Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море

С использованием прогностических полей приводного ветра и атмосферного давления на основе трехмерной нелинейной математической модели проведен анализ сгонно-нагонных явлений в Азовском море. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с данными прямых измерений уровня моря на ряде береговых...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Иванов, В.А., Черкесов, Л.В., Шульга, Т.Я.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2011
Назва видання:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Теми:	Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112812
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 294-304. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-112812
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1128122017-01-28T03:02:42Z Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море Иванов, В.А. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря С использованием прогностических полей приводного ветра и атмосферного давления на основе трехмерной нелинейной математической модели проведен анализ сгонно-нагонных явлений в Азовском море. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с данными прямых измерений уровня моря на ряде береговых станций. Исследовано влияние изменения интенсивности атмосферных воздействий на максимальные значения отклонений уровня и скорости течений, а также на особенности трансформации примеси. Анализ результатов численных расчетов позволил сделать выводы о зависимости времени рассеяния загрязнений от скорости ветра и расположения районов загрязнений. З використанням прогностичних полів приводного вітру та атмосферного тиску на підставі тривимірної нелінійній моделі виконано аналіз згінно-нагінних явищ в Азовському морі. Проведено порівняння результатів чисельних експериментів і даних спостережень рівня моря на гідрометеорологічних стаціях. Досліджений вплив зміни інтенсивності атмосферних збуджень на максимальні величини відхилень рівня та швидкості течій, а також на особливості розповсюдження домішки. Аналіз результатів моделювання дозволив зробити висновки про залежність часу розсіювання домішки від швидкості вітру та розташування районів забруднень. By using of prognostic fields of near water wind and atmospheric pressure the analyses of surges in the Sea of Azov are carried out on the basis of three-dimensional nonlinear model. Comparison of the results of numeric calculations and the data of direct measurements of sea level on the number of coastal stations are made. Effect of intensity of atmospheric impact on maximum values of level deviations, current velocities and admixture transformation features is studied. Analysis of results of numeric calculations allowed to make a conclusion about dependences of pollution dissipation time on wind velocity and location of pollution areas. 2011 Article Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 294-304. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112812 532.59 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
spellingShingle	Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря Иванов, В.А. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description	С использованием прогностических полей приводного ветра и атмосферного давления на основе трехмерной нелинейной математической модели проведен анализ сгонно-нагонных явлений в Азовском море. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с данными прямых измерений уровня моря на ряде береговых станций. Исследовано влияние изменения интенсивности атмосферных воздействий на максимальные значения отклонений уровня и скорости течений, а также на особенности трансформации примеси. Анализ результатов численных расчетов позволил сделать выводы о зависимости времени рассеяния загрязнений от скорости ветра и расположения районов загрязнений.
format	Article
author	Иванов, В.А. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я.
author_facet	Иванов, В.А. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я.
author_sort	Иванов, В.А.
title	Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море
