Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений
С использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются динамические процессы под действием циклонических возмущений в поле стационарного ветра в Азовском море, а также особенности трансформации примеси. На основании результатов численных расчетов сделаны выводы о влиянии направления...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5440 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений / В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Мор. гидрофиз. журн. — 2009. — № 2. — С. 12-25. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859646282139697152 |
|---|---|
| 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. |
| citation_txt | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений / В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Мор. гидрофиз. журн. — 2009. — № 2. — С. 12-25. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | С использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются динамические процессы под действием циклонических возмущений в поле стационарного ветра в Азовском море, а также особенности трансформации примеси. На основании результатов численных расчетов сделаны выводы о влиянии направления перемещения циклона на максимальные скорости генерируемых им течений. Установлено, что циклон, перемещающийся на запад, вызывает течения с бóльшими максимальными скоростями, чем циклоны других направлений. Показано, что перемещение атмосферных возмущений приводит к существенному увеличению площади распространения загрязнения по сравнению с воздействием только стационарных течений. Исследовано влияние скоростей стационарных течений на максимальные скорости течений, вызванные прохождением циклона.
Using three-dimensional nonlinear mathematical model, dynamic processes affected by cyclonic disturbances in the field of stationary wind in the Azov Sea, and also peculiarities of impurity transformation are studied. Based on the results of numerical calculations, the conclusions on the influence of direction of a moving cyclone upon maximum velocities of the generated currents are drawn. It is revealed that the westward moving cyclone induces the currents with considerably higher velocities than those of other directions. It is shown that movement of atmospheric disturbances results in more significant increase of the contaminated area as compared to the influence only of stationary currents. Influence of the velocities of stationary currents upon the maximum velocities of the cyclone-induced ones is studied.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:28:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 12
УДК 532.59
В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга
Исследование влияния циклонических возмущений
на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском
море при наличии стационарных течений
С использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются динамиче-
ские процессы под действием циклонических возмущений в поле стационарного ветра в Азов-
ском море, а также особенности трансформации примеси. На основании результатов числен-
ных расчетов сделаны выводы о влиянии направления перемещения циклона на максимальные
скорости генерируемых им течений. Установлено, что циклон, перемещающийся на запад,
вызывает течения с бóльшими максимальными скоростями, чем циклоны других направлений.
Показано, что перемещение атмосферных возмущений приводит к существенному увеличению
площади распространения загрязнения по сравнению с воздействием только стационарных
течений. Исследовано влияние скоростей стационарных течений на максимальные скорости
течений, вызванные прохождением циклона.
Одной из задач современной океанологии является изучение динамики
вод в морских бассейнах и прогнозирование их будущих изменений, что свя-
зано с глобальными процессами потепления и растущим антропогенным воз-
действием. Особая роль в исследованиях отведена анализу наиболее вероят-
ных сценариев распространения загрязнений, эволюция которых происходит
в основном за счет переноса течениями. В Азовском море, сравнительно не-
большом и мелководном бассейне, течения определяются, прежде всего,
прямым воздействием ветра и рельефом дна. На основании результатов чис-
ленного моделирования [1 – 3] показано, что динамика вод с прохождением
циклонов над Азовским морем становится более интенсивной. Поэтому пред-
ставляет интерес изучение влияния атмосферных аномалий типа циклонов на
циркуляцию вод и распространение загрязнений в этом бассейне.
Численному моделированию динамики вод Азовского моря посвящен
ряд работ, где с использованием трехмерной нелинейной σ -координатной
модели [4] изучены основные характеристики ветровых течений, сгонно-
нагонных процессов для типовых стационарных полей ветра [5] и для неста-
ционарного и однородного по пространству ветра [6]. В [5] также выполнен
анализ времени полного рассеивания примеси, максимальной площади за-
грязнения и трансформации примеси при наличии стационарных течений, в
[7] те же процессы исследованы под действием переменного ветра.
В данной работе указанная выше математическая модель применена для
изучения воздействия циклонических возмущений в поле стационарных те-
чений на динамику вод и трансформацию пассивной примеси в Азовском мо-
ре. Приводятся результаты численных расчетов для различных параметров
атмосферных возмущений.
