Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море
В настоящей работе с использованием нелинейной трехмерной сигма-координатной модели с учетом стационарных течений исследуются динамические процессы, возникающие под действием постоянного и прогностического ветра в Азовском море. Найдены зависимости величин сгонов, нагонов и характеристик эволюции о...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2013
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85777 |
| 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: | Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 6. — С. 105–110. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-85777 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-857772015-08-20T03:01:59Z Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море Иванов, В.А. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Науки про Землю В настоящей работе с использованием нелинейной трехмерной сигма-координатной модели с учетом стационарных течений исследуются динамические процессы, возникающие под действием постоянного и прогностического ветра в Азовском море. Найдены зависимости величин сгонов, нагонов и характеристик эволюции областей загрязнения от интенсивности атмосферных возмущений. У данiй роботi з використанням нелiнiйної тривимiрної сигми-координатної моделi з урахуванням стацiонарних течiй дослiджуються динамiчнi процеси, що виникають пiд дiєю постiйного i прогностичного вiтру в Азовському морi. Знайдено залежностi величин згонiв, нагонiв i характеристик еволюцiї областей забруднення вiд iнтенсивностi атмосферних збурень. With the use of a nonlinear three-dimensional sigma-coordinate model, the dynamical processes caused by the action of a forecasts wind in the Sea of Azov in the presence of stationary currents are investigated. The dependences of surge phenomena, speeds of currents, and characteristics of the evolution of areas of pollution on various horizons on the intensity of atmospheric perturbations are found. 2013 Article Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 6. — С. 105–110. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85777 532.59 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Науки про Землю Науки про Землю |
| spellingShingle |
Науки про Землю Науки про Землю Иванов, В.А. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море Доповіді НАН України |
| description |
В настоящей работе с использованием нелинейной трехмерной сигма-координатной модели с учетом стационарных течений исследуются динамические процессы, возникающие под действием постоянного и прогностического ветра в Азовском море. Найдены
зависимости величин сгонов, нагонов и характеристик эволюции областей загрязнения
от интенсивности атмосферных возмущений. |
| 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 |
Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море |
| title_short |
Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море |
| title_full |
Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море |
| title_fullStr |
Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море |
| title_full_unstemmed |
Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море |
| title_sort |
волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в азовском море |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85777 |
| citation_txt |
Волны, течения и эволюция пассивной примеси, вызываемые прогностическим ветром в Азовском море / В.А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 6. — С. 105–110. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT ivanovva volnytečeniâiévolûciâpassivnojprimesivyzyvaemyeprognostičeskimvetromvazovskommore AT čerkesovlv volnytečeniâiévolûciâpassivnojprimesivyzyvaemyeprognostičeskimvetromvazovskommore AT šulʹgatâ volnytečeniâiévolûciâpassivnojprimesivyzyvaemyeprognostičeskimvetromvazovskommore |
| first_indexed |
2025-07-06T13:07:53Z |
| last_indexed |
2025-07-06T13:07:53Z |
| _version_ |
1836903064260313088 |
| fulltext |
УДК 532.59
Академик НАН Украины В.А. Иванов,
член-корреспондент НАН Украины Л. В. Черкесов, Т. Я. Шульга
Волны, течения и эволюция пассивной примеси,
вызываемые прогностическим ветром в Азовском море
В настоящей работе с использованием нелинейной трехмерной сигма-координатной мо-
дели с учетом стационарных течений исследуются динамические процессы, возникаю-
щие под действием постоянного и прогностического ветра в Азовском море. Найдены
зависимости величин сгонов, нагонов и характеристик эволюции областей загрязнения
от интенсивности атмосферных возмущений.
Изменения уровня Азовского моря, являющиеся следствием сгонно-нагонных явлений и со-
провождающиеся при сгонах обмелением, а при нагонах затоплением, приводят в отдель-
ных случаях к катастрофическим последствиям. Сложность, высокая стоимость и невоз-
можность в реальных условиях моря учета всех действующих факторов (ветер, течения,
волны) существенно усложняют получение надежных данных об эволюции загрязняющих
веществ. Обоснованное представление о возникающих в море динамических процессах по-
зволяет выполнить анализ результатов численных экспериментов с использованием совре-
менных методов математического моделирования.
