Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море
В данной работе на основе применения нелинейной трехмерной s-координатной модели исследуются волны и течения в Азовском море, вызываемые действием атмосферных полей, полученных по данным региональной системы прогноза SKIRON, при наличии стационарных течений. Выполнен анализ физических закономерносте...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Морской гидрофизический журнал |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56673 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море / Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 4. — С. 3-16. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860202364996157440 |
|---|---|
| author | Шульга, Т.Я. |
| author_facet | Шульга, Т.Я. |
| citation_txt | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море / Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 4. — С. 3-16. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Морской гидрофизический журнал |
| description | В данной работе на основе применения нелинейной трехмерной s-координатной модели исследуются волны и течения в Азовском море, вызываемые действием атмосферных полей, полученных по данным региональной системы прогноза SKIRON, при наличии стационарных течений. Выполнен анализ физических закономерностей распространения пассивной примеси в Азовском море с учетом ветровых воздействий различной интенсивности и стационарных течений. Установлено, что удвоение интенсивности стационарного ветра при действии с одним и тем же нестационарным ветром приводит к увеличению максимумов скоростей нестационарных течений на 64%. При двукратном увеличении или уменьшении интенсивности полей приводного ветра без учета стационарных течений генерируются течения, скорости которых отличаются не более чем на 25% по сравнению со скоростями, вызванными действием ветровых полей по данным системы SKIRON.
У цій роботі на основі застосування нелінійної тривимірної σ-координатної моделі досліджуються хвилі та течії в Азовському морі, які викликаються дією атмосферних полів, отриманих за даними регіональної системи прогнозу SKIRON, за наявності стаціонарних течій. Виконаний аналіз фізичних закономірностей поширення пасивної домішки в Азовському морі з урахуванням вітрових впливів різної інтенсивності та стаціонарних течій. Встановлено, що подвоєння інтенсивності стаціонарного вітру при дії з одним і тим же нестаціонарним вітром призводить до збільшення максимумів швидкостей нестаціонарних течій на 64%. При двократному збільшенні або зменшенні інтенсивності полів приводного вітру без урахування стаціонарних течій генеруються течії, швидкості яких відрізняються не більш ніж на 25% у порівнянні зі швидкостями, викликаними дією вітрових полів за даними системи SKIRON.
Based on application of a nonlinear three-dimensional σ-coordinate model, the waves and currents in the Sea of Azov induced by the atmospheric fields obtained from the SKIRON regional forecasting system data in the presence of stationary currents are investigated. Physical regularities of passive admixture distribution in the Sea of Azov are analyzed taking into account wind forcing of various intensity and presence of stationary currents. It is revealed that doubling of stationary wind intensity accompanied by one and the same non-stationary wind, results in increase of maximums of non-stationary currents’ velocities by 64%. When intensity of the near-water wind fields is twice as much or little, and stationary currents are not taken into consideration, generated are the currents whose velocities differ from those induced by the wind fields’ forcing forecasted by SKIRON, by no more than 25%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:10:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 3
© Т.Я. Шульга, 2013
Термогидродинамика океана
УДК 532.59
Т.Я. Шульга
Влияние интенсивности полей приводного ветра
на динамические процессы и трансформацию пассивной
примеси при наличии стационарных течений
в Азовском море
В данной работе на основе применения нелинейной трехмерной σ-координатной модели
исследуются волны и течения в Азовском море, вызываемые действием атмосферных полей,
полученных по данным региональной системы прогноза SKIRON, при наличии стационарных
течений. Выполнен анализ физических закономерностей распространения пассивной примеси
в Азовском море с учетом ветровых воздействий различной интенсивности и стационарных
течений. Установлено, что удвоение интенсивности стационарного ветра при действии с од-
ним и тем же нестационарным ветром приводит к увеличению максимумов скоростей неста-
ционарных течений на 64%. При двукратном увеличении или уменьшении интенсивности по-
лей приводного ветра без учета стационарных течений генерируются течения, скорости кото-
рых отличаются не более чем на 25% по сравнению со скоростями, вызванными действием
ветровых полей по данным системы SKIRON.
Ключевые слова: σ-координатная модель, динамические процессы, сгонно-нагонные про-
цессы, стационарные течения, пассивная примесь, приводный ветер.
Введение. Изменения уровня вследствие сгонно-нагонных явлений, со-
провождающиеся при сгонах − обмелением фарватеров, при нагонах − затоп-
лением островов, берегов, разрушением портовых сооружений, имеют место,
как правило, на участках у берегов с пологими подводными склонами, в за-
ливах, узких проливах (оз. Донузлав, заливы Таганрогский, Финский, Обская
губа и др.). Фактические величины сгонно-нагонных колебаний уровня Азов-
ского моря бывают очень значительными, что приводит к возникновению
опасных и катастрофических последствий. Для одного из наиболее изучен-
ных бассейнов − Азовского моря, где имеется сеть морских береговых стан-
ций и постов для анализа величин сгонов и нагонов, недостаточно проведе-
ния только стандартных специализированных экспедиционных исследова-
ний. Наиболее обоснованное представление о гидрометеорологических про-
цессах возможно вследствие анализа расчетов, базирующихся на применении
современных трехмерных численных моделей. Они позволяют учитывать ре-
альные атмосферные воздействия, рельеф дна, конфигурацию береговой ли-
нии.