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
© В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга, 2009
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 13
движения однородной несжимаемой жидкости в приближении теории мелкой
воды [4]:
,)()(
1
1211 z
u
K
zyxx
p
fv
dt
du
M ∂
∂
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂+− ττ
ρ
(1)
,)()(
1
2221 z
v
K
zyxy
p
fu
dt
dv
M ∂
∂
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂++ ττ
ρ
(2)
,0=+
∂
∂ ρg
z
p
(3)
.0=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
z
w
y
v
x
u
(4)
Здесь все обозначения общепринятые.
Компоненты тензора турбулентных напряжений Рейнольдса ijτ в (1), (2)
определяются через градиенты осредненных скоростей по формулам
.2,,2 22211211 y
v
A
y
u
x
v
A
x
u
A MMM ∂
∂=
∂
∂+
∂
∂==
∂
∂= ττττ (5)
Коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости АМ вычисляется с
помощью формулы Смагоринского [8].
Граничные условия на свободной поверхности имеют вид
,
y
v
x
u
t
w
z ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂==
ζζζ
ζ (6)
).,(, 00 yx
z
M z
v
z
u
K ττ
ζ
=
∂
∂
∂
∂
=
(7)
Здесь Wxax WC=0τ и Wyay WC=0τ – проекции касательных напряже-
ний ветра, Wx, Wy – компоненты вектора скорости ветра W на высоте 10 м над
уровнем моря с модулем 22
yx WW +=W . Для численных расчетов коэффи-
циент поверхностного трения выбран на основе соотношения [9]
>⋅+
≤⋅
=
−
−
.м/c10 ,10)065,049,1(
м/c,10 ,1014,1
3
3
WW
W
aC (8)
На боковых границах выполняется условие прилипания. На дне
( ),( yxHz −= ) равна нулю нормальная составляющая скорости
.0=
∂
∂+
∂
∂+
−= Hz
y
H
v
x
H
uw (9)
Придонные касательные напряжения связаны со скоростью квадратичной
зависимостью [4]
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 14
),,(, 11 yx
Hz
M z
v
z
u
K ττ=
∂
∂
∂
∂
−=
(10)
где 22
1
22
1 , vuvCvuuC bybx ++++====++++==== ττ (Cb – коэффициент донного трения,
который находится по формуле ),/(ln 02
22 zzkCb
−= 2z – шаг по вертикали в
придонном слое, м 003,00 ====z – параметр шероховатости, характеризующий
гидродинамические свойства подстилающей донной поверхности).
В начальный момент времени t = 0 движение жидкости отсутствует, сво-
бодная поверхность горизонтальна, циклон находится за пределами акватории:
.0)0,,,(,0)0,,,(,0)0,,,( === zyxzyxvzyxu ζ (11)
В качестве ветра, выводящего течения на установившийся режим, выбран
однородный по пространству ветер, скорость которого stW первые 3 ч на-
растает со временем по линейному закону, достигает своего максимального
значения и далее не меняется. Для численных расчетов скорость и направле-
ние этого ветра выбраны на основании данных, приведенных в [10].
Степень приближения к установившемуся режиму оценивается по отно-
сительным изменениям полной энергии ),(tES которая находится как сумма
осредненных по пространству кинетической )(tEK и потенциальной )(tEP
энергий. Изменение SE находим по формуле ,/1 n
S
n
S
n
S
n
S EEEE −−−−==== ++++δ где
,PKS EEE += n – номер шага по времени. Считаем, что стационарный ре-
жим достигается при 210−≤n
SEδ . Исходя из этого, определяем время устано-
вившегося движения жидкости, начала действия барических возмущений и
выброса загрязнения при t = t0.
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
tzyxС (12)
где 2
0
2
0 )()( yyxxr −−−−++++−−−−==== – расстояние от центра )( 0,0 yx возмущения до
точки, в которой вычисляется концентрация; 1z – толщина слоя области за-
грязнения.
