Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
Работа выполнена в Атлантическом отделении Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук, г.Калининград
На правах рукописи
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук
, профессор, Журбас Виктор Михайлович, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН доктор физико-математических наук, профессор Самолюбов Борис Исаевич, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ЧУБАРЕНКО Ирина Петровна доктор физико-математических наук, профессор Ляпидевский Валерий Юрьевич Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН
Ведущая организация:
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ КОНВЕКТИВНЫЙ ВОДООБМЕН Московский физико-технический институт НАД ПОДВОДНЫМИ СКЛОНАМИ
Защита состоится л___________2009 г. в ____ часов на заседании Специальность 25.00.28 - Океанология диссертационного Совета Д.002.239.02 по присуждению учёной степени доктора наук в Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук по адресу: 117851 Москва, Нахимовский проспект, д.36.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук
Автореферат диссертации на соискание учёной степени Автореферат разослан л___________2009 г.
доктора физико-математических наук Учёный секретарь диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук А.И. Гинзбург МОСКВА 20- 1 - - 2 -
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
осеннее-зимнего выхолаживания - более 50% (см. рис. 1), в димиктических озёрах в условиях гомотермии - 100%.
Исследование водообмена между мелкими и глубокими частями озёр, водохранилищ, морей и океанов, взаимодействия их поверхностных, промежуточных и глубинных слоёв является одним из наиболее актуальных направлений океанологии. Эти процессы способствуют как очистке прибрежной зоны от естественного и антропогенного загрязнения, так и транспорту важных биогенных элементов внутри бассейна. К ним относятся ап- и даунвеллинг, горизонтальная и вертикальная конвекция, плотностные течения, меандрирование течений, вихреобразование и многие другие.
Интенсивность, пространственная структура и развитие водообмена со временем определяются целым комплексом различных гидродинамических процессов, которые, в свою очередь, зависят от внешних метеорологических, гидрологических и других условий.
Многообразие и сложность механизмов водообмена приводят к необходимости выделения каждого из общей картины и исследования в отдельности.
Характерной чертой любого природного водоёма, независимо от его размеров, является неоднородность прогрева поверхности.
Предметом исследования в данной работе является горизонтальная конвективная циркуляция, обусловленная различной скоростью прогрева (охлаждения) мелководных и глубоководных зон бассейна в сезонном и суточном цикле. Дифференциальный прибрежный прогрев (понимаемый далее в самом общем смысле - как изменение температуры воды по мере приближения к берегу) часто наблюдается и в непосредственных натурных измерениях, но особенно чётко и Рис.1. Поле глубин Балтийского и Каспийского морей: белым цветом повсеместно - в среднемесячных и сезонных данных. Именно показаны области, где осеннее-зимняя вертикальная конвекция спецификой прогрева над прибрежными подводными склонами достигает дна и формируются горизонтальные градиенты температуры; темной заливкой - не достигает дна (более 60 и 300 м, обусловлены такие интересные явления как зимний лкаскадинг с соответственно); светло-серой - (40-60 м и 80-300 м) - глубины, шельфа и склонов, термобар, дневная/ночная циркуляция. В контексте захватываемые вертикальной конвекцией только в северной части данной задачи, лсклоном является область, где условия теплообмена морей.
через поверхность чувствуются до дна, и именно наличие дна С физической точки зрения, горизонтальный градиент обусловливает зависимость температуры воды от локальной глубины.
температуры воды в области над склоном, поддерживаемый внешними Чем меньше размер водоёма (с типичной структурой поля глубин), тем условиями теплообмена, обусловливает наличие градиента плотности бльшую его часть занимают такие области: в океане их площадь по горизонтали между более мелкими и глубокими частями, который и составляет около 10%, в Балтийском и Каспийском морях в период обеспечивает возникновение, развитие и поддержание - 3 - - 4 - горизонтального водообмена. Бризы и муссоны могут служить (Foster&Carmack,1976)), лкаскадинг с океанского шельфа (см., аналогом этих процессов в атмосфере. Если прибрежные воды например, обзор Ivanov et al., 2004), обновление промежуточных и становятся в результате теплообмена плотнее вод открытого моря, они глубинных вод в крупных озёрах (например, в Женевском озере (Fer, опускаются вдоль склона до уровня своей изопикнической et al., 2002), на Байкале (West, et al., 2005)). Анализ динамики поверхности, если легче - вытесняются ими, т.е. в обоих случаях речь термохалинных полей Чёрного и Балтийского морей указывает, что идёт о движениях, охватывающих и всю область над склоном, и (как горизонтальный транспорт вносит свой вклад в формирование их минимум) прилежащие глубоководные акватории. Наблюдаемый в холодных промежуточных слоёв (например, (Титов, 2004; Чубаренко, поле температуры воды дифференциальный прогрев, таким образом, Демченко, 2008)). В сезонном масштабе, более быстрая реакция оказывается результатом совместного действия теплообмена через прибрежных вод на внешние условия теплообмена приводит к поверхность и горизонтального транспорта тепла. развитию термобара - знчимому явлению в биологической жизни крупных озёр (Филатов, 1983; Науменко&Каретников, 1998;
Вопросы горизонтального перемешивания различной природы Шимараев, 1977; Mortimer, 2004). При этом детали динамики затрагивались многими исследователями (например, Зубов, 1938;
подобного обмена в океанах, морях, озёрах по-прежнему остаются во Шулейкин, 1968; Фёдоров, 1976; Мамаев, 1987). Наибольшее многом неясными; необходимы и оценки величины вклада внимание постановка задачи, аналогичная рассматриваемой, получила горизонтальной конвективной циркуляции по сравнению с во времена Стоммела и Россби (Stommel, 1962; Rossby, 1965; Munk, остальными механизмами перемешивания и транспорта.
1966) в связи с работами по изучению глобальной термохалинной циркуляции океана и транспорта полярных вод в глубинных слоях от Наличие прибрежных подводных склонов является одновременно и причиной возникновения горизонтальных градиентов полюса к экватору. До недавнего времени считалось (Jeffreys, 1925;
температуры/плотности, и естественной границей для горизонтального Huang, 1999), что движения вод, вызванные неоднородностями поля транспорта. Поэтому наиболее яркие проявления горизонтального температуры, затрагивают лишь незначительные объёмы вблизи конвективного обмена наблюдаются именно над склонами: общее источников неоднородности. Однако к настоящему времени медленное опускание вод при значительных отрицательных потоках многочисленные лабораторные эксперименты в бассейнах как с плавучести приводит к интенсивному лкаскадингу, подъём вод вдоль горизонтальным (Rossby 1965; Miller 1968; Mullarney et al. 2004;
склона способствует выходу на поверхность холодных вод Wang&Huang 2005; Cormack et al., 1974; Patterson&Imberger, (прибрежному апвеллингу); именно наличие подводного склона 1980), так и с наклонным дном (Horsh&Stefan, 1988;
вызывает возникновение дневной/ночной циркуляции и сезонного Carmack&Farmer, 1982; Fer, et al., 2001) и численное термического бара. По этой причине бльшая часть натурных данных моделирование (Beardsley&Festa 1972; Rossby 1998;
об этих процессах относится к исследованиям в озёрах и морях: там Paparella&Young,2002; Mullarney et al. 2004; Sturman, et al., 1999) относительный объём вод над склонами более значителен и показывают, что циркуляция вод охватывает практически весь проявления горизонтальной конвекции заметнее. Кроме того, и бассейн.
методика измерений в прибрежной зоне гораздо более соответствует Натурные данные подтверждают важность горизонтального особенностям природы этого процесса, чем измерения в океане.
водообмена конвективной природы для динамики вод, формирования К настоящему время показано, что горизонтальная конвекция термоклина и общей термохалинной структуры крупных бассейнов.
по своей природе нестационарна (даже если внешние условия Сюда относятся наблюдения лбоковой конвекции в океане (Фёдоров, поддерживаются неизменными), и можно говорить только о 1976), формирование холодных плотных вод в высоких широтах некотором финальном лквази-стационарном или лквази(Лабрадорское море (Clarke&Gascard, 1983), море Уэделла осцилляционном режиме (Farrow&Patterson, 1993; Horsh et al., 1994;
- 5 - - 6 - Sturman&Ivey, 1998; Lei&Patterson, 2002). Помимо этого, течения закономерности. Сформулированные в терминах потоков обладают значительной инерцией, и движение жидкости заметно плавучести/разности плотностей, выводы работы в равной степени запаздывает во времени по отношению к изменению условий прогрева применимы (i) для океана, внутренних морей и озёр, (ii) до и после (Farrow&Patterson, 1993). Так как и сами условия теплообмена в достижения Tmd, (iii) для любой стратифицирующей субстанции природе существенно переменны, и батиметрия обычно нерегулярна, и (температуры, солёности и др.).
время реакции течений на внешнее воздействие растёт с увеличением Актуальность работы определяется двумя аспектами.
