Введение к работе
Актуальность тены. Возрастающее антропогенное воздействие на
природную среду и, в частности, на озера ставит проблему их рационального использования во главу угла соврененной водохозяйственной политики. При этом стратегия охраны и рационального использования озер должна базироваться на результатах экологического моделирования, в основе которого легат модели озерной термсгидродинамики. Скорость протекающих в водньк экосистемах процессов в значительной нере контролируется пространственно-временными масштабами термо-гидродинанических процессов (Wetzel, I975j Nihoul. Djenidi, 1991). Поэтому разработка и совершенствование термогидродинамических моделей невозможны без детального знания экспериментально установ-ленленных закономерностей пространственно-временной изменчивости протекающих в озере и на его границах термогидродинамических процессов. Следовательно, выявление закономерностей пространственно-вро.іенной изменчивости последних на основе анализа натурных (экспериментальных) данных - актуальная фундаментальная научная проблема. Разумеется, что эти процессы, в силу их перемежаемости, раз-номасштабности и значительной изменчивости в пространстве и во времени, зачастую необходимо рассматривать сак вероятностные с применением аппаратов теории вероятности и теории стохастических процессов. Решение указанной проблемы позволяет перейти на новый более высокий уровень понимания природы озер и развити < озерных экологических моделей.
Целью работы является выявление, на основе натурных (экспериментальных) данных, закономерностей пространственно-временной из-иенчивости характеристик терногидродинамических процессов, протекающих в озере и на его границах.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной в
работе цели был сформулирован и решен ряд конкретных задач, основными из которых являются следующие!
1) Исследование закономерностей частотно-временной структуры колебаний эленентов энергообмена на границе атмосфера-озеро на ос-
нове статистического анализа HaTypHvx данных|
-
Разработка зональных {в пространстве
-
Изучение теплофкзических свойств озерных донных отложений а также закономерностей их пространственно-временной изменчивое
ТИ|
4) Исследование статистических закономерностей колебаний тен
ператур, потоков тепла и плавучести в системе озеро-донные отлохе
НИЯ|
5) На базе экспериментальных данных исследование закономер
ностей пространственно-временной иэиенчивости циркуляции Ленгмюр,
(Lengmuir, 1938) как существенного, но кало изученного терногидро
динамического процесса.
Научная новизна. На защиту автором выносятся следуюиие нови
научные результаты, полученные в диссертацииі
1. Исследована частотно-временная структура колебаний эленен тов энергообнена на границе вода-воздух для пресноводных озер уне ренных широт. Выявлены закономерности структуры колебаний танген циального напряжения ветра, температур поверхности воды и привод ного слоя воздуха для нежгодового, сезонного, синоптического и су точного временных масштабов. На примере оз.Севак оценен эффект ан тропогенного влияния на гидрометеорологический режим озера. Де тально исследован вопрос о климатических корреляциях для касатель ного напряжения и турбулентного теплообмена с атмосферой в широке частотном интервале. В частности показано, что увеличение глубик озера приводит к росту ошибки рассчитанных по рсредненным гидроне теорологическин данный значений турбулентного потока тепла на грг нице озео-атносфераї
г. Установлены закономерности пространственно-врененкой из ненчивости среднегодовых значений и амплитуд сезонных колебакі температур поверхности озері определены широтные интервалы с ра: личным характеров корреляций этих характеристик. Показано, чт аномально теплые годы для озер расположенных ко виротах >16 , основном, проявляются в повыггнных летних значениях температуї при почти неизменных зимних, тогда как для озер расположенных і сиротах #<46 - є повьианных зимних значениях при почти неизменні летних|
-
На основе натурных данных и теоретических рассуждений построены модели описывающие зональные изменения теплофизических характеристик (среднегодовая и экстремальные в годовой цикле температуры, продолжительность ледостава и т.д.) в пространстве (p,Z)-широта-высота над уровнем норя. Построена численная классификация, определяюдая границы озер с различным теплофизическим режимом, предсказывающая существование озер с ранее неизвестными теплофизи-ческими особенностями Голодные мономиктические незамерзающие озера и др.) и включающая в себя широко известную классификацию (Hut-chinaon, LafflT, 1957) как частный случай. Эти результаты позволяют прогнозировать предположительный характер экосистемы озера, используя минимум информации!