Исследование течений и колебаний уровня, возникающих в этом море
под действием переменных во времени ветра и атмосферного давления при
отсутствии стационарных течений, проведено в статьях [1, 2]. В этих работах
для изучения динамических процессов в Азовском море применяется трех-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 4
мерная нелинейная σ-координатная модель, которая основывается на нели-
нейных уравнениях движения однородной вязкой несжимаемой жидкости в
приближении гидростатики. При построении численного алгоритма в этой
модели используется криволинейная система координат [3 − 5].
В данной работе указанная выше математическая модель применена для
исследования сгонно-нагонных явлений, течений и трансформации пассив-
ной примеси в Азовском море, возникающих под действием переменных по
пространству и времени полей приводного ветра и атмосферного давления,
по метеорологическим данным прогностической системы SKIRON [6]
(http://forecast.uoa.gr). Выполнено сравнение результатов проведенных чис-
ленных расчетов с данными натурных наблюдений, полученными во время
действия этого ветра на ряде гидрологических станций. Найдены зависимо-
сти величин сгонов и нагонов, скоростей течений и характеристик эволюции
областей загрязнения на различных горизонтах от интенсивности прогности-
ческого ветра и стационарных течений.
Постановка задачи. Граничные и начальные условия. Введем систе-
му координат, в которой ось x направлена на восток, y – на север, z – верти-
кально вверх. Математическая модель основывается на уравнениях движения
и неразрывности, записанных в декартовой системе координат (x, y, z) с ис-
пользованием приближений Буссинеска и гидростатики [3, 7, 8]:
∂
∂
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂=
∂
∂+−
z
u
K
zy
u
x
v
A
yx
u
A
xx
p
fv
td
ud
MMM2
1
ρ
, (1)
∂
∂
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂=
∂
∂++
z
v
K
zy
u
x
v
A
xy
v
A
yy
p
fu
td
vd
MMM2
1
ρ
, (2)
0=+
∂
∂ ρg
z
p
, (3)
0=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
z
w
y
v
x
u
. (4)
Здесь wvu ,, − проекции скорости по осям zyx ,, соответственно; t – время;
zwyvxutdtd ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂= ///// – полная производная; p – давление;
ρ – плотность; g – ускорение свободного падения; f − параметр Кориолиса;
AM – коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости, вычисляемый по
формуле Смагоринского [9]; KM – коэффициент вертикальной турбулентной вяз-
кости, для определения которого используется теория Меллора – Ямады [10].
Граничные условия на свободной поверхности (z = ζ(x, y)) имеют вид:
y
v
x
u
t
w
z ∂
∂+
∂
∂+
∂
∂==
ζζζ
ζ , (5)
( )yx
z
M z
v
z
u
K 0,0, ττ
ζ
=
∂
∂
∂
∂
=
. (6)
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 5
При этом Wxax WC=0τ и Wyay WC=0τ – проекции касательных напря-
жений ветра [3]; (Wx, Wy) – компоненты вектора скорости ветра W на высоте
10 м над уровнем моря; Са − эмпирический коэффициент поверхностного
трения, который варьируется в зависимости от скорости ветра [11]:
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
≤
≤
≤
≤
>
≤
≤
≤+
=
.см
,см
,см
,см
,см
1
4
8
22
22
1
4
8
;6,2
;1,1
;2,1
;065,049,0
;5,2
10
1-
1-
1-
1-
-1
3
W
W
W
W
W
W
aC (7)
На дне (z = −Н(x, y)) равна нулю нормальная составляющая скорости:
0=
∂
∂+
∂
∂+
−= Hz
y
H
v
x
H
uw . (8)
Придонные касательные напряжения связаны со скоростью квадратичной
зависимостью [3]:
( )yx
Hz
M z
v
z
u
K 1,1, ττ=
∂
∂
∂
∂
−=
, (9)
22
1 vuuCdx +=τ , 22
1 vuvCdy +=τ . (10)
В граничных условиях (10) Cd – коэффициент донного трения, который
находится по формуле Cd ( )01
22 ln zzk= , где z1 – шаг по вертикали в при-
донном слое, z0 = 0,03 мм – параметр шероховатости, характеризующий гид-
родинамические свойства подстилающей донной поверхности; k = 0,4 – по-
стоянная Кармана.
На боковых границах выполняются условия прилипания [7]. В началь-
ный момент времени 0=t движение жидкости отсутствует, свободная по-
верхность горизонтальна:
0)0,,,( =zyxu , 0)0,,,( =zyxv , 0)0,,,( =zyxw , 0)0,,,( =zyxζ . (11)
Для расчета распространения примеси концентрации С(x, y, z, t) исполь-
зуем уравнение переноса и диффузии [3, 5]
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂=
z
С
K
zy
С
A
yx
С
A
xdt
dC
HHH
. (12)
Здесь AH и KH – коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбу-
лентной диффузии. На свободной поверхности и в придонном слое к динами-
ческим граничным условиям добавляются условия отсутствия потоков при-
меси через свободную поверхность, боковые стенки (S) в направлении нор-
мали n и дно бассейна:
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 6
0=
∂
∂
=ζz
H
C
K
n
, 0=
∂
∂
S
H
C
A
n
, 0=
∂
∂
−= Hz
H
C
K
n
. (13)
Над Азовским морем, начиная с t = 0, действует постоянный ветер, гене-
рирующий стационарные течения. При этом выбран однородный по про-
странству ветер, скорость которого первые три часа (0 < t ≤ 3 ч) нарастает со
временем по линейному закону, достигает своего наибольшего значения и
далее не меняется.