title_short	Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море
title_full	Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море
title_fullStr	Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море
title_full_unstemmed	Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море
title_sort	компьютерное моделирование динамических процессов в азовском море
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112812
citation_txt	Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 294-304. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv	AT ivanovva kompʹûternoemodelirovaniedinamičeskihprocessovvazovskommore AT čerkesovlv kompʹûternoemodelirovaniedinamičeskihprocessovvazovskommore AT šulʹgatâ kompʹûternoemodelirovaniedinamičeskihprocessovvazovskommore
first_indexed	2025-07-08T04:44:13Z
last_indexed	2025-07-08T04:44:13Z
_version_	1837052572116975616
fulltext	294 © В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга, 2011 УДК 532 .59 В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АЗОВСКОМ МОРЕ С использованием прогностических полей приводного ветра и атмосферного давления на основе трехмерной нелинейной математической модели проведен ана- лиз сгонно-нагонных явлений в Азовском море. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с данными прямых измерений уровня моря на ряде береговых станций. Исследовано влияние изменения интенсивности атмосферных воздейст- вий на максимальные значения отклонений уровня и скорости течений, а также на особенности трансформации примеси. Анализ результатов численных расчетов по- зволил сделать выводы о зависимости времени рассеяния загрязнений от скорости ветра и расположения районов загрязнений. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: скорость течения, сгонно-нагонные явления, прогностиче- ские поля ветра, трехмерная нелинейная математическая модель. Введение. Возрастающее в последние десятилетия освоение энергети- ческих и биологических ресурсов Мирового океана выдвигает особые тре- бования к прогнозам важнейших динамических характеристик морской среды: уровня моря, течений и волнения. Важнейшим способом, позволяю- щим изучать сгонно-нагонные процессы, является метод численного моде- лирования. При этом наибольшие сложности вызывает исследование волн и морских течений. В настоящее время информация о полях течений на раз- личных горизонтах, приводимая по данным наблюдений, является не пол- ной, вследствие сравнительно небольшого количества измерений. Одним из способов, позволяющих дать более полный анализ течений и колебаний уровня моря, является применение методов математического моделирова- ния и использование данных натурных наблюдений. В работе [1] в рамках двумерной линейной модели исследована реакция уровенной поверхности и скоростей течений на прохождение циклонов над Азовским морем. В [2] с использованием трехмерной нелинейной модели анализируются динамические процессы и эволюция примеси в Азовском море, возникающие под действием возмущений, вносимых в поле стацио- нарных течений перемещающимся циклоном. В работе [3] эта модель при- менена для изучения волн и течений, возникающих в Азовском море под действием постоянного по времени и однородного по пространству ветра. В данной работе изучаются динамические процессы в Азовском море, вызываемые переменными по пространству и времени полями приводного ветра и атмосферного давления, полученными с использованием региональ- ной прогностической модели SKIRON [4]. Дан анализ влияния возникающих при этом течений на трансформацию загрязняющих веществ. Результаты численных расчетов колебаний уровня сравниваются с данными натурных 295 наблюдений на станциях Геническ и Мариуполь. Для выполнения этого ис- следования использована нелинейная трехмерная сигма-координатная модель. Постановка задачи. Граничные и начальные условия. Введем сис- тему координат, в которой ось x направлена на восток, y – на север, z – вер- тикально вверх. Нелинейные уравнения движения однородной несжимае- мой жидкости в приближении теории мелкой воды имеют вид [5, 6]: ,)()( 1 1211 z u K zyxx p fv dt du M ∂ ∂ ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂= ∂ ∂+− ττ ρ (1) ,)()( 1 2221 z v K zyxy p fu dt dv M ∂ ∂ ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂= ∂ ∂++ ττ ρ (2) 0=+ ∂ ∂ ρg z p , (3) 0= ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂ z w y v x u . (4) В соотношениях (1) – (4) все обозначения общепринятые. Компоненты тензора турбулентных напряжений Рейнольдса ijτ в (1) и (2) определяются через градиенты скоростей по формулам x u AM ∂ ∂= 211τ ,       ∂ ∂+ ∂ ∂== y u x v AM2112 ττ , y v AM ∂ ∂= 222τ . (5) Коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости MA вычисляется по формуле Смагоринского [7]. Для параметризации коэффициента вертикальной турбулентной вязкости MK используется теория Меллора-Ямады [8]. На свободной поверхности имеют место два граничных условия: y v x u t w z ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂== ζζζ ζ , (6) ( )yx z M z v z u K 00 ,, ττ ζ =      ∂ ∂ ∂ ∂ = , (7) где Wxax WC=0τ и Wyay WC=0τ – проекции касательных напряжений ветра, xW , yW – компоненты вектора скорости ветра W на высоте 10 м над уровнем моря. Для численных расчетов коэффициент поверхностного трения aC выбран в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе [9]. На боковых границах выполняется условие прилипания. На дне (z = −H(x, y)) нормальная составляющая скорости равна нулю: 0=      ∂ ∂+ ∂ ∂+ −= Hz y H v x H uw . (8) 296 Придонные касательные напряжения связаны со скоростью квадратич- ной зависимостью [6]: ( )yx Hz M z v z u K 11 ,, ττ=      ∂ ∂ ∂ ∂ −= , (9) где 22 1 vuuCbx +=τ , 22 1 vuvCby +=τ . Коэффициент донного трения bC в (9) находится по формуле ( )02ln zzkCb -22= . где 2z – шаг по вертикали в придонном слое, 0z = 0,003 м – параметр шеро- ховатости, характеризующий свойства подстилающей донной поверхности. В начальный момент времени t = 0 движение жидкости отсутствует, свободная поверхность горизонтальна: 0)0,,,( =zyxu , 0)0,,,( =zyxv , 0)0,,,( =zyxw , 0)0,,,( =zyxζ . (10) Для расчета изменения концентрации примеси нейтральной плавучести С(x, y, z, t) используем уравнение переноса и диффузии [6]       ∂ ∂ ∂ ∂+      ∂ ∂ ∂ ∂+      ∂ ∂ ∂ ∂= z C K zy C A yx C A xtd Cd MHH , (11) где AH и KH – коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии. Область загрязнения при t = t0 (t0 – соответствует 0 ч 11 сентября 2007 г.) расположена в поверхностном слое и имеет вид пятна радиуса R: ( )    −<≤<> −≥≥≤ = .,;0,,0 ,0,,1 ,,, 1 1 0 zzRrzRr zzRr tzyxC (12) где C(x, y, z, t) – концентрация загрязнения, 2 0 2 0 )()( yyxxr −+−= – рас- стояние от центра начальной области загрязнения (x0, y0) до точки, в кото- рой вычисляется концентрация, 1z – толщина этой области. Загрязнение в момент времени t = td считается рассеявшимся при усло- вии, что максимум концентрации (Cmax = Cd) во всей жидкости становится равным 2,5⋅10−2. На свободной поверхности, на дне и боковых стенках (S) выполняются условия отсутствия потоков загрязнения в направлении внешней нормали n: 0= ∂ ∂ =ζz H n C K , Hz H n C K −=∂ ∂ , 0= ∂ ∂ S H n C A . (13) 297 Численная реализация модели и выбор параметров. В исходных уравнениях (1) – (4), граничных (6) – (9), (13) и начальных (10) условиях осуществляется переход от координаты z к σ-координате [2, 3]: x* = x, y* = y, σ = (z – ζ)/(H + ζ), t* = t, где –1 ≤ σ ≤ 0. В численных экспериментах используются равномерные шаги по гори- зонтальным координатам x∆ = y∆ = 1 350 м. Количество расчетных уров- ней по вертикали равно 11. Уравнения для определения осредненных двумерных компонент скорости и уровня моря решаются с шагом t∆ = 18 с [10]. Для вычисления отклонений от найденных средних и вертикальной компонент скорости используется шаг t∆10 [11]. На рис. 1 показан рельеф дна в расчетной области, снятый с навигацион- ных карт. В процессе вычислений он интерполируется на расчетную сетку. Рис . 