Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря

Предложена 3-х мерная численная модель циркуляции вод Азовского моря, учитывающая термохалинные процессы. С использованием модели изучены особенности распространения речных вод в Азовском море и получены оценки скоростей стоковых течений. Исследована эволюция полей солености, течений и уровня Азов...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Фомин, В.В., Иванов, В.А., Фомина, И.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2011
Schriftenreihe:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Schlagworte:	Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112813
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря / В.В. Фомин, В.А. Иванов, И.Н. Фомина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 281-293. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-112813
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1128132017-01-28T03:03:08Z Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря Фомин, В.В. Иванов, В.А. Фомина, И.Н. Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря Предложена 3-х мерная численная модель циркуляции вод Азовского моря, учитывающая термохалинные процессы. С использованием модели изучены особенности распространения речных вод в Азовском море и получены оценки скоростей стоковых течений. Исследована эволюция полей солености, течений и уровня Азовского моря в период осенних штормов ноября 2007 г. Проведено сопоставление результатов моделирования с данными измерений на береговых станциях. Запропоновано 3-х мірна чисельна модель циркуляції вод Азовського моря, що враховує термохалінних процеси. З використанням моделі вивчено особливості поширення річкових вод в Азовському морі і отримані оцінки швидкостей стічних течій. Досліджено еволюцію полів солоності, течій і рівня Азовського моря в період осінніх штормів листопада 2007 року. Проведено зіставлення результатів моделювання з даними вимірів на берегових станціях. Proposed 3-dimensional numerical model of water circulation of the Azov Sea, which takes into account thermohaline processes. Using the model studied features of distribution of river waters in the Azov Sea and the rates of runoff flows. The evolution of the fields of salinity, currents and the level of the Azov Sea in the period of autumn storms in November 2007. A comparison of simulation results with measurements at coastal stations. 2011 Article Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря / В.В. Фомин, В.А. Иванов, И.Н. Фомина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 281-293. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112813 551.465 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 Фомин, В.В. Иванов, В.А. Фомина, И.Н. Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description	Предложена 3-х мерная численная модель циркуляции вод Азовского моря, учитывающая термохалинные процессы. С использованием модели изучены особенности распространения речных вод в Азовском море и получены оценки скоростей стоковых течений. Исследована эволюция полей солености, течений и уровня Азовского моря в период осенних штормов ноября 2007 г. Проведено сопоставление результатов моделирования с данными измерений на береговых станциях.
format	Article
author	Фомин, В.В. Иванов, В.А. Фомина, И.Н.
author_facet	Фомин, В.В. Иванов, В.А. Фомина, И.Н.
author_sort	Фомин, В.В.
title	Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря
title_short	Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря
title_full	Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря
title_fullStr	Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря
title_full_unstemmed	Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря
title_sort	численная бароклинная модель циркуляции вод азовского моря
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/123456789/112813
citation_txt	Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря / В.В. Фомин, В.А. Иванов, И.Н. Фомина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 281-293. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv	AT fominvv čislennaâbaroklinnaâmodelʹcirkulâciivodazovskogomorâ AT ivanovva čislennaâbaroklinnaâmodelʹcirkulâciivodazovskogomorâ AT fominain čislennaâbaroklinnaâmodelʹcirkulâciivodazovskogomorâ
first_indexed	2025-07-08T04:44:24Z
last_indexed	2025-07-08T04:44:24Z
_version_	1837052582146605056
fulltext	281 УДК 551 .465 В.В. Фомин 1, В.А. Иванов 1, И.Н. Фомина 2 ЧИСЛЕННАЯ БАРОКЛИННАЯ МОДЕЛЬ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД АЗОВСКОГО МОРЯ 1 Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь 2 Морское отделение Украинского научно-исследовательского гидрометеорологического института, г. Севастополь Предложена 3-х мерная численная модель циркуляции вод Азовского моря, учитывающая термохалинные процессы. С использованием модели изучены осо- бенности распространения речных вод в Азовском море и получены оценки скоро- стей стоковых течений. Исследована эволюция полей солености, течений и уровня Азовского моря в период осенних штормов ноября 2007 г. Проведено сопоставле- ние результатов моделирования с данными измерений на береговых станциях. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : Азовское море, циркуляция, моделирование численное, термохалинная структура. Вследствие мелководности Азовского моря его динамика в значитель- ной степени определяется ветровыми воздействиями. При этом влияние градиентов плотности вод на течения существенно сказывается лишь вбли- зи устьев рек. Этим объясняется тот факт, что для расчета течений Азовско- го моря обычно используются гидродинамические модели, не учитываю- щие изменения плотности воды. За последние годы построено несколько таких моделей для Азовского моря, включая нелинейные и 3-х мерные [1, 2]. Однако существует ряд задач, где учет плотностной структуры вод при моделировании является принципиальным. В первую очередь, это задачи связанные с предсказанием поведения экологической системы Азовского моря. К их числу можно отнести: – моделирование распространения и трансформации речных вод в море и формирования фронтальных зон солености; – исследование сценариев распреснения и осолонения вод; – моделирование формирования термического режима моря; – прогноз зон гипоксии. Основными задачами данной работы является: – построение численной модели циркуляции вод Азовского моря, учи- тывающей термохалинные процессы; – моделирование распространения вод Дона и Кубани; – воспроизведение отклика динамических полей Азовского моря на штормовые ситуации, имевшие место в ноябре 2007 г. Исходные уравнения и граничные условия. В основу модели поло- жены 3-х мерные σ-координатные уравнения термогидродинамики океана в  В.В. Фомин, В.А. Иванов, И.Н. Фомина, 2011 282 приближении Буссинеска и гидростатики вида (здесь и далее предполагает- ся суммирование по повторяющимся индексам α и β от 1 до 2) [1]: ,)( )(         ∂ ∂ ∂ ∂+ ∂ ∂= =+ ∂ ∂++Λ+ ∂ ∂ σσ τ ηε α αβ β α α βαβαα u D K D x DG x gDDufuDu t m (1) 0)( = ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂ σ η α α w Du xt , (2)         ∂ ∂ ∂ ∂+         ∂ ∂ ∂ ∂=Λ+ ∂ ∂ σσββ T D K x T A x TDT t c c)( , (3)       ∂ ∂ ∂ ∂+         ∂ ∂ ∂ ∂=Λ+ ∂ ∂ σσββ S D K x S A x SDS t c c)( , (4) ),( STρρ = , (5)           ∂ ∂+ ⌡ ⌠ ′ ∂ ∂+ ∂ ∂= ρσσρ ρρ α σ αα α x D dD x g x p G A 0 00 1 , φ)(φ)(φ wDu x σβ β ∂ ∂+ ∂ ∂=Λ , α α αατ x u Am ∂ ∂ = 2 ,         ∂ ∂ + ∂ ∂ == β α α β βααβ ττ x u x u Am , где горизонтальные оси координат (x1, x2) ориентированы соответственно на восток и север. Вертикальная безразмерная координата σ, изменяющаяся в пределах от – 1 до 0, направлена вертикально вверх. Искомыми перемен- ными являются: η – координата свободной поверхности моря; u1, u2 – зо- нальная и меридиональная компоненты скорости течений; w – нормальная к поверхностям σ = const компонента скорости течений; T, S, ρ – температу- ра, соленость и плотность морской воды; p – давление, нормированное на среднюю плотность воды ρ0. Смысл других переменных системы (1) – (5) следующий: D = h + η – динамическая глубина бассейна; h – рельеф дна; pa – атмосферное давле- ние; ταβ – компоненты тензора турбулентных напряжений; Am, Km, Ac, Kc – коэффициенты турбулентной вязкости и диффузии; g – ускорение свобод- ного падения; f – параметр Кориолиса; δαβ – символ Кронекера; εαβ = 0 при α = β; ε12 = – 1, ε21 = 1. 283 На свободной поверхности (σ = 0) задаются условия: 0=w , 0 0 ρ τ σ αα = ∂ ∂u D Km при 0=σ , (6) p Tc c QT D K 0ρσ = ∂ ∂ , 0ρσ Sc QS D K = ∂ ∂ при 0=σ . (7) Здесь τ0 α = (τ0 1, τ0 2) – проекции поверхностных касательных напряжений тре- ния; QT, QS – потоки тепла и солей через поверхность бассейна; cp – удельная теплоемкость воды. Компоненты τ0 α определяются выражениями: 1 0 1 WWCaaρτ = , 2 0 2 WWCaaρτ = , (8) где ρa – плотность воздуха; Ca – коэффициент поверхностного трения; W, W1, W2 – модуль и компоненты скорости ветра на высоте 10 м над уровнем моря. Граничные условия на дне (σ = – 1) имеют вид: 0=w , α α σ uuC uK b m D = ∂ ∂ при 1−=σ , (9) 0= ∂ ∂ σ TK D c , 0= ∂ ∂ σ SK D c при 1−=σ , (10) где u – модуль горизонтальной скорости течений; Cb = κ2/ln(δz/zb) 2 – ко- эффициент придонного трения; κ = 0,4 – постоянная Кармана; δz – расстоя- ние по вертикали от дна до точки, в которой определяется коэффициент трения; zb – параметр шероховатости донной поверхности. На твердых боковых границах задаются условия «прилипания» для го- ризонтальных компонент скорости и условия нулевых потоков для темпера- туры и солености. На жидких границах используются условия свободного прохождения (см. ниже). На замыкающих створах рек известны расходы (Qr), температура и соленость вытекающей воды (Tr и Sr). Численная реализация модели. Детальное изложение численного ал- горитма решения системы (1) – (5) приведено в монографии [1]. Коэффици- енты вертикальной турбулентной вязкости и диффузии (Km и Kc) определя- ются на основе соотношений теории Меллора-Ямады [6]. Модель реализо- вана на сетке с горизонтальным разрешением ~ 1 400 м. По σ-координате использовалось 15 равномерно распределенных уровней. Интегрирование по времени выполнялось с шагом 2 мин. Расчетная область включала Азов- ское море, Керченский пролив и северо-восточный шельф Черного моря. В качестве южной жидкой границы выбран широтный разрез «мыс Меганом – мыс Утриш» (см. рис. 1). Здесь ставились условия свободного прохождения для меридиональной компоненты скорости течений и условия «гладкого продолжения» для температуры и солености: 284 η h g u =2 , 022 = ∂ ∂+ ∂ ∂ y u c t u ф , 0= ∂ ∂ y T , 0= ∂ ∂ y S . (11) Здесь 2u – осредненная по глубине меридиональная компонента скорости; cф – фазовая скорость возмущений скорости вблизи границы, оцениваемая по известным с предыдущего временнóго шага значениям u2 [1]. 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 45.0 45.5 46.0 46.5 47.0 S1 S2 S3 S4 R1 R3 R2 Р и с . 