Для расчета распространения концентрации С используем уравнение пе-
реноса диффузии [7]
∂∂∂∂
∂∂∂∂
∂∂∂∂
∂∂∂∂++++
∂∂∂∂
∂∂∂∂
∂∂∂∂
∂∂∂∂++++
∂∂∂∂
∂∂∂∂
∂∂∂∂
∂∂∂∂====
z
C
K
zy
C
A
yx
C
A
xdt
dC
HHH . (13)
Здесь AH и KH – коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбулент-
ной диффузии. К граничным условиям на свободной поверхности и в при-
донном слое при t = t0 добавляются условия
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 15
,0=
∂
∂
=ζz
H n
C
K (14)
.0=
∂
∂
−= Hz
H n
C
K (15)
На боковых границах выполняется условие отсутствия потока примеси в
направлении внешней нормали n
.0=
∂
∂
n
C
AH (16)
Считая радиус циклонического образования равным cR [11], представим
атмосферное давление pa в виде
>>>>
≤≤≤≤++++
−−−−
====
, ,~
, ,~
2
cos2
0
ca
ca
ca
Rrp
Rrp
R
r
p
p
π
(17)
где ap~ – фоновое значение давления; 0p – максимальное отклонение от
ap~ в атмосферном возмущении; r – расстояние от центра движущегося
циклона до точки с координатами (x, y).
Согласно [12], в неподвижном циклоне рассчитываем ветер, умножая
модуль вектора геоциклострофической скорости Wg на эмпирический ко-
эффициент µ = 0,7; учитываем при этом, что направление ветра отклоня-
ется от касательных к изобарам на угол γ = 20° (угол втока) против часо-
вой стрелки. При условии, что барическое образование возникает над по-
лем стационарного ветра и движется поступательно со скоростью c, полу-
чим следующее выражение для скорости приводного ветра:
>
≤+++
=
, ,
,,)90(
cst
cgst
Rr
Rr
r
TW
W
c
r
W
W
γµ o
(18)
где
2/12 )(
22
+
+−=
a
ra
g
rpfrfr
W
ρ
– геоциклострофическая скорость,
(pa)r − радиальный градиент атмосферного давления; вектор r направлен
от центра циклона к точке, в которой вычисляется W; )(αT − матрица по-
ворота на угол α .
Численная реализация модели и выбор параметров. В исходных урав-
нениях (1) – (4), (13), граничных условиях (6), (7), (9), (10), (13) – (16) и
начальных условиях (11) осуществляется переход от координаты z к
σ-координате [4, 7]:
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 16
[ ]0 ;1,),/()(,, −∈=+−=== ∗∗∗ σζζσ ttHzyyxx . (19)
В численных экспериментах используются равномерные шаги по го-
ризонтальным координатам м 1350======== yx ∆∆ и по σ -координате. Количе-
ство расчетных уровней по вертикали равно 11. Уравнения решаются с
шагом 18=∆t с для определения осредненных двумерных компонент ско-
рости и уровня моря и с шагом t∆10 – для вычисления отклонений от най-
денных средних и вертикальной компоненты скорости. Рельеф дна и кон-
фигурация береговой линии Азовского моря в узлах сетки сняты с навига-
ционных карт.
Анализ численных экспериментов
Наибольшую повторяемость в осенний период имеют ветры северо-
восточного и восточного направлений со скоростями 5 – 15 м/с [10]. В лет-
ний период наибольшую непрерывную продолжительность (до 2,5 сут)
имеют ветры юго-восточного направления. Таким образом, в численных
расчетах выход течений на установившийся режим осуществляется посто-
янным восточным ветром, скорость которого изменяется в пределах
5 – 15 м/с )153,102,5( 13121 ===== ststststst WWWWW .
Как следует из анализа метеорологической информации [10], над
Азовским морем даже в течение одного месяца наблюдается частая смена
ветров различных направлений. Поэтому моделирование циркуляции вод
и распространения примеси проводится при условии, что циклонические
атмосферные возмущения могут иметь направления и скорости перемеще-
ния, не совпадающие с направлением и скоростью постоянного ветра, вы-
водящего течения на установившийся режим. Предполагается, что по мере
своего перемещения центр циклона пересекает Азовское море по заданной
траектории и проходит через его центральную часть ( 173=x км, 79=y км).
Время выхода течений на установившийся режим, перемещения по всей
акватории и полного рассеяния примеси составляет время расчета числен-
ных экспериментов. Загрязнение считается рассеявшимся при условии,
что максимум концентрации Сd становится равным 2105,2 −⋅ .