1. Рельеф дна (м) Азовского моря, положение прибрежных пунктов (А1 – Геническ, А2 – Бердянск, А3 – Мариуполь, А4 –Таган- рог, А5 – Ейск, А6 – Приморско-Ахтарск, А7 – Темрюк, А8 – Опасное, А9 – Мысовое) и центров загрязнений (B1, B2). Отклонения уровня моря анализируются нами в девяти районах, распо- ложенных вблизи крупных населенных пунктов морского побережья, кото- рые отмечены на рис. 1 символами А1 – А9. Анализ результатов численных экспериментов 1. В качестве входных метеорологических данных нами взяты поля приводного ветра и атмосферного давления, полученные с помощью модели Skiron на период с 8 по 18 сентября 2007 г (WSKIRON; PSKIRON). Пространст- венное разрешение атмосферных полей составляет 10 км, дискретность по времени 2 часа [4]. Моделирование динамических процессов в Азовском море, вызываемых действием прогностического ветра, проводится от ноля часов 8 сентября 2007 г. в течение 10-ти суток. Результаты, полученные для первых трех суток, не анализируются и используются для определения на- y, км 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 x, км 298 чальных данных о скоростях течений и уровне моря на ноль часов 11 сентября 2007 г. На рис. 2 представлены векторные поля ветра над Азовским морем, ко- торые соответствуют экстремальным значениям его скорости или резким переменам направления. Рис . 2. Поля прогностического ветра в различные моменты време- ни: а – 36 ч; б – 68 ч; в – 90 ч; г – 140 ч; д – 152 ч; е – 168 ч. Первая экстремальная ситуация возникает через 36 ч (см. рис. 2, а). При этом над южной частью отмечается антициклоническое воздействие, в се- верной части моря скорость ветра достигает на отдельных участках 10 м/с. Через 68 ч со скоростью 15 − 20 м/с перемещаются два небольших циклона (см. рис. 2, б), которые формируются в восточной и западной областях мо- ря. Следующие максимумы скоростей ветра приходятся на моменты време- ни 90 ч и 140 ч, которые соответствуют обширным циклоническим образо- ваниям (см. рис. 2, в, г). На рис. 2, д, е показаны направления ветра в момен- ты времени 152 ч и 168 ч и соответствующие им экстремумы скорости. Да- лее до 18 сентября над Азовским морем скорость ветра уменьшается и его направление не меняется. При проведении численных расчетов выполняется сравнение найден- ных при моделировании величин сгонов и нагонов с данными наблюдений 0 50 100 150 200 250 300 x, км 0 50 100 150 200 250 300 x, км y, км 200 150 100 50 0 y, км 200 150 100 50 0 y, км 200 150 100 50 0 а б в г е д 299 измерений уровня моря на береговых гидрометеорологических станциях Азовского моря за период с 11 по 18 сентября 2007 г. Эти данные представ- ляет собой ежечасные измерения уровня моря на станциях Геническ и Ма- риуполь, регистрируемые с помощью самописцев. Для изучения физических закономерностей влияния атмосферных воз- действий на скорости течений и сгонно-нагонные процессы в Азовском мо- ре выполнен ряд численных экспериментов, в которых в качестве возмуще- ний выбраны скорости ветра, приведенные в модели SKIRON, а также уве- личенные и уменьшенные в два раза. 2. Анализ информации о характерных типах погоды для района Азов- ского моря [12, 13] свидетельствует о том, что в теплый период года (ап- рель-октябрь) наблюдается антициклонический тип. Он характеризуется ветрами со скоростью не более 8 м/с, когда Азовское море оказывается в тыловой части антициклона, смещающегося с запада на восток. В это время преобладают восточные и северо-восточные ветры. Данные о направлениях и величинах ветра, взятые в качестве входных метеорологических данных, рассчитанных методами ре-анализа в рамках модели SKIRON, удовлетворительно согласуются с результатами многолет- них наблюдений атмосферных возмущений [12, 13]. В табл. 1 представлены значения максимальных скоростей и соответствующих им направлений вет- ра как функции времени (над Азовским морем) с 11 по 18 сентября 2007 г. При этом между двумя соседними значениями времени скорость ветра ме- няется монотонно. Величина отклонения вектора скорости ветра от направ- ления оси x указана в градусах. Таблица 1. Максимальные скорости ветра как функции времени, полученные по данным модели SKIRON с 11 по 18 сентября 2007 г. Время, ч Скорость ветра, м/с Направление ветра, град Время, ч Скорость ветра, м/с Направление ветра, град 2 6,8 107 76 9,4 354 14 2,6 344 92 12,7 350 28 5,8 9 104 9,6 100 30 3,0 10 106 7,5 210 32 5,2 107 108 5,7 200 44 5,8 344 112 3,5 110 48 8,1 100 124 5,2 344 50 4,2 213 130 3,3 354 54 5,8 195 132 1,6 347 56 7,9 192 140 2,1 10 58 9,6 108 142 4,9 106 62 11,6 350 192 5,8 200 Отсюда видно, что за указанное время (192 ч) средняя величина его максимальной скорости равна 6,7 м/с, наибольшая − 12,7 м/с, наименьшая − 1,6 м/с. Преобладающими направлениями ветра являются северо-восточное и северо-западное. 