Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море
В работе с использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются сгонно-нагонные явления и течения в Азовском море, вызываемые переменным ветром при наличии стационарных течений. Исследованы особенности трансформации примеси в акватории Азовского моря при совместном действии стационар...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2010
|
| Назва видання: | Морской гидрофизический журнал |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56745 |
| 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: | Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море / В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 3. — С. 15-28. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-56745 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-567452014-02-24T03:16:00Z Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море Иванов, В.А. Фомин, В.В. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Термогидродинамика океана В работе с использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются сгонно-нагонные явления и течения в Азовском море, вызываемые переменным ветром при наличии стационарных течений. Исследованы особенности трансформации примеси в акватории Азовского моря при совместном действии стационарного и нестационарного ветров. На основании результатов численных расчетов сделаны выводы о зависимости времени рассеяния загрязнений от скорости ветра и расположения районов загрязнений. Показано, что переменный ветер приводит к существенному увеличению отклонений уровня моря и площади распространения загрязнения по сравнению с воздействием только стационарных течений. У роботі з використанням тривимірної нелінійної математичної моделі вивчаються явища згону-нагону і течії в Азовському морі, спричинені змінним вітром за наявності стаціонарних течій. Досліджені особливості трансформації домішки в акваторії Азовського моря при сумісній дії стаціонарного і нестаціонарного вітру. На підставі результатів чисельних розрахунків зроблені висновки про залежність часу розсіяння забруднень від швидкості вітру і розташування районів забруднень. Показано, що змінний вітер призводить до істотного збільшення відхилень рівня моря і площі розповсюдження забруднення в порівнянні з дією тільки стаціонарних течій. Surge phenomena and currents in the Azov Sea induced by variable wind in the presence of stationary currents are studied using three-dimensional non-linear mathematical model. Features of impurity transformation in the Azov Sea caused by time-variable wind are investigated. The results of numerical calculations permit to draw the conclusions on dependence of time of pollution dissipation upon wind speed and location of the polluted areas. It is shown that variable wind lead to significant increase of the sea level variation and growth of pollution propagation as compared to the effect of stationary currents only. 2010 Article Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море / В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 3. — С. 15-28. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56745 532.59 ru Морской гидрофизический журнал Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Термогидродинамика океана Термогидродинамика океана |
| spellingShingle |
Термогидродинамика океана Термогидродинамика океана Иванов, В.А. Фомин, В.В. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море Морской гидрофизический журнал |
| description |
В работе с использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются сгонно-нагонные явления и течения в Азовском море, вызываемые переменным ветром при наличии стационарных течений. Исследованы особенности трансформации примеси в акватории Азовского моря при совместном действии стационарного и нестационарного ветров. На основании результатов численных расчетов сделаны выводы о зависимости времени рассеяния загрязнений от скорости ветра и расположения районов загрязнений. Показано, что переменный ветер приводит к существенному увеличению отклонений уровня моря и площади распространения загрязнения по сравнению с воздействием только стационарных течений. |
| format |
Article |
| author |
Иванов, В.А. Фомин, В.В. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. |
| author_facet |
Иванов, В.А. Фомин, В.В. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. |
| author_sort |
Иванов, В.А. |
| title |
Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море |
| title_short |
Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море |
| title_full |
Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море |
| title_fullStr |
Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море |
| title_full_unstemmed |
Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море |
| title_sort |
исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в азовском море |
| publisher |
Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Термогидродинамика океана |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56745 |
| citation_txt |
Исследование влияния ветрового воздействия на течения и распространение примеси в Азовском море / В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 3. — С. 15-28. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Морской гидрофизический журнал |
| work_keys_str_mv |
AT ivanovva issledovanievliâniâvetrovogovozdejstviânatečeniâirasprostranenieprimesivazovskommore AT fominvv issledovanievliâniâvetrovogovozdejstviânatečeniâirasprostranenieprimesivazovskommore AT čerkesovlv issledovanievliâniâvetrovogovozdejstviânatečeniâirasprostranenieprimesivazovskommore AT šulʹgatâ issledovanievliâniâvetrovogovozdejstviânatečeniâirasprostranenieprimesivazovskommore |
| first_indexed |
2025-07-05T08:03:13Z |
| last_indexed |
2025-07-05T08:03:13Z |
| _version_ |
1836793298784616448 |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
15
УДК 532.59
В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга
Исследование влияния ветрового воздействия на течения
и распространение примеси в Азовском море
В работе с использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются
сгонно-нагонные явления и течения в Азовском море, вызываемые переменным ветром при
наличии стационарных течений. Исследованы особенности трансформации примеси в аквато-
рии Азовского моря при совместном действии стационарного и нестационарного ветров. На
основании результатов численных расчетов сделаны выводы о зависимости времени рассеяния
загрязнений от скорости ветра и расположения районов загрязнений. Показано, что перемен-
ный ветер приводит к существенному увеличению отклонений уровня моря и площади распро-
странения загрязнения по сравнению с воздействием только стационарных течений.
