Введение к работе
Актуальность темы.Телецкое озеро относится к числу крупных водоемов, изучение которых является предметом международных программ. Как уникальный природный объект с большим историческим прошлым, Телецкое озеро включено Институтом озероведения РАН в программу исследования истории озер. По инициативе Института океанологических исследований Канады Телецкое озеро рассматривается как первоочередной объект по всемирной программе изучения климата озер. В рамках международной программы "Глобальная система мониторинга окружающей среды: водные объекты" Роскомги-дромет оргапизовал станцию комплексного фонового мониторинга на базе существующей озерной станции Яйлю с программой, включающей химический и радиологический мониторинг поверхностных вод, почв, снежного покрова и атмосферных осадков*. Институт водных и экологических проблем СО РАН (ИВЭП СО РАН) проводит натурные исследования Телецкого озера по изучению гидрофизических и экологических процессов, в том числе термического режима. Параллельно в Институте ведутся работы по математическому моделированию гидротермического режима озера. Знание о гидротермических процессах в озере является гидрофизической основой для изучения экосистемы озера и качества воды в нем. Математическое моделирование является эффективным средством оценки термического состояния озера и прогноза его изменений под воздействием природных и антропогенных факторов, в частности, средством оценки влияния глобального изменения климата на термический режим озера.
Цель работы состоит в построении теоретической модели гидротермических процессов в глубоких озерах и в изучении на ее основе гидротермического режима Телецкого озера.
Научная новизна. Развита продольно-вертикальная модель, модифицированная для глубоких озер. Модель основана на законах сохранения массы, импульса и тепла, а также на балансах кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации. В отличие от известных моделей подобного типа в данной модели учитывается сжимаемость воды. Модель адаптирована для Телецкого озера. На ее основе впервые проведено моделирование стратифицированных течений и продольно-вертикальных сезонных изменений температуры
в Телецком озере. В процессе тестирования модели на данных лабораторных экспериментов численно решены в двумерной постановке задачи о проникновении верхнего турбулентного перемешанного слоя в стратифицированную жидкость и движении внутренней волны в открытом канале.
Достоверность полученных результатов подтверждена прямым путем - сопоставлением результатов численного моделирования с данными лабораторных экспериментов и измерений в Телецком озере.
Научная и практическая ценность работы состоит в развитии научных основ и методов математического моделирования гидротермических процессов в глубоких озерах и в их применении к изучению гидротермического режима Телецкого озера. Предлагаемая модель может быть использована также при оценке влияния глобального изменения климата на гидротермический режим Телецкого озера. Выполнение законов сохранения массы, импульса и тепла, а также универсальность (е-эпсилон)- модели турбулентности делает предложенную модель перспективной для применения ее к другим водоемам для решения аналогичных задач.
Представленные в диссертации исследования проводились в рамках плановой темы Института. Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант JY* 96-01-01940), а также Международным научным фондом (грант .\* RM1000, грант № RM1300).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: IV-ом Международном симпозиуме по стратифицированным течениям (Гренобль, Франция, 1994); на П-ой Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии (Новосибирск, 1994); на Международном симпозиуме "Гидрологические и экологические процессы в водоемах и их водосборных бассейнах" (Новосибирск, 1995); на Международной конференции "Математические модели и численные методы механики сплошных сред" (Новосибирск, 1996); на Ш-ей Международной конференции "Математические проблемы экологии" (Новосибирск, 1996); на третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98, Новосибирск, 1998). Диссертационная работа прошла апробацию на объединенном семинаре Новосибирского филиала ИВЭП СО РАН, на научной сессии ИВЭП СО РАН, на семинаре отдела прикладной гидродинамики, руководимом чл.корр. РАН
В.В.Пухначевым, в Институте гидродинамики им.М. А.Лаврентьева СО РАН.
На защиту выносятся продольно-вертикальная модель для глубокого озера и результаты ее применения для анализа гидродинамических и гидротермических процессов в Телецком озере, в том числе специфического продольного термического бара в нем.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, грех глав, заключения и списка литературы из 102 наименований. Полный объем диссертации составляет 134 страницы, включая 43 рисунка и одну таблицу.