300 В серии численных экспериментов нами исследуется влияние скорости переменного по времени и пространству ветра на изменения уровня и ско- ростей генерируемых им течений. В табл. 2 приведены данные о максиму- мальных величинах нагонов, а в табл. 3 – о максимальных величинах сгонов на береговых станциях Азовского моря, вызванных действием прогностиче- ского (WSKIRON) и модельного (½WSKIRON и 2WSKIRON) ветра. Таблица 2. Максимальные величины нагонов и время их достиже- ния на береговых станциях Азовского моря при наличии прогностиче- ского и модельного ветра. Береговые станции Скорость ветра ½WSKIRON WSKIRON 2WSKIRON \|ζmax\|, см t, ч \|ζmax\|, см t, ч \|ζmax\|, см t, ч Геническ 20,0 33,6 25,4 34,0 32,2 34,6 Бердянск 4,9 161,2 9,1 161,5 16,9 162,0 Мариуполь 18,5 129,0 29,3 129,2 46,4 130,0 Таганрог 40,6 162,1 50,6 162,4 63,1 162,6 Ейск 19,1 141,5 38,1 142,1 76,0 143,0 Приморско- Ахтарск 40,6 141,6 57,1 142,3 80,4 142,8 Темрюк 20,2 140,0 24,5 140,5 29,7 141,0 Опасное 5,5 122,1 9,4 122,5 16,1 122,1 Мысовое 7,5 34,0 12,1 34,6 19,6 36,0 Таблица 3. Максимальные величины сгонов и время их достижения на береговых станциях Азовского моря при наличии прогностического и модельного ветра. Береговые станции Скорость ветра ½WSKIRON WSKIRON 2WSKIRON \|ζmax\|, см t, ч \|ζmax\|, см t, ч \|ζmax\|, см t, ч Геническ 22,3 131,6 42,5 132,2 76,5 132 Бердянск 9,7 131,3 17,3 131,5 30,9 132 Мариуполь 12,7 29,0 18,2 29,4 26,0 30 Таганрог 21,2 39,5 29,0 40,0 42,4 39,6 Ейск 8,7 41,7 18,9 42,1 41,1 43 Приморско- Ахтарск 8,4 32,1 14,1 32,2 23,8 33,0 Темрюк 6,8 165,7 8,7 166,2 11,2 166 Опасное 5,5 162,2 10,6 162,6 20,5 162,8 Мысовое 12,6 161,5 22,3 161,8 39,4 162,2 Из анализа этих данных следует, что наибольшие нагоны, генерируе- мые прогностическим ветром, достигаются на станции Приморско-Ахтарск (57,1 см). Здесь для модельного ветра (2WSKIRON) максимальный нагон равен 80,4 см, при уменьшении интенсивности ветра в два раза (½WSKIRON) макси- мум нагона составляет 40,6 см. Наибольшие сгоны для прогностического ветра (42,5 см) имеют место в Геническе. При этом увеличение и уменьше- 301 ние интенсивности атмосферных воздействий в 2 раза приводят к их росту в 1,8 раза и уменьшению в 1,9 раза соответственно. Сравним между собой результаты моделирования и натурных измере- ний уровня моря, приведенных Государственной метеорологической службой Украины за сентябрь 2007 г. в таблицах ежечасных данных высот уровня. Оценим отклонения его экстремальных значений, рассчитанных для полей прогностического ветра и полученных из указанных таблиц. В Геническе величина расчетного максимума составляет 25,4 см, что на 5,7 см (18%) меньше, чем по данным наблюдений. В Мариуполе найден- ный в результате расчетов максимальный нагон (29,3 см) на 4,1 см (12%) меньше измеренного. В табл. 4 представлены данные о наибольших значениях скоростей те- чений в Азовском море, вызванных действием прогностического (WSKIRON) и модельного (½WSKIRON и 2WSKIRON) ветра. Из анализа данных, приведенных в табл. 4, следует, что при увеличении скорости ветра в 2 раза максимумы скоростей течений на горизонтах 1, 3, 5 и 8 м возрастают в 1,2; 1,3; 1,4 и 1,3 раза. При двукратном уменьшении скорости ветра максимумы скоростей течений на этих горизонтах уменьшаются в 1,4; 1,8; 1,4 и 1,3 раза соответ- ственно. Таблица 4. Максимальные скорости течений и время их достижения в Азовском море, при наличии прогностического и модельного ветра. Горизонт, м Скорость ветра ½WSKIRON WSKIRON 2WSKIRON \|Umax\|, см/с t, ч \|Umax\|, см/с t, ч \|Umax\|, см/с t, ч 1 34,6 131,8 48,2 132,0 57,8 132,6 3 25,9 132,0 46,2 133,5 60,5 134,1 5 31,1 135,3 43,9 135,4 61,6 136,4 8 23,9 140,0 31,5 140,2 40,5 142,6 3. Используя результаты численных экспериментов, оценим влияние ветра и генерируемых им динамических процессов на трансформацию за- грязняющих веществ, поступающих в море в различных районах. Инфор- мация