пространственного масштаба (т.е. расстояния от берега), общая Во-первых, исследования последних 10-15 лет значительно картина водообмена всегда нестационарна по времени и неоднородна изменили точку зрения на вклад разницы температур и/или по пространству, а движения практически никогда не находятся в фазе теплопотоков между экватором и полюсом в глобальную с внешней нагрузкой. Таким образом, и в суточном, и в сезонном термохалинную циркуляцию океана. Оказалось, что утверждение, масштабе мы имеем дело с процессом длительного приспособления известное ранее как теорема Сандстрёма (Существенные движения в весьма инерционной системы к меняющимся внешним условиям, горизонтальном слое жидкости возникают только если источник тепла причём, даже будучи достигнуто, конечное состояние не может быть находится ниже источника холода (Sandstrm, 1916; Jeffreys, 1925)) стационарным в силу конвективной природы самого механизма есть лишь более позднее и неправомерное развитие общих водообмена.
термодинамических рассуждений автора, в оригинале написанных на Важным аспектом представленной работы является переход от немецком языке и известных мировому научному сообществу в традиционного для рассматриваемых процессов описания в терминах основном по английским переводам (см., напр., Hughes&Griffith, теплопотоков и разницы температур - к анализу на основе 2007). Многочисленные эксперименты подтвердили, что любая стабилизирующих/дестабилизирующих потоков плавучести и конфигурация источников/стоков тепла в горизонтальном слое результирующей горизонтальной разности плотностей. Такой подход жидкости порождает заметную и охватывающую весь бассейн хорошо известен в задачах глубокой океанской конвекции (например, циркуляцию. Значительно возрос интерес к подобным задачам в Visbeck, et al., 1996), но к процессам водообмена над склоном приложении к океану, возник и новый термин - горизонтальная применяется редко. Так, лкаскадинг обычно рассматривается в конвекция - для обозначения процессов переноса тепла и массы в терминах гравитационного потока со значительным вовлечением (Fer, протяжённом горизонтальном слое жидкости (Stern, 1975; Mullarney, et al., 2002), продвижение термобара в озере классически связывается с 2004; Hughes&Griffith, 2007). Вместе с этим, получил развитие и потоком тепла через поверхность (Тихомиров, 1982). Предложенный математический аппарат, восходящий к масштабному анализу Россби подход позволяет применять единый физический анализ и (1965) и его лабораторным опытам в бассейне с дифференциально математический аппарат ко всем возможным ситуациям подогреваемым дном.
прогрева/охлаждения в солёных, солоноватых и пресных бассейнах, Во-вторых, прибрежные зоны морей и океанов находятся под охватывая и динамику в области перехода через температуру всё более пристальным вниманием человечества: тут пересекаются максимальной плотности (Tmd). В целом, проведённый на базе единой многие транспортные и экономические интересы, сюда стекаются все точки зрения анализ натурных данных, полученных различными сбросы - и здесь же живёт более 20% населения планеты, не говоря о авторами при изучении лкаскадинга с океанского шельфа и рекреационной нагрузке побережий. В этом ракурсе, вопрос подводных склонов озёр, сезонного термического бара, летнего водообмена открытых и прибрежных акваторий важен и в смысле прибрежного апвеллинга, дневной/ночной циркуляции - позволил в интенсивности обновления и очищения прибрежных вод, и в смысле значительной степени обобщить полученную ранее информацию, нагрузки на открытые морские акватории.
выделить общие черты всех этих явлений и обнаружить новые важные - 7 - - 8 - Таким образом, помимо фундаментального интереса к лкаскадинга), подъём (вплоть до формирования апвеллинга), решению рассматриваемой проблемы, в настоящий момент продвижение термического бара в лбыстрой стадии его развития, существует и необходимость решать экологические вопросы в дневная/ночная циркуляция. Ему присущи характерные черты прибрежных зонах крупных водоёмов, и возможность использовать конвекции в тонком слое с градиентом температуры по для этого развившийся аналитический аппарат, накопившиеся горизонтали: нестационарность, инертность, двухслойность, натурные данные и результаты исследований по горизонтальной отсутствие конечного квази-стационарного состояния.
конвекции в приложении к океану.
2. Развитие водообмена запаздывает по отношению к внешней Основной целью работы является исследование структуры, нагрузке и имеет три фазы: (1) формирование горизонтальных характера и величины водообмена, возникающего в природных градиентов плотности (единицы-десятки минут для глубин в водоёмах из-за различий в скорости реакции прибрежных и открытых десятки метров), (2) возникновение и развитие течений (суткиакваторий на внешние условия теплообмена в суточном, недели) и (3) квази-стационарный обмен.
синоптическом, сезонном масштабе времени.
3. Величина горизонтального объёмного расхода самым Для достижения этой цели автором существенным образом зависит от пространственного масштаба (локальной глубины) и значительно слабее - от величины Х разработан единый аналитический подход к описанию процесса внешнего потока плавучести и уклона дна. Влияние вращения возникновения и развития горизонтального конвективного Земли не является лимитирующим фактором для водообмена этой водообмена над подводным склоном при прогреве/охлаждении природы; действие ветра умеренной силы и стока рек не через поверхность;
препятствуют его проявлению.
Х собраны натурные данные и проведён анализ проявлений 4. Основными безразмерными параметрами процесса являются горизонтального конвективного водообмена в крупных озёрах, соотношение вертикального и горизонтального пространственных прибрежной и открытой частях внутренних морей;
масштабов (A=D/L) и масштабов горизонтальной и вертикальной Х создана экспериментальную установку и проведены необходимые скоростей Kr=u/v=[/gD]1/2:[B0D]1/3. Kr характеризует стадию лабораторные эксперименты по динамике течений в бассейне с развития процесса, являясь по физическому смыслу некоторым наклонным дном при прогреве и выхолаживании через аналогом числа Рэлея для данной разновидности конвекции.
поверхность, включая переход через температуру максимальной 5. Обменные течения существенно трёхмерны, склонны к плотности;
формированию конвективных ячеек, струй, роллов. Максимумы Х проведено численное моделирование процесса для различных (средних) горизонтальных течений к/от берега находятся не у поверхности/дна, а в промежуточных слоях. Эта особенность пространственно-временных масштабов.
делает обмен между глубокими и мелкими областями более эффективным и менее независимым от деталей динамических и На защиту выносятся следующие положения гидрологических условий на поверхности и у берега, а также приводит к формированию ячейки с обособленной циркуляцией в 1. Дифференциальный прибрежный прогрев, наблюдаемый над верхней (прибрежной) части склона.
подводными склонами природных водоёмов, является результатом совместного влияния теплопотока через поверхность и горизонтального транспорта тепла. Водообмен такой природы проявляется как опускание вод над склонами (вплоть до развития - 9 - - 10 - Научная новизна работы 2006 (Warnemnde, Germany); 42 ECSA Int. Conf. УEstuarine ecosystems:
structure, function and managementФ 2007 (Svetlogorsk, Russia);
Новым является подход к рассмотрению вопросов Международной конференции Потоки и структуры в жидкостях дифференциального прибрежного прогрева в природных водоёмах как 2005, 2007 (Москва, Санкт-Петербург); 4-й Всероссийской научной к разновидности конвекции в тонком горизонтальном слое с конференции Физические проблемы экологии (Экологическая градиентом температуры/теплопотока на границе. Проведены новые физика) 2004 г. (Москва); VI международной конференции оригинальные лабораторные эксперименты и экспедиционные Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей натурные исследования. Впервые проведено обобщение 2004 (Москва); 50-й юбилейная научная конференция МФТИ экспериментальных данных, касающихся соответствующего Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук 20конвективного опускания вод над склонами (вплоть до развития (Долгопрудный); X Международной научно-технической конференции лкаскадинга), подъёма (вплоть до формирования апвеллинга), Современные методы и средства океанологических исследований продвижения термического бара, дневной/ночной циркуляции, 2007 (Москва, Россия); 8,9,10,11,12,13 конференциях Комплексное образования промежуточных слоёв.
изучение бассейна Атлантического океана 2003-2008, (Калининград);
Практическая значимость.
II и V международных научных конференциях Инновации в науке и образовании 2004, 2007 (Калининград, Россия); XXI Международной Результаты исследований важны для ряда приложений. В береговой конференции Прибрежная зона моря: морфолитодинамика первую очередь это экологические вопросы: оценка скорости и геоэкология 2004 (Светлогорск); IV Международной конференции самоочищения прибрежной зоны от растворённого и взвешенного Музея Мирового Океана 2007 (Калининград).