1 . Рельеф дна Азовского моря (м) и положение береговых станций: S1 – ГМС Геническ, S2 – ГМС Бердянск, S3 – ГМС Мариуполь, S4 – ГМС Мы- совое. Положение речных русел: R1 – Дон, R2 – рукав Кубань, R3 – рукав Про- тока. Особенности распространения речных вод в Азовском море. Речной сток является одним из основных факторов, определяющим термохалинную структуру вод Азовского моря. Поступление речного стока в море обычно приводит к формированию фронтальных зон солености в приустьевых рай- онах. Исследованию распространения речных вод в морских бассейнах на основе моделирования и анализа натурных данных посвящено ряд работ (см. [3, 4], а также обзор в [7]). В общих чертах этот процесс можно оха- рактеризовать следующим образом. Поток речных вод на выходе из устья, вначале распространяется в сторону моря, а затем под влиянием силы Ко- риолиса поворачивает вправо и распространяется вдоль берега в виде струйного течения. При этом вблизи устьев, обычно возникает характерная выпуклость (плюм), которая может включать вихревую структуру между основной струей течения и берегом. с.ш. 47,0° 46,5° 46,0° 45,5° 45,0° 35,0° 35,5° 36,0° 36,5° 37,0° 37,5° 38,0° 38,5° 39,0° в.д. 285 В численных экспериментах не учитывались внешние воздействия, т.е. принимались условия полного штиля (τ0 α = 0) и нулевых потоков тепла и солей на границах бассейна. Учитывался только сток Дона и Кубани, по- скольку на них приходится ~ 98 % всего впадающего в море пресного стока [2]. Дон моделировался одним рукавом (точка R1 на рис. 1), Кубань – двумя рукавами (точки R2 и R3 на рис. 1). В качестве Qr были взяты среднемноголетние значения мгновенных расходов: – Дон Qr,1 = 700 м3/с; – рукав Кубань Qr,2 = 170 м3/с; – рукав Протока Qr,3 = 170 м3/с. Соленость воды на замыкающих створах принималась равной 2‰. При этом температура воды равнялась среднему по глубине значению в бли- жайшем к устью расчетном узле. Уравнение состояния (5) задавалось фор- мулой ЮНЕСКО. Горизонтальная турбулентная вязкость и диффузия не учи- тывались (Am = Ac = 0). Общее время интегрирования составляло 365 сут. В на- чальный момент времени температура и соленость воды задавались постоян- ными по всей акватории (T = 14,7°C, S = 13,7‰). На рис.2 показаны модельные поля солености вод Азовского моря на горизонте z = – 1 м для характерных моментов времени. Поля получены путем линейной интерполяции с σ-координатной сетки на z-координатную сетку. 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 45.5 46.0 46.5 47.0 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 Р и с . 2 . Модельное распределение солености вод Азовского моря (‰) на го- ризонте z = – 1 м: а – после 110 суток интегрирования; б – после 285 суток ин- тегрирования. Показано положение изолиний 12,5; 10 и 8‰. Как видно, струя пресных вод Дона распространяется вдоль северного берега моря на запад, а струи из рукавов Кубань и Протока – вдоль восточного берега на север. Такой ха- рактер распространения речных вод соответствует, описанным выше, тео- ретическим представлениям. По мере движения струи опоясывают всю прибрежную зону моря. Толщина струй составляет 1 – 1,5 м. Воды Кубани движутся вдоль Должанской косы и поступают в Таганрогский залив, где со временем смешиваются с водами Дона, формируя общую струю. Со време- нем эта струя огибает северное побережье Керченского полуострова и про- никает в Керченский пролив, а через него – в Черное море, распространяясь вдоль южного побережья Керченского полуострова на запад. 35,0° 35,5° 36,0° 36,5° 37,0° 37,5° 38,0° 38,5° в.д. 35,0° 35,5° 36,0° 36,5° 37,0° 37,5° 38,0° 38,5° в.д. с.ш. 47,0° 46,5 46,0° 45,5° а б 286 Представляет интерес рассмотреть основные особенности возникающих в море стоковых течений. Пример поля стоковых течений для z = – 1 м и 245 су- ток интегрирования приведен на рис. 3. Как видно, стоковые течения представ- ляют собой циклоническую вдольбереговую струю, опоясывающую море. Струя втекает в Керченский пролив, а через него – в Черное море вдоль южного побережья Керченского пролива на запад. Скорость течений в струе в среднем составляет 0,03 – 0,05 м/с. Интенсификация стоковых тече- ний в струе происходит у мысов и вершин кос. Самые большие скорости стоковых течений (0,1 – 0,17 м/с) наблюдаются вблизи устьев рек. 0.1 м/c Р и с . 