Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море

Представлены результаты численного моделирования влияния водообмена через Керченский пролив на стационарные движения в Азовском море. С использованием трехмерной нелинейной численной модели выполнен анализ экстремальных отклонений уровня, поверхностных и глубинных течений в зависимости от направлени...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Иванов, В.А., Черкесов, Л.В., Шульга, Т.Я.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2010
Назва видання:	Морской гидрофизический журнал
Теми:	Термогидродинамика океана
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56750
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:	Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 4. — С. 3-14. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-56750
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-567502014-02-24T03:14:20Z Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море Иванов, В.А. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Термогидродинамика океана Представлены результаты численного моделирования влияния водообмена через Керченский пролив на стационарные движения в Азовском море. С использованием трехмерной нелинейной численной модели выполнен анализ экстремальных отклонений уровня, поверхностных и глубинных течений в зависимости от направления и скорости постоянного ветра, а также с учетом и без учета водообмена через пролив. Установлено, что учет водообмена с Черным морем приводит к увеличению максимальных отклонений уровня и скоростей установившихся течений. В частности показано, что при скорости ветра 10 м/с максимальные значения нагонов и скоростей течений при учете пролива на 36 и 42% соответственно больше, чем без учета. При этом наибольшие скорости течений вызываются ветром южного направления. У роботі представлені результати чисельного моделювання впливу водообміну через Керченську протоку на стаціонарні рухи в Азовському морі. З використанням тривимірної нелінійної чисельної моделі виконано аналіз екстремальних відхилень рівня, поверхневих та глибинних течій в залежності від напрямку та швидкості постійного вітру, а також з урахуванням та без урахування водообміну через протоку. Зазначено, що урахування водообміну з Чорним морем призводить до збільшення максимальних відхилень рівня та швидкостей стаціонарних течій. Зокрема показано, що максимальні значення нагонів і швидкостей течій при урахуванні протоки на 36 і 42% відповідно більші, ніж без урахування протоки при швидкості вітру 10 м/с. При цьому найбільші швидкості течій виникають під дією вітру південного напрямку. Results of numerical modeling of influence of water-exchange through the Kerch strait on stationary motions in the Sea of Azov are presented. Three-dimensional non-linear numerical model is used to analyze extremal level inclinations, and surface and deep currents depending on direction and speed of permanent wind, and with and without regard to water-exchange through the strait. It is found that consideration of water exchange with the Black Sea results in increase of maximum inclinations of the level and velocities of constant currents. In particular, it is shown that at the wind speed 10 m/s and with regard to the strait effect, maximum values of surge phenomena and current velocities exceed those obtained without regard to this effect by 36 and 42%, respectively. The highest current velocities are induced by the south wind. 2010 Article Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 4. — С. 3-14. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56750 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. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море Морской гидрофизический журнал
description	Представлены результаты численного моделирования влияния водообмена через Керченский пролив на стационарные движения в Азовском море. С использованием трехмерной нелинейной численной модели выполнен анализ экстремальных отклонений уровня, поверхностных и глубинных течений в зависимости от направления и скорости постоянного ветра, а также с учетом и без учета водообмена через пролив. Установлено, что учет водообмена с Черным морем приводит к увеличению максимальных отклонений уровня и скоростей установившихся течений. В частности показано, что при скорости ветра 10 м/с максимальные значения нагонов и скоростей течений при учете пролива на 36 и 42% соответственно больше, чем без учета. При этом наибольшие скорости течений вызываются ветром южного направления.
