| 16. |
Аннотация |
1. Основная цель работы заключается в оценивании по результатам моделирования поверхностных и внутренних приливов в системе Баренцева и Карского морей средних (за приливный цикл и по площади моря) значений диссипации бароклинной приливной энергии и коэффициента диапикнической диффузии, сравнение которых с их фоновыми значениями, определяемыми ветровым и термохалинным форсингами, позволяет судить о роли приливов в формировании регионального климата отдельных элементов рассматриваемой морской системы. Для этого используется трехмерная конечно-элементная гидростатическая модель QUODDY-4. Теоретическая новизна работы состоит в полученных в ней результатах, которые позволят уточнить или пересмотреть сложившиеся представления о пространственной структуре, характеристиках, механизмах формирования внутренних приливных волн. Вторая цель работы состоит в создании метода моделирования негидростатической динамики в морских бассейнах с резкими изменениями рельефа дна. Модель негидростатической динамики строится на основе постановки полных трехмерных уравнений динамики, конституэнтов плотности и турбулентного замыкания. Метод является удобной модификацией проекционного метода решения уравнений Навье-Стокса, позволяющей непосредственно выделить решение каждой из двух задач, отвечающих соответствующей компоненте давления. Приложение метода связано с моделированием негидростатической динамики проливов архипелагов и островных дуг путем склейки решения гидростатической задачи для открытой части океана с решением полной задачи на его шельфе. Будут получены новые карты внутренних приливов, характеристик внутренних приливных волн в Баренцевом и Карском морях, а также новые модели негидростатических эффектов в зонах проливов и шельфовых регионов со сложной батиметрией. 2. Исследования морских экосистем в высокоширотных областях Мирового океана, включая Северный Ледовитый океан, осложняются наличием ледового покрова и облачности, которые препятствуют проведению экспедиционных исследований, особенно глубин океана, и космического зондирования. Поэтому математическое моделирование в высокоширотных районах океана представляет собой, возможно, единственный инструмент, позволяющий решить актуальные задачи функционирования морских экосистем в условиях изменения климата и растущей антропогенной нагрузки и разработать меры, смягчающие вредоносные воздействия на эти экосистемы. Цель исследования – новые оценки влияния изменения климата на функционирование морских экосистем в высокоширотных областях Мирового океана, включая Северный Ледовитый океан. Планируется усовершенствовать отдельные блоки эко-гидродинамических моделей высокоширотных морей: учесть нескольких классов фитопланктона, разработать адекватную модель бентосной экосистемы, включить модель углеродного цикла. Подготовить поля атмосферного форсинга и условий на открытых океанских границах модельной области на основе сценарных расчетов по глобальным климатическим моделям. Выполнить расчеты современного состояния северных высокоширотных морей по усовершенствованной объединенной модели циркуляции моря и льда, экосистем и углеродного цикла. Проанализировать изменчивость современного состояния этих морей с целью выделения «погодной» составляющей и экстремальных ситуаций (наводнения, шторма, цветение вредоносных водорослей и т.п.) по данным моделирования и доступным данным наблюдений. Рассчитать статистические характеристики экстремальных ситуаций. Выполнить сценарные расчеты возможных изменений в будущем для северных высокоширотных морей по модифицированным объединенным эко-гидродинамическим моделям. Ожидаемые результаты: результаты расчетов и оценка вклада различных биогеохимических факторов в конечный результат, оценка адекватности и надежности эко-гидродинамических моделей, статистические характеристики экстремальных ситуаций в северных высокоширотных морях, оценки зависимости этих характеристик от климатических характеристик. 3. В работе предлагается: на основе обобщения теоретических и экспериментальных данных разработать модели проявления гидрофизических процессов в лидарном сигнале; разработать метод и алгоритм моделирования лидарных изображений гидрофизических возмущений с учетом поляризации источника излучения; провести моделирование лидарных изображений различных гидрофизических возмущений; выполнить сравнение результатов с данными натурных экспериментов, проведенных с помощью лидара. На основе измерения вертикальных профилей показателя ослабления света, температуры, солености и плотности воды в морях России, предлагается исследовать взаимосвязи гидрооптических и гидрофизических характеристик, а также выявить районы Мирового океана, перспективные для использования лидарных методов регистрации гидрофизических процессов. Будет проведена обработка данных подспутникового эксперимента в Белом море, сопоставлены особенности проявления вихревых структур малого диаметра в радиолокационных и оптических изображениях. Будет проведена оценка влияния отдельных субмезомасштабных структур на локальные концентрации фитопланктона в Белом, Баренцевом и Карском морях. 