3 . Поле поверхностных стоковых течений Азовского моря после 245 суток интегрирования. Сложность конфигурации береговой линии и рельефа дна приводит к меандрированию струи и образованию локальных вихревых структур. Так в вершине Таганрогского залива слева от основной струи формируется ло- кальный циклонический вихрь. В приустьевом районе Кубани прослежива- ется плюм в классическом виде – к струе рукава Кубань справа примыкает антициклонический вихрь. При подходе к косе Обиточной струя раздваива- ется, образуя в заливе меандр, в центре которого формируется замкнутый циклонический круговорот. Похожая картина раздваивания струи еще бо- лее отчетливо видна и в Утлюкском лимане. Динамика вод Азовского моря в ноябре 2007 г. В качестве расчетно- го периода выбран ноябрь 2007 г. Это обусловлено тем, что 10 – 11 ноября произошел мощный шторм, приведший к катастрофе нескольких судов в Керченском проливе и аномальному подъему уровня Азовского моря в рай- оне г. Бердянск [5]. Для оценки потоков тепла и солей в (7) применялся метод климатоло- гического форсинга (relaxation towards climatology) [8], согласно которому: )(0 TTcQ cTpT −= γρ , )(0 SSQ cSS −= γρ , (12) где γT, γS – заданные релаксационные константы; Tc, Sc – климатические значения температуры и солености на поверхности моря; T, S – значения температуры и солености с 1-го расчетного уровня модели. 0,1 м/с 287 Моделирование выполнялось в два этапа. На первом (вспомогательном) этапе (период времени 30 суток) выполнялась инициализация численной мо- дели. Начальные 3-х мерные распределения температуры и солености вод Азовского моря представляли собой результат интерполяции климатических величин, полученных из базы наблюдений Морского отделения УкрНИГМИ [2]. По горизонтали применялась интерполяция с весами, обратно пропорцио- нальными расстоянию до узла с учетом радиуса корреляции [2], по верти- кали использовалась сплайн-интерполяция. Скорости течений и уровень моря в начальный момент времени принимали нулевые значения. Вклад ветра и атмосферного давления на этом этапе не учитывался (τ0 α = 0, pa = 0). Коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости Am рассчитывался по формуле Смагоринского [1], а коэффициент горизонтальной диффузии тем- пературы и солености Ac = 0,2Am [6]. Полученные после 30-ти суток интегрирования поля течений, уровня моря, температуры и солености принимались в качестве начальных условий для второго этапа. На этом этапе, длившемся с 1 по 30 ноября 2007 г., про- водился учет влияния ветра и атмосферного давления. Поверхностные каса- тельные напряжения и градиенты атмосферного давления рассчитывались с использованием результатов модели SKIRON (http://forecast.uoa.gr) за но- ябрь 2007 г. Пространственное разрешение метеорологических полей над Азовским морем составляло 10 км, дискретность по времени 2 ч. На обоих этапах учитывался климатологический форсинг и сток рек. Для расчета мгновенных расходов рек и полей Tc, Sc в (12) использовалась интерполяция по времени климатических данных за октябрь – ноябрь. По аналогии с работой [8], релаксационные константы в (12) принимали сле- дующие значения: γT = 2,315⋅10–5 м/с, γS = 2,315⋅10–4 м/с. Согласно результатам моделирования, в море периодически происхо- дили интенсивные сгонно-нагонные колебания уровня, обусловленные уси- лением ветра. Колебания представляли собой чередующиеся во времени области подъема уровня у наветренных берегов и понижений уровня у под- ветренных берегов. В периоды относительного затишья в центральной час- ти моря прослеживалось циклоническое смещением фазы колебаний, т.е. с течением времени происходило вращение областей подъема и опускания уровня вокруг центра бассейна против часовой стрелки по типу волны Кельвина в замкнутом бассейне. Как показано в [1], такой характер измене- ния фазы колебаний вызван влиянием силы Кориолиса. Рис. 4 иллюстрирует временнóй ход уровня моря (L) на береговых гид- рометеорологических станциях (ГМС) Геническ, Бердянск, Мариуполь и Мысовое (точки S1 – S4 на рис. 1) по данным численного моделирования. Видно, что колебания уровня в Геническе и Мариуполе находятся, как пра- вило, в противофазе, что объясняется географическим положением этих пунктов (пункты находятся на противоположных концах бассейна). Изме- нения уровня на станции Бердянск, за исключением 11 ноября, существенно меньше, по сравнению с изменениями в первых двух пунктах, поскольку станция находится между ними. 288 0 5 10 15 20 25 30 t, сут -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 Модель Наблюдения L, м а 0 5 10 15 20 25 30 t, сут -0.4 0 0.4 0.8 Модель Наблюдения L, м б 0 5 10 15 20 25 30 t, сут -0.4 0 0.4 0.8 Модель Наблюдения L, м в 0 5 10 15 20 25 30 t, сут -0.8 -0.4 0 0.4 0.8 Модель Наблюдения L, м г Р и с . 4 . Уровень Азовского моря (м), измеренный в ноябре 2007 г. на ГМС: а – Геническ; б – Бердянск; в – Мариуполь; г – Мысовое. Результаты моделирования уровня моря сопоставлялись с данными натур- ных наблюдений. Эти ряды представляли собой: ежечасные измерения уровня самописцами на станциях Геническ и Мариуполь, а также измерения по фут- штоку через каждые 6 ч на станциях Бердянск и Мысовое. Как видно (см. рис. 4), модель достаточно адекватно описывает вариации уровня моря на берего- вых станциях. Наблюдается удовлетворительное воспроизведение фаз подъе- мов и спадов уровня. Хорошо воспроизведен также и особо опасный подъем уровня в Бердянске 11 ноября. В первую декаду ноября ошибка воспроизведе- ния уровня больше, по сравнению с двумя другими декадами, что связано с ис- пользованием нулевых начальных условий для уровня. Представляет практический интерес выделение тех участков акватории Азовского моря, где сгонно-нагонные процессы наиболее интенсивны. На рис. 5 показано пространственное распределение экстремумов уровня моря для ноября 2007 г. (рис. 5, а – изолинии максимальных подъемов уровня; рис. 5, б – 0,8 0,4 0,0 -0,4 0,8 0,4 0,0 -0,4 -0,8 0,8 0,4 0,0 -0,4 -0,8 0,8 0,4 0,0 -0,4 0 5 10 15 20 25 t, сут 0 5 10 15 20 25 t, сут а б в г 289 45.5 46.0 46.5 47.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 45.5 46.0 46.5 47.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 Р и с . 5 . Пространственное распределение экс- тремов уровня Азовского моря (м) для ноября 2007 г: а – максимальные подъемы; б – макси- мальные опускания. с.ш. 47,0° 46,5° 46,0° 45,5° с.ш. 47,0° 46,5° 46,0° 45,5° 35,0° 35,5° 36,0° 36,5° 37,0° 37,5° 38,0° 38,5° 39,0° в.д. изолинии максимальных опусканий уровня). Поля построены путем выбора в каждом узле сетки абсолютных максимумов и минимумов уровня за месячный период. Видно, что за иссле- дуемый период наиболее существенные нагоны (бо- лее 1 м) происходили: – с западной стороны косы Обиточной; – в вершине Таганрогс- кого залива; – с южной стороны косы Долгой; – в прибрежной зоне Ясеньского залива. Сгоны наиболее сущест- венно проявляются вдоль западного побережья (район Арабатской стрелки) и в вос- точной половине Таганрог- ского залива. Можно также заключить, что наименее ди- намически активной, с точки зрения возникновения ин- тенсивных колебаний уров- ня, является центральная часть моря. Это вполне по- нятно, поскольку через центр моря проходят узло- вые линии. Как показал анализ ре- зультатов моделирования циркуляции, в период с 1 по 30 ноября 2007 г. возни- кала ее эпизодическая интенсификация, обусловленная усилением ветра в период штормов. При ослаблении ветра уменьшался относительный вклад дрейфовой компоненты и возрастала роль компенсационных течений. Су- щественная изменчивость поля ветра по скорости и по направлениям спо- собствовала постоянной перестройке структуры циркуляции, что препятст- вовало формированию каких-либо «долгоживущих» вихревых структур и противотечений, подобных тем, которые возникают в море при стационар- ных ветровых условиях [2]. Рис. 6 дает представление о пространственном распределении максимума модуля скорости поверхностных течений для ноября 2007 г. Изолинии скорости даны через 0,05 м/с, начиная с 0,5 м/c. Для построения поля проводился выбор в каждом узле сетки абсолютного максимума скорости на горизонте z = – 1 м. Общей тенденцией является интенсификация течений в районе вершин кос и в узостях. Наиболее динамически активный район – западная часть 290 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 45.5 46.0 46.5 47.0 Р и с . 6 .Пространственное распределение абсо- лютных максимумов скорости течений Азовского моря (м/c) на горизонте z = – 1 м для ноября 2007 г. Изолинии даны через 0,05 м/c. с.ш. 47,0° 46,5° 46,0° 45,5° 35,0° 35,5° 36,0° 36,5° 37,0° 37,5° 38,0° 38,5° 39,0° в.д. Таганрогского залива, что обусловлено возникновением здесь сильных ревер- сивных течений в период штормовой деятельности. Обращает на себя внимание обширная область интенсификации в западной части глубоководной котлови- ны. Также прослеживается локальный топографический эффект – усиление течений над банкой Железинской. Поля солености и те- чений Азовского моря в поверхностном слое (на горизонте z = – 1 м) для трех характерных момен- тов времени (за день до шторма 11 ноября, в пе- риод шторма и через неде- лю после шторма) приве- дены на рис. 7. Поле соле- ности в центральной час- ти моря наиболее одно- родно. Выделяются сле- дующие районы с повы- шенными градиентами солености: – фронтальная зона в Таганрогском заливе, обусловленная стоком Дона; – зона соленых вод в южной части моря, связанная с проникновением черноморских вод через Керченский пролив при ветрах южных румбов; – две локальные зоны распресненных вод у рукавов Кубани. При сильных ветрах происходят горизонтальные смещения фронталь- ных зон солености. Так, во фронтальной зоне Таганрогского залива вариа- ции солености достигают 2 – 3‰. Напротив, в глубоководной котловине моря эти вариации не превышают 0,2‰. В период штормов происходит су- щественное уменьшение размеров плюмов в районе Кубани (до их полного исчезновения). В период относительного затишья плюмы начинают вновь проявляться. В целом, тенденции изменения солености в конкретных районах моря определяются, тем, является ли действующий ветер сгонным или на- гонным по отношению к рассматриваемому району. Через 1,5 – 2 суток по- сле начала действия штормового ветра происходит повсеместное практиче- ски полное вертикальное перемешивание водных масс. Заключение. Разработана численная модель циркуляции вод Азовского моря, учитывающая термохалинные процессы. На ее основе проведены численные эксперименты по моделированию распространения вод Дона и Кубани без учета внешних воздействий. Показано, что стоковые течения представляют собой циклоническую вдольбереговую струю, опоясываю- щую море. Струя вод вытекает в Керченский пролив, а через него – в Чер- ное море, распространяясь вдоль южного побережья Керченского полуост- рова на запад. Скорость течений в струе составляет 0,03 – 0,05 м/с. 291 0.25 м/c 1.5 4.0 6.5 9.0 11.5 14.0 S, ‰ 0.25 м/c 1.5 4.0 6.5 9.0 11.5 14.0 S, ‰ 1 м/c 1.5 4.0 6.5 9.0 11.5 14.0 S, ‰ Р и с . 