1. В первой серии численных экспериментов исследуется влияние раз-
личных направлений перемещения циклонов на отклонения уровня и поля
скоростей течений. Согласно данным наблюдений [11] полагаем, что ци-
клон перемещается со скоростью 5 м/с, имеет радиус 100 км, перепад дав-
ления между центром и периферией составляет 15 гПа. Расчеты проведе-
ны для его передвижения на юго-запад (ЮЗ), запад (З) и северо-запад
(СЗ). Указанные направления составляют с осью x углы 135º, 180º и
225º соответственно.
На рис. 1 представлены поля ветра на высоте 10 м над Азовским мо-
рем, которые соответствуют различным этапам перемещения атмосферно-
го образования. Через 1 ч от начального момента времени 0tt = циклон
входит в акваторию (рис. 1, а), затем при 80 += tt ч (рис. 1, б) пересекает
центральную часть моря и при 150 += tt ч (рис. 1, в) уходит из акватории.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 17
0
50
100
150
200
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250 300 350
0
50
100
150
200
Р и с. 1. Поля скоростей приводного ветра при перемещении циклона на запад со скоростью
5 м/с: а – циклон вошел в акваторию (t = t0 + 1 ч), б – пересекает центральную часть моря
(t = t0 + 8 ч), в – уходит из акватории (t = t0 + 15 ч)
в
a
б
км
км
км
км
20 м/с
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 18
0
50
100
150
200
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250 300 350
0
50
100
150
200
Р и с. 2. Поля скоростей течений в Азовском море (в те же моменты времени, что на рис. 1)
в
б
км
км
км
км
a
▼
0,7 м/с
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 19
На рис. 2 в те же моменты времени приведены поля течений на по-
верхности моря, генерируемые циклоном, движущимся на запад. Для ста-
ционарного режима (рис. 2, а) характерно преобладающее направление
течений в сторону действующего ветра и наличие в центре северной части
бассейна одного антициклонического вихря. С началом действия циклона
структура установившихся течений изменяется (рис. 2, б). Их направление
спустя 8 ч (циклон пересекает центральную часть моря) в одних районах
противоположно направлению перемещения циклона, в других – перпен-
дикулярно ему. Через 15 ч (рис. 2, в), когда циклон уходит из акватории, в
северной части моря и Таганрогском заливе преобладает направление те-
чений в сторону атмосферных возмущений, в центральной части – под уг-
лом 90º к ним.
Поля уровня моря для указанных параметров циклона, полученные в
результате моделирования, показаны на рис. 3 (в те же моменты времени).
Из их анализа следует, что в установившемся режиме (рис. 3, а) имеет ме-
сто понижение уровня вдоль западного побережья (сгоны) и повышение –
вдоль восточного берега (нагоны). Узловая линия (показана штриховой)
пересекает центральную часть моря, она ориентирована перпендикулярно
направлению ветра. Через 8 ч после начала действия циклона (рис. 3, б)
изолиния нулевых отклонений уровня уже имеет эллиптическую форму и
смещается от центра на запад. Большая ось этого эллипса ориентирована в
меридиональном направлении, малая – в зональном. Центр эллипса при-
близительно совпадает с узловой линией установившегося режима, разде-
ляющей море на зоны сгона и нагона. С удалением на восток колебания
постепенно возрастают и наибольших значений достигают вблизи Мариу-
поля. При дальнейшем движении к Таганрогскому заливу появляются об-
ласти небольших понижений уровня. К западу от центра эллипса
(рис. 3, б) колебания уровня не превышают 3 см. С уходом циклона
(рис. 3, в) одна из узловых линий проходит через центральную часть моря,
она ориентирована практически так же, как в установившемся режиме. В
восточной части моря вновь отмечается подъем уровня, в западной части –
его понижение.