загрязнения, интенсивности вентиляции промежуточных и глубинных слоёв, скорости поступления биогенных элементов из мелководной в Текущие результаты неоднократно докладывались и глубоководную зону моря. Вопросы, касающиеся формирования обсуждались и на семинарах в АО ИО РАН, ИО РАН, в институте холодных промежуточных слоёв и апвеллинга, важны для рыбоозероведения РАН (Санкт-Петербург), лимнологическом институте промысловых организаций. Результаты лабораторных экспериментов, РАН (Иркутск), во время научных визитов автора в Institute of доказывающих, что бассейн с наклонным дном остывает быстрее, Mechanics (III) of Darmstadt Technical University (Germany); physical представляют интерес для разработчиков охладительных бассейнов limnology group of Constance University (Germany); Department of атомных электростанций. Структура и характеристики водообмена Mathematics and Geosciences of Rostock University (Germany); Klaipeda важны в анализе геологических и седиментологических вопросов University (Lithuania); Isaak Newton Institute for Mathematical Sciences (Емельянов, Гриценко 1999; Емельянов, 2008).
(Cambridge, UK).
Обсуждение результатов работы проводилось на Заявки автора проходили экспертную оценку и международных, всесоюзных, российских и региональных поддерживались научными грантами Немецкой службы конференциях, симпозиумах и совещаниях, в том числе на:
академических обменов (DAAD, Seasonal cooling processes in Lake Constance); NATO (Collaborative Linkage Grant ESP.NR.CLG 9813EGS-EGU-AGU General Assembly 2003 (Nice, France); EGU General Seasonal mixing mechanisms in Baltic and Caspian Seas); РФФИ (07 Assembly 2008 (Vienna, Austria); Baltic Sea Science Congresses 2005, 00850 Изучение механизма сезонного водообмена шельфа с открытой 2007; XXIV, XXV and XXVI International Schools of Hydraulics, Poland, морской акваторией и его реакции на прогнозируемые изменения 2004, 2005, 2006; USA-Baltic International Symposium 2004 (Klaipeda, климата, 2007-2009; 08-05-08047). В качестве соисполнителя, автор Lithuania); 9th International Estuarine Biogeochemistry Symposium участвовала в работе по международным проектам DFG (лDiffusion in УEstuaries and Enclosed Seas under Changing Environmental ConditionsФ Lakes, Transport in Littoral, Hydrodynamics in littoral zone of Lake - 11 - - 12 - Constance), INTAS (№ 460 Transport in submarine canyons) и ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
проектам РФФИ (№№. 00-05-64103, 05-510 01-326, 03-05-65136, 06-05Предмет данного исследования - горизонтальный водообмен 64138-а, 06-05-79097, 07-05-10047к), министерства науки РФ, конвективного происхождения, возникающий над подводными министерства науки и высшей школы РФ.
склонами природных водоёмов, когда условия внешнего теплообмена Публикации. приводят к формированию более или менее устойчивых горизонтальных градиентов температуры вдоль склона. Во вводном В диссертацию вошло 73 публикации. Из них - 18 статьи в параграфе представлена общая характеристика работы, обоснованы рецензируемых журналах (из них 12 - в списке ВАК), 3 - статьи в важность и актуальность темы диссертации, сформулирована цель монографиях, 11- в сборниках научных трудов, 41 - тезисы в трудах исследования и его основные задачи, приведена структура конференций.
диссертации и основные положения, выносимые на защиту. Далее Автором лично:
изложение материала построено следующим образом.
- сформулирована общая проблема, поставлены конкретные Глава 1 посвящена введению в проблему, обзору литературы и задачи;
описанию методов исследования. В параграфе 1.1 приводятся примеры проявления дифференциального прибрежного прогрева в природных - разработан единый аналитический подход к количественному водоёмах в суточном, синоптическом и сезонном циклах. Показано, описанию рассматриваемого класса явлений;
что он проявляется на расстояниях от сотен метров (в озёрах) до сотен - создана лабораторная установка; поставлены, организованы и километров (в морях) в верхнем теплоактивном слое, т.е. слое, в проведены серии лабораторных экспериментов;
котором чувствуются условия теплообмена на поверхности. Толщина - организованы экспедиционные исследования и проведены этого слоя при типичном осеннем выхолаживании имеет порядок натурные измерения в прибрежной зоне Балтики; проведены толщины верхнего перемешанного слоя в глубокой части (что измерения и создана база данных озера Констанс; составляет, например, в Балтийском море до 60 м, в Каспии и на Байкале - до 250-300 м, см. рис.1); при летнем прогреве оценку - собраны, проанализированы и обобщены опубликованные толщины слоя даёт глубина залегания сезонного термоклина.
натурные данные для озёр, внутренних и окраинных морей и Характерные перепады плотности по горизонтали имеют порядок шельфовых зон;
/~10-4-10-6. Проводится анализ относительного объёма вод над - инсталлирована и освоена лицензионная трёхмерная склонами и в глубокой части для ряда озёр и идеального гидродинамическая численная модель MIKE3-FlowModel (DHI конусообразного бассейна; показано, они сравниваются, когда Water&Environment) и проведена основная часть моделирования.
толщина теплоактивного слоя составляет 0.35-0.6 от максимальной глубины бассейна. Параграф 1.2 кратко представляет натурные Формулировка результатов и выводов, написание большинства наблюдения соответствующих движений вод: осеннее-зимний публикаций принадлежат автору. Автор являлся руководителем или лкаскадинг с шельфа и склонов (Hill et al., 1998 - на шельфе ответственным исполнителем ряда проектов, которые поддерживались Ирландии; Muench&Gordon, 1995 - на шельфе Антарктики; Fer, et al., перечисленными выше фондами.
2002 - в Женевском озере; Horsh, et al., 1994; Carmack&Farmer, 1982, и Структура и объём диссертации многие другие); дневная/ночная циркуляция в прибрежной зоне Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, (Monismith et al.,1990; Farrow&Patterson, 1993; Woodson, 2007), приложений и списка литературы из 294 наименований. Она содержит термобар (Шимараев, 1977; Тихомиров, 1982; Rodgers, 1965).
280 страниц текста и 98 рисунков.
- 13 - - 14 - Параграф 1.3 представляет собой обзор работ по моделирование в гидростатической и негидростатической постановке, горизонтальной конвекции в геофизических приложениях, начиная с с учётом и без учета влияния вращения Земли. Турбулентная вязкости классических работ Сандстрёма (1908) и Стоммела (1962) по вычисляется в терминах формулировки Смагоринского (1963) - через глобальной термохалинной циркуляции океана, пионерских градиенты скорости течения и шаг сетки (т.е. различна для лабораторных экспериментов Rossby (1965) - до современных горизонтального и вертикального направлений). Теплообмен через публикаций в ведущих научных журналах. Рассматривается конвекция (свободную) поверхность обеспечивается приходящей солнечной как в горизонтальном слое (Mullarney et al. 2004; Wang &Huang 2005, радиацией на заданной широте (с суточным ходом), турбулентным Hughes & Griffiths, 2008), так и над наклонным дном (Farrow, 2004; теплообменом с воздухом и исходящим инфракрасным излучением;
Horsh & Stefan, 1988; Sturman, et al., 1999, и др.). Указывается, что испарение, осадки, действие ветра не включались. Расчётные горизонтальный обмен конвективной природы есть результат прямоугольные сетки с ячейками 55 км, 5050 м и 11 см (толщина суперпозиции вертикального перемешивания и горизонтального слоёв, соответственно, 10 м, 1 м и 1 см) использовались для транспорта; он всегда нестационарен и имеет характерную структуру: моделирования процессов на масштабах моря (150 км вдоль берега, в целом двухслоен по всей длине бассейна (и в любом сечении над 150 км длина склона, общая длина бассейна 750 км, глубина 300 м), склоном, если таковой имеется), а уровни максимальных значений озера (1 км, 2.4 км склон, 3.2 км общая длина бассейна, глубина 50 м) (средних) горизонтальных скоростей заметно отстоят от границ. и лабораторного лотка (35 см, 2 м, 3.2 м, 20 см, соответственно). Шаг по времени составлял 100 с, 2с, 0.01 с, соответственно.
Параграф 1.4 затрагивает вопросы сложившейся терминологии:
конвекция, адвекция, боковая конвекция, горизонтальная конвекция, Глава 2 посвящена аналитическому описанию процесса. В каскадинг, апвеллинг и др. параграфе 2.1 обсуждается механизм формирования градиентов температуры над наклонным дном при выхолаживании и прогреве В параграфе 1.5 описаны материалы и методы исследования.
