Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование термодинамической структуры квазистационарных океанических фронтов

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Сычев, Юрий Федорович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ

СТРУКТУРЫ ОКЕАНИЧЕСКИХ ФРОНТОВ

§ 1.1 Основные характеристики термодинамической структуры океанических фронтов.Постановка задачи.

§ 1.2 Обзор моделей фронтальной динамики

1.2.1 Аналитические модели

1.2.2 Численные модели

ГЛАВА П. О РОЛИ ВНУТРЕННИХ ЭКМАНОВСКИХ СЛОЕВ В ДИНАМИКЕ ОКЕАНИЧЕСКИХ-ФРОНТОВ

§ 2.1 Квазигеострофическая модель фронтальной динамики

§ 2.2 Возможная роль нелинейности уравнения состояния

§ 2.3 Экмановские слои в стратифицированной жидкости.

§ 2.4 Численная реализация модели

ГЛАВА Ш. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФРОНТАЛЬНОГО ОБМЕНА

§ 3.1 Тепломассообен вследствие двойной диффузии

§ 3.2 Об одном способе трансфронтального переноса

§ 3.3 0 параметризации диапикнических потоков импульса и массы

ГЛАВА 1У. ВОЗМОЖНЫЕ ПОДХОДЫ К ЧИСЛЕННОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ОКЕАНИЧЕСКИХ ФРОНТОВ

§ 4.1 Некоторые модели и их конечно-разностная аппроксимация

4.1.1 Системы уравнений

4.1.2 Граничные условия

4.1.3 Начальные условия

4.1.4 Конечно - разностные аппроксимации .Ю

§ 4.2 Численное исследование термодинамической структуры океанических фронтов

4.2.1 Релаксация фронтальных разделов

4.2.2 Возможные способы достижения квазйстационарного состояния

Введение Диссертация по географии, на тему "Моделирование термодинамической структуры квазистационарных океанических фронтов"

Последние десятилетия знаменуются рядом качественных изменений в подходах к изучению Мирового океана. Наверное в большей мере, чем чего либо, это касается многообразия вопросов, связанных с различными аспектами изучения океанических фронтов. Это убедительно доказывается рядом появившихся в последнее время работ, из которых выделяются вышедшая в 1983 году монография К.Н.Федорова /48/, а также монография В.М.Грузинова /5/ и ряд других /1,6,50,105,110/.

К традиционно известным климатическим фронтам, связанным с ветвями общей циркуляции, добавился целый ряд разнообразных типов фронтов более мелких масштабов, располагающихся как в открытых, так и в прибрежных районах океана, и отличающихся пространственно-временными характеристиками, механизмами образования, динамической и термохалинной структурой. Время существования фронтов оказалось значительно большим, чем характерное время, необходимое для размывания подобных возмущений в поле термохалинных характеристик горизонтальной диффузией. Это позволило предположить существование у океанических фронтов свойства к "самоподдержанию" /48/. Специализированные натурные исследования фронтов показали наличие сложно организованной трансфронтальной циркуляции, обуславливающей поверхностную конвергенцию с высокими скоростями деформаци и интенсивные вертикальные разнонаправленные движения /65,89,106,126,133/. Фронты оказались областями наивысшей в океане тонкоструктурной активности /84,91,124,138/, являющейся, в основном, следствием развития интрузионных процессов. Возникающие вследствие действия различных агеострофических факторов термохалинные интрузии /50/ дают начало каскаду процессов перемешивания /14,90,117/. Фронты, таким образом, являются областями активного тепломассообмена.

Исследование океанических фронтов поможет дать ответы на ряд вопросов, связанных с процессами передачи энергии и завихренности по каскаду" масштабов, с обменом теплом, солью и различными пассивными примесями, а также с механизмами генерации и диссипации тонкой структуры.

Помимо того, что изучение фронтов вызывает чисто научный интерес, оно также необходимо для решения ряда прикладных задач, касающихся долгосрочного прогноза погоды, охраны окружающей среды и оптимального использования природных ресурсов, нужд рыбопромыслового хозяйства.