В данном сообщении применена трехмерная нелинейная σ-координатная модель [1, 2],
позволившая получить численное решение нелинейных уравнений движения однородной
вязкой несжимаемой жидкости в квазигидростатическом приближении [3]. С учетом ста-
ционарных течений установлены зависимости величин сгонов, нагонов, скоростей течений
и характеристик эволюции областей загрязнения от интенсивности постоянного и прогнос-
тического ветра SKIRON [4]. В предыдущих работах [5, 6] исследованы течения и колебания
уровня, возникающие под действием только постоянного ветра при отсутствии стационар-
ных течений.
1. Гидродинамический блок разработан на основе уравнений гидродинамики, дополне-
ных блоком переноса консервативной примеси. Численная реализация системы дифферен-
циальных уравнений представила возможность изучить волновые поля, трехмерную струк-
туру и процесс распространения примеси по акватории моря.
В начальный момент времени (t = 0) движение жидкости отсутствует, свободная поверх-
ность горизонтальна и над Азовским морем начинает действовать постоянный западный
ветер (Wst = 5 м/с), генерирующий с течением времени стационарные течения. Условие
выхода на стационарный режим определяется тем, что между двумя соседними значения-
ми времени не происходит заметных изменений отклонений уровня и скоростей течений (не
более пяти процентов). Исходя из этого, находим время установления движения жидкости
(t = t0).
К действию постоянного ветра при t > t0 добавляются поля прогностического вет-
ра [4]. Для установления физических закономерностей влияния интенсивности неоднород-
ных атмосферных воздействий рассмотрены поля приводного ветра, интенсивность которых
увеличена и уменьшена в два раза (γWSkiron; γ = 1/2; γ = 1; γ = 2). Полученные в случае
© В. А. Иванов, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга, 2013
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №6 105
Рис. 1. Средняя скорость ветра над Азовским морем с 8 по 15 сентября 2007 г. (сплошная линия) и ее тренд
(штриховая)
только WSkiron величины амплитуд волн сравниваются с данными натурных наблюдений
на гидрологических станциях.
В поверхностном слое глубиной, равной шагу интегрирования по вертикали, происходит
при t = t0 выброс примеси в цилиндрической области радиусом 9 км. В качестве парамет-
ров, характеризующих эволюцию загрязнения, выбраны: время рассеивания примеси (td);
коэффициент максимальной площади ее распространения на различных горизонтах (Kmax).
При этом Kmax = Smax/S0, где S0 — площадь области начального распространения примеси;
Smax — наибольшая площадь загрязнения, достигаемая на соответствующих горизонтах при
t = tmax < td. Условием полного рассеивания примеси, начальная концентрация которой
равна единице, принимается значение концентрации, не превышающее 2,5 · 10−2 во всей
акватории моря (Cd = 2,5 · 10−2).
Для численной реализации в исходных уравнениях, граничных и начальных условиях
выполняется переход от координаты z к координате σ [1, 2]. Выбор шагов интегрирования по
временным и пространственным координатам осуществляется в соответствии с критерием
устойчивости для баротропных волн [7]. Топография дна расчетной области на модель-
ную сетку интерполирована из массива глубин, снятого с навигационных карт. Отклонения
уровня Азовского моря анализируются на девяти станциях, расположенных вблизи круп-
ных населенных пунктов.
2. Выполним анализ изменения со временем полей прогностического ветра SKIRON
с 8 по 18 сентября 2007 г. на всей поверхности Азовского моря. На рис. 1 даны графики
осредненной по всей поверхности моря скорости ветра (сплошная линия) и ее тренд в те-
чение 192 ч (8 сут). Эта скорость в каждый момент времени рассчитывалась по формуле
W =
n∑
k=1
|Wk
Skiron
|, где n — число узлов расчетной сетки, |Wk
Skiron| — модуль скорости вет-
ра в k-м узле. Аппроксимация полиномом 9-й степени проводится по методу наименьших
квадратов [8] и дает тренд поведения скорости (штриховая линия). Отсюда видно, что в те-
чение первых 2 сут происходило усиление ветра до 9 м/с, в период следующих 3 сут скорость
монотонно уменьшалась до 5 м/с. Затем в период еще 3 сут отмечалось ее резкое сниже-
ние до 2 м/с, после чего она уже не превышала 3 м/с (над морем штиль). В среднем (по
времени) скорость приводного ветра составляла 5,5 м/с. Отметим, что данные многолетних
наблюдений атмосферных возмущений за сентябрь месяц в районе Азовского моря [9] удов-
106 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №6
летворительно согласуются с результатами численных расчетов (см. рис. 1) атмосферных
полей модели SKIRON.