Условие выхода на стационарный режим определяется тем, что между
двумя соседними значениями времени не происходит заметных изменений
отклонений уровня моря и скоростей течений (не более 5%). Исходя из этого,
рассчитываем время установления движения жидкости (t = t0). Область за-
грязнения при 0tt = расположена в поверхностном слое и имеет вид пятна
радиуса R :
( )
−<≤<>
−≥≥≤
=
,,;0,,0
,0,,1
,,,
1
1
00 zzRrzRr
zzRr
tzyxC (14)
где 1z – толщина слоя области загрязнения; ( ) ( )2
0
2
0 yyxxr −+−= – рас-
стояние от центра этой области ( )00 , yx до точки, для которой вычисляется
концентрация. В качестве параметров, характеризующих эволюцию загряз-
нения, выбраны: время рассеяния примеси td и Kmax − коэффициент макси-
мальной площади ее распространения на различных горизонтах. При этом
Kmax = Smax/S0, S0 − площадь области начального загрязнения, Smax − ее наи-
большее значение. Условием полного рассеяния примеси принимается значе-
ние концентрации, не превышающее 2,5⋅10−2 во всей акватории моря (Cd =
= 2,5⋅10−2).
Для численной реализации в исходных уравнениях движения (1) − (4),
переноса – диффузии (12), граничных (5), (6), (8), (9), (13) и начальных усло-
виях (11) выполняется переход от координаты z к σ-координате [3 − 5]. В
этом случае алгоритм решения базируется на применении двухслойных раз-
ностных схем. Выбор шагов интегрирования по временным и пространствен-
ным координатам осуществляется в соответствии с критерием устойчивости
для баротропных волн [12]. Топография дна расчетной области на модельную
сетку интерполирована по данным массива глубин, взятого с навигационных
карт. Отклонения уровня Азовского моря анализируются по результатам мо-
делирования для девяти станций, расположенных вблизи крупных населен-
ных пунктов.
Анализ численных экспериментов. В серии численных экспериментов
исследуется влияние совместного действия стационарного ветра и получен-
ного по данным региональной прогностической системы SKIRON (с 8 по 18
сентября 2007 г.) на максимальные скорости течений, эволюцию примеси и
экстремальные значения сгонов и нагонов в Азовском море. Пространствен-
ное разрешение атмосферных полей 10 км, дискретность по времени 2 ч.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 7
Исследование установившихся течений выполнено для двух значений
скорости постоянного западного ветра 5 и 10 м/с ( 2,1
stW = {5; 10} м/с). Для
установления физических закономерностей влияния интенсивности атмо-
сферных воздействий в качестве переменного по времени и неоднородного
по пространству ветра выбраны поля приводного ветра модели SKIRON [6], а
также поля ветра, в два раза увеличенные и уменьшенные по отношению к
указанным выше данным (γWSKIRON; γ = 1/2; 1; 2). Результаты расчетов срав-
ниваются с информацией, полученной при моделировании волн и течений,
вызванных действием только постоянного или прогностического ветра.
По данным системы SKIRON с 8 по 18 сентября 2007 г. проведем анализ
величины осредненной по акватории Азовского моря скорости ветра. На
рис. 1 даны графики средней скорости и ее тренд в течение 192 ч (результаты,
полученные для первых 3 сут, не анализируются и используются для опреде-
ления начальных данных о скоростях течений и уровне моря на 0 ч 11 сен-
тября 2007 г.). Средняя скорость ветра в каждый момент времени рассчиты-
валась по формуле ∑
=
=
N
k
kn 1
1
W W , где n – число узлов расчетной сетки,
22
kkk vu +=W – модуль скорости ветра в ее k -м узле.
Р и с. 1. Средняя скорость ветра над Азовским морем с 11 по 18 сентября 2007 г. (сплошная
линия) и ее тренд (штриховая)
Аппроксимация W полиномом 9-й степени проводится по методу наи-
меньших квадратов и дает тренд поведения скорости (рис. 1, штриховая ли-
ния). Из рисунка видно, что в течение первых 2 сут происходило усиление
ветра до 9 м/с, в период следующих 3 сут скорость монотонно уменьшалась
до 5 м/с. Затем в течение еще 3 сут отмечалось ее резкое снижение до 2 м/с,
после чего она уже не превышала 3 м/с (над морем штиль). Средняя (по вре-
мени) скорость приводного ветра была равна 5,5 м/с. Максимум средней ско-
рости составлял 12,7 м/с и имел место 15 сентября, минимум – 1,6 м/с 17 сен-
тября. В среднем в течение сентября скорость приводного ветра составляла
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 8
5,5 м/с. За указанный период (192 ч) наибольшее, среднее и наименьшее зна-
чения максимальной скорости были равны 12,7; 6,7 и 1,6 м/с соответственно.
Как следует из рис. 1 (сплошная линия), поле средней скорости неодно-
родно. В течение коротких периодов 1 – 2 сут она то нарастает, то убывает,
следовательно, меняется направление ветра. Отклонения вектора скорости
ветра от направления оси x (ось x направлена на восток под углом 50° к па-
раллели) анализировались в градусах. Из анализа преобладающих направле-
ний ветра следует, что за указанный период превалирующими направлениями
являлись северо-восточное и северо-западное, при этом также было отмечено
прохождение нескольких циклонов. Подчеркнем, что результаты многолет-
них наблюдений атмосферных возмущений в районе Азовского моря удовле-
творительно согласуются с используемыми в данных расчетах атмосферными
полями системы SKIRON.
В табл. 1 приведены максимальные значения скоростей стационарных
течений, вызванных постоянным ветром ( 2,1
stW ), максимальные величины
скоростей течений, генерируемых приводным ветром (γWSKIRON; γ = 1/2; 1; 2)
и их суперпозицией ( 2,1
stW + γWSKIRON). Здесь же указаны горизонты и коор-
динаты наибольших значений скоростей, а также время их достижения. Из
анализа этих данных следует, что при наличии стационарных течений макси-
мумы скоростей нестационарных течений (Umax) увеличиваются по сравне-
нию с их значениями при действии только прогностического ветра.
Из сравнения максимумов скоростей течений на различных горизонтах
следует, что значения Umax при 1
stW + WSKIRON возрастают на 38% (горизонт 1
м); 43% (3 м); 39% (5 м) и 20% (10 м) по сравнению со случаем WSKIRON и на
78% (1 м); 81% (3 м); 80% (5 м) и 74% (10 м) по сравнению с действием толь-
ко 1
stW . При увеличении скорости постоянного ветра в 2 раза совместное
действие 2
stW + WSKIRON приводит к росту Umax на 50% (1; 3 м); 47% (5 м) и
30% (10 м) по сравнению с действием WSKIRON и на 63% (1 м); 64% (3 м); 62%
(5 м) и 57% (10 м) по сравнению со случаем 2
stW . При этом максимальные
скорости стационарных течений, вызванных действием постоянного ветра со
скоростью 5 м/с ( 1
stW ) и 10 м/с ( 2
stW ), увеличиваются на тех же горизонтах на
52; 53; 50 и 47% соответственно. Отсюда следует, что удвоение интенсивно-
сти стационарного ветра при совместном действии с одним и тем же неста-
ционарным ветром приводит к увеличению максимумов скоростей нестацио-
нарных течений на 64% и стационарных течений на 53%.
Анализ скоростей течений (табл. 1) показал, что в поверхностном слое вели-
чины Umax под действием суперпозиции ветров 1
stW + γWSKIRON становятся больше
в 1,7; 1,6 и 2,7 раза и под действием 2
stW + γWSKIRON увеличиваются в 1,6; 2,0 и 2,2
раза, чем только при γWSKIRON (γ = 1/2; 1; 2 соответственно). При этом для всех
скоростей ветра Umax убывают с ростом горизонта. Скорости течений, рассчитан-
ные без учета стационарных течений для полей прогностического ветра интенсив-
ности 1/2WSKIRON и 2WSKIRON, отличаются не более чем на 25% по сравнению со
скоростями, вызванными действием WSKIRON.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 9
Т а б л и ц а 1
Максимальные значения скоростей течений на различных глубинах
Азовского моря, время их достижения и соответствующие им координаты
Скорость ветра, м/с Горизонт, м Umax, м/с xmax, км ymax, км tmax,ч, мин
1
stW = 5
1 0,16 236,29 174,08 8.00
3 0,13 236,39 173,44 8.02
5 0,12 237,01 173,31 8.22
10 0,09 235,34 173,00 9.44
2
stW = 10
1 0,34 235,38 172,19 8.35
3 0,28 235,97 172,86 8.55
5 0,24 237,07 171,50 8.26
10 0,17 235,99 171,16 9.34
1/2WSKIRON
1 0,35 198,78 188,36 131.48
3 0,28 242,27 184,59 132.00
5 0,25 259,84 194,38 135.18
10 0,24 228,97 174,97 140.00
WSKIRON
1 0,45 206,25 189,27 128.00
3 0,39 241,76 188,88 130.00
5 0,37 263,30 199,05 137.00
10 0,28 238,20 175,76 145.00
2WSKIRON
1 0,58 206,69 190,59 132.36
3 0,54 236,96 184,66 134.06
5 0,52 263,53 193,96 136.24
10 0,41 238,66 174,55 142.36
1
stW + 1/2WSKIRON
1 0,61 201,47 109,47 128.00
3 0,59 224,43 183,70 130.00
5 0,54 225,04 161,18 137.00
10 0,35 174,63 166,87 145.00
1
stW + WSKIRON
1 0,73 201,48 106,15 128.00
3 0,69 224,73 176,44 130.00
5 0,61 225,31 156,78 137.00
10 0,35 174,86 160,92 145.00
1
stW + 2WSKIRON
1 1,57 208,72 111,75 128.00
3 1,39 229,55 183,06 130.00
5 1,24 229,67 161,92 137.00
10 1,02 175,72 168,25 145.00
2
stW + 1/2WSKIRON
1 0,57 166,19 176,81 152.00
3 0,45 204,45 162,96 154.00
5 0,43 258,30 194,36 157.00
10 0,40 210,08 147,40 162.00
2
stW + WSKIRON
1 0,91 159,09 175,58 152.00
3 0,78 199,38 159,67 154.00
5 0,70 258,19 188,40 157.00
10 0,40 209,66 146,44 162.00
2
stW + 2WSKIRON
1 1,32 161,14 176,58 152.00
3 1,12 202,31 166,34 154.00
5 0,77 259,62 194,33 157.00
10 0,66 214,06 147,13 162.00
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 10
В табл. 2 приведены максимальные значения подъемов ζmax и понижений
|ζ|max уровня в открытой части Азовского моря, вызванных действием ста-
ционарного ветра ( 2,1
stW ), полями ветра прогностической модели SKIRON
(γWSKIRON; γ = 1/2; 1; 2) и их совместным действием. Здесь также представлены
время достижения и соответствующие координаты экстремумов уровня моря.
Т а б л и ц а 2
Максимальные значения подъемов ζζζζmax и понижений |ζζζζ|max уровня
в открытой части Азовского моря, время их достижения
и соответствующие им координаты
Скорость
ветра, м/с
ζmax,
м
xmax,
км
ymax,
км
tmax,
ч, мин
|ζ|max,
м
xmin,
км
ymin,
км
tmin,
ч, мин
1
stW = 5 0,20 366,51 219,61 17.10 0,10 4,02 95,07 13.23
2
stW = 10 0,69 367,86 218,27 18.46 0,39 4,02 107,13 13.47
1/2WSKIRON 0,32 282,98 96,36 168.14 0,17 24,23 126,50 190.55
WSKIRON 0,43 278,50 90,10 168.15 0,25 20,10 122,50 190.55
2WSKIRON 0,97 284,71 92,17 168.15 0,56 20,14 122,91 190.55
1
stW +1/2WSKIRON
0,46 299,39 104,55 171.11 0,27 29,63 127,36 191.30
1
stW + WSKIRON 0,55 296,14 100,05 171.11 0,28 22,34 124,14 191.30
1
stW + 2WSKIRON 1,21 303,08 100,36 171.11 0,59 28,90 131,27 191.30
2
stW +1/2WSKIRON
0,62 295,10 102,18 172.20 0,49 22,78 124,08 192.45
2
stW + WSKIRON 0,72 290,20 101,10 172.20 0,58 21,25 124,00 192.45
2
stW + 2WSKIRON 1,54 291,71 103,85 172.20 1,23 24,17 131,44 192.45
Анализ этих данных свидетельствует о том, что при увеличении скорости
действующего ветра увеличиваются максимумы отклонений свободной
поверхности. Так, удвоение скорости только стационарного ветра 2
stW приво-
дит к росту величины ζmax и |ζ |max в 2 и 1,7 раза по сравнению с действием
1
stW . При изменении интенсивности полей ветра, полученных по модели
SKIRON (γWSKIRON; γ = 1/2; 1; 2), значения ζmax и |ζ |max возрастают соответст-
венно в 1,3; 3 и 1,4; 3,3 раза по сравнению с действием 1/2WSKIRON.
Совместное действие суперпозиции рассматриваемых ветров 2,1
stW +
+ γWSKIRON также приводит к росту величин экстремальных отклонений. Так,
при 2
stW + 1/2WSKIRON ζmax в 1,3 и |ζ |max в 1,8 раза больше, чем при 1
stW +
+ 1/2WSKIRON; при 2
stW + WSKIRON ζmax в 1,3 и |ζ |max в 2 раза больше, чем при
1
stW + WSKIRON; при 2
stW + 2WSKIRON ζmax в 1,2 и |ζ |max в 2,1 раза больше, чем
при 1
stW + 2WSKIRON.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 11
Таким образом, действие стационарного ветра одного направления, но
бóльшей скорости (10 м/с) вызывает возрастание максимальных отклонений
уровня ζmax и |ζ |max: при 1/2WSKIRON – на 48 и 65%; при WSKIRON – на 40 и 57%;
при 2WSKIRON – на 37 и 54% соответственно.
Полученные в результате моделирования поля поверхностных течений
Азовского моря, вызванных ветром различной интенсивности, показаны на
рис. 2. В начальный период действия постоянного западного ветра при мак-
симальной скорости 10 м/с направление течений совпадает с направлением
ветра на всей акватории моря (рис. 2, а). Начиная с момента установления
движения жидкости в северной части моря происходит уменьшение скорос-
тей течений и изменение их направлений на противоположные. В централь-
ной части моря наблюдается циркуляция вод против часовой стрелки (рис. 2, б).
Р и с. 2 . Поля скоростей поверхностных течений Азовского моря в различные моменты
времени: а – установившиеся течения (t = t0); б – начало действия прогностического ветра
(t = t0 +24 ч); в – момент времени t = t0 +120 ч; г – окончание действия прогностического
ветра (t = t0 +170 ч)
С началом действия полей переменного по времени и пространству ветра
WSKIRON циркуляция вод нарушается, и течения становятся хаотическими
(рис. 2, в). У северного побережья возникают два вихря одинакового знака.
Вдоль противоположных границ моря течения направлены против ветра. В
момент прохождения циклона, при скорости ветра 11,6 м/с, циркуляция ха-
рактеризуется наличием трех круговоротов: антициклонического (в северной
части моря) и двух циклонических (у южного берега). Вдоль границ, разде-
ляющих основные круговороты, формируются полосы, в которых скорости
течений направлены против ветра (рис. 2, г).
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 12
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 13
В табл. 3 для береговых станций Азовского моря даны значения макси-
мальных отклонений уровня, вызванных действием стационарного ветра
( 2,1
stW ), только приводного ветра различной интенсивности (γWSKIRON; γ =
= 1/2; 1; 2) и их суперпозицией ( 2,1
stW + γWSKIRON). В верхней части таблицы
приведены величины нагонов, в нижней − сгонов.
Из анализа представленных здесь результатов расчетов следует, что наи-
большие нагоны возникают при совместном действии стационарного и удво-
енного прогностического ветров ( 2
stW + 2WSKIRON) и имеют место на станциях
Приморско-Ахтарск (189,5 cм), Таганрог (159,1 cм) и Ейск (123,1 см). Отсюда
видно, что максимум нагона (189,5 cм) в случае действия рассмотренной сис-
темы ветров в 4,38 раза больше, чем в стационарном режиме (43,2 cм).
При совместном действии переменного и постоянного ветров макси-
мальные сгоны становятся больше, чем в установившемся режиме. Для всех
рассматриваемых видов ветра максимальные сгоны имеют место в Гени-
ческе: 51,7 см ( 2
stW ); 45,4 см ( 2
stW + 1/2WSKIRON); 87,0 см ( 2
stW + WSKIRON);
128,0 см ( 2
stW + 2WSKIRON).
Величины сгонов и нагонов, рассчитанные в результате моделирования с
использованием ветра, полученного по данным прогностической системы
SKIRON, сравнивались с натурными измерениями за тот же период, приве-
денными в таблицах ежечасных значений высот уровня моря государствен-
ной метеорологической службой Украины. Проведенный анализ подтвер-
ждает достаточно хорошее совпадение величин амплитуд колебаний уровня,
полученных путем численных расчетов и по натурным данным. Так, в Гени-
ческе рассчитанный максимум нагона на 16% меньше, чем по данным на-
блюдений, а в Мариуполе максимальное значение нагона на 12% меньше из-
меренного.
Целью следующей серии численных экспериментов является оценка
влияния рассматриваемых полей ветра и возникающих при этом течений на
распространение пассивной примеси, поступающей в центральный район
Азовского моря.
Начальное положение центра области выброса примеси находится в точ-
ке с координатами x0 = 180 км, y0 = 120 км, где глубина моря составляет 12 м.
Область выброса примеси имеет вид цилиндра радиусом R = 9 км и глубиной
h1 (0 ≥ z ≥ h1), где h1 − шаг по вертикали в поверхностном слое. При этом на-
чальное значение концентрации постоянно в данной области и равно единице
(C(x, y, z, t0) = C0(x, y, z) = 1).
Распространение пассивной примеси в море происходит вследствие тур-
булентной диффузии и адвективного переноса ее течением. На рис. 3 приве-
дены результаты расчетов процессов турбулентно-диффузионного развития
области поверхностного загрязнения. Как видно, область загрязнения первые
2 ч перемещается на запад в соответствии с направлением стационарных те-
чений (рис. 3, а), а затем через 10 ч распадается на несколько небольших
фрагментов (рис. 3, б, в). Части области переносятся от центра выброса в раз-
личных направлениях на значительные расстояния и спустя 30 ч достигают
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 14
северного побережья Азовского моря в районе Бердянска и Мариуполя
(рис. 3, 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.
Р и с. 3 . Трансформация области загрязнения в Азовском море, вызванная действием прогно-
стического ветра при наличии стационарных течений в различные моменты времени: а – уста-
новившиеся течения (t = t0); б – начало действия прогностического ветра (t = t0 +24 ч); в –
момент времени t = t0 +120 ч; г – окончание действия прогностического ветра (t = t0 +170 ч)
Время выброса загрязнения (t = t0) в экспериментах различно и задается
согласно типу действующего ветра. Так, для стационарного ветра 2,1
stW это
время отвечает моменту установления движения жидкости: t0 = 1
0t = 38 ч и
t0 = 2
0t = 43 ч соответственно. Для прогностического ветра момент времени
выброса равен 0 ч 11 сентября 2007 г. (t0 = 3
0t = 72 ч). При совместном дейст-
вии стационарного и прогностического ветров ( 2,1
stW + γWSKIRON) это время
определяется так: t0 = 2,1
0t + 3
0t . При анализе времени распространения и рас-
сеяния примеси для удобства принимаем, что во всех случаях время выброса
равно нулю (t0 = 0).
Анализ результатов численных расчетов свидетельствует о том, что пло-
щадь распространения области загрязнения в поверхностном и глубинных
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 15
слоях Азовского моря зависит от скорости ветра, действующего над аквато-
рией. С увеличением интенсивности ветра становятся больше скорости тече-
ний (см. табл. 1) и, как следствие этого, возрастают площади распростране-
ния примеси и время ее полного рассеяния. В связи с этим наибольшая пло-
щадь загрязнения имеет место при максимальном значении скорости дейст-
вующего ветра ( 2
stW + 2WSKIRON).
В этом случае на свободной поверхности через 40 ч после выброса при-
меси достигается наибольшая величина отношения площади области загряз-
нения к площади области начального загрязнения (Kmax = 1,32), а время пол-
ного рассеяния составляет 87 ч. Максимальное значение отношения этих
площадей (1,35) на глубине 5 м достигается спустя 42 ч после выброса при-
меси, а ее полное рассеяние – через 110 ч. В придонном слое на глубине 12 м
максимальная величина отношения этих площадей (1,38) достигается через
59 ч после выброса примеси, и через 115 ч ее концентрация во всей акватории
моря не превышает 2,5% от начального значения.
Заключение. В работе представлены результаты исследования сгонно-
нагонных явлений и распространения пассивной примеси системой течений,
вызванных действием постоянного и переменного ветров в Азовском море.
Достоверность этих результатов подтверждается сравнением рассчитанных
значений экстремальных сгонов и нагонов с данными натурных наблюдений,
полученными во время действия приводного ветра по модели SKIRON на бе-
реговых гидрометеорологических станциях.
Приведены таблицы величин сгонов, нагонов и скоростей течений в за-
висимости от характеристик постоянного и переменного ветров. Сделаны
выводы о влиянии скорости ветра и возникающих при этом течений на про-
цесс эволюции пассивной примеси.
Автор выражает благодарность С.В. Станичному за предоставленные им
массивы атмосферных полей по модели SKIRON.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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.
2. Фомин В.В., Шульга Т.Я. Исследование волн и течений, возникающих под действием
ветра в Азовском море // Там же. – 2006. – № 12. – С. 110 – 115.
3. Blumberg A.F., Mellor G.L. A description of three dimensional coastal ocean circulation
model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models. Coast. Estuar. Sci. / Ed. N. Heaps. –
Washington, D. C.: American Geophysical Union. – 1987. – 4. – P. 1 – 16.
4. Фомин В.В. Численная модель циркуляции вод Азовского моря // Научные труды Укр-
НИГМИ. – 2002. – Вып. 249. – C. 246 – 255.
5. Иванов В.А., Черкесов Л.В., Шульга Т.Я. Динамические процессы и их влияние на распро-
странение и трансформацию загрязняющих веществ в ограниченных морских бассейнах.
– Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2010. – 178 с.
6. Kallos G., Kotroni V., Lagouvardos K. The regional weather forecasting system SKIRON //
Proc. Symposium on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments. − Un-
iv. of Athens. − ISBN:960-8468-22-1.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 4 16
7. Черкесов Л.В., Иванов В.А., Хартиев С.М. Введение в гидродинамику и теорию волн. –
СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 264 с.
8. Сретенский Л.Н. Теория волновых движений жидкости. – М.: Наука, 1977. – 815 с.
9. Smagorinsky J. General circulation experiments with primitive equations. I. The basic expe-
riment // Mon. Wea. Rev. – 1963. – 91, № 3. – P. 99 – 164.
10. 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.
11. Wannawong W., Humphries U.W., Wongwises P. et al. Mathematical modeling of storm surge
in three dimensional primitive equations // Intern. J. Comput. Math. Sci. – 2011. – № 5. –
P. 44 – 53.
12. Courant R., Friedrichs K.O., Lewy H. On the partial difference equations of mathematical
physics // IBM J. – 1967. – March. – P. 215 – 234.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 02.04.12
E-mail: shulgaty@mail.ru После доработки 10.07.12
АНОТАЦІЯ У цій роботі на основі застосування нелінійної тривимірної σ-координатної моделі
досліджуються хвилі та течії в Азовському морі, які викликаються дією атмосферних полів,
отриманих за даними регіональної системи прогнозу SKIRON, за наявності стаціонарних течій.
Виконаний аналіз фізичних закономірностей поширення пасивної домішки в Азовському морі
з урахуванням вітрових впливів різної інтенсивності та стаціонарних течій. Встановлено, що
подвоєння інтенсивності стаціонарного вітру при дії з одним і тим же нестаціонарним вітром
призводить до збільшення максимумів швидкостей нестаціонарних течій на 64%. При двокра-
тному збільшенні або зменшенні інтенсивності полів приводного вітру без урахування стаціо-
нарних течій генеруються течії, швидкості яких відрізняються не більш ніж на 25% у порів-
нянні зі швидкостями, викликаними дією вітрових полів за даними системи SKIRON.
Ключові слова: σ-координатна модель, динамічні процеси, згонно-нагонні процеси, стаці-
онарні течії, пасивна домішка, приводний вітер.
ABSTRACT Based on application of a nonlinear three-dimensional σ-coordinate model, the waves
and currents in the Sea of Azov induced by the atmospheric fields obtained from the SKIRON region-
al forecasting system data in the presence of stationary currents are investigated. Physical regularities
of passive admixture distribution in the Sea of Azov are analyzed taking into account wind forcing of
various intensity and presence of stationary currents. It is revealed that doubling of stationary wind
intensity accompanied by one and the same non-stationary wind, results in increase of maximums of
non-stationary currents’ velocities by 64%. When intensity of the near-water wind fields is twice as
much or little, and stationary currents are not taken into consideration, generated are the currents
whose velocities differ from those induced by the wind fields’ forcing forecasted by SKIRON, by no
more than 25%.
Keywords: σ-coordinate model, dynamic processes, surge processes, stationary currents, passive
admixture, near-water wind.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56673 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:10:53Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шульга, Т.Я. 2014-02-21T21:10:13Z 2014-02-21T21:10:13Z 2013 Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море / Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 4. — С. 3-16. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56673 532.59 В данной работе на основе применения нелинейной трехмерной s-координатной модели исследуются волны и течения в Азовском море, вызываемые действием атмосферных полей, полученных по данным региональной системы прогноза SKIRON, при наличии стационарных течений. Выполнен анализ физических закономерностей распространения пассивной примеси в Азовском море с учетом ветровых воздействий различной интенсивности и стационарных течений. Установлено, что удвоение интенсивности стационарного ветра при действии с одним и тем же нестационарным ветром приводит к увеличению максимумов скоростей нестационарных течений на 64%. При двукратном увеличении или уменьшении интенсивности полей приводного ветра без учета стационарных течений генерируются течения, скорости которых отличаются не более чем на 25% по сравнению со скоростями, вызванными действием ветровых полей по данным системы SKIRON. У цій роботі на основі застосування нелінійної тривимірної σ-координатної моделі досліджуються хвилі та течії в Азовському морі, які викликаються дією атмосферних полів, отриманих за даними регіональної системи прогнозу SKIRON, за наявності стаціонарних течій. Виконаний аналіз фізичних закономірностей поширення пасивної домішки в Азовському морі з урахуванням вітрових впливів різної інтенсивності та стаціонарних течій. Встановлено, що подвоєння інтенсивності стаціонарного вітру при дії з одним і тим же нестаціонарним вітром призводить до збільшення максимумів швидкостей нестаціонарних течій на 64%. При двократному збільшенні або зменшенні інтенсивності полів приводного вітру без урахування стаціонарних течій генеруються течії, швидкості яких відрізняються не більш ніж на 25% у порівнянні зі швидкостями, викликаними дією вітрових полів за даними системи SKIRON. Based on application of a nonlinear three-dimensional σ-coordinate model, the waves and currents in the Sea of Azov induced by the atmospheric fields obtained from the SKIRON regional forecasting system data in the presence of stationary currents are investigated. Physical regularities of passive admixture distribution in the Sea of Azov are analyzed taking into account wind forcing of various intensity and presence of stationary currents. It is revealed that doubling of stationary wind intensity accompanied by one and the same non-stationary wind, results in increase of maximums of non-stationary currents’ velocities by 64%. When intensity of the near-water wind fields is twice as much or little, and stationary currents are not taken into consideration, generated are the currents whose velocities differ from those induced by the wind fields’ forcing forecasted by SKIRON, by no more than 25%. Автор выражает благодарность С.В. Станичному за предоставленные им массивы атмосферных полей по модели SKIRON. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Морской гидрофизический журнал Термогидродинамика океана Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море Вплив інтенсивності полів приводного вітру на динамічні процеси і трансформацію пасивної домішки за наявності стаціонарних течій в Азовському мор Influence of intensity of the near-water wind fields on dynamic processes and transformation of passive admixture in the presence of stationary currents in the Sea of Azov Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море Шульга, Т.Я. Термогидродинамика океана |
| title | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море |
| title_alt | Вплив інтенсивності полів приводного вітру на динамічні процеси і трансформацію пасивної домішки за наявності стаціонарних течій в Азовському мор Influence of intensity of the near-water wind fields on dynamic processes and transformation of passive admixture in the presence of stationary currents in the Sea of Azov |
| title_full | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море |
| title_fullStr | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море |
| title_full_unstemmed | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море |
| title_short | Влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в Азовском море |
| title_sort | влияние интенсивности полей приводного ветра на динамические процессы и трансформацию пассивной примеси при наличии стационарных течений в азовском море |
| topic | Термогидродинамика океана |
| topic_facet | Термогидродинамика океана |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56673 |
| work_keys_str_mv | AT šulʹgatâ vliânieintensivnostipoleiprivodnogovetranadinamičeskieprocessyitransformaciûpassivnoiprimesiprinaličiistacionarnyhtečeniivazovskommore AT šulʹgatâ vplivíntensivnostípolívprivodnogovítrunadinamíčníprocesiítransformacíûpasivnoídomíškizanaâvnostístacíonarnihtečíivazovsʹkomumor AT šulʹgatâ influenceofintensityofthenearwaterwindfieldsondynamicprocessesandtransformationofpassiveadmixtureinthepresenceofstationarycurrentsintheseaofazov |