Введение к работе
Актуальность темы. Понятие приповерхностного слоя океана впервые было введено К.Н. Федоровым в начале 80-х годов и с тех пор привлекает самое пристальное внимание исследователей. Именно в пределах этого слоя главным образом осуществляются процессы нагревания,, охлаждения, испарения и распреснения, происходящие за счет локальных воздействий атмосферных процессов, отмечается повышенная пространственная и временная изменчивости основных гидрофизических полей. В зависимости от преобладания тех или иных действующих факторов в настоящее время в ПСО выделяют 7 основных режимов (Федоров К.Н., 1988/ Карлин Л.Н., 1988; Тимо-хов Л.А. и др.? 1993).
В настоящее время имеется малое количество натурных данных по приповерхностному слою океана, которые дают представления лишь об общих закономерностях формирования приповерхностного слоя и только для отдельных его режимов. Одной из возможностей восполнить эти пробелы является привлечение информации, получаемой с помощью дистанционного зондирования с космических аппаратов. Этот способ дает возможность использования ИСЗ в определении характеристик припозерхкостно-го слоя океана, в т.ч. распределения температуры поверхности воды на океанских и морских акваториях, которое влияет, в частности, на величину первичной продукции, а также на морской промысел, играет определяющую роль в вопросе взаимодействия океана и атмосферы, и т.д.
Вместе с тем, спектр данных спутникового зондирования также весьма ограничен. Информация зондирования напрямую дает сведения только о поверхностных характеристиках и но в состоянии показать структуру приповерхностного слоя.
Расширить спектр знаний о формировании и эволюции слой приэванк математические .модели, которое цслж-
ны воспроизводить изменчивость термохалишшх характеристик. Однако, имеющиеся модели разрознены и позволяют проводить модельную оценку эволюции приповерхностного слоя лишь для отдельных его режимов, что затрудняет изучение комплексного воздействия внешних факторов вследствие их непостоянства на изменчивость характеристик слоя.
Таким образом, весьма перспективным представляется создание единой математической модели формирования и эволюции приповерхностного слоя, описывающей все его режимы, и объединение этой модели с модулями обработки информации, получаемой благодаря дистанционному зондирования со спутников.
Такой подход позволяет получить сведения по формированию и эволюции гидрофизических характеристик приповерхностного слоя океана с учетом оперативного усвоения космической информации в режиме реального времени. Наличие таких сведений актуально для решения не только теоретических, но и прикладных задач океанологии, экологии, аквакультуры и т.д.
Цель и задачи исследования. Цель предлагаемой работы состоит в разработке теории и метода расчета характеристик приповерхностного слоя океана по стандартной метеорологической информации с оперативным усвоением космической информации и создании на этой основе программного комплекса, который позволит воспроизводить реальную структуру слоя.
В процессе проведения работы решались следующие основные задачи:
-
разработать единую теорию формирования приповерхностного слоя в различных режимах и на этой основе создать математическую модель, позволяющую воспроизводить изменчивость характеристик слоя вследствие влияния внешних условий;
-
разработать и реализовать на основе полученной модели программный модуль для расчета эволюции ха-
рактеристик приповерхностного слоя при различных режимах для любой выбранной акватории;
-
провести проверку достоверности результатов моделирования термохалинной структуры приповерхностного слоя по имеющимся натурным данным;
-
установить путем математического моделирования закономерности эволюции характеристик приповерхностного слоя в зависимости от воздействия внешних факторов;
-
разработать принципиальную схему программно-аппаратного комплекса по расчету эволюции характеристик приповерхностного слоя на основе поступающих метеоданных с усвоением в режиме реального времени информации, поступающей со спутников;
-
реализовать программно-аппаратный комплекс и провести оценку его работоспособности и адекватности получаемых результатов на примере акватории Финского залива по реальным данным.
Научная новизна работы. Разработана принципиально новая единая теория и на ее основе создана математическая модель формирования и эволюции приповерхностного слоя для различных режимов, основанная на системе исходных уравнений с использованием метода замыкание второго порядка, т.е. учет диссипации проводится на основе двухпараметрической Ь-е модели турбулентности. Впервые получено решение полной системы уравнений, включающей в себя уравнения эволюции температуры и солености, баланса энергии турбулентности и уравнения диссипации в пределах перемешанного слоя.
На основе моделирования выявлена роль различных механизмов в формировании и эволюции верхнего перемешанного слоя. Предложена новая схема описания вертикальных профилей температуры и солености, что дало возможность расчета изменчивости этих параметров не только для верхнего перемешанного слоя, но и в пределах всего приповерхностного слоя.
Разработана методика и согласно ей создан программно-аппаратный комплекс, который позволяет рассчитывать эволюцию характеристик приповерхностного слоя по метеоданным в режиме -реального времени, а также проводить постоянную корректировку результатов моделирования по оперативной информации, получаемой со,спутников .
На защиту выносится!
-
Единая теория и модель формирования и эволюции гидрофизических характеристик приповерхностного слоя океана в суточном масштабе времени для различных режимов на основе двухпараметрической Ь-е модели турбулентности.
-
Оценка влияния различных метеорологических факторов на эволюцию характеристик приповерхностного слоя в различных его режимах, полученных в результате моделирования *
-
Программно-аппаратный комплекс, разработанный на основе созданной математической модели приповерхностного слоя с оперативным усвоением метеорологической и космической информации.
Научное и практическое значение работы. Главное практическое значение данной работы состоит в том, что полученный программно-аппаратный комплекс позволит на основе спутниковой информации и минимального количества метеорологических исходных данных (температура воздуха, скорость ветра, информация об облачности и осадках) по выбранной акватории давать информацию о термо-халинной структуре приповерхностного слоя, что необходимо для решения многих задач океанологии, аквакульту-ры, экологического мониторинга и т.д. Предполагаотся использование данного комплекса в первую очередь для такого важного с промысловой точки зрения района, как акватория Норвежского, Гренландского и Северного морей. Такой выбор в первую очередь обусловлен российскими рыбопромысловыми интересами по данной акватории, а также наличием российской и зарубежной открытой
спутниковой и метеорологической информации по району. Теория, предлагаемая з диссертации, используется в лекционном курсе "''Припозерхностный слой океана", читаемом для студентов океанологической специальности в РГШИ.
Апробация работы. Отдельные главы настоящей работы докладывались и обсуждались на 7-ой Международной сессии рабочей группы "Лабораторное моделирование динамических процессов в океане" (Москва, 1993), на Итоговой сессии Ученого Совета РГТМИ в 1994 году, на 8-ой Международной сессии рабочей группы "Лабораторное моделирование динамических процессов в океане" (Санкт-Петербург, 1995) и на I Меяздународном семинаре "Рациональное использование прибрежной зоны северных морей" (Кандалакша, 1996). В полном объеме диссертация докладывалась на заседании кафедры Промысловой Океанологии и Охраны Природных Вод РГГМИ в ноябре 1996 года.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них три на английском языке.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы составляет 123 страницы, включая 30 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 93 наименования, из них 41 - на иностранных языках.
Похожие диссертации на Математическое моделирование термохалинной структуры приповерхностного слоя океана