водоёма через поверхность и причины возникновения движения с Представлены используемые натурные данные, полученные в учётом возможного перехода температуры воды через температуру экспедициях с участием автора в прибрежной зоне Балтийского моря и максимальной плотности (Tmd). В солоноватых и пресноводных в озере Констанс, а также созданная автором база многолетних данных водоёмах, как выхолаживание вод с температурой T>Tmd, так и ConstanceDataBand. Дано описание лабораторной установки АО ИО прогрев вод с T конвекцию (см. рис. 2); там, где она достигает дна, температура выхолаживание в бассейне (35 см 35 см 5 м) с горизонтальным вертикальной колонки становится зависимой от её глубины, что и дном, выхолаживание и прогрев при наличии наклонного дна (от 3 до приводит к возникновению горизонтальных градиентов температуры. 12), при температурах выше и ниже Tmd; прогрев в двухслойном В обратных ситуациях, вертикальная стратификация усиливается, и бассейне с наклонным дном. Для численного моделирования горизонтальный градиент температур формируется главным образом использовалась лицензионная профессиональная трёхмерная конечноблагодаря поглощению (и переизлучению) солнечной радиации дном. разностная численная модель MIKE3-FlowModel (разработка Danish В обоих случаях, за возникновение горизонтального градиента Hydraulic Institute & Water Quality Institute, широко плотности отвечает дестабилизирующий поток плавучести (с применяемая для расчёта течений, переноса примеси различной поверхности или дна). В целом, наблюдаемый в природных водоёмах природы, эвтрофикации и качества воды в морях, заливах, эстуариях и дифференциальный прибрежный прогрев есть результат других природных водоёмах (MIKE3-User Guide, 2005). В ней динамического баланса между внешним теплообменом через совместно решаются уравнения сохранения массы, Навье-Стокса (с поверхность и горизонтальным конвективным транспортом тепла из/в осреднением по Рейнольдсу), уравнения сохранения для солености и глубокую часть. температуры и уравнение состояния морской воды. Возможно - 15 - - 16 - Рис. 3. Характерные масштабы для процесса горизонтального конвективного водообмена. Справа - вертикальные профили температуры воды в глубокой части при дестабилизирующем и стабилизирующем потоках плавучести через поверхность, по структуре которых определяется вертикальный пространственный масштаб D. В параграфе 2.3 на основании проведённого анализа физических механизмов вводятся соответствующие задаче масштабы (рис.3). Основным пространственным масштабом по вертикали является толщина слоя D, в котором лчувствуются условия Рис. 2. Нелинейность зависимости плотности воды от температуры теплообмена на поверхности: это толщина слоя, перемешиваемого приводит к тому, что и при прогреве, и при выхолаживании возможен вертикальной конвекцией, либо глубина проникновения света. как отрицательный, так и положительный поток плавучести в верхний Масштабом по горизонтали естественно принять расстояние от берега слой. Заштрихованы периоды развития вертикальной конвекции. L, на котором проявляются горизонтальные градиенты температуры. Прямоугольники, скользящие по кривой (T), иллюстрируют характер изменения плотности в прибрежной зоне и в глубокой части и Это расстояние (или - длина склона по горизонтали) в контексте возникновение горизонтального перепада плотности в условиях данной задачи может быть ясно определена геометрически: это осеннего выхолаживания. область, где условия теплообмена на поверхности лчувствуются до дна. Так, при осеннем выхолаживании - это области с глубинами меньше глубины верхнего квазиоднородного слоя (а таких в Балтике, В параграфе 2.2 обсуждается и проводится формальный например, в ноябре - 62%, в Каспии и на Байкале - это глубины до переход от описания процесса в терминах теплопотока Н [Вт м-2] и ~300 м, в океане - до 200-500-1000 м); при летнем прогреве - это горизонтальной разности температур Т [C]- к потоку плавучести глубины меньше толщины фотического слоя (обычно в морях - B=gH/0cp [м2с-3] и разности плотностей (здесь g - ускорение десятки метров). В качестве масштаба температуры естественно взять свободного падения, =-1/0 (dT/d) - коэффициент термического характерную разницу между открытой и прибрежной зоной Т. Тогда расширения воды, 0 - масштаб плотности и cp. - теплоёмкость при масштабом горизонтальной разности давления является величина атмосферном давлении). Таким образом, постановка задачи становится p~gD. Задача требует введения нескольких временных универсальной для всех вариантов прогрева /выхолаживания до/после масштабов. Время возникновения горизонтальных градиентов перехода через Tmd: отрицательный поток плавучести через плотности имеет порядок 1~(D2/B)1/3, где В - дестабилизирующий поверхность приводит к формированию лкаскадинга над подводным поток плавучести (с поверхности или дна). При глубинах в десятки склоном, положительный - к апвеллингу. метров и типичных потоках плавучести (В~10-6-10-8 м2с-3) оно - 17 - - 18 - составляет всего десятки минут (Шерстянкин и др., 2007). Вслед за теплоактивного слоя h вида. Проводится Q ~ u h = [ g h] h ~ h1.формированием горизонтальных градиентов плотности в области над анализ натурных данных о величине водообмена, полученных склоном возникают и развиваются течения; время их развития до прямыми измерениями в лабораторных лотках и озёрах и квазистационарного состояния 2~L/(g/0D)-1/2 для типичных охватывающий масштабы от единиц сантиметров до сотен метров (см. условий теплообмена и глубин 10-100 м имеет порядок суток и более. рис.5), подтверждающий эту зависимость. Показано (Чубаренко, 20Важно, что с ростом пространственного масштаба (глубины D или [1]), что на неё хорошо ложатся результаты численных экспериментов длины склона L) увеличиваются и соответствующие времена (Чубаренко и др, 2006 [22]), оценки, проведённые по данным для формирования горизонтальных градиентов плотности и установления Черного моря (Титов, 2004), а также диапазон параметров течений (рис.4). В результате, при реальных суточных и даже лкаскадинга в океане (Ivanov, et al., 2004). Подтверждают это и синоптических колебаниях теплопотока над морскими акваториями - аналогичные исследования Horsh&Stefan (1988), Horsh, et al.(1994): конвективные течения большей частью не успевают достичь для бассейна с наклонным дном численные и лабораторные установления. эксперименты указывали на зависимость Q~Ra1/n, где Ra - число Рэлея, а 2 Рис. 4. Пространственно-временные масштабы фаз развития горизонтального водообмена. Численные значения по осям - оценка для типичных геофизических условий (см.текст). Параграф 2.4 посвящён анализу величины горизонтального водообмена в квази-стационарном состоянии. Конечного Рис. 5. Зависимость горизонтального объёмного расхода в бассейне с наклонным дном от толщины теплоактивного слоя по данным стационарного состояния у горизонтального конвективного лабораторных и натурных экспериментов (в двойном водообмена не существует: течения всегда являются сложной логарифмическом масштабе). Не учитывались при построении тренда, суперпозицией вертикальной конвекции и горизонтального обмена но близки к полученной зависимости данные численных расчётов (i) и (также конвективной природы). В разделе 2.5.1 обсуждается (ii) (Чубаренко и др. [16,25,27]), оценки расхода по статье Титова (2004) о толщине ХПС Чёрного моря в зимы разной суровости (группа зависимость расхода горизонтальных течений от пространственного из 5 точек (iv)) и оценочный диапазон (iii) параметров 61 случая масштаба. Введённые выше масштабы предполагают зависимость каскадинга в океане по работе (Ivanov et al., 2004). объёмного расхода горизонтальных течений Q от толщины - 19 - - 20 - Согласно анализу Россби (1965) (см. также Mullarney et al., углу наклона дна, так что зависимость от пространственного 2004), для бассейна с горизонтальным дном зависимость расхода от масштаба, действительно, становится самой важной. вертикального масштаба значительно слабее: Q~h0.66. Это, как и Раздел 2.4.3 представляет обсуждение влияния вращения прямые данные лабораторных экспериментов, указывает, что наличие Земли, ветра, распреснения прибрежных вод стоком рек и других подводного склона значительно интенсифицирует горизонтальный внешних условий. Сложность анализа в данном случае в значительной конвективный обмен. Такой вывод может оказаться важным в мере осложняется тем, что, во-первых, течения практически всегда обсуждении величины вклада разности температур между экватором и нестационарны, и, во-вторых, наличие дна принципиально важно - а полюсом в глобальную термохалинную циркуляцию океана: известно это влечёт за собой учёт придонного трения. Вращение Земли не (Rossby, 1965; Mullarney et al., 2004; Hughes&Griffith, 2008), что только успевает существенно сказаться на чертах дневной-ночной горизонтальной конвекции недостаточно для объяснения циркуляция и более коротких эпизодах, однако динамика сезонного интенсивности наблюдающейся циркуляции. По современным водообмена (осенний лкаскадинг, термобар) очевидно должна быть оценкам (Cunnindham et al., 2007), общий транспорт составляет 5.