Введение к работе
Актуальность исследования
Значительную роль в динамике замкнутых водоемов играют линноволновые баротропные движения жидкости, что обусловлено, режде всего, вовлечением в волновой процесс всей массы жидкости в ассейне. Сгонно-нагонные явления, приливы, сейшевые колебания, унами, планетарные волны являются хорошо известными примерами їких движений. Их частое проявление, существенный вклад в зменчивость гидрофизических полей определяют важность и еобходимость изучения длинноволновых процессов.
Одним из основных факторов, приводящих к возникновению линноволновых движений жидкости в ограниченных бассейнах, вляются возмущения в поле атмосферного давления. Среди таких озмущений выделяются движущиеся барические системы типа циклонов ли антициклонов, обладающие большим запасом энергии и способные ри определенных условиях вызывать значительные денивеляции ровня (Лаппо С.С. 1979; Хайн А.П.,Сутырин Г.Г. 1983; Григоркина '.Г., Фукс В.Р 1986). Этим объясняется непрекращающийся интерес к зучению динамической реакции ограниченных бассейнов на еремещающиеся интенсивные барические аномалии.
Длинноволновой отклик ограниченных бассейнов на прохождение арических возмущений имеет достаточно сложный характер. Это вязано с возможностью генерации ими сейшевых и сгонно-нагонных олебаний уровня, а также различных типов пограничных волн, риводящих к захвату волновой энергии в шельфовой зоне моря (Ле >лон П., Майсек Л. 1981; Букатов А.Е., Черкесов Л.В. 1983; Ефимов І.В. и др. 1985; Вольцингер Н.Е. и др. 1989). В последние десятилетия начительная часть исследований длинноволновых процессов в граниченных бассейнах проводилась в рамках задачи о штормовом іагоне для конкретных прибрежных районов и метеорологических словий. Обзор теоретических методов исследования штормовых нагонов. [ полученных на их основе результатов содержится в работах Веландера I. 1964; Вольцингера Н.Е., Пясковского Р.В. 1968; Лаппо С.С. 1979; Іинейкина П.С, Овсиенко С.Н. 1979; Heaps N.S. 1983; Murty T.S. 1984 I др.
Несмотря на достигнутые успехи в моделировании сгонно-нагонных [влений, вызываемых барическими возмущениями, ряд вопросов, :асающихся физических закономерностей генерации длинных волн в
ограниченных бассейнах, изучен недостаточно полно. С океанологической точки зрения представляет интерес анализ роли поверхностных давлений при генерации длинных волн атмосферными возмущениями, влияния геометрии бассейна, параметров барических аномалий, нелинейности процесса на амплитудно-частотньк характеристики волновых полей.
В Черном и Азовском морях, как и в других замкнутых бассейнах длинноволновые процессы вносят существенный вклад в изменчивосп гидрофизических полей (Блатов А.С, Булгаков Н.П. и др. 1984 Суховей В.Ф. 1986; Иванов В. А., Янковский А.Е. 1992). По зтоі причине теоретические и экспериментальные исследования длинных волі в Азово-Черноморском регионе представляют значительный научный і практический интерес. Актуальность этих исследований значительш возросла в последнее время в связи с расширением морехозяйственноі деятельности Украины, активным освоением ресурсов шельфа і развитием научно-технического сотрудничества черноморских государств К настоящему времени наиболее полно изучены сейшевьи колебания в Черном и Азовском морях (Герман В.Х. 1970; Фомичев; Л.А. 1975; Архипкин B.C. и др. 1989; Иванов В.А. и др 1989,1992,1994; Марамзин В.Л. 1985 и др.). В работах Engel М. 1974 Иванова В.А., Янковского А. Я. 1992 на основе численноп моделирования изучалась генерация длинных волн в Черном мор полями касательных напряжений ветра. Подобные исследования дл Азовского моря проведены Овсиенко С.Н. (1978). Практически н изучен длинноволновый отклик этих морей на прохождение барически: возмущений типа циклонов. Вместе с тем, такие возмущения имею достаточно высокую повторяемость в данном регионе (Гришин Г.А. и др 1991) и обладают большим запасом энергии.