Введение
Азовское море, несмотря на свои небольшие размеры, имеет важное на-
роднохозяйственное значение. Прежде всего оно отличается высокими рыб-
ными запасами, обусловленными мелководностью моря и низкой соленостью
его вод. Месторождения лечебных грязей и минеральных вод создают благо-
приятные условия для использования моря в лечебно-курортных и рекреаци-
онных целях. Также Азовское море является важным звеном транспортного
сообщения между портами Волжско-Камского и Азово-Черноморского бас-
сейнов. Сравнительно небольшое по площади и объему море испытывает
значительные антропогенные нагрузки, которые проявляются в его продол-
жающемся распреснении и ухудшении качества вод [1].
Мелководность и внутриконтинентальное расположение моря определя-
ют большую временную изменчивость гидрологических характеристик.
По данным многолетних наблюдений [2], размах колебаний уровня составля-
ет от 2,0 (Бердянск) до 6,1 м (Таганрог). Азовское море относится к числу
наиболее изученных, имеется сеть морских береговых станций и постов, про-
водятся стандартные и специализированные экспедиционные исследования.
Однако комплексных работ, дающих представление о гидрометеорологиче-
ских процессах в целом, очень мало.
Численное моделирование позволяет глубже понять взаимосвязи между
Азовским морем и сезонными изменениями погоды. В работе [3] с использо-
ванием двумерных уравнений мелкой воды сделан анализ длинноволновых
возмущений, вызванных прохождением циклонов над Азовским морем. Мо-
делирование ветрового волнения и циркуляции в этом районе для однород-
ных по пространству и типовых распределений ветра проводится в [4].
В статьях [5, 6] выполнено исследование времени полного рассеяния приме-
си, максимальной площади загрязнения и трансформации областей загрязне-
ния под действием только переменного по времени ветра в зависимости от
его скорости.
В настоящей работе с использованием трехмерной нелинейной матема-
тической модели изучаются динамические процессы, возникающие в Азов-
В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга, 2010
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
16
ском море под действием переменного по времени ветра при наличии ста-
ционарных течений. Приводятся результаты анализа влияния стационарных
течений на трансформацию примеси для различных параметров переменно-
го ветра.
Постановка задачи
Граничные и начальные условия. Введем систему координат, в которой
ось x направлена на восток, y – на север, z – вертикально вверх. Для расчета
используем нелинейные уравнения движения однородной несжимаемой жид-
кости в приближении теории мелкой воды [4, 7]:
z
u
K
zyxx
p
fv
td
ud
M ∂
∂
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂+− )()(
1
1211 ττ
ρ
, (1)
z
v
K
zyxy
p
fu
td
vd
M ∂
∂
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂++ )()(
1
2221 ττ
ρ
, (2)
0=+
∂
∂ ρg
z
p
, (3)
0=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
z
w
y
v
x
u
. (4)
Здесь все обозначения общепринятые.
Компоненты тензора турбулентных напряжений Рейнольдса ijτ в (1), (2)
определяются через градиенты осредненных скоростей по формулам
x
u
AM ∂
∂= 211τ ,
∂
∂+
∂
∂==
y
u
x
v
AM2112 ττ ,
y
v
AM ∂
∂= 222τ . (5)
Коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости MA вычисляется с
помощью формулы Смагоринского [8]. Для параметризации коэффициента
вертикальной турбулентной вязкости MK использовалась теория Мелло-
ра − Ямады [9].
Граничные условия на свободной поверхности имеют вид
y
v
x
u
t
w
z ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
=
ζζζ
ζ , (6)
( )yx
z
M z
v
z
u
K 00 ,, ττ
ζ
=
∂
∂
∂
∂
=
. (7)
Здесь Wxx WCà0 =τ и Wyy WCà0 =τ – проекции касательных напряжений
трения ветра, xW , yW – компоненты вектора скорости ветра W на высоте
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
17
10 м над уровнем моря. Для численных расчетов коэффициент поверхностно-
го трения àC выбран в соответствии с работой [10].
