.1. Топография уровня Черного моря для разных месяцев. N^."4.4 V м ьс иг Я*

Рис. 2. Скорости течений (см/с) Черного моря на горизонте 2.5 м в середине января (а), апреля (Ь), июня (с) и октября (с1)

47 48 49 50 51 52 53 54 (г)

47 48 49 50 51 52 5.

00002500 »07 . Г7П £,•":;•;• ''-{¡И. 5.51, (см)

00002500.

0.40 у

V V \ <Ц Ч > V \ V-. дин/см2)

V \ V.V чч \ \\ иЗ—

Рис. 3. Климатические поля Каспийского моря в июле: (а) поверхностные течения; (б) вертикальная скорость (103 см/с) на глубине 8.5 м; (в) температура на глубине 11 м; (г) топография уровня моря; (д) напряжения трения ветра.

Рис.4.1. Схема района полигона "Диффузия'84" на западном шельфе Черного моря. Указано 100-метровая изобата и местоположение гидрологических станций: станции первой (1) и второй (2) гидрологической съемки.

Рис. 4.2. Распределение гидрологических характеристик на полигоне "Диффузия'84".Съемка С1: соленость (%о) (а) и температура (°С) (б) на поверхности моря. Съемка С2: соленость на поверхности (в) и глубине 60 м (д), температура на глубинах 10 м (г) и 60 м (е).

Рис. 4.3. Топография уровня моря (см) для гидрологических съемок С1 (а) и С2 (б). Заштрихована область отрицательных значений уровня. Стрелками отмечены вектора, измеренных на глубине 10 м течений. Реперные стрелки: 1-10 см/с, 2-30 см/с. а) (б)

Рис. 5.1. Бургасский залив. Поверхностная циркуляция (см/с) в

00:00 час 05.09.1999 (а) и 12:00 час 07.09.1999.

Рис. 5.2. Бургасский залив. Климатические течения на поверхности (см/с) в январе (а) и июле (б). а) (б)

Рис. 6. Бургасский залив. Поле концентраций (мг/л) жидкой глины на поверхности в конец 10-го мес. после начала выброса; источник находится (см. стрелки): в заливе Вромос (а), восточнее г. Поморие (б).