приспособлена к вращению, даже если взятые в отдельности Sv (5.6106 м3с-1, на широте 26.5 N]), что эквивалентна примерно 22.вдольсклоновые языки или конвективные струи сами по себе м3с-1/м (см. по вертикальной оси графика рис.4); при некоторой нестационарны. глубине D~13 км, соответствующей масштабам океана, эта точка оказывается выше зависимости, полученной Россби, но ниже полученной нами. Это может означать, что присутствие уклона дна в приполярных областях играет некоторую роль и в океане. В разделе 2.4.2 обсуждается кажущаяся независимость расхода от величины уклона дна и потока плавучести через поверхность. По сути, оба эти параметра существенным образом влияют на величину формирующегося горизонтального градиента плотности: над Рис.6. Мгновенные вертикальные профили пологими склонами и при бльших потоках плавучести возникают температуры воды и бльшие градиенты температуры/плотности. Но относительно горизонтальной интенсивные течения возникают в более тонком слое. Над крутым же компоненты скорости склоном и при небольших потоках плавучести градиенты плотности вдоль склона и вдоль берега на глубине 220 м. меньше, течения имеют мньшие скорости - но более распределённую Численное моделирование эпюру (Чубаренко, Демченко, 2008; Chubarenko et al., 2005). Влияние (MIKE3): осеннее величины потока плавучести впрямую сказывается и через изменение выхолаживание над толщины теплоактивного слоя D. Изменяется и длительность процесса склоном длиной 150 км (глубина над концом установления водообмена: малые В и приводят к увеличению как склона 300 м) с учётом времени реакции склона 1, так и времени установления течений 2. влияния вращения Земли. Это подтверждается исследованиями (Sturman et al., 1999): анализ Сетка 5км5км10м. Ветра серий численных решений показал, что течения нечувствительны к нет. изменению величины внешнего потока плавучести (важно лишь, что он принципиально существует), и весьма умеренную чувствительны к - 21 - - 22 - При возникновении лкаскадинга, наличие квази-постоянного горизонтальный обмен конвективной природы вносит свой вклад в градиента давления между мелкой и глубокой частью и вращения общую комплексную картину водообмена. Земли приводят к формированию вдольберегового течения в промежуточных слоях, что подтверждается и натурными измерениями S, psu (Fer et al., 2002), и численным моделированием (рис. 6). Транспорт вдоль склона реализуется в придонном Экмановском слое, толщина 7.04 7.08 7.12 7.16 7.которого (2Kz/f)1/2 оказывается в рассматриваемом случае зависимой от локальной глубины, поскольку коэффициент турбулентного обмена t при вертикальном перемешивании Kz~h2/1~h4/3B1/3. Для толщины придонного слоя трения имеем h'~h2/3B1/6f -1/2. При типичных значениях -В~10-6-10-8 м2с-3, f~10-4с-1 получаем h'~10h2/3м, что в геофизически разумном диапазоне глубин заведомо больше h/2. Таким образом, вращение Земли не является лимитирующим фактором для S горизонтального конвективного водообмена. Влияние ветра и пресноводного стока проанализировано на T -натурных данных, полученных автором в прибрежной зоне Балтийского моря, и опубликованных исследованиях (Malm, 1995). Показано, что наличие распреснённого лплюма речных вод добавляет свой вклад в разность плотностей по горизонтали, усиливая или ослабляя общий обмен. Влияние ветра умеренной силы (при котором T, C -дифференциальный прибрежный прогрев ещё заметен) несколько модифицирует конвективный водообмен: обменные течения 16.16 16.2 16.24 16.28 16.32 16.заглубляются, оставляя дрейфовому течению поверхностный слой, а t, kg/m4.3 4.35 4.4 4.45 4.5 4.их общий компенсационный поток ослабляется или усиливается - в Рис. 7. Вертикальные профили температуры воды, солености и зависимости от направления действия ветра. Рис. 7 представляет условной плотности, полученные в период осеннего выхолаживания в вертикальные профили температуры, солёности и плотности на прибрежной зоне Балтийского моря. Температура воды у дна ниже, а в глубине 30 м (термоклин в глубокой части - на глубине 42 м) в промежуточных слоях выше, чем в верхнем квазиоднородном слое; прибрежной зоне Балтийского моря 12.10.2006 в условиях вды с такими характеристиками наблюдались, соответственно, ближе к берегу и дальше от берега, чем точка зондирования. выхолаживания при умеренном ветре: верхний перемешанный слой, тёплые и солёные (морские) воды на горизонте 18-23 м, и ещё холодные (с температурой ниже, чем на поверхности), но уже солёные В параграфе 2.5 записываются уравнения движения и на придонные воды. Анализ общей структуры термохалинных полей и основании введённых выше масштабов проводится их TS-характеристик вод на разрезе вдоль склона предполагает, что обезразмеривание. Показано, что основными безразмерными холодные придонные воды образовались выше по склону в результате параметрами задачи являются соотношение вертикального и смешения морских вод, двигающихся к берегу в промежуточном слое, горизонтального пространственных масштабов (т.е. уклон дна A=D/L) с ещё более холодными прибрежными водами. Таким образом, и масштабов для горизонтальной и вертикальной скоростей: Kr=u/v=[/gD]1/2:[B0D]1/3. Последнее по физическому смыслу - 23 - - 24 - является некоторым аналогом числа Рэлея, обычно используемого в поверхность в бассейне с наклонным дном: в суточном, задачах о конвекции; в данном случае оно характеризует стадию синоптическом, сезонном масштабе времени он приводит к опусканию развития процесса: на начальных этапах (рис.4) вертикальный обмен вод над склоном, в своём наиболее ярком выражении наблюдаемом существует в отсутствие горизонтальных течений (Kr мало), затем как (зимний) каскадинг холодных вод с шельфа и подводных склонов следует развитие горизонтальных течений (рост u и Kr) и выход на (Fer et al., 2002; Ivanov et al., 2004). Вдольсклоновое течение по квази-стационарный режим, при котором сохраняется Kr градиенте давления, см. например, измерения (Monismith, et al, 1999)). Параграфы 2.6 и 2.7 посвящены аналитическим исследованиям поля температуры воды, плотности и гидростатического давления с помощью упрощённых моделей. В частности, для выхолаживания над склоном (T>Tmd) в отсутствие горизонтального обмена получен A B самоподобный профиль температуры поверхности воды от берега в глубокую часть (рис.9). В модели прогрева над склоном, для ряда Рис. 8. Каскадинг в лаборатории: треки трассера (KMnO4) в мелкой части, над концом склона и в середине глубокой части. Справа - типичных вертикальных профилей температуры воды удалось профиль температуры в глубокой части. Положение резервуара показать, что разность горизонтальных давлений в области над термометра на фотографиях фиксирует нижнюю часть квазисклоном имеет максимум на глубине порядка 0.4 толщины однородного слоя. теплоактивного слоя. В конце главы суммируются основные выводы теоретического Параграф 3.1 посвящён анализу структуры поля температуры анализа. воды. Форма горизонтального профиля температуры воды в поверхностном слое от берега в глубокую часть самоподобна. Признаком развития обмена до квази-стационарного состояния может Третья и четвёртая главы посвящены анализу водообмена при служить формирование на нём протяжённого участка (около 2/3 длины дестабилизирующем и стабилизирующем потоках плавучести, склона) со значимым линейным трендом (R2>0.9). Этот участок соответственно. Принята в целом следующая логика изложения: обнаруживается в данных натурных измерений в прибрежных зонах, в параграфы посвящены отдельным характерным чертам процесса, и средне-месячных и сезонных полях температуры поверхности морей, обобщают материалы лабораторных экспериментов, натурных численных и лабораторных экспериментах. Вертикальные профили экспедиционных исследований, анализа средне-месячных и среднетемпературы воды также самоподобны во всей области над склоном и сезонных полей и численные расчёты для модельных бассейнов имеют верхний квази-однородный слой и присклоновый разного пространственного масштаба. стратифицированный по температуре более плотный слой толщины Ввведение к Главе 3 даёт краткое описание общей картины порядка 0.15-0.25 локальной глубины (см. также рис.6); при этом по водообмена при дестабилизирующем потоке плавучести через горизонтали плотность воды растёт к берегу. - 25 - - 26 - T (x,t) горизонтальных течений от берега / к берегу находятся существенно Tsurface T( x,t) z(x) внутри области: максимум вдольсклонового течения (в среднем) = - 2 z(x) приходится на уровень границы изотермического и Tmixed стратифицированного слоёв, максимум течения к берегу - на расстоянии 0.2-0.4 локальной глубины от поверхности. Скорости 0 0.5 =1.5 2 2.5 2 max горизонтальных течений растут с удалением от берега и максимальны над концом склона. В последний подраздел помещены данные - лабораторных экспериментов по прогреву воды с T T2 -В параграфе 3.3 обобщается имеющаяся информация о структурных особенностях поля течений, склонности к формированию shore -струй, ячеек, роллов. Известно, что и в лаборатории, и в натурных limit область над склоном глубокая часть данных исследователи отмечают возникновение роликовых волн zmixed z(x) littoral zone limnetic region а) (Ляпидевский, 1998; Fer, 2001). Приводятся фотоматериалы о когерентных структурах в лабораторных экспериментах, обсуждаются 13 weeks 6.