В табл. 1 приведены зависимости максимальных скоростей течений
от начальных скоростей стационарных течений (СТ) и направления пе-
ремещения циклонов (скорость 5 м/с, радиус 100 км). Видно, что при
увеличении скорости постоянного ветра в 2 и 3 раза скорости стационар-
ных течений на поверхности достигают 14; 34; 62 см/с, т.е. возрастают
соответственно в 1,8 и 4,4 раза. С прохождением циклонов над акватори-
ей скорости течений на всех горизонтах резко увеличиваются. Наиболь-
шие максимальные скорости имеют место при движении атмосферных
возмущений на запад, наименьшие – на северо-запад. Сравнивая генери-
руемые циклоном в западном направлении скорости течений в поверхно-
стном слое (86, 108, 126 см/с), отметим их рост в 1,2 и 1,4 раза. Такое же
характерное соотношение скоростей течений прослеживается и на дру-
гих горизонтах. Под действием атмосферных возмущений происходит
увеличение скорости течений с глубиной, наибольшее значение отмеча-
ется в придонном слое.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 20
Р и с. 3. Поля уровня Азовского моря (в те же моменты времени, что на рис. 1)
0
50
100
150
200
в
a
б
км
км
км
км
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250 300 350
0
50
100
150
200
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 21
Т а б л и ц а 1
Скорости стационарных течений и максимальные скорости течений (м/с), вызван-
ных прохождением циклонов, при трех скоростях постоянного ветра и трех
характерных направлениях перемещения циклонов
1
stW = 5 м/с 2
stW = 10 м/с 3
stW = 15 м/с
Направление
циклона
Направление
циклона
Направление
циклона
Глу-
бина,
м СТ
ЮЗ З СЗ
СТ
ЮЗ З СЗ
СТ
ЮЗ З СЗ
0 0,14 0,83 0,86 0,80 0,34 1,07 1,08 1,02 0,62 1,25 1,26 1,21
3 0,11 0,77 0,79 0,74 0,28 0,99 1,00 0,96 0,52 1,17 1,16 1,13
5 0,09 0,72 0,75 0,70 0,24 0,93 0,94 0,90 0,46 1,10 1,10 1,06
10 0,06 0,50 0,52 0,49 0,17 0,65 0,66 0,63 0,32 0,77 0,77 0,74
По данным, приведенным в табл. 1, проанализируем влияние различных
направлений перемещения циклонов, действующих над полем стационарных
течений, установившихся при 153 =stW м/с. Максимальные скорости течений
на поверхности моря составляют 1,25; 1,26 и 1,21 м/с. Они отличаются незна-
чительно, разница между наибольшим на западе и наименьшим на северо-
западе значениями скорости 4,1%.
Следовательно, скорости течений, вызванные прохождением циклонов,
мало зависят от скоростей начальных стационарных течений. Изменение на-
правления перемещения циклона приводит к небольшим различиям макси-
мальных скоростей течений.
2. В следующей серии численных экспериментов оценим влияние пара-
метров атмосферных возмущений на размеры области проникновения и вре-
мя полного рассеяния пассивной примеси от мгновенного источника. Посту-
пившие в море загрязняющие вещества распространяются под действием
турбулентной диффузии. Они также переносятся ветровыми течениями, воз-
буждаемыми системой ветров, слагаемых из постоянного ветра и вызванных
прохождением циклонов неоднородного и переменного ветров.
На рис. 2, а темным треугольником показано место выброса загрязнения
над самой глубоководной (H = 12 м) частью, координаты центра 1800 =x км,
1200 =y км. Радиус пятна примеси принимается равным 9 км. Для расчета
областей загрязнений вследствие процессов адвекции и диффузии выбраны
следующие значения коэффициентов: c/м10c,/м10 242 −−−−======== HH KA [13].
При решении этой задачи принимаем за начало отсчета время выброса за-
грязнений ( 0tt = ) в момент выхода течений на установившийся режим.
Для количественной оценки площади распространения загрязнений вве-
дем безразмерную величину maxK . Ее коэффициент рассчитывается как от-
ношение максимальной площади maxS , ограниченной изолинией концентра-
ции примеси dC , в момент времени maxtt = к площади первоначального за-
грязнения 0S при 0tt = )/( 0maxmax SSK = .
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 22
Р
и
с
. 4
. Т
р
ан
сф
о
р
м
ац
и
я
о
б
л
ас
ти
з
аг
р
яз
н
ен
и
я
п
р
и
п
ер
ем
ещ
ен
и
и
ц
и
к
л
о
н
а
р
ад
и
у
со
м
1
00
к
м
н
а
за
п
ад
с
о
с
к
о
р
о
ст
ью
5
м
/с
: а
, б
, в
д
ан
ы
в
т
е
ж
е
м
о
-
м
ен
ты
в
р
ем
ен
и
, ч
то
н
а
р
и
с.
1
, г
, –
ч
ер
ез
3
0
ч
п
о
сл
е
у
х
о
д
а
ц
и
к
л
о
н
а
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 23
В первом численном эксперименте исследуется перенос примеси в устано-
вившемся режиме, вызванный действием постоянного ветра со скоростями 5 –
15 м/с. Оценим параметры проникновения аварийных выбросов при скорости вет-
ра 15 м/с, которые, согласно работе [8], будут наибольшими. В месте поступления
загрязняющих веществ стационарные течения на поверхности со скоростью
62 см/с направлены в сторону действующего ветра (рис. 2, а), где наблюдается
перенос примеси (рис. 4). Эти области с течением времени все больше вытягива-
ются в западном направлении. Опускание примеси на горизонт 2/Hz −−−−==== проис-
ходит через 2 ч, в придонный слой – спустя 9 ч. На этих глубинах области концен-
трации имеют форму, также вытянутую в западном направлении.
В рассматриваемом поле установившихся течений максимум площади, заня-
той загрязнением на поверхности, составляет 1,22 ( 3max =t ч), на глубине
2/Hz −−−−==== 1,23 ( 10max =t ч), в придонном слое – 1,22 ( 25max =t ч). Полное рас-
сеяние происходит через 53 ч с момента выброса, при этом с течением времени
направление трансформации примеси существенно не меняется.
Рассмотрим более подробно эволюцию области загрязняющих веществ под
действием атмосферного образования радиусом 100 км, движущегося на запад со
скоростью 5 м/с. Его воздействие происходит в поле установившихся течений,
вызванных ветром с наименьшей из рассматриваемых скоростей (5 м/с). В районе
аварийного выброса скорости установившихся течений составляют: в поверхност-
ном слое 14 см/с, при 2/Hz −= 9 см/с, у дна 6 см/с. Вследствие прохождения
циклона эти скорости увеличиваются и достигают максимальных значений: при
0====z 86 см/с (через 15 ч), при 2/Hz −= 75 см/с (через 18 ч), при Hz −=
52 см/с (через 20 ч). Увеличение скоростей течений на указанных глубинах со-
ставляет 6,2; 8,3; 8,6 раза.
В процессе перемещения атмосферного образования меняется направление
приводного ветра и как следствие – направление генерируемых им течений. В ре-
зультате области загрязнения первые 2 ч перемещаются на запад, в направлении
стационарных течений (рис. 4, а), а затем через 10 ч распадаются на несколько не-
больших фрагментов (рис. 4, б, в). Части области переносятся от центра выброса в
различных направлениях на значительные расстояния и спустя 30 ч достигают
северного побережья Азовского моря в районе Бердянска и Мариуполя (рис. 4, г).
С течением времени участки загрязняющих веществ переносятся на запад. Полное
рассеяние происходит через 149 ч, что в 2,7 раза превышает время рассеяния такой
же области загрязнения в установившемся режиме.
Исследуем влияние направления атмосферных образований радиусом 100 км,
движущихся со скоростью 5 м/с, на эволюцию области загрязнения с теми же па-
раметрами, которые рассматривались ранее в установившемся режиме. Для ци-
клонов различных направлений время проникновения примеси на глубину
2/Hz −= длится значительно дольше, чем в установившемся режиме, и состав-
ляет 15 ч после ее выброса на поверхность. Более продолжительным (до 20 ч) ста-
новится также опускание загрязняющих веществ в придонный слой. Таким обра-
зом, вертикальное распространение примеси под действием циклона замедляется
по сравнению со стационарным случаем в 7,5 раза ( 2/Hz −= ) и
в 2,2 раза ( Hz −= ).
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 24
В табл. 2 приведены коэффициент максимального охвата области загрязне-
ния, время его достижения и полного рассеяния примеси на различных глубинах
моря в установившемся режиме и под действием циклонов, перемещающихся со
скоростью 5 м/с в различных направлениях. Согласно этим данным, циклоны ока-
зывают существенное влияние на параметры распространения примеси. При за-
падном направлении параметры проникновения и время полного рассеяния облас-
тей загрязнения наибольшие. Сравнивая значения maxK для этого направления
циклона с полученными при расчетах при наличии только стационарных течений,
отметим их более чем восьмикратное увеличение на различных горизонтах.
Т а б л и ц а 2
Параметры эволюции примеси на различных глубинах
под действием стационарных течений и циклонов,
перемещающихся в трех направлениях
1
stW = 5 м/с 2
stW = 10 м/с 3
stW = 15 м/с
Направление
циклона
Направление
циклона
Направление
циклона
Глу-
бина,
м
Макси-
маль-
ные
значе-
ния K и
t, ч
СТ
ЮЗ З СЗ
СТ
ЮЗ З СЗ
СТ
ЮЗ З СЗ
maxK 1,14 7,52 7,75 7,24 1,19 8,63 8,69 8,66 1,22 8,91 9,15 8,78
maxt 4 140 142 141 3 150 156 150 3 162 165 162 0
dt 18 149 150 149 17 162 167 162 17 170 175 170
maxK 1,17 7,65 7,98 7,39 1,18 8,56 8,61 8,59 1,23 9,08 9,16 8,93
maxt 13 140 143 141 10 151 157 151 10 162 166 162 5
dt 35 150 151 150 34 163 168 163 33 170 176 170
maxK 1,12 7,29 7,67 7,00 1,17 8,48 8,54 8,52 1,22 8,87 9,09 8,72
maxt 23 140 143 141 21 151 157 151 15 163 166 162 10
dt 57 150 151 151 55 163 168 163 53 170 176 170
Площадь распространения загрязнения зависит от скорости ветра, выво-
дящего течения на установившийся режим, и от направления перемещения
циклона. Видно, что с ростом stW (табл. 1) становятся больше скорости те-
чений в установившемся режиме, в связи с этим увеличиваются область про-
никновения и время полного рассеяния примеси (табл. 2). Согласно приве-
денным данным, максимальное время полного рассеяния при 3
stW (176 ч) в
1,2 раза больше, чем при 1
stW (151 ч).
Выводы
Сформулируем основные результаты проведенных исследований:
− в поле стационарных течений движущийся в западном направлении
циклон генерирует движение жидкости, скорость которой больше скорости
течений, возникающих под действием циклона, перемещающегося на юго-
запад или северо-запад;
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 2 25
− при наличии стационарного движения жидкости перемещение циклона
приводит к существенному увеличению площади вертикального распространения
загрязнения по сравнению с действием только стационарного течения;
− увеличение скоростей стационарного ветра от 5 до 15 м/с приводит к рос-
ту на 40% скоростей течений при прохождении одного и того же циклона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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. – C. 658 – 665.
2. Иванов В.А., Коновалов А.В., Черкесов Л.В. Влияние циклонов на изменение уровен-
ной поверхности Азовского и Черного морей // Метеорология и гидрология. – 2003. –
№4. – С. 73 – 80.
3. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Исследование сгонно-нагонных
явлений в Азовском море, вызванных атмосферными возмущениями // Доповіді На-
ціональної академії наук України. – 2006. – №11. – С. 109 – 113.
4. Фомин В.В. Численная модель циркуляции вод Азовского моря // Научные труды Укр-
НИГМИ. – 2002. – Вып. 249. – C. 246 – 255.
5. Иванов В.А., Фомин В.В., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Исследование эволюции поля при-
меси в Азовском море при наличии стационарных течений // Доповіді Національної ака-
демії наук України. – 2007. – №7. – С. 160 – 120.
6. Фомин В.В., Шульга Т.Я. Исследование волн и течений, возникающих под действием ветра
в Азовском море // Там же. – 2006. – №12. – С. 110 – 115.
7. 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.
8. Smagorinsky J. General circulation experiments with primitive equations, I. The basic experi-
ment // Mon. Weather Rev. – 1963. – 91. – P. 99 – 164.
9. Large W.G., Pond S. Open ocean momentum fluxes in moderate to strong winds // J. Phys.
Oceanogr. – 1981. – 11. – P. 324 – 326.
10. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Том III. Азовское море. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1986. – 218 с.
11. Алексеев Д.В., Иванча Е.В., Иванов В.А. и др. Моделирование эволюции волновых полей
в районе северо-западного шельфа Черного моря при прохождении циклона // Морской
гидрофизический журнал. – 2005. – №1. – С. 42 – 54.
12. Григоркина Р.Г., Фукс В.Р. Воздействие тайфунов на океан. − Л.: Гидрометеоиздат,
1986. – 244 с.
13. Якушев Е.В., Сухинов А.И., Лукашев Ю.Ф. и др. Комплексные океанологические иссле-
дования Азовского моря в 28-м рейсе научно-исследовательского судна «Акванавт»
(июль – август 2001 г.) // Океанология. – 2003. – 43, №1. – С. 44 – 53.
Морской гидрофизический институт НАН Украины,
Севастополь
Материал поступил
в редакцию 07.09.07
После доработки 18.09.07
ABSTRACT Using three-dimensional nonlinear mathematical model, dynamic processes affected by
cyclonic disturbances in the field of stationary wind in the Azov Sea, and also peculiarities of impu-
rity transformation are studied. Based on the results of numerical calculations, the conclusions on the
influence of direction of a moving cyclone upon maximum velocities of the generated currents are
drawn. It is revealed that the westward moving cyclone induces the currents with considerably higher
velocities than those of other directions. It is shown that movement of atmospheric disturbances re-
sults in more significant increase of the contaminated area as compared to the influence only of sta-
tionary currents. Influence of the velocities of stationary currents upon the maximum velocities of the
cyclone-induced ones is studied.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-5440 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:28:26Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Иванов, В.А. Фомин, В.В. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. 2010-01-20T14:42:37Z 2010-01-20T14:42:37Z 2009 Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений / В.А. Иванов, В.В. Фомин, Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга // Мор. гидрофиз. журн. — 2009. — № 2. — С. 12-25. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5440 532.59 С использованием трехмерной нелинейной математической модели изучаются динамические процессы под действием циклонических возмущений в поле стационарного ветра в Азовском море, а также особенности трансформации примеси. На основании результатов численных расчетов сделаны выводы о влиянии направления перемещения циклона на максимальные скорости генерируемых им течений. Установлено, что циклон, перемещающийся на запад, вызывает течения с бóльшими максимальными скоростями, чем циклоны других направлений. Показано, что перемещение атмосферных возмущений приводит к существенному увеличению площади распространения загрязнения по сравнению с воздействием только стационарных течений. Исследовано влияние скоростей стационарных течений на максимальные скорости течений, вызванные прохождением циклона. Using three-dimensional nonlinear mathematical model, dynamic processes affected by cyclonic disturbances in the field of stationary wind in the Azov Sea, and also peculiarities of impurity transformation are studied. Based on the results of numerical calculations, the conclusions on the influence of direction of a moving cyclone upon maximum velocities of the generated currents are drawn. It is revealed that the westward moving cyclone induces the currents with considerably higher velocities than those of other directions. It is shown that movement of atmospheric disturbances results in more significant increase of the contaminated area as compared to the influence only of stationary currents. Influence of the velocities of stationary currents upon the maximum velocities of the cyclone-induced ones is studied. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Термогидродинамика океана Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений Иванов, В.А. Фомин, В.В. Черкесов, Л.В. Шульга, Т.Я. Термогидродинамика океана |
| title | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений |
| title_full | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений |
| title_fullStr | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений |
| title_full_unstemmed | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений |
| title_short | Исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в Азовском море при наличии стационарных течений |
| title_sort | исследование влияния циклонических возмущений на динамические процессы и эволюцию примеси в азовском море при наличии стационарных течений |
| topic | Термогидродинамика океана |
| topic_facet | Термогидродинамика океана |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5440 |
| work_keys_str_mv | AT ivanovva issledovanievliâniâcikloničeskihvozmuŝeniinadinamičeskieprocessyiévolûciûprimesivazovskommoreprinaličiistacionarnyhtečenii AT fominvv issledovanievliâniâcikloničeskihvozmuŝeniinadinamičeskieprocessyiévolûciûprimesivazovskommoreprinaličiistacionarnyhtečenii AT čerkesovlv issledovanievliâniâcikloničeskihvozmuŝeniinadinamičeskieprocessyiévolûciûprimesivazovskommoreprinaličiistacionarnyhtečenii AT šulʹgatâ issledovanievliâniâcikloničeskihvozmuŝeniinadinamičeskieprocessyiévolûciûprimesivazovskommoreprinaličiistacionarnyhtečenii |