-
Исследованы закононерности пространственно-временной изменчивости температур, геплозапасов, потоков тепла и плавучести в системе озеро-донные отложения. Проведена детальная проверка решений Фурье уравнения теплопроводности применительно к озеран. Сформулированы безразмерные критерии термически глубокого и мелкого озера, а также начала осенней придонной конвекции, приводящей к выкосу биогенных элементов из доимых отлозений. Рассчитаны диапазоны возможных значений коэффициентов эффективной вертикальной температуропроводности в озерах. Получена зависимость отношения бюджетов тепла в озере и в донных отложениях от аналога теплового числа Фурье. Показано, что отношение бюджетов, при прочих равных условиях, существенно зависит от типа донных отложенийі
3. В рамках модели двухфазной пористой среды впервые исследованы закономерности изменения теплофизических свойств (влажность, плотность, объемная теплоемкость, температуро- и теплопроводность) основных типов донных отложений (песок, глина, ил, органическая жижа). Рассчитаны диапазоны возможных значений и соответствуюдие зависимости. В безразмерных переменных рассчитана зависимость влажности верхнего слоя отложений от глубины озера, обнаруживающая автомодельный режим. Получены глобальные статистические оценки (средние, дисперсии, плотности распределения) коэффициентов температуро- и теплопроводности, а также геотермальных градиента и потока в донных отложениях пресноводных озер мира. Теоретически показана роль геотермального потока в организации термогидродинани-ческого режима озераі
6. На основе результатов натурных экспериментов исследованы
течения, энергия и пространственно-временные масштабы циркуляции Ленгмюра. Уточнена кинематика течений в циркуляционных ячейках, рассчитаны компоненты завихренности, выявлены статистические закономерности изменения размеров ячеек. Обнаружены групповые структуры ячеек. По экспериментальным данный в безразмерных переменных в зависимости от поверхностного числа Рейнольдса рассчитана кривая устойчивости, показывающая четыре режима поведения верхнего пограничного слоя водоема по отношению к циркуляциян Ленгмюра.
Практическая значимость. Практическую значимость полученных
результатов мохно оценить следующий образом. Экспериментальные и теоретические результаты объясняют ряд особенностей термогидроди-нанических процессов протекающих в озере и на его границах. Результаты, касающиеся климатических корреляций, мохно использовать при совершенствовании озерных термодинамических ноделей, в частности, для корректной формулировки граничных условий. Численная теплофизическая классификация озер, теоретическая зависимость для отношения тепловых бюджетов, критерий начала осенней придонной конвекции, зависимость влажности отложений от глубины озера и ряд других результатов можно использовать в прогностических целях, а также для оценки характеристик терногидродинамического режима озер, о которых ничего не известно. Установленные закономерности для циркуляции Ленгмюра позволяют оценить степень их воздействия на экологический режим верхних слоев водоема. Они также применимы для проверки ноделей генерации циркуляции.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на семинарах и Ученых советах Института озероведения РАН (1976-94гг. ) , Морского гидрофизического института УкрЛН (1990г.), на семинарах кафедр океанологии МГУ (1979г.) и СПб ГУ (1979г.), лаборатории биоматематики ЧАН, Чешские Бедеееи-цы, Чехия (1993, 1994гг.), на заседании отдела гидробиологии ЗИН РАН (1978г. ) и океанографической комиссии Русского Географического обвдаства (1978-1984гг.), на 4-м Всесоюзном совещании "Круговорот энергии и вещества в водоемах", Листвиничное на Байкале (1977г.), на Международном симпозиуме "Турбулентность и турбулентная диффузия в море", Росток, ГДР (1978г.), на Международных симпозиумах Координационного океанографического центра стран-членов СЭВ, Ялта (1984, 1987гг.). Москва (1986г.). Ленинград (1983г.), на Всесоюзной конференции "Лимнология горных водоемов", Ереван (1984г.), на
2-м Всесоюзном симпозиуне "Механизмы генерации нелконасштабной турбулентности в океане", Светлогорск (1985г.), на 3-м Всесоюзной симпозиуне "Вихри и турбулентность в океане" Светлогорск (1990г.). на 19-н Йеждународном коллоквиуме по гидродинамике океана "Мелкомасштабная турбулентность и перемешивание в океане", Лье5, Бельгия (1987г.). на Международных курсах UNESCO/UNEP/ILEC по управлению природными ресурсами в бассейне озера Чад, Иркутск-Ленинград (1939г.), на Международной конференции памяти проф. Т. Е.Унни "Стохастические и статистические методы в гидрологии и инжинерии окружающий среды", Ватерлоу, Канада (199Эг.).
Публикации. По результатам исследования автором опубликовано
43 работ (24 без соавторов), включая 1 брошюру и 6 коллективных монографий. Список основних публикаций включен в диссертацию и приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на