о состоянии морской и прибрежной экосистем, полученная в ходе морских экспедиций на НИС Южного научного центра (ЮНЦ) РАН «Про- фессор Панов» и «Денеб» за период 2003 – 2006 гг., позволила оценить ка- чество вод Азовского моря и выделить зоны экологического риска [14]. В экспедиционных рейсах выполнено экологическое картирование акватории Таганрогского залива и установлено, что значительная часть экосистемы залива находится в нарушенном состоянии. С учетом оценки экологии Азовского моря [14] выбраны районы располо- жения центров выбросов загрязнений – см. рис. 1, маркеры В1 и В2. Район В1 расположен в области Восточно-Казантипского газового месторождения (H = 10 м, x01 = 110 км, y01 = 45 км), а район B2 – в Таганрогском заливе (H = 8 м, x02 = 260 км, y02 = 170 км). Выброс загрязнений происходит в по- верхностном слое в момент времени t = t0 в областях радиусом 9 км. Для расчета диффузии примеси нейтральной плавучести (см. уравнение (11)) 302 выбраны значения AH и KH равные 10 м2/с и 10−4 м2/с соответственно [11]. Для количественной оценки изменения площадей загрязнения с течением времени в поверхностном слое (0≥ z ≥ −z1), в районе половины глубины бас- сейна (z = −H/2 = h1) и в придонном слое (−H≤ z ≤ h2, где h2 = −H + z2) ис- пользуем коэффициент Kmax , который рассчитываем как отношение максимальной площади Smax , ограниченной изолинией концентрации примеси Cd в момент времени t = tmax , к площади начального загрязнения S0 (Kmax = Smax/S0). В табл. 5 для указанных выше районов приведены коэффициент облас- ти максимального распространения загрязнения (Kmax), время его достиже- ния (tmax, ч) и время рассеяния примеси на разных горизонтах моря (t = td), вызванного действием диффузии, прогностического и модельного ветра. Таблица 5. Параметры эволюции примеси, возникающей под действием прогностического и модельного ветра на различных глубинах в районах В1 и В2 Азовского моря. Глубина Значения Kmax, tmax и td ½WSKIRON WSKIRON 2WSKIRON В1 В2 В1 В2 В1 В2 0≥ z ≥ −z1 Kmax 1,14 1,17 1,19 1,27 1,22 1,36 tmax, ч 4 5 3 4 3 4 td, ч 18 19 17 18 17 18 z = h1 Kmax 1,17 1,21 1,18 1,25 1,23 1,60 tmax, ч 13 13 10 10 10 11 td, ч 35 36 34 35 33 34 −H≤ z ≤ h2 Kmax 1,12 1,35 1,17 1,46 1,22 1,52 tmax, ч 23 23 21 22 15 16 td, ч 56 57 55 56 63 65 Из анализа данных, представленных в табл. 5, следует, что для районов B1 и B2 максимальная площадь загрязнения возникает под действием ветра наибольшей скорости (2WSKIRON). В районе Восточно-Казантипского газово- го месторождения в поверхностном слое наибольшая площадь загрязнения достигается через 3 ч после его выброса (Kmax = 1,22). При этом время рас- сеяния примеси составляет 17 ч. На горизонт z = h1 загрязнение проникает через 2 ч после его выброса на свободную поверхность. Далее площадь за- грязнения увеличивается и становится максимальной (Kmax = 1,23, tmax = 10 ч). Рассеяние загрязнения на этой глубине происходит через 33 ч. В придонном слое (−H≤ z ≤ h2) наибольшее значение коэффициента области распространения загрязнения (1,22) достигается при tmax = 15 ч. При t = 63 ч примесь рассеивается (ее концентрация не превосходит dC ). Согласно данным, приведенным в табл. 5, при рассматриваемых ветро- вых условиях величины параметров, характеризующих площадь загряз- няющих веществ и время их рассеивания (Kmax и td), для района B2 больше по сравнению с их значениями для района B1. При этом в поверхностном 303 слое моря в районе B2 Kmax = 1,36 (tmax = 5 ч), на глубине 1hz = Kmax = 1,6 (tmax = 11 ч), в придонном слое Kmax = 1,52 (tmax ==== 16 ч). Время рассеяния примеси здесь также наибольшее и составляет в придонном слое 65 ч. В районе Восточно-Казантипского газового месторождения (H = 10 м) рассеяние примеси одного и того же объема происходит быстрее, чем в Та- ганрогском заливе (H = 8 м). Здесь также отмечается меньшая площадь рас- пространения загрязнения. Бόльшие значения максимума площади загряз- нения и времени ее рассеяния наблюдаются в Таганрогском заливе. Заключение. В работе представлены результаты численных экспери- ментов расчета сгонно-нагонных явлений и распространения пассивной примеси, вызванных воздействием переменного по времени и пространству ветра Skiron в Азовском море. Точность полученных результатов, подтвер- ждена сравнением значений экстремальных сгонов и нагонов с натурными данными, полученными по измерениям уровня на береговых станциях. Вы- полнен анализ влияния изменения интенсивности атмосферных воздействий на максимальные значения отклонений уровня и скорости течений, а также на особенности трансформации примеси. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Иванов В.А., Коновалов А.В., Черкесов Л.В. Влияние циклонов на изменение уровенной поверхности Азовского и Черного морей // Метеорология и гидро- логия. – 2003. – № 4. – С. 73-80. 2. Иванов В.А., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Динамические процессы и их влияние на распространение и трансформацию загрязняющих веществ в ограниченных морских бассейнах. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2010. – 178 с. 3. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Моделирование колеба- ний уровня Азовского моря, вызываемых ветром // Морской гидрофизический журнал. − 2008. − № 6. − С. 53-65. 4. Weather and Wave Forecast for Greece, Europe − Mediterranean Sea. Сайт «National & Kapodistrian University of Athens». [Электронный ресурс]. http://forecast.uoa.gr (Последнее обращение 01.11.2011). 5. Фомин В.В. Численная модель циркуляции вод Азовского моря // Научные тру- ды УкрНИГМИ. − 2002. − вып. 249. − C. 246-255. 6. Blumberg A.F., Mellor G.L. A description of three dimensional coastal ocean circula- tion model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models (Ed. N. Heaps). − Washington. D. C.: American Geophysical Union. − 1987. − vol. 4. − P. 208. 7. Smagorinsky J. General circulation experiments with primitive equations. I. The basic experiment // Mon. Wea. Rev. – 1963. – vol. 91, № 2. – P. 99-164. 8. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Rev. Geophys. Space Phys. – 1982. – vol. 20, № 4. – P. 851-875. 9. Hsu S.A. A mechanism for the increase of wind stress coefficient with wind speed over water surface: A parametric model // Ibid. – 1986. – vol. 16. – P. 144-150. 10. Courant R., Friedrichs K.O., Lewy H. On the partial difference equations of mathe- matical physics // IBM J. − 1967, March. − P. 215-234. 11. Годунов С. К., Рябенький В. С. Разностные схемы. – М.: Наука. – 1977. – 440 с. 12. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. V. Азовское море // СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. − 234 с. 304 13. Лоция Азовского моря. [Электронный ресурс] http://www.katamaran.ru/maps/ azov/4.htm (Последнее обращение 10.11.2011). 14. Матишов Г.Г. Закономерности экосистемных процессов в Азовском море. – М.: Наука, 2006. – 304 с. Материал поступил в редакцию 14 .11 .2011 г . АНОТАЦIЯ З використанням прогностичних полів приводного вітру та атмосфе- рного тиску на підставі тривимірної нелінійній моделі виконано аналіз згінно- нагінних явищ в Азовському морі. Проведено порівняння результатів чисельних експериментів і даних спостережень рівня моря на гідрометеорологічних стаціях. Досліджений вплив зміни інтенсивності атмосферних збуджень на максимальні величини відхилень рівня та швидкості течій, а також на особливості розповсю- дження домішки. Аналіз результатів моделювання дозволив зробити висновки про залежність часу розсіювання домішки від швидкості вітру та розташування районів забруднень. ABSTRACT By using of prognostic fields of near water wind and atmospheric pressure the analyses of surges in the Sea of Azov are carried out on the basis of three-dimensional nonlinear model. Comparison of the results of numeric calculations and the data of direct measurements of sea level on the number of coastal stations are made. Effect of intensity of atmospheric impact on maximum values of level deviations, current velocities and ad- mixture transformation features is studied. Analysis of results of numeric calculations allowed to make a conclusion about dependences of pollution dissipation time on wind velocity and location of pollution areas.

Компьютерное моделирование динамических процессов в Азовском море

Репозитарії

Схожі ресурси