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	Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море
title_short	Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море
title_full	Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море
title_fullStr	Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море
title_full_unstemmed	Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море
title_sort	учет влияния водообмена через керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в азовском море
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Термогидродинамика океана
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56750
citation_txt	Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 4. — С. 3-14. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Морской гидрофизический журнал
work_keys_str_mv	AT ivanovva učetvliâniâvodoobmenačerezkerčenskijprolivnasgonnonagonnyeprocessyitečeniâvazovskommore AT čerkesovlv učetvliâniâvodoobmenačerezkerčenskijprolivnasgonnonagonnyeprocessyitečeniâvazovskommore AT šulʹgatâ učetvliâniâvodoobmenačerezkerčenskijprolivnasgonnonagonnyeprocessyitečeniâvazovskommore
first_indexed	2025-07-05T08:03:27Z
last_indexed	2025-07-05T08:03:27Z
_version_	1836793313985822720
fulltext	ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 3 © В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга, 2010 Термогидродинамика океана УДК 532.59 В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море Представлены результаты численного моделирования влияния водообмена через Керчен- ский пролив на стационарные движения в Азовском море. С использованием трехмерной не- линейной численной модели выполнен анализ экстремальных отклонений уровня, поверхност- ных и глубинных течений в зависимости от направления и скорости постоянного ветра, а так- же с учетом и без учета водообмена через пролив. Установлено, что учет водообмена с Черным морем приводит к увеличению максимальных отклонений уровня и скоростей установившихся течений. В частности показано, что при скорости ветра 10 м/с максимальные значения нагонов и скоростей течений при учете пролива на 36 и 42% соответственно больше, чем без учета. При этом наибольшие скорости течений вызываются ветром южного направления. Введение Азовское море сообщается с Черным через Керченский пролив посредст- вом движения воды, возникающего из-за разности уровней в северной (азов- ской) и южной (черноморской) частях и под действием ветра, влияние кото- рого на уровень воды в проливе в среднем в 5 − 6, а при штормах в 10 − 15 раз сильнее, чем воздействие речного стока [1]. При осуществлении транс- портных операций возможны аварии, которые могут происходить в сложных гидрометеорологических условиях, и время для принятия решений в таких ситуациях ограничено. Моделирование экстремальных отклонений уровня и пространственно-временных параметров распространения примеси в Азов- ском море позволяет оценить вероятные масштабы последствий до возникно- вения аварийной ситуации. Изучению сгонно-нагонных явлений и течений Азовского моря без учета Керченского пролива посвящены работы [2 − 5], в которых с помощью трехмер- ной нелинейной σ -координатной модели [6, 7] выявлены особенности форми- рования полей уровня моря и течений, генерируемых различными полями ветра. В данной работе представлены результаты исследования влияния водо- обмена через Керченский пролив на стационарные движения в Азовском мо- ре. С использованием трехмерной нелинейной численной модели выполнен анализ экстремальных отклонений уровня, а также поверхностных и глубин- ных течений в зависимости от направления и скорости постоянного ветра с учетом и без учета водообмена через пролив. Постановка задачи. Граничные и начальные условия Введем систему координат, в которой ось x направлена на восток, y – на север, z – вертикально вверх. Математическая модель основывается на урав- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 4 нениях движения и неразрывности, записанных в декартовой системе коор- динат (x, y, z) с использованием приближений Буссинеска и гидростатики [6, 7]: z u K zy v x u A yx u A xx p fv td ud MMM ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++      ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++      ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂==== ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++−−−− 2 1 ρ , (1) z v K zy v A yy v x u A xy