Настоящая работа посвящена изучению основных особенностей термодинамической структуры плотностных океанических фронтов,роли внутренних экмановских пограничных слоев в формировании этой структуры и процессов трансфронтального обмена импульсом и массой. Исследование фронтальной циркуляции и соответствующей плотностной и термохалинной структуры фронтов производится с использованием методов численного и океанического решения уравнений гидротермодинамики. Процессы трансфронтального обмена изучаются на основе данных судовых наблюдений и численного моделирования. На защиту выносятся следующие положения:

1) численная модель термодинамической структуры плотностного океанического фронта, построенная на основе полной системы уравнений гидродинамики океана;

2) результаты исследования роли внутренних экмановских слоев в формировании этой структуры, полученные на основе аналитического и численного моделирования;

3) результаты изучения процессов трансфронтального обмена и способов их параметризации в моделях фронтальной динамики.

В первой главе производится постановка задачи моделирования термодинамической структуры, плотностных океанических фронтов и анализируются существующие подходы к решению этой задачи, предпринятые другими исследователями.

Во второй главе оценивается роль внутренних экмановских пограничных слоев в формировании трансфронтальной циркуляции на основе простых аналитических моделей; показана важность нелинейности связи между плотностью и термохалинными характеристиками морской воды в поддержании фронтальных разделов в обостренном состоянии. Сформулирована и реализована квазигеострофическая численная модель фронтальной динамики, подтвердившая сделанные аналитические выводы.

В третьей главе рассматриваются способы параметризации трансфронтального переноса, осуществляемого подсеточными движениями. На основе данных о термохалинной структуре фронта Гольфстрима и Черноморского фронта оцениваются потоки тепла и соли, формирующиеся вследствие размывания элементов тонкой структуры дифференциально-диффузионной конвекцией. На основе одномерной численной модели производится выбор параметризации трансфронтального переноса.

В четвертой главе на основе системы "примитивных" уравнений формулируется модель эволюции термодинамической структуры океанических фронтов. С применением этой модели исследуются процессы релаксации фронтальных разделов и способы достижения квазистационарного состояния.

В заключении формулируются основные результаты работы.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Сычев, Юрий Федорович

Основные результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1. На основе полной системы уравнений гидротермодинамики океана создана численная модель термодинамической структуры океанических фронтальных разделов, характеризующихся значительным градиентом плотности.

2. С помощью модели изучены процессы релаксации первоначально заданных фронтальных возмущений. В процессе релаксации устанавливается поле трансфронтальной циркуляции в виде двух ячеек с горизонтальными осями. Наличие этих ячеек приводит к интенсивной конвергенции в приповерхностной части со значительными скоростями деформации и большими величинами скоростей нисходящих движений. Такая циркуляция является общей чертой фронтов рассматриваемого типа.

Рассмотрены некоторые способы учета особенностей крупномасштабного движения, при которых эволюция фронта достигает стационарного состояния.

3. На основе аналитической квазигеострофической модели показано, что двухъячейковая трансфронтальная циркуляция является следствием формирования внутренних экмановских слоев, а нисходящий изопикниче-ский поток в толще раздела, обеспечивающий длительное поддержание фронта в обостренном состоянии, может объясняться нелинейностью связи между плотностью и термохалинными характеристиками морской воды.

Численная реализация квазигеострофической модели показала, что она верно описывает термодинамическую структуру фролта на начальных стадиях, когда роль адвективных и нестационарных членов в уравнениях движения мала.

4. На основе анализа материалов наблюдений в зоне фронта оценены потоки тепла и соли вследствие размывания тонкой структуры дифференциально-диффузионной конвекцией и соответствующие эффективные коэффициенты диффузии.

5. С использованием одномерной упрощенной численной модели произведен выбор способов задания.эффективных коэффициентов диффузии импульса и массы в моделях фронтальной динамики на основе формул Манка-Андерсона, в предположении о том, что эффект подсеточных движений можно параметризовать в виде диффузионных потоков. При выбранной параметризации решение аналогично поведению стратифицированной жидкости при наличии двустороннего вовлечения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату географических наук В.М.Грузинову за постоянное внимание ' к работе и значительную помощь при ее выполнении. Автор искренне признателен кандидату физ.-мат.наук В.И.Калацкому, доктору физ.-мат. наук С.С.Лаппо и всему коллективу отдела динамики моря Государственного океанографического института за помощь и поддержку, оказанную при выполнении диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