Недостаточно изучены для Азово-Черноморского бассейна и волні цунами сейсмического происхождения, хотя подобное явление здес неоднократно наблюдалось и регистировалось (Григораш З.К. 195S 1972; Григораш З.К., Корнева Л.А. 1969, 1972; Никонов А.А. 1994) Основные результаты теоретического исследования черноморски цунами получены в рамках лучевой модели распространения длинны волн (Григораш З.К., Корнева Л.А. 1972; Ranguelov В. 1994; Доценк С.Ф. 1994,1995). Эта модель позволила рассмотреть региональны особенности рефракции волн цунами без анализа их амплитудны характеристик. Для расчета высот волн в прибрежной зоне мор необходима разработка численных эволюционных моделе распространения длинных волн в бассейнах переменной глубины і: заданных очагов цунами. Значительный прогресс в этой облает
юстигнут для Тихоокеанского региона (Марчук А.Г. и др. 1983; Шокин О.И. и др. 1989; Murty T.S. 1991; Гуся ков В.К. и др. 1992), где гавторяемость интенсивных цунами высока.
Цель работы
Целью работы является исследование физических закономерностей їлинноволновьіх процессов, возникающих в ограниченных бассейнах юд действием периодических, движущихся и импульсных возмущений.
Основные научные задачи
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с плановой тематикой института. Основными задачами работы являются :
1. Исследование длинных нелинейных волн в ограниченном
эассейне, вызываемых периодическими по времени колебаниями
ітмосферного давления.
-
Анализ длинноволновых движений жидкости, генерируемых в эграниченном бассейне движущимися областями возмущений ітмосферного давления.
-
Изучение длинноволновых процессов в Черноморском бассейне, зызываемых прохождением над ним барических возмущений с тараметрами южных циклонов.
-
Анализ характеристик длинных волн в Черном море (цунами), эаспространяющихся из области начального смещения свободной товерхности.
Методы исследования
В основу исследования положены уравнения теории мелкой воды. При разработке численных гидродинамических моделей волновых процессов применялся метод возмущений и метод конечных разностей. При обработке результатов численных экспериментов использовался четод гармонического анализа, периодограмманализ, метод наименьших квадратов.
Основные научные результаты, выносимые на защиту
1. Особенности процессов развития и установления длинных
нелинейных волн в ограниченном бассейне, вызываемых
периодическими по времени и распределенными в пространстве
возмущениями атмосферного давления.
2. Зависимости амплитудных характеристик длинных нелинейных
волн, генерируемых в ограниченном бассейне движущимися барическими
возмущениями, от скорости перемещения и горизонтального масштаба области аномалий атмосферного давления, параметров бассейна.
-
Численная гидродинамическая модель длинноволновых процессов в двухмерных ограниченных бассейнах переменной глубины.
-
Результаты моделирования длинноволнового баротропного отклика Черного моря на прохождение южных циклонов.
-
Результаты численных экспериментов по моделированию распространения волн цунами в Черном море.
Практическая значимость работы
Полученные в диссертационной работе результаты расширяют знания и дополняют имеющиеся представления о длинноволновой динамике в ограниченных бассейнах. Разработанные численные моделі: могут быть использованы для уточнения гидрологического режимі замкнутых морей и водоемов, при проектировании и проведенні: гидротехнических работ в портах, при прогнозировании опасных сгонно-нагонных колебаний уровня, вызываемых атмосферными возмущениями, Кроме того, численные гидродинамические модели могут использоваться в качестве базовых при решений широкого круга экологических задач для морской среды.
Личный вклад автора
В процессе выполнения диссертационной работы автор принимал непосредственное участие в постановках задач, выборе и реализациі методов их решения, проведении численных экспериментов, обработке, анализе и геофизической интерпретации результатов расчетов.
Апробация результатов диссертации
Основные результаты работы представлялись и докладывались ш IV Всесоюзной научно-технической конференции "Вклад молодьп ученых и специалистов в решение проблем океанологии г гидробиологии" (Севастополь, 1989), на IV Школе-семинаре "Методь гидрофизических исследований" (Светлогорск, 1992), Международно? конференции "Проблемы Черного моря" (Севастополь, 1992), XVIII Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Обществ: (Вейсбаден, 1992), Совещании по природным и антропогенные катастрофам (Новосибирск, 1995). Они нашли отражение в отчетах пс научным проектам "Среда", "Ресурсы шельфа", "Черное море" "Морские катастрофы". Основное содержание диссертации изложено і 13 опубликованных научных работах.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она юдержнт 122 страницы машинописного текста , 31 рисунок, 7 таблиц, ;писок литературы, включающий 88 наименований.