p fu td vd MMM ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++      ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++      ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂==== ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++++++ 2 1 ρ , (2) 0=+ ∂ ∂ ρg z p , (3) 0= ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂ z w y v x u . (4) Здесь все обозначения общепринятые. Коэффициент горизонтальной турбу- лентной вязкости AM вычисляется с помощью формулы Смагоринского [8], для параметризации коэффициента вертикальной турбулентной вязкости KM применяется теория Меллора – Ямады [9]. Граничные условия на свободной поверхности имеют вид y v x u t w z ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂= = ζζζ ζ , (5) (((( ))))yx z M z v z u K 00 ,, ττ ζ ====      ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ==== . (6) Здесь Wxaax WCρτ ====0 , Wyaay WCρτ ====0 – проекции касательных напряже- ний ветра; aC – коэффициент поверхностного трения, зависящий от скоро- сти ветра [10]: [ ] 2 0 2 ln256,14 −−= WkCa , (7) где k = 0,4 – постоянная Кармана; 10 WW W==== ; 1W = 1 м/с. На боковых границах выполняются условия прилипания. При решении задачи с учетом пролива на жидкой границе принимается условие свободного протекания (равенство нулю первой производной нормальной составляющей горизонтальной скорости к жидкой границе). Жидкая граница (рис. 1, а) со- ответствует вертикальному разрезу по 44,81° с.ш. вдоль акватории Черного моря (60 ≤ x ≤ 240 км, y = 0). Во всех точках, расположенных на этой границе, выполняется условие 0=′ Γnv , (8) где Г − жидкая граница. При решении задачи без учета пролива рассматрива- ется замкнутый бассейн, в котором вдоль 39,33º с.ш. имеет место вертикаль- ная боковая стенка (рис. 1, а). ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 5 км км 100 150 200 250 60 80 100 y, км x, км А1 А2 А3 А4 А5 А7 А8 А9 А6 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 A1 – Геническ A2 – Бердянск A3 – Мариуполь A4 – Таганрог A5 – Ейск A6 – П.-Ахтарск A7 – Темрюк A8 – Опасное A9 – Мысовое a б Р и с. 1. Положение прибрежных станций вдоль побережья Азовского моря и сечение, через которое рассчитывается расход воды На дне (z = ),( yxH− ) равна нулю нормальная составляющая скорости 0====      ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂++++ −−−−==== Hz y H v x H uw . (9) Придонные касательные напряжения связаны со скоростью квадратичной зависимостью [6] (((( ))))yx Hz M z v z u K 1,1, ττ====      ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ −−−−==== , (10) , где 22 1 vuucbx ++++====τ ; 22 1 vuvcby ++++====τ ; bc – коэффициент донного трения, который находится по формуле (((( ))))02 22 ln zzkcb ==== , здесь 2z – шаг по верти- кали в придонном слое, 0z = 0,003 м – параметр шероховатости донной по- верхности [6]. В начальный момент времени 0=t движение жидкости отсутствует, свободная поверхность горизонтальна: 0)0,,,( =zyxu , 0)0,,,( =zyxv , 0)0,,,( =zyxζ . (11) Приближение к установившемуся режиму оценивается по относитель- ным изменениям полной энергии ES(t), которая находится как сумма осред- ненных по объему моря кинетической )(tEK и потенциальной )(tEP энер- гий. Считается, что стационарный режим достигается при 210−≤n SEδ , где n S n S n S n S EEEE −= +1δ ; n – номер шага по времени. Исходя из этого, определя- ется время установления движения жидкости t = t1. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 6 Для расчета водообмена через Керченский пролив на каждом шаге по времени рассчитывается суммарный расход воды, проходящей через сечение, расположенное на разрезе 177 ≤ x ≤ 192 км, y = 62 км (рис. 1, б). При этом объем протекшей жидкости за время 0 ≤ t ≤ tn определяется выражением i n i in ttStG ∑∑∑∑ ==== ==== 1 )()( U , (12) где )( itU − средняя скорость течений в сечении пролива на i-м временном шаге; S – площадь сечения. Численная реализация модели и выбор параметров. В исходных уравне- ниях (1) – (4), граничных условиях (5), (6), (8) – (10) и начальных условиях (11) осуществляется переход от координаты z к σ-координате [6, 7] посредст- вом соотношений x* = x, y* = y, σ = [z – ζ]/[H + ζ], t* = t, где σ∈[-1; 0]. Для численных расчетов применена модифицированная версия модели POM (Princeton Ocean Model) [6, 7]. Количество расчетных уровней по вертикали равнялось 11, при этом линейные размеры ячейки сетки составляли ∆x = ∆y ≈≈≈≈ 1 км. Уравнения интегрировались с шагом ∆t = 18 с для определе- ния осредненных двумерных горизонтальных компонент скорости и уровня моря и с шагом 10∆t = 3 мин – для вычисления отклонений от найденных средних и вертикальной компонент скорости. Топография дна расчетной об- ласти (рис. 1, а) на модельную сетку была интерполирована из массива глу- бин, снятого с навигационных карт. Отклонения уровня моря анализирова- лись в девяти точках морского побережья. Анализ численных экспериментов За последние 50 лет волны максимальной высоты (2 м) в северной части Керченского пролива наблюдались только при ветрах северной четверти. По- вторяемость ветров южной четверти в северо-восточной части моря состав- ляет 12%, но по силе они никогда не превышали 15 − 17 м/с. Согласно дан- ным за всю историю инструментальных наблюдений (с 1936 г.) известно, что в течение всего года, за исключением марта, в проливе преобладает волнение высотой 0,7 − 1 м и ниже. При северном ветре доминирует поток из Азовско- го моря с максимальными скоростями течений в северной части пролива до 40 − 70 см/с. При южном ветре в проливе наблюдается черноморский поток с максимальными скоростями до 80 см/с. Повторяемость азовских течений в среднем за год составляет 58%, черноморских − 42%. Численные эксперименты реализованы для трех направлений стацио- нарного ветра различной скорости. Развитие ветра над поверхностью моря происходит в два этапа. От начального момента времени t = 0 на водную поверхность начинает действовать ветер заданного (постоянного) направ- ления, скорость которого нарастает со временем (3 ч) по линейному закону. Затем скорость ветра в каждой точке акватории достигает заданного значения и далее не меняется. Исследования проводились для южного (Ю), западного (З) и восточного (В) ветра при скоростях: 1W = 5, 2W = 10, 3W = 15 м/с. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 7 1. В серии численных экспериментов исследуется влияние скорости и направления стационарного ветра на экстремальные смещения уровня моря и поля течений в установившемся режиме. Полученные результаты сравнива- ются с расчетами, проведенными при моделировании установившихся дви- жений в Азовском море без учета водообмена через Керченский пролив. На рис. 2 приведены поля уровня моря в момент времени t = t1, генерируе- мые постоянным ветром различных направлений, действующим со скоростью 15 м/с. Видно, что при различных направлениях ветра в стационарном режиме происходит понижение уровня у подветренных берегов (сгон) и повышение − у наветренных (нагон). Узловая (штриховая) линия ориентирована перпендику- лярно направлению действующего ветра, она пересекает центральную часть моря в зональном (рис. 2, б, в) и меридиональном (рис. 2, а) направлениях. При ветре рассматриваемых направлений наиболее сильному влиянию сгонно-нагон- ных процессов (до 1 м) подвержен Таганрогский залив. В табл. 1 приведены зависимости максимальных отклонений уровня на береговых станциях Азовского моря в установившемся режиме от направ- ления и скорости ветра с учетом и без учета водообмена через пролив. Из анализа приведенных данных следует, что на каждой станции наиболее значимые сгонно-нагонные процессы отмечаются в большинстве случаев под действием ветра бóльших скоростей и при учете водообмена с Черным мо- рем. Действие стационарного ветра одного направления, но бóльшей скорос- ти (10 и 15 м/с) приводит к возрастанию наибольших отклонений уровня не более чем на 60%. Сравнение величин max ζ , полученных при решении зада- чи с учетом и без учета пролива для ветра одного направления и скорости, показывает, что учет водообмена приводит к увеличению экстремальных зна- чений уровня. При скорости ветра 10 м/с максимальные различия абсолют- ных максимумов на станциях составляют: 43% (западный ветер), 45% (юж- ный), 46% (северный); при скорости ветра 15 м/с − 44% (западный ветер), 43% (южный), 45% (северный). Т а б л и ц а 1 Максимальные отклонения уровня в установившемся режиме (\|ζmax\|, см) на береговых станциях Азовского моря, вызываемые постоянным ветром трех направлений, с учетом (1) и без учета (2) пролива 1W = 5 м/с 2W = 10 м/с 3W = 15 м/с З Ю С З Ю С З Ю С Береговые станции 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 Геническ −7 −7 −1 0 1 0 −42 −29 0 −1 0 −1 −112 −69 −2 −4 1 4 Бердянск 1 0 −4 −3 4 3 −4 −2 17 11 −18 11 −5 −4 46 28 −47 −26 Мариуполь 4 2 −6 −5 8 6 27 6 31 24 −32 24 25 14 79 57 −82 −60 Таганрог 11 10 −11 −8 9 8 57 44 44 32 −48 32 138 100 108 80 −140 −82 Ейск 7 6 −6 −4 5 4 38 22 14 16 −13 16 96 52 36 41 −29 −37 П.−Ахтарск 5 5 −1 −1 2 1 29 21 −8 3 8 3 73 49 −20 −12 14 8 Темрюк 2 1 5 3 −7 −3 5 7 −22 −14 22 −14 15 20 −59 −33 55 31 Опасное −1 −1 5 3 −6 −3 −4 −3 −21 −12 21 −12 −9 −5 −56 −29 53 28 Мысовое −4 −3 4 3 −5 −3 −18 −13 −22 −15 21 −15 −45 −30 −58 −35 53 36 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 8 Р и с. 2. Поля уровня (м) Азовского моря в установившемся режиме при западном (а), южном (б) и северном (в) ветре км км 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 в 15м/с км 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 б 15м/с км 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 a 15м/с ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 9 Существенно влияет на максимальные отклонения уровня и направление стационарного ветра. Отметим, что на рассматриваемых станциях наиболь- шие подъемы или опускания уровня происходят при определенном направ- лении ветра одной и той же скорости. Так, при западном ветре максимальные нагоны отмечаются на станциях Таганрог (138 см), Ейск (96 см), Приморско- Ахтарск (73 см), а максимальные сгоны − на ст. Геническ (112 см). При южном ветре наибольшие максимальные подъемы уровня имеют место на станциях Бердянск (46 см) и Мариуполь (79 см), максимальные опускания уровня − на станциях Темрюк (59 см), Опасное (56 см), Мысовое (58 см). Северный ветер вызывает наибольшие нагоны на станциях Темрюк (55 см), Опасное (53 см), Мысовое (53 см), наибольшие сгоны − на станциях Бердянск (47 см), Мариуполь (82 см) и Таганрог (140 см). Таким образом, для ст. Геническ максимальные нагоны будут развивать- ся при южном ветре, а наибольшие сгоны – при западном и северном. В рай- оне ст. Бердянск максимальные подъемы уровня наблюдаются при южном, максимальные опускания − при северном ветре. Наиболее опасным с точки зрения сгонов для станций Мариуполь, Таганрог и Ейск является северый ветер, максимальные нагоны здесь вызываются южным и западным ветром. На ст. Приморско-Ахтарск наибольшие сгоны возникают при северном ветре, западный ветер обусловливает максимальные подъемы уровня. На ст. Тем- рюк максимальные нагоны развиваются при северном ветре, а наибольшие сгоны – при южном. В районе ст. Опасное максимальные подъемы уровня наблюдаются при северном ветре, наибольшие опускания – при южном и западном. На ст. Мысовое возникновение наибольших нагонов имеет место при северном ветре, сгонов – при южном и западном. В табл. 2 приведены абсолютные максимумы отклонений свободной по- верхности Азовского моря в установившемся движении в зависимости от скорости и направления постоянного ветра. Как следует из анализа приве- денных данных, наибольшие экстремальные изменения уровня моря соответ- ствуют расчетам, проведенным с учетом водообмена с Черным морем, они тем больше, чем больше скорость действующего ветра. Сравнение двух зна- чений \|ζmax\|, полученных при разных условиях в проливе и одинаковом ветро- вом воздействии, показывает близкое совпадение результатов расчета. При этом отклонения результатов для трех исследуемых направлений постоянно- го ветра со скоростями 5, 10 и 15 м/с составляют 13, 19, 24% (западный ве- тер); 17, 6, 25% (южный ветер); 18, 19, 23% (северный ветер). Отметим, что направление ветра также влияет на величины максимальных отклонений ζ. Так, под действием стационарного ветра со скоростью 15 м/с наибольшие значения \|ζmax\|, которые достигаются при западном ветре (162 см), превыша- ют наименьшие (115 см), вызванные южным ветром, на 29%. 2. На рис. 3, 4 представлены пространственные распределения скорости и направления течений на горизонтах 1 и 10 м в момент времени t = t1 при по- стоянном ветре различных направлений со скоростью 15 м/с. Распределения получены с помощью линейной интерполяции результатов численного моде- лирования с σ -координатных поверхностей на плоскости z = const. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 10 Т а б л и ц а 2 Экстремальные отклонения уровня (см) Азовского моря, полученные с учетом (1) и без учета (2) пролива, в зависимости от скорости и направления стационарного ветра З Ю С Скорость ветра, м/с 1 2 1 2 1 2 5 16 14 18 15 11 9 10 69 56 47 44 47 38 15 162 123 115 86 143 113 Как показывает анализ приведенных полей, течения в установившемся режиме характеризуются выраженными вихревыми образованиями. Их по- ложение и конфигурация определяются направлением ветра. При этом наи- более интенсивные течения имеют место в глубоководной части моря. При западном ветре в Азовском море возникают две системы круговоротов, кото- рые ориентированы в зональном направлении (рис. 3, а). На границе между круговоротами направление потока жидкости ориентировано противополож- но действующему ветру. В Таганрогском заливе формируется пара вихрей противоположного знака. При северном ветре в центральной части моря об- разуются два круговорота противоположного знака (рис. 3, в). Бóльший по площади (циклонический) примыкает к западному берегу и содержит в себе малое вихревое образование. Меньший по площади, но более мощный (анти- циклонический) находится в восточной части моря. Между этими двумя кру- говоротами располагается узкая полоса переноса водных масс, ориентиро- ванная противоположно ветру. Южный ветер формирует течения, поля кото- рых являются «зеркальным отражением» полей течений при северном ветре (прослеживается та же конфигурация вихревых образований, но они имеют противоположный знак) (рис. 3, б). На глубине 10 м (рис. 4) в центральной части акватории наблюдаются те- чения, направление которых отклоняется на 135º и более от направления дей- ствующего ветра. Как следует из рис. 3, 4, направление течений через пролив при действии одного и того же ветра в поверхностном и придонном слоях противоположно. Отметим, что в придонном слое под действием западного и северного ветра (рис. 4, а, в) течения через Керченский пролив направлены из Черного в Азовское море, а в поверхностном слое (рис. 3, а, в) − в противо- положную сторону. При южном ветре (рис. 3, б; 4, б) течения на глубине 10 м направлены из Азовского в Черное море − обратно своему направлению в поверхностном слое. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 11 Р и с. 3. Поля скоростей стационарных поверхностных течений (м/с) в Азовском море при западном (а), южном (б) и северном (в) ветре км км в 15м/с км б 15м/с км a 15м/с 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 12 Р и с. 4. Поля скоростей стационарных течений (м/с) в Азовском море на глубине 10 м при западном (а), южном (б) и северном (в) ветре км км в 15м/с км б 15м/с км a 15м/с 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 13 В табл. 3 приведены значения максимумов скоростей стационарных течений на различных горизонтах в зависимости от скорости и направления ветра при учете и без учета водообмена через пролив. Из анализа этих дан- ных следует, что величины скоростей установившихся течений, найденные при моделировании с учетом пролива, при действии одного и того же ветра больше, чем без его учета. При этом на рассматриваемых горизонтах учет водообмена приводит к относительной разнице значений модулей скоростей течений, не превышающей 45%. Наибольшие скорости течений, вызванные действием ветра одной и той же скорости, отмечаются при южном ветре, наименьшие − при северном. Так, максимальные скорости поверхностных те- чений, вычисленные с учетом пролива при скорости ветра 15 м/с, состав- ляют 0,87 м/с (З); 1,22 м/с (Ю) и 0,99 м/с (С). Относительная разница между наибольшим и наименьшим значениями представленных скоростей состав- ляет 30%. Аналогичное соотношение скоростей течений прослеживается и на других горизонтах при действии постоянного ветра со скоростями 5 и 10 м/с. Таким образом, южный ветер, действующий вдоль Керченского пролива, вызывает течения, скорости которых превышают (на 12 − 30%) скорости течений, вызванных западным или северным ветром. Т а б л и ц а 3 Максимальные скорости стационарных течений (см/с), полученные с учетом (1) и без учета (2) пролива, на различных горизонтах Азовского моря в зависимости от скорости и направления ветра 1W = 5 м/с 2W = 10 м/с 3W = 15 м/с З Ю С З Ю С З Ю С Горизонт, м 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 14 11 16 12 14 11 44 40 46 39 42 41 87 64 122 85 99 69 3 11 9 13 10 12 9 28 23 38 28 35 28 73 52 113 68 94 57 5 9 8 11 9 10 8 20 14 35 23 31 22 62 39 98 46 79 44 10 6 5 8 6 7 6 17 13 24 16 21 16 41 29 51 35 42 27 Рассмотрим теперь влияние Керченского пролива на интегральный водо- обмен ( )(tG ) в установившемся режиме. В численных экспериментах на каждом шаге по времени рассчитаны значения функции )(tG . При этом положительные значения )(tG соответствуют поступлению воды в Азовское море, отрицательные – в Черное. Из анализа зависимости от времени интегральных расходов воды (м3) через пролив в течение расчетного периода (200 ч) следует, что наиболь- ший расход имеет место при южном ветре, наименьший − при северном. Нарастание расхода до максимума происходит от начального момента времени до момента t = 20 ч. Сформулируем основные результаты проведенных исследований: − численное моделирование установившихся движений жидкости в Азов- ском море, проведенное с учетом водообмена через пролив, выявило увеличение не более чем на 50% максимальных сгонов и нагонов по сравнению с результата- ми расчетов, полученных без учета пролива; ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 14 − южный ветер при учете водообмена через пролив вызывает течения, максимальные скорости которых на 30% превышают скорости установив- шихся движений, вызванных западным и северным ветром; − при учете водообмена через пролив максимальные скорости устано- вившихся течений значительно возрастают (до 53%) только при скоростях ветра 10 и 15 м/с. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. V. Азовское море. – СПб.: Гидроме- теоиздат, 1991. – 234 с. 2. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Исследование сгонно-нагонных явлений в Азовском море, вызванных атмосферными возмущениями // Доповіді НАН України. – 2006. – № 11. – С. 109 – 113. 3. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Исследование эволюции поля примеси в Азовском море при наличии стационарных течений // Там же. – 2007. – №7. – С. 106 – 120. 4. Фомин В.В., Шульга Т.Я. Исследование волн и течений, возникающих под действием ветра в Азовском море // Там же. – 2006. – № 12. – С. 110 – 115. 5. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Исследование влияния течений, вызванных западным ветром, на эволюцию областей загрязнения в Азовском море // Там же. – 2007. – № 3. – С. 112 – 117. 6. Blumberg A.F., Mellor G.L. A description of three dimensional coastal ocean circulation model in Three-Dimensional Coast Ocean Models // Coast. Estuar. Sci. – 1987. – 4. – P. 1 – 16. 7. Фомин В.В. Численная модель циркуляции вод Азовского моря // Научные труды Укр- НИГМИ. – 2002. – Вып. 249. – С. 246 – 255. 8. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. I. The basic ex- periment // Mon. Wea. Rev. – 1963. – 91, № 3. – P. 99 – 164. 9. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // 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, № 1. – P. 144 – 150. Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил Севастополь в редакцию 10.03.09 E-mail:vaivanov@alpha.mhi.inf.net После доработки 03.07.09 shulgaTY@mail.ru АНОТАЦІЯ У роботі представлені результати чисельного моделювання впливу водообміну че- рез Керченську протоку на стаціонарні рухи в Азовському морі. З використанням тривимірної нелінійної чисельної моделі виконано аналіз екстремальних відхилень рівня, поверхневих та глибинних течій в залежності від напрямку та швидкості постійного вітру, а також з урахуванням та без урахування водообміну через протоку. Зазначено, що урахування водообміну з Чорним морем призводить до збільшення максимальних відхилень рівня та швидкостей стаціонарних течій. Зокрема показано, що максимальні значення нагонів і швидкостей течій при урахуванні протоки на 36 і 42% відповідно більші, ніж без урахування протоки при швидкості вітру 10 м/с. При цьому найбільші швидкості течій виникають під дією вітру південного напрямку. ABSTRACT Results of numerical modeling of influence of water-exchange through the Kerch strait on stationary motions in the Sea of Azov are presented. Three-dimensional non-linear numerical model is used to analyze extremal level inclinations, and surface and deep currents depending on direction and speed of permanent wind, and with and without regard to water-exchange through the strait. It is found that consideration of water exchange with the Black Sea results in increase of maximum inclinations of the level and velocities of constant currents. In particular, it is shown that at the wind speed 10 m/s and with regard to the strait effect, maximum values of surge phenomena and current velocities exceed those obtained without regard to this effect by 36 and 42%, respectively. The highest current velocities are induced by the south wind.

Учет влияния водообмена через Керченский пролив на сгонно-нагонные процессы и течения в Азовском море

Репозитарії

Схожі ресурси