7 . Поле солености и течений Азовского моря в поверх- ностном слое: а – 10 ноября 2007 г. 12:00 GMT; б – 11 ноября 2007 г. 12:00 GMT; в – 17 ноября 2007 г. 12:00 GMT. а б в 291 291 292 Интенсификация стоковых течений происходит у мысов и вершин кос. Максимальные скорости стоковых течений (0,1 – 0,17 м/с) наблюдаются вблизи устьев рек. Сложность конфигурации береговой линии и неодно- родности рельефа дна приводят к меандрированию струи стоковых течений и образованию локальных вихревых структур. Выполнено численное моделирование эволюция течений, уровня и термо- халинной структуры вод Азовского моря в условиях осенних штормов. В каче- стве начальных полей использованы климатические распределения температу- ры и солености Азовского моря за октябрь [2], а в качестве форсинга – резуль- таты численного моделирования атмосферных полей за 1 – 30 ноября 2007 г. Показано, что наиболее динамически активными районами являются: фронтальная зона в Таганрогском заливе, обусловленная стоком Дона; зона соленых вод в южной части моря, связанная с проникновением черномор- ских вод через Керченский пролив при ветрах южных румбов; две локаль- ные зоны распресненных вод у рукавов Кубани. Вариации солености во фронтальной зоне Таганрогского залива достигают 2 – 3 ‰. Напротив, в глубоководной котловине моря эти вариации не превышают 0,2 ‰. Через 1,5 – 2 суток после начала действия штормового ветра происходит полное вертикальное перемешивание водных масс. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Иванов В.А., Фомин В.В. Математическое моделирование динамических про- цессов в зоне море-суша. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2008. – 363 с. 2. Ильин Ю.П., Фомин В.В., Дьяков Н.Н., Горбач С.Б. Гидрометеорологические условия морей Украины. Т.1. Азовское море. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ- Гидрофизика», 2009. – 401 с. 3. Михайлова Э.Н., Шапиро Н.Б. Моделирование распространения и трансформа- ции речных вод на северо-западном шельфе и в глубоководной части Черного моря // Морской гидрофизический журнал. – 1996. – № 3. – С.30-40. 4. Фомин В.В. Применение TVD-схем для численного моделирования фронталь- ных зон солености в мелком море // Метеорология и гидрология. – 2006. – № 2. – С. 59-68. 5. Сайт МНС України. [Электронный ресурс]. http://www.mns.gov.ua. (Последнее обращение 23.11.2011. 6. Blumberg A.F., Mellor G.L. A description of three dimensional coastal ocean circula- tion model // Three-Dimensional Coast Ocean Models. – 1987. – vol. 4. – P. 1-16. 7. Fong D.A., Geyer W.R. The alongshore transport of freshwater in a surface- trapped river plume // J. Phys. Oceanogr. – 2002. – vol. 32. – P. 957-972. 8. Jankowski A. Application of the σ-coordinate baroclinic model to the Baltic Sea // Oceanologia. – 2002. – 44 (1). – С. 59-80. Материал поступил в редакцию 25 .11 .2011 г . 293 АНОТАЦ IЯ Запропоновано 3-х мірна чисельна модель циркуляції вод Азовсько- го моря, що враховує термохалінних процеси. З використанням моделі вивчено осо- бливості поширення річкових вод в Азовському морі і отримані оцінки швидкостей стічних течій. Досліджено еволюцію полів солоності, течій і рівня Азовського моря в період осінніх штормів листопада 2007 року. Проведено зіставлення результатів моделювання з даними вимірів на берегових станціях. ABSTRACT Proposed 3-dimensional numerical model of water circulation of the Azov Sea, which takes into account thermohaline processes. Using the model studied features of distribution of river waters in the Azov Sea and the rates of runoff flows. The evolution of the fields of salinity, currents and the level of the Azov Sea in the period of autumn storms in November 2007. A comparison of simulation results with measurements at coastal sta- tions.

Численная бароклинная модель циркуляции вод Азовского моря

Institution

Ähnliche Einträge