На боковых границах выполняется условие прилипания. На дне
(z = −H(x, y)) равна нулю нормальная составляющая скорости:
0=
∂
∂+
∂
∂+
−= Hz
y
H
v
x
H
uw . (8)
Придонные касательные напряжения связаны со скоростью квадратичной
зависимостью [7]:
( )yx
Hz
M z
v
z
u
K 11 ,, ττ=
∂
∂
∂
∂
−=
, (9)
где 22
b1 vuuCx +=τ , 22
b1 vuvCy +=τ . Здесь коэффициент донного трения
bC находится по формуле ( )02
-22
b ln zzkC = , где 2z – шаг по вертикали в
придонном слое; 0z = 0,003 м – параметр шероховатости, характеризующий
гидродинамические свойства подстилающей донной поверхности.
В начальный момент времени t = 0 движение жидкости отсутствует, сво-
бодная поверхность горизонтальна:
0)0,,,( =zyxu , 0)0,,,( =zyxv , 0)0,,,( =zyxζ . (10)
Над Азовским морем начиная с t = 0 действует постоянный ветер, гене-
рирующий стационарные течения. В качестве ветра, выводящего течения на
установившийся режим, выбран однородный по пространству ветер, скорость
которого stW первые 3 ч (0 < t ≤ 3) нарастает со временем по линейному за-
кону, достигает своего наибольшего значения и далее не меняется.
Момент времени выхода течений на установившийся режим (t = t0) опре-
деляем из условия, что относительные изменения полной энергии, осреднен-
ной по объему моря на смежных шагах по времени, не превосходят 1% [11].
Этот момент времени считаем началом действия переменного ветра и выбро-
са загрязнения. Начиная с t = t0 над Азовским морем в поле стационарного
ветра возникает переменный по времени и однородный по пространству ве-
тер со скоростью varW . Тогда выражение для скорости приводного ветра
имеет вид
>+
≤≤
=
.,
,0,
0varst
0st
tt
tt
WW
W
W Скорость varW начиная с момента
времени t = t0 линейно нарастает и через 3 ч в каждой точке акватории
достигает своего наибольшего значения. Далее в течение 12 ч не изменяется,
следующие 3 ч линейно убывает до нуля.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
18
Область загрязнения при t = t0 расположена в поверхностном слое и име-
ет вид пятна радиусом R:
( )
−<≤<>
−≥≥≤
==
.,;0,,0
,0,,1
,,,
1
1
00 zzRrzRr
zzRr
CtzyxC (11)
Здесь )()( 0
2
0 yyxxr −+−= – расстояние от центра области ),( 00 yx до
точки, в которой вычисляется концентрация; 1z – толщина слоя области за-
грязнения, которое считается рассеявшимся при условии, что максимум кон-
центрации Cd становится равным 2,5·10-2.
Для расчета изменения концентрации С(x, y, z, t) используем уравнение
переноса и диффузии [7]
,
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂=
z
C
K
zy
C
A
yx
C
A
xdt
dC
HHH (12)
где АН и КН – коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбулентной
диффузии.
К граничным условиям на свободной поверхности и в придонном слое
добавляются условия
,0=
∂
∂
=ζz
H n
C
K (13)
.0=
∂
∂
−= Hz
H n
C
K (14)
На боковых границах выполняется условие отсутствия потока примеси в
направлении внешней нормали n:
.0=
∂
∂
n
C
AH (15)
Численная реализация модели и выбор параметров. В исходных урав-
нениях (1) – (4), граничных условиях (6) – (9), (13) – (15) и начальных (10)
осуществляется переход от координаты z к σ-координате [4, 5]: 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∆ = 1350 м) и по σ-координате. Количество
расчетных уровней по вертикали равно 11. Уравнения решаются с шагом
t∆ = 18 с для определения осредненных двумерных компонент скорости и
уровня моря и с шагом t∆10 – для вычисления отклонений от найденных
средних и вертикальной компонент скорости. Рельеф дна и конфигурация
береговой линии Азовского моря в узлах сетки взяты с навигационных карт.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
19
Сезонные изменения погоды на Азовском море формируются под влия-
нием крупномасштабных синоптических процессов. В осенне-зимнее время
на Азовское море воздействует отрог сибирского антициклона, в весенне-
летнее время – отрог Азорского максимума [2, 12]. Ветры неустойчивы по
направлению, их скорость незначительна (5 м/с). Часто наблюдается полный
штиль. Весной над морем перемещаются средиземноморские циклоны, кото-
рые сопровождаются юго-западными ветрами со скоростью 4 − 10 м/с. В чис-
ленных расчетах выход течений на установившийся режим осуществляется
под действием постоянного западного ветра, скорость которого изменяется
в пределах 5 – 15 м/с ( =1
stW 5, =2
stW 10, =3
stW 15 м/с). Для поля нестацио-
нарного западного ветра продолжительностью действия 12 ч наибольшая
скорость принималась равной 5 и 10 м/с.