свидетельства различных авторов о наблюдавшихся размерах 14 weeks 6.конвективных ячеек в озёрах и в океане. 18 weeks 6.y = 0.0074x + 6.5120 weeks u (mm s-1) u (cm s-1) R = 0.986.16 -6 -4 -2 y = 0.0081x + 6.47y = 0.0163x + 11.02 R2 = 0.98R = 0.986.) y = 0.0128x + 6.28T(z) m 2 y = 0.0251x + 5.02R = 0.993 8 c R2 = 0.9605 ( T(z) 6.h y = 0.0153x + 6.17t p R = 0.977 e 6.D onshore 0 50 100 150 200 250 35 55 105 155 k m 205 255 305 3d is t an ce, X, k m 10 ) б) D=24 см m D=57 м ( h t Рис. 9. Профиль температуры воды на поверхности: а) в p e offshore D аналитической модели без горизонтального обмена; б) численный u(z) расчёт осеннего выхолаживания в бассейне со 150-км склоном u(z) (среднее за неделю); на врезке - среднемноголетние профили температуры поверхности для октября и ноября от берега в глубокую 0.15 D 0.158 D часть в Северном Каспии (Косарев, Тужилкин, 1995). 29.1 29.Temperature (?C) Temperature (?C) В параграфе 3.2 исследуется поле течений. Показано, что они Рис. 10. Вертикальные профили температуры воды и скорости развиваются с запаздыванием (т.е. не находятся в фазе с внешним вдольсклонового течения при выхолаживании над склоном а) воздействием), характеризуются значительной изменчивостью в лабораторного лотка, б) Женевского озера (из Fer et al., 2002, с пространстве и во времени и не имеют конечного стационарного добавлениями). В рамочках показана локальная глубина над склоном. См. также рис. 6. состояния. Структура поля обменных течений в целом двухслойна (рис.6,8,10). На вертикальных профилях, максимумы скоростей - 27 - - 28 - temperature, C В параграфе 3.4 представлены данные серии лабораторных экспериментов, показывающие, что бассейн, имеющий наклонное дно, остывает быстрее (Chubarenko et al., 2005). Параграф 3.5. посвящён анализу особенностей горизонтального объёмного расхода обменных конвективных течений в квази-стационарном состоянии. На лабораторных и численных данных показано, что он увеличивается вниз по склону, достигая максимума у его конца. Шельф является источником самых холодных/плотных вод, но их объём значительно меньше того, что складывается к концу склона. С удалением от конца склона в глубокую часть, расход горизонтальных течений уменьшается; на расстоянии половины длины склона он падает до величины, Рис. 11. Численное моделирование. Графики расхода с единицы длины соответствующей середине склона; но далее остаётся примерно береговой линии над концом склона длиной 150 км (глубина 300 м) за постоянным. Таким образом, подтверждается вывод исследований период 6 месяцев: гидростатическая модель без учёта вращения (H); негидростатическая модель без учёта вращения (N); гидростатическая многих авторов: горизонтальный конвективный обмен охватывает весь и негидростатическая модель с учётом вращения (HC и NC). бассейн. Современные численные модели показали свою эффективность в изучении многих гидрофизических процессов; особенно важен этот Параграф 3.6 фокусируется на исследовании вклада метод при изучении влияния вращения Земли и её сферичности горизонтальной конвекции в формирование промежуточных слоёв. В (например, Zhurbas, et al., 2004; Журбас и др., 2006). Конвективные глубокой части крупных стратифицированных водоёмов более механизмы представляют особую сложность. В параграфе 3.6 плотные воды, стекающие со склонов, распространяются под верхним сравниваются результаты трёхмерного численного моделирования перемешанным слоем, находя там близкий по плотности уровень. Это рассматриваемого процесса при одних и тех же условиях - но в приводит к дифференцированному росту температуры в слоях ниже различных постановках: гидростатической, негидростатической ВКС осенью (при охлаждении от T>Tmd) и её падению ранней весной (лискусственная сжимаемость (Chorin, 1967)), с учётом и без учёта (при прогреве от T Сравнительный анализ решений в гидростатической и Анализируются данные лабораторных экспериментов по прогреву с негидростатической постановках показал, что оба варианта хорошо поверхности в двухслойном бассейне, в верхнем пресном слое воспроизводят основные структурные особенности водообмена. При которого при T градиенты температуры/плотности несколько ниже, а время Показано, что процесс соответствует ситуации ранне-весеннего установления течений - больше, но величины квази-стационарного прогрева в Балтийском море. В целом отмечено, что этот механизм, водообмена во всех постановках близки (рис.11). Учёт влияния наряду с вертикальным турбулентным обменом, вносит существенный вращения Земли в гидростатической модели не влияет на время вклад в размытие пикноклина как осенью, так и весной. установления и развития конвективного водообмена, но его пиковая величина значительно (в 1.5 раза) возрастает. - 29 - - 30 - тепла по вертикали и горизонтали, подразумевающего наибольший горизонтальный транспорт (холода при условиях прогрева с поверхности) к наиболее мелким областям. В разделе 4.1.2 собраны как оригинальные (полученные в прибрежной зоне Балтики, рис.(Чубаренко и др. [7,29]), так и ранее опубликованные (Monismith, et al, 1999; Farrow, 2004) данные по динамике вертикальных профилей температуры воды при летнем прогреве в прибрежной зоне морей и озёр. Характерной их чертой является наклонное положение термоклина в области над склоном: по мере удаления от берега он заглубляется. Рис. 12. а) течения, возникающие при прогреве с поверхности бассейна с наклонным дном, имеющего два слоя: верхний (10 см) - холодный (T Глава 4 посвящена анализу течений при стабилизирующем потоке плавучести через поверхность, который приводит к формированию общего подъёма вод в области над склоном. Как и в ситуации, описанной в главе 3, внешний теплообмен приводит к возникновению горизонтальных градиентов температуры/плотности и соответствующих конвективных течений, которые также развиваются с запаздыванием, по своей природе изменчивы в пространстве и времени и не имеют конечного стационарного состояния. В параграфе 4.1 на основе лабораторных, натурных и численных данных рассматривается структура поля температуры воды в условиях типичного летнего прогрева. В разделе 4.1.1 анализируется Рис. 13. Вертикальные профили температуры воды в Балтийском море 4.07.2006 г. при интенсивном дневном прогреве. Профиль ст.процесс установления водообмена; показано, что характерная форма получен в центральной части Гданьского бассейна (глубина 70 м, горизонтального профиля температуры воды в поверхностном слое 13:04-14:15, НИС Профессор Штокман). Семейство профилей на области над склоном (лдифференциальный прибрежный прогрев), глубине 25 м - измерения в прибрежной зоне в районе мыса Таран соответствующая установившемуся водообмену, с течением времени (каждые полчаса, с 10:24 до 13:16); на врезке - фрагмент некоторых из этих профилей с указанием времени измерения. не изменяется, т.е. рост температуры воды в мелких и глубоких областях одинаков. Это указывает на установление баланса переноса - 31 - - 32 - Поле течений рассматривается в параграфе 4.2. Как было длины склона и других внешних условий. В результате, течения в показано в главе 2 (параграф 2.7), разность гидростатических давлений прибрежной зоне некоторое время сохраняют прежнее направление, в области над склоном имеет максимум в промежуточном слое на даже если в результате смены внешних условий движение происходит глубине 0.4 D (D - толщина прогреваемого слоя, или глубина против вновь сложившегося градиента давления (Monismith, et al, залегания термоклина), и она толкает воды в сторону берега. 1999). Существует асимметрия в величине обмена: наличие склона в Приводятся данные лабораторного эксперимента, подтверждающие поле силы тяжести способствует развитию вдольсклоновых формирование течения к берегу именно на этом горизонте. Динамика гравитационных течений значительно больше, чем горизонтальных вертикальных профилей температуры воды в течение дня в натурных подповерхностных струй, а дестабилизирующий эффект потока измерениях (рис.13) хорошо согласуется с этим выводом. Там, где это плавучести на верхней границе всегда больше, чем на дне. В течение встречает подводный склон, формируется общий подъём и результате этой асимметрии, циркуляция лночного типа обычно затем отток (уже прогретых и более лёгких) вод в поверхностном слое значительно интенсивнее, чем циркуляция лдневного типа, но при в сторону глубокой части, что замыкает горизонтальную этом обе они имеют компенсационное течение в сторону берега в конвективную циркуляцию. Характерно, что максимум скорости средних слоях. Это приводит к важному следствию: при смене знака течения в поверхностном слое в сторону глубокой части с потока плавучести с отрицательного на положительный (от лночного увеличением расстояния от берега заглубляется. В верхней части типа циркуляции к лдневному) оставшееся сильное компенсационное склона существует прибрежная ячейка, динамика вод в которой течение, питавшее вдольсклоновый гравитационный поток, отлична от общей динамики вод в области над склоном. В существенно лподгоняет вновь образующуюся лёгкую лабораторных и численных экспериментах, движения вод, подповерхностную струю. Анализ иллюстрируется натурными вызываемые дифференциальным прибрежным прогревом, хотя и данными, полученными в прибрежной зоне Балтики и озере Констанс. медленны, но в результате развития охватывают весь бассейн. Фазовые диаграммы, применяемые в описании конвективных процессов, оказываются удобны и информативны для характеристики дневной/ночной циркуляции (рис. 14). Они позволяют оценить В Главе 5 рассматриваются явления, обусловленные сменой интегральный перенос тепла/массы в области над склоном знака потока плавучести. Наиболее важными из них в (пропорциональный площади петли), наглядно отражают факты геофизических приложениях являются дневная/ночная циркуляция вод увеличения расхода течений с ростом глубины и всё более растущего в прибрежной зоне и сезонный термический структурный фронт расхождения времени наступления максимума разности температур и (термобар). В первом случае знак потока плавучести меняется со максимума расхода. временем - в суточном цикле, а в втором - смена знака происходит по пространству, т.