4. Основная цель работы – разработка методов изучения и изучение характеристик поверхностных, приповерхностных и донных пограничных слоев океана с помощью численного моделирования и натурных исследований. Большая часть результатов в области исследования волн получена в основном с использованием упрощенных подходов. Эффективные методы прямого математического моделирования, основанные на использовании полных нелинейных уравнений, были созданы сравнительно недавно в СПбФ ИО РАН. Эти методы развиваются во многих странах, но пока без заметных крупных результатов. Альтернативой этого подхода является так называемый HOS (High Order Scheme) – метод, основанный на разложении потенциала скорости в ряд Тейлора, не гарантирующий устойчивости схемы. Еще один метод – метод поверхностного интеграла – не применим к обширным полям, характеризуемым развитым спектром. Разрабатываемый метод свободен от этих ограничений, хотя требует значительных вычислительных ресурсов. Работа предназначена для развития методов прямого моделирования ветровых волн. Эти методы до настоящего времени находятся в зачаточном состоянии. Основная область применения результатов – создание методов оценки статистических параметров ветровых волн для проектирования плавающих и фиксированных объектов. Вторая область применения – усовершенствование методов прогноза ветрового волнения в океане. Тема являются важнейшей в изучении динамических процессов в океане и взаимодействия океана и атмосферы. Большое количество публикаций отнюдь не делает работу в этом направлении неактуальной, поскольку используемые методы исследования весьма отличаются друг от друга. Моделирование с помощью трехмерной негидростатической модели позволяет осуществлять прямое моделирование динамики ВКС, а использование метода конечных объемов (VOF) – отслеживать эволюцию поверхности раздела «океан – атмосфера». Результаты могут быть использованы для усовершенствования прогноза ветровых волн, а также в технической гидродинамике. Волновой погранслой – это область, через которую проходит обмен веществом, энергией и импульсом между океаном и атмосферой. Природа движений в этой области такова, что наряду с традиционным описанием представляет интерес и описание в терминах спектральных составляющих, для чего требуется строить спектральные модели среды. Стандартным путем получения такого рода моделей является использование интегральных преобразований (как правило, преобразования Фурье) к построенным предварительно дифференциальным моделям, описывающим изучаемые процессы в пространственно-временной области. Такие уравнения всегда являются последним звеном цепи «интегральные соотношения (законы сохранения или уравнения баланса) – дифференциальные законы сохранения, соответствующие интегральным соотношениям, – спектральные уравнения». Значимость планируемых результатов двоякая. С одной стороны, планируется подвести теоретическое основание под построение спектральных моделей физических (и океанологических, в частности) явлений, где каждый шаг имеет внятный физический (или геометрический) смысл. С другой стороны, на базе полученных теоретических результатов планируется построить спектральную модель волнового погранслоя. Исследования условий образования и стабильности газовых гидратов, залегающих в верхних слоях осадочного покрова многих окраинных частей Мирового океана, является весьма актуальной проблемой, поскольку нарушение таких условий в пределах зоны стабильности гидратов может вызывать их диссоциацию, сопровождаемую выделением значительных масс свободного газа-метана. Дестабилизация газовых гидратов может приводить к гигантским оползням на континентальном склоне, просадкам грунта и обрушениям склона. При наличии путей выхода метана (зоны интенсивной трещиноватости или разломообразования), характерных, в частности, для осадочного тела озера Байкал, он, поднимаясь, может выходить в воду, а затем и в верхние слои атмосферы, усиливая парниковый эффект и играя заметную роль в глобальных изменениях климата. Предполагается, что полученные результаты позволят оценить масштабы диссоциации гидратов метана при изменении геометрии зоны их стабильности, вызванном увеличением температуры дна озера в голоцене. По результатам численного моделирования будет дано заключение о возможности и целесообразности использования игольчатого зонда для определения теплофизических параметров гидратсодержащих осадков в широком диапазоне их проницаемостей. За рамками систематических натурных исследований остаются мелкомасштабная и субмезомасштабная изменчивость гидрофизических полей в мелководных районах, где интенсивно протекают, например, процессы трансформации и обрушения внутренних волн (ВВ). Из всего широкого диапазона периодов, в котором могут существовать ВВ, наименее изученной является короткопериодная область (периоды от 1 часа и менее). Именно в этой области масштабов происходят наиболее сложные процессы взаимодействия с тонкоструктурными образованиями, в частности, отмечается образование интенсивных внутренних волн (ИВВ), процессы турбулизации вод океана. Понимание вероятности появления ИВВ необходимо для долговременного планирования подводных работ. Знание процессов, контролирующих вертикальную диффузию и перемешивание, необходимо для совершенствования математических моделей. Поэтому вопрос о предсказуемости этих процессов в прибрежных шельфовых районах является актуальным для решения как теоретических, так и практических задач. Практическая значимость результатов определяется возможностью их использования для оценки механизма генерации турбулентности различного рода источниками, в том числе для тестирования численных моделей. Полученные данные могут использоваться для последующего выявления эмпирических закономерностей и верификации теоретических моделей. |