Анализ численных экспериментов
1. В первой серии численных экспериментов исследуется влияние раз-
личных параметров постоянного и нестационарного ветров на отклонения
уровня моря и поля скоростей течений. На рис. 1 приведены поля скоростей
течений на поверхности моря в моменты времени, соответствующие различ-
ным ветровым режимам.
Для стационарного режима (рис. 1, а) характерно преобладающее на-
правление течений в одну сторону с действующим ветром, и только в цен-
тральной части моря течения отклоняются на 40 − 50° от него. С началом
действия нестационарного ветра структура течений изменяется (рис. 1, б). Их
направление через 15 ч (t = t0 + 15 ч) во всей акватории ориентировано на
восток, заметно увеличивается скорость, и наибольшее ее значение отмечает-
ся в Таганрогском заливе. Спустя 12 ч (t = t0 + 30 ч) после прекращения дей-
ствия переменного ветра (рис. 1, в) вдоль побережья и в Таганрогском заливе
преобладает направление течений в одну сторону со стационарным ветром, в
центральной части моря имеет место антициклонический меандр струй тече-
ний. При этом скорости течений существенно уменьшаются.
Поля уровня моря, полученные в результате моделирования, показаны на
рис. 2 (в те же моменты времени что и на рис. 1). Отсюда видно, что в уста-
новившемся режиме (рис. 2, а) отмечаются понижение уровня вдоль западно-
го побережья (сгоны) и повышение – вдоль восточного берега (нагоны). Уз-
ловая (штриховая) линия пересекает центральную часть моря, она ориенти-
рована перпендикулярно направлению ветра. Через 15 ч после начала дейст-
вия переменного ветра (рис. 2, б) узловая линия повернута по часовой стрел-
ке относительно центральной области моря. Зоны сгона и нагона сохраняют-
ся в тех же областях моря, что и в установившемся режиме, при этом их ве-
личина существенно возрастает. С прекращением действия нестационарного
ветра (рис. 2, в) в центральной части моря отмечается понижение уровня, а в
западной и восточной областях – его повышение. В то же время в Таганрог-
ском заливе последствия действия переменного ветра мало сказываются на
изменениях полей уровня.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
20
Р и с. 1. Поля скоростей течений в слое 0 − 1 м: а – при постоянном ветре; б – при совместном
действии постоянного и переменного ветров; в – через 12 ч после прекращения действия пере-
менного ветра
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
21
Р и с. 2. Поля уровня (м) Азовского моря в те же моменты времени, что на рис. 1
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
22
В табл. 1 приведены скорости стационарных течений и максимальные
скорости нестационарных течений, вызванных совместным действием посто-
янного и переменного ветров различных скоростей.
Т а б л и ц а 1
Скорости стационарных течений
и максимальные скорости нестационарных течений (см/с),
вызванных совместным действием постоянного и переменного ветров
=1
stW 5 м/с =2
stW 10 м/с =3
stW 15 м/с
Wvar Wvar Wvar
Глубина,
м
1
stW
5 м/с 10 м/с
2
stW
5 м/с 10 м/с
3
stW
5 м/с 10 м/с
0 14 73 86 34 91 140 62 125 157
3 11 69 79 28 85 127 52 117 146
5 9 61 75 24 72 81 46 110 135
10 6 45 52 17 65 91 32 77 94
Из анализа данных, представленных в таблице следует, что при увеличе-
нии скорости постоянного ветра в 2 и 3 раза скорости стационарных течений
на поверхности достигают 14; 34; 62 см/с, т. е. возрастают соответственно в
1,8 и 4,4 раза. Под действием переменного ветра скорости течений на всех
горизонтах увеличиваются. Сравнивая максимальные скорости течений в по-
верхностном слое, генерируемых переменным ветром при различных скоро-
стях постоянного (86 см/с при 1
stW ; 140 см/с при 2
stW ; 157 см/с при 3
stW ),
отметим их возрастание в 1,6 и 1,8 раза для бóльших в 2 и 3 раза значений
stW . Такое же соотношение скоростей течений прослеживается и на других
горизонтах. При этом происходит уменьшение скорости течений с глубиной,
наименьшее значение отмечается в придонном слое.
Выполним сравнение максимумов вертикальных скоростей течений на
различных горизонтах в стационарном и нестационарном режимах. В табл. 2
приведены максимальные значения вертикальной компоненты скорости (w)
течений, вызванных совместным действием постоянного и переменного вет-
ров различных скоростей.
Т а б л и ц а 2
Максимумы вертикальной скорости течений (мм/с),
вызванных совместным действием постоянного и переменного ветров
=1
stW 5 м/с =2
stW 10 м/с =3
stW 15 м/с
Wvar Wvar Wvar
Глубина,
м
1
stW
5 м/с 10 м/с
2
stW
5 м/с 10 м/с
3
stW
5 м/с 10 м/с
0 0,02 0,05 0,14 0,05 0,10 0,23 0,12 0,16 0,35
3 0,05 0,12 0,26 0,12 0,24 0,38 0,25 0,35 0,53
5 0,06 0,13 0,27 0,15 0,26 0,41 0,27 0,38 0,56
10 0,04 0,09 0,21 0,11 0,18 0,29 0,20 0,27 0,42
Из анализа представленных данных следует, что для рассматриваемых
синоптических ситуаций наибольшее значение w отмечается на горизонте
z = 5 м, наименьшее – в поверхностном слое. Относительная разница между
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
23
максимумами вертикальных скоростей на этих глубинах (0,35 мм/с (z = 0) и
0,56 мм/с (z = 5 м)) составляет 38%.
Воздействие стационарного и переменного ветров наибольших скоростей
вызывает течения, имеющие и бóльшие значения максимумов w. Так, дейст-
вие постоянного ветра трех скоростей 5, 10 и 15 м/с на глубине 5 м генериру-
ет течения, максимум вертикальной скорости которых равен 0,06; 0,15 и
0,27 мм/с соответственно. Таким образом, постоянный ветер в 2 и 3 раза
большей скорости вызывает возрастание w в 2,5 и 4,5 раза.
Как следует из табл. 2, под действием ветров наибольших из рассматри-
ваемых скоростей ( =3
stW 15 м/с и varW = 10 м/с) достигается максимальное
значение вертикальной компоненты скорости 0,56 мм/с (z = 5 м). Эта величи-
на по отношению к максимуму модуля горизонтальной скорости (табл. 1) на
том же горизонте (135 см/с) составляет 4109,3 −⋅ от него. При этом соотноше-
ние между наибольшими значениями вертикальной (0,27 мм/с) и горизон-
тальной (46 см/с) компонент скорости стационарных течений на этой же глу-
бине составляет 4108,5 −⋅ . Анализируя максимумы w, отметим их рост до 65%
для нестационарного случая.
В табл. 3 приведены рассчитанные значения максимумов нагонов и сго-
нов на береговых станциях Азовского моря, вызванных совместным действи-
ем постоянного и переменного ветров различных скоростей. В верхней части
таблицы даны значения нагонов, в нижней − сгонов.
Т а б л и ц а 3
Максимальные нагоны и сгоны (см) на береговых станциях Азовского моря
для различных скоростей постоянного и переменного ветров
=1
stW 5 м/с =2
stW 10 м/с =3
stW 15 м/с
Wvar Wvar Wvar
Береговые
станции
1
stW
5 м/с 10 м/с
2
stW
5 м/с 10 м/с
3
stW
5 м/с 10 м/с
Геническ 0,0 8,7 24,2 0,3 10,5 30,1 0,5 14,4 35,3
Бердянск 0,1 14,1 37,6 2,5 24,6 58,8 11,1 39,3 86,5
Мариуполь 9,8 40,2 95,2 37,3 85,2 153,7 83,7 159,8 248,1
Таганрог 20,7 75,2 174,0 77,4 134,9 244,4 170,9 252,5 389,7
Ейск 13,8 54,0 120,2 52,2 94,7 159,3 116,8 180,4 263,4
Приморско-
Ахтарск
9,9 44,7 116,2 43,2 96,5 199,2 109,7 179,3 313,0
Темрюк 6,1 27,2 73,6 26,9 53,0 119,1 68,0 91,3 177,0
Опасное 3,6 14,7 41,2 15,6 25,2 62,2 39,0 39,0 83,5
Мысовое 0,9 7,6 17,4 3,9 3,9 11,7 10,6 10,6 10,6
Геническ 12,2 55,3 140,7 51,7 113,0 210,8 130,3 225,6 330,0
Бердянск 4,0 17,7 47,2 17,6 33,6 74,5 44,1 53,3 105,8
Мариуполь 0,5 7,7 8,6 1,9 1,9 1,9 3,1 3,1 3,1
Таганрог 1,2 14,6 18,5 5,4 5,4 5,4 17,0 17,0 17,0
Ейск 0,0 10,4 12,3 0,1 0,1 0,1 0,3 0,3 0,3
Приморско-
Ахтарск
0,0 18,4 48,8 0,0 0,4 43,3 0,0 0,0 2,6
Темрюк 1,9 27,0 65,0 4,4 37,7 75,6 0,5 40,1 72,5
Опасное 3,1 26,4 63,9 11,1 42,3 88,4 21,8 64,8 111,3
Мысовое 6,3 27,2 70,5 25,9 63,9 131,9 61,5 116,8 203,4
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
24
Из анализа представленных данных следует, что наибольшие нагоны, ге-
нерируемые системой ветров западного направления, отмечаются на станции
Таганрог. Их величина тем больше, чем больше скорости полей ветра stW и
varW . Так, в стационарном режиме нагоны здесь составляют 20,7 ( 1
stW );
77,4 ( 2
stW ) и 170,9 см ( 3
stW ), т. е. при большей в 2 и 3 раза скорости ветра
максимум нагонов возрастает в 3,7 и 8,3 раза. В результате совместного воз-
действия переменного и постоянного ветров максимальные отклонения уров-
ня становятся больше, чем в установившемся режиме. Для Таганрога имеет
место увеличение нагонов в 2,6 раза при varW = 5 м/с и в 3,6 раза при
varW = 10 м/с.
Из анализа данных, приведенных в нижней части табл. 3, видно, что наи-
большие сгоны формируются для всех рассматриваемых значений скоростей
ветра на станции Геническ. Под действием постоянного ветра скоростей 5, 10
и 15 м/с на этой станции сгоны составляют 12,2; 51,7 и 130,3 см соответст-
венно, т.е. возрастают в 4,2 и 10,6 раза. Совместное действие системы ветров
приводит к возрастанию максимальных сгонов для varW = 5 м/с в 2,8 раза и
для varW = 10 м/с в 4,1 раза.
2. В следующей серии численных экспериментов оценим влияние пара-
метров ветра и положения источников загрязнения на распространение пас-
сивной примеси, поступающей в море в различных районах. Загрязняющие
вещества распространяются под действием турбулентной диффузии и пере-
носятся течениями, генерируемыми постоянным и переменным ветрами.
Согласно информации о состоянии морской и прибрежной экосистем,
полученной в ходе морских экспедиций на НИС «Профессор Панов» и
«Денеб» ЮНЦ РАН за период 2003 – 2006 гг., была проведена оценка
качества вод Азовского моря, выделены зоны экологического риска [1]. На
основании показателей бентического индекса AMBI проведено экологическое
картирование акватории Таганрогского залива и выявлено, что значительная
часть экосистемы залива находится в нарушенном состоянии.
С учетом оценки состояния экосистемы Азовского моря [1] были выбра-
ны районы расположения центров выбросов загрязнений. Они показаны на
рис. 3, а: 1B − в районе Восточно-Казантипского газового месторождения
( =H 10 м); 2B − над самой глубоководной ( =H 12 м) частью моря; 3B − в
Таганрогском заливе ( =H 8 м). Выброс загрязнений происходит на свобод-
ной поверхности в момент времени t = t0 в виде пятен радиусом 9 км. Для
расчета диффузии примеси нейтральной плавучести выбраны следующие
значения коэффициентов: =HA 10 м2/с, 410−=HK м2/с [13]. Для количест-
венной оценки изменения площадей загрязнения с течением времени в по-
верхностном слое ( 0=z ), в районе половины глубины бассейна
( 12 hHz =−= ) и в придонном слое ( 2hzH <<− , где 22 zHh +−= ) исполь-
зуем коэффициент maxK , который рассчитываем как отношение
максимальной площади maxS , ограниченной изолинией концентрации
примеси dC в момент времени maxtt = , к площади первоначального
загрязнения 0S при 0tt = )( 0maxmax SSK = .
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
25
Р и с. 3. Трансформация областей загрязнений с концентрацией не менее 0,025 в те же момен-
ты времени, что на рис. 1
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
26
В табл. 4 приведены коэффициент максимального распространения об-
ласти загрязнения ( maxK ), время его достижения ( maxt , ч) и полного рассея-
ния ( dt , ч) примеси на разных глубинах моря для различных скоростей по-
стоянного ветра и при наличии переменного ветра скоростью 10 м/с.
Т а б л и ц а 4
Параметры ( maxK ; maxt , ч; dt , ч) эволюции распространения примеси
на различных глубинах Азовского моря при совместном действии постоянного
( =1
stW 5 м/с; =2
stW 10 м/с; =3
stW 15 м/с) и переменного ( varW = 10 м/с) ветров
1
stW + varW 2
stW + varW 3
stW + varW
Центр выброса Центр выброса Центр выброса
Глубина,
м
Максимальные
значения
B1 B2 B3 B1 B2 B3 B1 B2 B3
Kmax
1,22
1,21
1,14
1,23
1,22
1,15
1,25
1,22
1,16
tmax, ч 10 10 14 10 10 14 11 11 14 10 zz ≤≤
td, ч 84 74 60 84 74 60 87 74 60
Kmax
1,24
1,23
1,22
1,24
1,24
1,22
1,27
1,25
1,22
tmax, ч 32 28 10 32 28 10 34 29 15 1hz =
td, ч 100 84 66 101 86 67 104 89 70
Kmax
1,31
1,32
1,24
1,31
1,32
1,24
1,33
1,33
1,24
tmax, ч 28 28 16 28 28 16 35 30 16 2hz =
td, ч 108 90 76 108 90 78 110 92 79
Оценим влияние направления стационарных течений (рис. 1, а) и пере-
менного ветра на перемещение загрязнения в районе 1B , где осваиваются га-
зовые месторождения. Глубина моря в этом районе 10 м. Центр выброса на-
ходится в точке с координатами =0x 110 км, =0ó 45 км. В пункте поступле-
ния примеси стационарные течения направлены в одну сторону с действую-
щим ветром (рис. 1, a), куда происходит перенос примеси (рис. 3, б). Спустя
12 ч после прекращения действия нестационарного ветра наблюдается со-
кращение площадей загрязнения и уменьшение концентрации примеси
(рис. 3, в).
Из анализа данных, приведенных в табл. 4, следует, что для района 1B
максимальная площадь загрязнения имеет место при максимальном значении
скорости стационарного ветра 3
stW . Так, на свободной поверхности
=maxÊ 1,25 достигается через 11 ч после выброса примеси. При этом время
ее полного рассеяния составляет 87 ч. На глубину z = h1 загрязнение проника-
ет спустя 2 ч после выброса примеси на поверхность. Далее площадь загряз-
нения увеличивается и при =maxt 34 ч становится максимальной
( =maxÊ 1,27). Полное рассеяние загрязнения на этой глубине происходит при
=dt 104 ч. В придонном слое (z = 2h ) наибольший коэффициент (1,33) рас-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
27
пространения области загрязнения отмечен при maxt = 35 ч, и спустя 110 ч с
момента выброса примеси ее концентрация становится равной dC .
В районе аварийного выброса 2B ( =0x 180 км, =0ó 120 км) под действием
нестационарного ветра перенос области загрязнения (рис. 3, б) также обуслов-
лен направлением течений (рис. 1, б). После прекращения действия переменно-
го ветра пятно смещается в западном направлении, обратном направлению
ветра (рис. 3, в). Из анализа данных, приведенных в табл. 4, видно, что при
3
stW максимум площади, занятой загрязнением на поверхности, составляет
1,22 ( =maxt 11 ч), на глубине 1hz = – 1,25 ( =maxt 29 ч), в придонном слое –
1,33 ( =maxt 30 ч). Рассеяние примеси происходит через 92 ч после ее появления.
Глубина моря в районе выброса загрязнения, центром которого являет-
ся пункт 3B ( =0x 260 км, =0ó 170 км), наименьшая из рассматриваемых и
равна 8 м. В Таганрогском заливе скорости установившихся течений наи-
большие и в слое 0 − 1 м достигают 86; 140 и 157 см/с при =stW 5; 10 и
15 м/с соответственно (табл. 1). Рис. 3, б соответствует 15 ч после начала
действия нестационарного ветра, когда имеют место наиболее интенсивные
течения. Видно, что на свободной поверхности области загрязнения увели-
чиваются, становятся вытянутыми вдоль направления ветра и перемещают-
ся на восток. Согласно данным, приведенным в табл. 4, значения maxK для
этого района наименьшие по сравнению с остальными: на поверхности
maxK = 1,16 ( =maxt 14 ч), на глубине 1hz = – maxK = 1,22 ( =maxt 15 ч), в при-
донном слое – maxK = 1,24 ( =maxt 16 ч). Полное рассеяние происходит через
79 ч с момента выброса.
Площадь распространения загрязнения зависит от скорости ветра, вы-
водящего течения на установившийся режим. С ростом stW становятся
больше скорости течений в установившемся режиме, в связи с этим увели-
чиваются площадь области загрязнения и время ее полного рассеяния. Со-
гласно приведенным данным, в районе Восточно-Казантипского газового
месторождения ( =H 10 м) рассеяние примеси одного и того же объема
происходит дольше, чем в центральной части моря ( =H 12 м) и Таганрог-
ском заливе ( =H 8 м). Здесь также отмечается максимальная площадь рас-
пространения загрязнения. Наименьшие значения площади, охваченной за-
грязнением, и времени рассеяния примеси имеют место для источника, рас-
положенного в Таганрогском заливе.
Выводы
Сформулируем основные результаты проведенного исследования:
− в поле стационарных течений переменный ветер того же направления,
что и постоянный, приводит к изменению расположения областей макси-
мальных сгонов и нагонов и увеличению скоростей течений, отмечающихся в
стационарном режиме;
− чем больше скорость стационарного движения жидкости, тем больше
площадь распространения примеси и время ее рассеяния;
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 3
28
− при одинаковом начальном объеме примеси во всех рассмотренных
пунктах наибольшие параметры области загрязнения имеют место в районе
Восточно-Казантипского газового месторождения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матишов Г.Г. Закономерности экосистемных процессов в Азовском море. – М.: Наука,
2006. – 304 с.
2. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. V. Азовское море. – СПб.: Гидроме-
теоиздат, 1991. – 234 с.
3. Еремеев В.Н., Коновалов А.В., Манилюк Ю.В., Черкесов Л.В. Моделирование длинных
волн в Азовском море, вызываемых прохождением циклонов // Океанология. – 2000. – 40,
№5. – С. 658 – 665.
4. Фомин В.В. Численная модель циркуляции вод Азовского моря // Науч. тр. Украинского
научно-исследовательского гидрометеорологического института. – Киев, 2002. –
Вып. 249. – С. 246 – 255.
5. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Исследование влияния течений, вы-
званных западным ветром, на эволюцию областей загрязнения в Азовском море // Допові-
ді НАН України. – 2007. – №3. – С. 112 – 117.
6. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Математическое моделирование
эволюции примеси в Азовском море // Экологическая безопасность прибрежной и шель-
фовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Ук-
раины, 2006. – С. 230 – 239.
7. Blumberg A.F., Mellor G.L. A description of three dimensional coastal ocean circulation
model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models / Ed. N. Heaps. – Washington. D.C.: Ameri-
can Geophysical Union. – 1987. – 4. – P. 208.
8. Smagorinsky J. General circulation experiments with primitive equations. I. The basic experi-
ment // Mon. Wea. Rev. – 1963. – 91. №2. – P. 99 – 164.
9. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid prob-
lems // Rev. Geophys. Space Phys. – 1982. – 20. № 4. – P. 851 – 875.
10. Hsu S.A. A mechanism for the increase of wind stress coefficient with wind speed over water
surface: A parametric model // Ibid. – 1986. – 16. – P. 144 – 150.
11. Иванов В. А., Фомин В. В., Черкесов Л. В., Шульга Т. Я. Моделирование сгонно-нагонных
явлений и трансформация поля примеси в Азовском море при наличии стационарных те-
чений // Морской гидрофизический журнал. – 2008. – №4. – С. 52 – 68.
12. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Том III. Азовское мо-
ре. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 218 с.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 20.11.08
E-mail:shulgaTY@mail.ru После доработки 13.03.09
АНОТАЦІЯ У роботі з використанням тривимірної нелінійної математичної моделі вивчають-
ся явища згону-нагону і течії в Азовському морі, спричинені змінним вітром за наявності
стаціонарних течій. Досліджені особливості трансформації домішки в акваторії Азовського
моря при сумісній дії стаціонарного і нестаціонарного вітру. На підставі результатів чисельних
розрахунків зроблені висновки про залежність часу розсіяння забруднень від швидкості вітру і
розташування районів забруднень. Показано, що змінний вітер призводить до істотного збіль-
шення відхилень рівня моря і площі розповсюдження забруднення в порівнянні з дією тільки
стаціонарних течій.
ABSTRACT Surge phenomena and currents in the Azov Sea induced by variable wind in the pres-
ence of stationary currents are studied using three-dimensional non-linear mathematical model. Fea-
tures of impurity transformation in the Azov Sea caused by time-variable wind are investigated. The
results of numerical calculations permit to draw the conclusions on dependence of time of pollution
dissipation upon wind speed and location of the polluted areas. It is shown that variable wind lead to
significant increase of the sea level variation and growth of pollution propagation as compared to the
effect of stationary currents only.
|