е. при одних и тех же условиях теплообмена - в Параграф 5.2 посвящён исследованиям сезонного термического прибрежной части поток плавучести оказывается положителен, а в структурного фронта (термобара). На основании результатов более глубокой - отрицателен. лабораторного и численного моделирования (Чубаренко, Демченко, 2008 [1]) демонстрируется, что в лбыстрой стадии развития Параграф 5.1 начинается кратким обзором имеющихся к термобара поля температуры и течений воспроизводят описанные настоящему времени исследований по дневной/ночной циркуляции в ранее в главах 3 и 4. Анализируются горизонтальные профили прибрежной зоне озёр, морей и океана (Monismith, et al, 1999; Farrow, температуры, плотности и потока плавучести. Указывается, что 2004; Woodson, 2007 и др.). После смены знака потока плавучести заглубление подповерхностной струи находится в полном смена структуры течений происходит не сразу, а с заметной соответствии с динамикий вод, описанной в параграфе 4.2, а скорость задержкой, зависящей от величины потока плавучести, уклона дна, - 33 - - 34 - продвижения термобара в быстрой стадии хорошо описывается происходит с запаздыванием. В результате (i) в суточном цикле, зависимостями, приведёнными в параграфе 2.4. структура течений может какое-то время не соответствовать сложившимся на данный момент условиям темплообмена; (ii) в сезонном цикле, у термобара существует лмедленная стадия развития, когда поток плавучести уже положителен, но течения ещё не 3возникли. y= -154.53x + 200.t26=18:y = -99.567x + 170.Так как время реакции течений на внешний поток плавучести y = -31.773x + 112.2пропорционально локальной глубине, переход к лновой структуре t21=12:y = 15.274x + 28.течений происходит неодновременно, так что в более мелкой части всегда имеется (растущая со временем) ячейка лприходящего типа 2t16=8:циркуляции, а в более глубокой части ещё сохраняется ячейка луходящего типа. 1Течение из глубокой части бассейна к берегу в промежуточных слоях оказывается общим элементом на всех этапах развития обмена, независимо от того, станут ли его воды тяжелее или легче при подходе 1к берегу. Это течение, в частности, ответственно за перенос лсквозь условную границу температуры максимальной плотности. t6=22:При переходе от отрицательного к положительному потоку плавучести (дневной прогрев, термобар), сохранившийся от луходящей циркуляции относительно интенсивный -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.компенсационный поток к берегу в промежуточном слое ускоряет на t=15:00 t=0:dT, C начальном этапе течение от берега в поверхностном слое. Этот эффект приводит к заметному лпрыжку термобара в начале лбыстрой стадии развития и способствует проявлению летнего прибрежного апвеллинга. Рис. 14. Фазовая кривая зависимости расхода вниз по склону Q от разности температур по горизонтали dT для процесса выхолаживания Наиболее важные положения и выводы главы суммированы (в течение 5 суток), построенная по результатам численного ещё раз в её конце. моделирования для 4 створов вдоль склона (глубина 6,16,21 и 26 м). В мелкой части (6 м, нижний график) течения (в среднем) больше при В Приложение вошли (П.1) описание гидролотка АО ИО РАН, большей разности температур по горизонтали; с увеличением где проведена большая часть лабораторных экспериментов и (П.2) глубины, максимум расхода горизонтальных течений приходится на описание численной модели MIKE3-FlowModel (DHI всё более позднее время. Water&Environment). Электронное Приложение содержит видеоматериалы лабораторных экспериментов и мультфильмы, В параграфе 5.3 обсуждаются общие черты рассматриваемых в сделанные по результатам численного моделирования. этой главе течений. Поскольку в целом механизм развития Список использованной литературы включает 2конвективных течений инертен, перестройка структуры течений также наименования. - 35 - - 36 - Q, cub.m/s Заключение и краткие выводы дифференциального прибрежного прогрева, включая переход через температуру максимальной плотности. 1. Дифференциальный прогрев, наблюдаемый в прибрежношельфовой зоне природных водоёмов в суточном, 4. Развитие горизонтального конвективного водообмена над синоптическом, сезонном масштабе, является источником подводными склонами имеет три фазы: (i) возникновение и водообмена между открытыми и прибрежными водами, рост горизонтального градиента плотности; (ii) возникновение влияние которого выходит далеко за пределы самих и развитие соответствующего типа циркуляции и (iii) конечное прибрежных областей. Его проявлениями являются опускание квази-стационарное состояние. Время развития процесса и вод над склонами (вплоть до развития лкаскадинга), подъём величина горизонтального водообмена в квази-стационарном (вплоть до формирования апвеллинга), продвижение состоянии увеличиваются с ростом пространственного термического бара (в лбыстрой стадии его развития), масштаба. дневная/ночная циркуляция; существенным является вклад 5. Основным параметром, опредляющим величину квазиэтого механизма в формирование термоклина и холодных стационарного горизонтального водообмена, является промежуточных слоёв внутренних морей и крупных озёр. пространственный масштаб (толщина верхнего теплоактивного 2. Характер и структура водообмена во многом воспроизводят слоя). Наличие внешнего потока плавучести и уклона дна черты горизонтальной конвекции в тонком слое. Течения (i) важны принципиально, однако на величину водообмена нестационарны, (ii) существенно трёхмерны, склонны к влияют значительно слабее. Вращение Земли не является проявлению неустойчивостей различной природы лимитирующим фактором для водообмена данной природы. (термических, сдвиговых и т.д.) и формированию когерентных Действие ветра и пресноводный сток в прибрежной зоне структур (ячеек, роллов), (iii) инертны (причём время модифицируют, но не прекращают конвективный водообмен. запаздывания их развития растёт с увеличением расстояния от Наличие подводного склона приводит к интенсификации берега). Даже при постоянных внешних условиях теплообмена, водообмена по сравнению с бассейнами с горизонтальным конечное состояние квази-стационарно только в смысле дном. баланса вертикальных и горизонтальных потоков тепла, течения же остаются нестационарными. Структура водообмена Благодарности между прибрежно-шельфовой зоной и глубокой частью в целом двухслойна: течения лк берегу и лот берега занимают Представленная работа не могла бы состояться, не будь у всю толщину теплоактивного слоя, причём соответствующие автора возможности в течение многих лет сотрудничать с максимальные скорости течений находятся внутри слоя (не на профессором института механики Технического Университета поверхности и не у дна). Расход горизонтальных течений Дармштадт (TUD, Германия) Колумбаном Хуттером. Периодическая растёт вместе с толщиной теплоактивного слоя; его максимум работа в составе его группы во многих международных проектах по приходится на конец склона. изучению процессов перемешивания в озёрах, в экспедиционных исследованиях, курсах лекций было сильным стимулирующим 3. Обобщение натурных данных и результатов лабораторных и фактором. Высокая математическая культура моих коллег численных экспериментов позволило выработать единый специалистов в механике жидкости, а также участие в решении аналитический подход к количественному описанию процессов специфических вопросов физической лимнологии - в значительной водообмена, возникающих в водоёмах в результате мере способствовали развитию моих взглядов на океанологические - 37 - - 38 - проблемы. Именно по инициативе проф. Хуттера, лаборатория Список основных публикаций по теме диссертации механики жидкости TUD в 2002 году передала АО ИОРАН лабораторную установку - 10-метровый гидролоток, на котором и Список состоит из 32 статей в рецензируемых журналах, были выполнены все представленные в работе эксперименты. монографиях и сборниках трудов (из них в списке, рекомендованном Мой рост как учёного и специалиста в течение последних лет ВАК для публикации результатов докторских диссертаций - первые связан с неизменной поддержкой дф-мн В.