В табл. 1 приведены максимальные значения скоростей стационарных течений, вызван-
ных постоянным ветром (Wst), максимальные величины скоростей течений, генерируемых
приводным ветром (γWSkiron) и их совместным действием (Wst + γWSkiron). Здесь даны
горизонты, а также координаты наибольших значений скорости и время их достижения.
Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что при наличии стационарных те-
чений максимумы скоростей нестационарных течений (Umax) увеличиваются по сравнению
со скоростями течений, вызванных действием только прогностического ветра. Из сравне-
ния Umax на различных горизонтах следует, что значения Umax для (Wst + WSkiron) воз-
растают на 43% (горизонт 1 м), 46% (5 м) и 44% (10 м) по сравнению со случаем при
WSkiron. Отсюда следует, что при наличии стационарных течений максимумы скоростей не-
стационарных течений увеличиваются по сравнению с их значениями при действии только
прогностического ветра.
Так, на рассматриваемых горизонтах под действием системы ветров Wst + γWSkiron
величины Umax становятся больше в 1,7, 1,8 и 2,2 раза, чем только при γWSkiron (γ =
= 1/2; γ = 1; γ = 2 соответственно). При этом для всех скоростей ветра Umax убывают
с ростом горизонта. Скорости течений, рассчитанные без учета стационарных течений для
полей прогностического ветра интенсивности WSkiron/2 и 2WSkiron, отличаются не более
чем на 25% по сравнению со скоростями, вызванными действием WSkiron.
Анализ направлений скоростей поверхностных течений, полученных в результате мо-
делирования, приводит к выводу о том, что в начальный период (0 < t < 12 ч) действия
постоянного западного ветра направления течений на всей акватории моря мало отличают-
Таблица 1. Максимальные значения скоростей течений на различных горизонтах Азовского моря, время их
достижения и соответствующие им координаты
Скорость ветра Горизонт, м Umax, м/с xmax, км ymax, км tmax, ч
Wst = 5 м/с 1 0,16 236,90 174,08 8,0
5 0,12 237,01 173,31 8,2
10 0,08 235,34 173,05 9,4
1
2
WSkiron 1 0,35 198,78 188,36 131,8
5 0,25 259,84 194,38 135,3
10 0,24 228,97 174,97 140,0
WSkiron 1 0,48 206,25 189,27 128,0
5 0,43 263,30 199,05 137,3
10 0,31 238,20 175,76 145,1
2WSkiron 1 0,58 206,69 190,59 132,6
5 0,52 263,53 193,96 136,4
10 0,41 238,66 174,55 142,6
Wst +
1
2
WSkiron 1 0,61 201,47 109,47 128,3
5 0,54 225,04 161,18 137,8
10 0,35 174,6 166,87 145,2
Wst + WSkiron 1 0,73 224,98 188,34 128,2
5 0,61 257,95 191,86 137,5
10 0,45 235,34 174,61 145,1
Wst + 2WSkiron 1 1,57 208,72 111,75 132,6
5 1,24 229,67 161,92 137,0
10 1,02 175,72 168,25 142,2
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №6 107
ся от направления ветра (не более чем на 1–2 град). Начиная с момента установления
движения жидкости, в северной части моря происходит уменьшение скоростей течений
и изменение их направлений на противоположное, в центральной части моря наблюдает-
ся циркуляция вод против часовой стрелки. С началом действия переменного по време-
ни и пространству ветра WSkiron характер движения вод нарушается и у северного по-
бережья возникают два вихря одинакового знака. В дальнейшем (при t > 60 ч), цирку-
ляция характеризуется наличием трех круговоротов: антициклонического (в северной ча-
сти моря) и двух циклонических (у южного берега). Вдоль границ, разделяющих основ-
ные круговороты, формируются полосы, в которых скорости течений направлены против
ветра.
В табл. 2 на береговых станциях Азовского моря даны значения максимальных откло-
нений уровня, вызванных действием стационарного ветра (Wst), только приводного вет-
ра различной интенсивности (γWSkiron) и их суперпозицией (Wst + γWSkiron). В верхней
части таблицы приведены величины нагонов, в нижней — сгонов. Из анализа представлен-
ных здесь результатов расчетов следует, что наибольшие нагоны возникают при совместном
действии стационарного и удвоенного прогностического ветра (Wst+2WSkiron) и имеют мес-
то на станциях Приморско-Ахтарск (129,2 см), Таганрог (128,2 см) и Ейск (93,7 см). Отсюда
видно, что максимум нагона в случае действия рассмотренной системы ветров в 6,24 раза
больше, чем в стационарном режиме (129,2 и 20,7 см соответственно).
При совместном действии переменного и постоянного ветра максимальные сгоны ста-
новятся больше, чем в установившемся режиме. Для всех рассматриваемых видов ветра
максимальные сгоны имеют место в Геническе: 12,2 см (Wst); 35,5 см (Wst + (1/2)WSkiron);
76,5 см (Wst + WSkiron); 92,5 см (Wst + 2WSkiron).
Таблица 2. Максимальные нагоны и сгоны (|ζ|max, см) на береговых станциях Азовского моря в стационар-
ном режиме и вызванные приводным ветром при отсутствии и наличии стационарных течений
Береговые
станции
Wst
γWSkiron Wst + γWSkiron
γ =
1
2
γ = 1 γ = 2 γ =
1
2
γ = 1 γ = 2
|ζ|max |ζ|max |ζ|max |ζ|max |ζ|max |ζ|max |ζ|max
Геническ — 20,0 25,4 31,4 29,4 32,2 51,5
Бердянск — 4,9 9,6 10,9 7,0 16,9 16,9
Мариуполь 9,8 18,5 29,3 39,9 28,0 46,4 65,4
Таганрог 20,7 40,6 50,6 79,6 57,1 63,1 128,2
Ейск 13,8 19,1 38,1 59,9 30,0 76,0 93,7
Приморско-Ахтарск 8,1 40,6 57,1 89,3 61,7 80,4 129,2
Темрюк 10,2 20,2 24,5 28,6 28,4 29,7 43,3
Опасное — 5,5 9,4 14,5 7,9 16,1 23,6
Мысовое 7,5 7,5 12,1 17,0 12,1 19,6 25,0
Геническ 12,2 22,3 42,5 62,2 35,5 76,5 92,5
Бердянск 4,0 9,7 17,3 27,1 15,1 30,9 38,0
Мариуполь — 12,7 18,2 27,2 18,7 26,0 43,7
Таганрог — 21,2 29,0 37,2 35,0 42,4 60,8
Ейск — 8,7 18,9 21,5 12,3 41,1 34,5
Приморско-Ахтарск — 8,4 14,1 16,1 12,2 23,8 26,2
Темрюк — 6,8 8,7 13,3 10,2 11,2 18,9
Опасное 3,3 5,5 10,6 15,2 8,5 20,5 22,7
Мысовое — 12,6 22,3 30,0 20,0 39,4 42,8
108 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №6
3. Целью следующей серии численных экспериментов является оценка влияния рассмат-
риваемых полей ветра и возникающих при этом течений на распространение пассивной
примеси, поступающей в центральный район Азовского моря. Время выброса загрязнения
(t = t0) в экспериментах различно и зависит от полей действующего ветра. При исследо-
вании времени процессов распространения и рассеивания примеси для удобства анализа
принимаем, что во всех рассматриваемых случаях время выброса (t0) равно нулю.
Анализ результатов численных расчетов свидетельствует о том, что площади распро-
странения областей загрязнения в поверхностном и глубинных слоях Азовского моря зави-
сят от скорости ветра, действующего над акваторией. С увеличением интенсивности вет-
ра становятся больше скорости течений (см. табл. 1) и, как следствие этого, возрастают
площади распространения примеси и время ее полного рассеивания. Максимальная пло-
щадь загрязнения имеет место для максимального значения скорости действующего вет-
ра (Wst + 2WSkiron). В этом случае на свободной поверхности через 40 ч после выброса
примеси достигается наибольшая величина отношения площади области загрязнения к ее
начальному (t = 0) значению (Kmax = 1,32), а время полного рассеяния составляет 87 ч.
Максимальное значение отношения этих площадей (1,35) на глубине 5 м имеет место, спус-
тя 42 ч после выброса примеси, а полное рассеяние загрязнения происходит через 110 ч.
В придонном слое на глубине 12 м максимальная величина отношения этих площадей (1,38)
достигается через 59 ч после выброса примеси, а через 115 ч ее концентрация во всей аква-
тории моря не превышает 2,5% от начального значения.
Таким образом, нами представлены результаты исследования сгонно-нагонных явлений
и распространения пассивной примеси системой течений, вызванных действием постоян-
ного и переменного ветра в Азовском море. Достоверность установленных выводов под-
тверждается сравнением рассчитанных значений экстремальных сгонов и нагонов с дан-
ными натурных наблюдений, полученными во время действия ветра SKIRON на береговых
гидрометеорологических станциях.
1. Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of three-dimensional coastal ocean circulation model // Three-
Dimensional Coast Ocean Models, Coastal Estuarine Sci. – Washington, DC: AGU, 1987. – P. 1–16.
2. Фомин В.В. Численная модель циркуляции вод Азовского моря // Науч. тр. УкрНИГМИ. – 2002. –
Вып. 249. – С. 246–255.
3. Черкесов Л. В., Иванов В.А., Хартиев С.М. Введение в гидродинамику и теорию волн. – Санкт-Пе-
тербург: Гидрометеоиздат, 1992. – 264 с.
4. Weather and wave forecast for Greece, Europe – Mediterranean sea. – http://forecast.uoa.gr.
5. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Исследование сгонно-нагонных явлений в
Азовском море, вызванных атмосферными возмущениями // Доп. НАН України. – 2006. – № 11. –
С. 109–113.
6. Фомин В.В., Шульга Т.Я. Исследование волн и течений, возникающих под действием ветра в Азов-
ском море // Там же. – 2006. – № 12. – С. 110–115.
7. Courant R., Friedrichs K.O., Lewy H. On the partial difference equations of mathematical physics //
IBM J. – 1967. – No 3. – P. 215–234.
8. Демидович Б.П., Марон И.А. Численные методы анализа. – Москва: Гос. изд-во физ.-мат. лит.,
1963. – 400 с.
9. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Т. III, Азовское море. – Ленинград:
Гидрометеоиздат, 1986. – 218 с.
Поступило в редакцию 29.01.2013Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №6 109
Академiк НАН України В.О. Iванов,
член-кореспондент НАН України Л.В. Черкесов, Т. Я. Шульга
Хвилi, течiї та еволюцiя пасивної домiшки, що викликаються
прогностичним вiтром в Азовському морi
У данiй роботi з використанням нелiнiйної тривимiрної сигми-координатної моделi з ура-
хуванням стацiонарних течiй дослiджуються динамiчнi процеси, що виникають пiд дiєю
постiйного i прогностичного вiтру в Азовському морi. Знайдено залежностi величин зго-
нiв, нагонiв i характеристик еволюцiї областей забруднення вiд iнтенсивностi атмосфер-
них збурень.
Academician of the NAS of Ukraine V.A. Ivanov,
Сorresponding Member of the NAS of Ukraine L.V. Cherkesov, T.Ya. Shul’ga
Waves, currents, and evolution of a passive admixture caused by
a forecasts wind in the Sea of Azov
With the use of a nonlinear three-dimensional sigma-coordinate model, the dynamical processes
caused by the action of a forecasts wind in the Sea of Azov in the presence of stationary currents
are investigated. The dependences of surge phenomena, speeds of currents, and characteristics of the
evolution of areas of pollution on various horizons on the intensity of atmospheric perturbations
are found.
110 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №6
|