А.Гриценко. Его 12). В него не входят более 40 опубликованных тезисов докладов, постоянный профессиональный и дружеский интерес, личный опыт в представленных на различных конференциях. абораторном и численном моделировании, обсуждения физической природы наблюдаемых процессов, а также организационная поддержка экспедиций и финансирование отдельных видов работ 1. Чубаренко И.П., Демченко Н.Ю. Лабораторное моделирование заметно помогали в продвижении исследований. структуры термобара и связанной с ним циркуляции в бассейне с наклонным дном // Океанология. 2008. Т.48. №3. С. 349-361. Искренне благодарна многим коллегам за заинтересованные 2. Чубаренко И.П., Есюкова Е.Е. Каскадинг в прибрежной зоне озера обсуждения и помощь в процессе исследований: дф-мн А.Г.Зацепину при суточных колебаниях условий теплообмена // Естественные и (лабораторный эксперимент, влияние вращения Земли, неоднократное технические науки. 2008. №4. С.206-212. обсуждение результатов), кф-мн Н.Ю.Демченко (проведение 3. Chubarenko, I., Chubarenko, B., Buerle, E., Wang, Y., Hutter, K. 2003. абораторных экспериментов; исследование термобара), дф-мн Autumn physical limnological experimental campaign in the Island В.Т.Паке (помощь в создании лабораторной установки, обсуждение Mainau littoral zone of Lake Constance // J.Limnol. 2003. V.62. №1. P. формирования ХПС Балтики), профессору Владимиру Кутитонскому 115-119. (ISMER, Canada - инструментарий работы с данными и численное 4. Chubarenko I., Hutter K. Thermally driven interaction of the littoral and моделирование в системе моделей MIKE), В.Я.Чугаевичу (CTDlimnetic zones by autumnal cooling process // J. Limnol. 2005. V.64. измерения в прибрежной зоне Балтики, организация экспедиций), №1. P. 31-42. Е.Е.Есюковой (обработка данных численного моделирования). В 5. Демченко Н.Ю., Чубаренко И.П. О сезонном термическом работе над авторефератом очень полезны были комментарии дф-мн структурном фронте в Балтийском море // Естественные и А.Г.Зацепина, дф-мн В.А.Гриценко, дф-мн П.П.Шерстянкина, дг-мн технические науки. 2008. №5. С.195-197. Е.М.Емельянова. 6. Чубаренко И.П. Горизонтальный конвективный водообмен над Трудно переоценить значение атмосферы тёплой поддержки, в подводным склоном: механизм формирования и анализ развития // которой мне пришлось работать. Огромная благодарность за это всем Океанология. 2009. Т.49. №3. моим коллегам. Очень высоко ценю заботу, всестороннюю поддержку 7. Chubarenko I, Demchenko N. Coastal cooling/heating events based on и терпение кф-мн Б.В.Чубаренко, заведующего лабораторией laboratory experiments. // Acta Geophysica. 2007. V. 55. №1. P. 56-64. прибрежных систем АО ИО РАН - моего непосредственного 8. Chubarenko, I., Tchepikova, I.. Modelling of man-made contribution to начальника и любимого мужа, в течение многих лет активно salinity increase in the Vistula Lagoon (Baltic Sea). // Ecol.Modelling. поддерживавшего меня в стремлении к самостоятельным 2001. V.138. P.87-100. исследованиям. 9. Chubarenko B. V., Wang Y., Chubarenko I. P., Hutter K. Wind-driven current simulations around the Island Mainau (Lake Constance) // Ecol.Modelling. 2001. V.138. P. 55-73. - 39 - - 40 - 10. Гриценко В.А., Чубаренко И.П. О динамике затока морских вод в Hydraulics, Poland, Debrzyno, Sept 12-16, 2005. Institute of Hydroпресноводный залив небольшой глубины // Метеорология и engineering, Gdansk. P. 123-130. гидрология. 2001. №1. С. 72-81. 21. Chubarenko, I., Demchenko, N., Hutter, K. Horizontal convection 11. Chubarenko B., Wang Y., Chubarenko I., Hutter K. Barotropic wind- induced by surface cooling over incline: laboratory experiments // driven circulation patterns in a rectangular basin of variable depth Selected papers of Int. Conf. Fluxes and Structures in Fluids. Eds. influenced by a peninsula or an island // Annales Geophysicae. 2000. Y.D.Chashechkin & V.G.Baydulov. Moscow, Institute for Problems in V.18. P.706-727. Mechanics of the RAS, Russia. 2006. P. 89-96. 12. Chubarenko B., Chubarenko I., Baudler H. Comparison of Darss-Zingst 22. Chubarenko, I.P., Gritsenko, V.A. Downslope flow due to surface Bodden Chain and Vistula Lagoon (Baltic Sea) in a view of cooling in coastal zone // Selected papers of Int. Conf. Fluxes and hydrodynamic numerical modelling // Baltica. 2005. V.18. №2. P.56-67. Structures in Fluids. Editors Y.D.Chashechkin&V.G.Baydulov. 13. Gritsenko, V.A., Chubarenko, I.P. On one feature of bottom gravity Moscow, Institute for Problems in Mechanics of the RAS, Russia. 2006. current head structure. // J.of Environmental and Chemical Physics. P. 96 - 101. 2002. V.24. № 4. P.222-225. 23. Chubarenko I. Physical processes in lagoons // Assessment of the Fate 14. I&B Chubarenko. Vistula Lagoon General Water Dynamics. // J.of and Effects of Toxic Agents on Water Resources. (Eds. Gonenc, Environmental and Chemical Physics. 2002. V.24. № 4. P.118-127. Koutitonsky, Rashley). Springer, 2006. P. 57-84. 15. Chubarenko I., Demchenko N. On a contribution of horizontal and intra- 24. Chubarenko I., Demchenko N. Thermally driven horizontal convection: layer convection to the formation of the Baltic Sea cold intermediate laboratory experiments and application for Curonian and Vistula lagoons layer // Ocean Science Discussions. 2008. №5. P. 581-623. // Учёные записки Русского географического общества (Калининградское отделение). 2007. Том 5. С. А1-А15. 16. Есюкова Е.Е., Чубаренко И.П. Результаты численного 25. Чубаренко И.П., Палий А.А. Трёхмерное численное моделирование моделирования перемешивания и транспорта над прибрежным выхолаживания над прибрежным склоном: сравнение склоном при сезонном выхолаживании с поверхности.// Известия гидростатического и негидростатического решений // Учёные КГТУ. 2008. №13. С.51-54. записки Русского географического общества (Калининградское 17. Гриценко В.А., Зацепин А.Г., Чубаренко И.П., Низов С.С. О отделение). 2007. Том 5. С. 1H-1 - 1H-6. гидравлическом скачке при расслоении вдольсклонового 26. Демченко Н.Ю., Чубаренко И.П. О возможности формирования гравитационного течения // Вестник РГУ им. И.Канта. 2008. Сер. структурного фронта в эстуарии // Учёные записки Русского физ. №4. С.25-29. географического общества (Калининградское отделение). 2007. 18. Aliev А., Chubarenko I., Hutter K. Conditions for horizontal convection Том 6. С. D1 - D13. in the Caspian sea // Proc. of Azerbaijan State Marine Acad. 2006. № 4. 27. Е.Е. Есюкова, И.П. Чубаренко. Выхолаживание над прибрежным P. 18-22. склоном: результаты численного моделирования // Физические 19. Chubarenko I., Demchenko N. Large-scale transport of coastal waters проблемы экологии (экологическая физика). Сб.научн. трудов. Под into the Gdansk bay due to seasonal mixing mechanisms // ред. В.И. Трухина и др. М.: МАКС Пресс, 2007. № 14. С. 143-152. Transboundary waters and basins in the South-Eastern Baltic. 28. Чубаренко И.П., Афон В.В., Демченко Н.Ю. О гипотезе Chubarenko B.V. (Ed.). - Kalininhgrad: Terra Baltica, 2008. P. 281-290. конвективного формирования летнего прибрежного апвеллинга // 20. Demchenko N, Chubarenko I. Mixing in an estuary at a temperature Физические проблемы экологии (экологическая физика): Сб.научн. close to that of maximum density // Papers XXV Int. School of трудов. Под ред. В.И. Трухина и др. М.: МАКС Пресс, 2007. № 14. С. 402-410. - 41 - - 42 - 29. Chubarenko I., Demchenko N. The transformation of the one type of the littoral circulation to another in a basin with sloping bottom while passing the temperature of maximum density // Proc. of the Conf. УPhysical Processes in Natural WatersФ, September 4-6, 2007, Warnemnde, IOW, Germany. P.35-41. 30. Gritsenko, V.A., Zatsepin A.G., Chubarenko I.P., Nizov S.S. On an effect of shearing of downsloping gravity current when interacting with the density jump layer // Selected papers of International Conference УFluxes and structures in fluidsФ. St.Petersburg, 2-7 July 2007. Pp.93-98. 31. Chubarenko I. Cascading considered as the result of horizontal convection above sloping bottom // Selected papers of International Conference УFluxes and structures in fluidsФ. St.Petersburg, 2-7 July 2007. P.63-69. Автореферат 32. Чубаренко И.П., Демченко Н.Ю. Условия развития и вклад сезонной горизонтальной конвекции в динамику вод Балтийского диссертации на соискание учёной степени моря // Комплексное исследование процессов, характеристик и доктора физико-математических наук ресурсов российских морей Северо-Европейского бассейна. Вып. 2. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2007. С. 225238. Сдано в печать 28.08.2008 Тираж 100 экз. Отпечатано в НП - ЭКОСИ-Гидрофизика г.Москва, ул.Ленина, 28, т. ххх-хх-хх - 43 - - 44 -
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное