Введение к работе
Диссертация посвящена лабораторному и численному исследованию вопросов динамики воды в пресноводном бассейне с наклонным дном при переходе через температуру максимальной плотности (далее по тексту Tmd) и анализу этого процесса на натурных данных в солоноватых водоемах. В пресноводных бассейнах умеренных широт переход воды через Tmd происходит дважды в год - весной и осенью, и сопровождается формированием термического бара (Тихомиров, 1982; Шимараев, 1991). Принято считать (Тихомиров, 1982; Mortimer, 2004), что термобар - это слой (толща) воды с Tmd от поверхности до дна, существующий за счет конвергенции и смешения вод, приходящих из теплоактивной (температура уже перешла через Tmd) и теплоинертной (температура еще не достигла Tmd) частей водоема. Считалось, что термобар является «барьером» для горизонтального перемешивания (Тихомиров, 1982); с одной стороны, он приводит к накоплению биогенных элементов на мелководье, способствуя развитию продуктивности водоема (Смирнова, 1968; Likhoshway, Y.V. et al., 1996), а с другой - повышает опасность загрязнения прибрежных вод при попадании в них промышленных и бытовых отходов (Румянцев, 1972; Астраханцев и др., 2003), поэтому изучение механизма этого явления очень важно для гидробиологических процессов.
В солоноватых бассейнах исследований термобара до сих пор не проводилось, хотя вплоть до солёности 24.7 psu Tmd выше температуры замерзания. К таким бассейнам относятся многие внутренние моря - Балтийское, Каспийское, Чёрное, Аральское и др. При более высокой солёности замерзание происходит до достижения Tmd, поэтому в открытом океане формирование такого фронта невозможно, хотя родственное термобару явление уплотнения при смешении океанских вод различной температуры и солености (при T>Tmd) достаточно хорошо изучено (Зубов, 1957, Мамаев, 1987).
Физический смысл постановки задачи заключается в следующем. При сезонных изменениях условий теплообмена на поверхности, воды более мелких прибрежных районов реагируют быстрее, чем глубокие, и первыми переходят через Tmd. Таким образом, в бассейне образуются две области, условной границей раздела которых является изотерма, соответствующая Tmd. Они по-разному реагируют на одни и те же внешние условия теплообмена: в теплоинертной области возникает вертикальное конвективное перемешивание, в теплоактивной области вертикальная плотностная стратификация усиливается. Известно (Крейман, 1989, Farrow, 1995a,b), что существуют две стадии развития термобара - «медленная» и «быстрая», но при этом предсказать аналитически удалось только скорость продвижения фронта в медленной стадии (Тихомиров, 1982). Результаты численного моделирования показали (Farrow, 1995a,b), что 4С - изотерма и динамический фронт не совпадают, однако эти факты до сих пор не были подтверждены лабораторными исследованиями.
В данной работе основной метод исследования явления термобара -лабораторный эксперимент, сопровождающийся численным моделированием на трёхмерной негидростатической модели МІКЕЗ-FlowModel (DHI Water &
Environment), сравнением с натурными данными и теоретическими исследованиями.
Детальные лабораторные эксперименты позволили изучить структуру полей температуры воды и течений в пресноводном бассейне с наклонным дном при различных условиях теплообмена на границе вода - воздух. Показано, что динамический фронт не совпадает с положением изотермы 4С. В процессе постепенного перехода бассейна через Tmd возможны три фазы развития водообмена: 1) формирование вдольсклонового потока, 2) образование подповерхностной струи и 3) трансформация одного типа циркуляции в другой при переходе через Tmd. Как при прогреве от T
Изучение механизмов, управляющих процессами перемешивания и водообмена в природных водоемах, является важным направлением гидрофизических исследований. Особое внимание уделяется исследованию характеристик фронтальных зон и водообмена в области фронта. Ярким примером фронта, хорошо известным в пресных озерах, является термический бар - фронт, связанный с переходом температуры воды через Tmd. Помимо очевидного научного интереса, изучение динамики термобара важно с точки зрения прогноза распространения загрязнений от береговых источников. На данный момент, в связи с возможностью использования высокоточной техники в лабораторных исследованиях, с доступностью мощных компьютеров и профессиональных программ, назрела необходимость более глубокого
исследования особенностей термобара как в пресных, так и в солоноватых водоемах, где такого рода исследования практически не проводились. Целями работы являются
^ исследование физических механизмов, ответственных за формирование
структуры и динамики фронтальной зоны, связанной с постепенным
переходом температуры воды в бассейне с наклонным дном через Tmd, и
закономерностей ее развития во времени; ^ исследование характеристик сезонного структурного фронта в
солоноватых бассейнах и бассейнах с горизонтальным и вертикальным
градиентом солёности. Конкретные задачи работы заключались в:
проведении серий лабораторных экспериментов для выявления детальной структуры полей температуры воды и течений в пресноводном бассейне с наклонным дном в процессе перехода воды через Tmd;
численном моделировании термобара на различных масштабах (лабораторной установки, прибрежной зоны моря/озера);
определении ключевых параметров, влияющих на скорость перемещения термобара, и получении соответствующих аналитических зависимостей;
анализе среднемноголетних характеристик термохалинных полей Балтийского моря, данных контактных измерений и спутниковых снимков с целью выяснения условий формирования и характеристик термобара в этом солоноватом бассейне с горизонтальным и вертикальным градиентом солености.
Основные защищаемые положения:
Термобар следует рассматривать как комплексное, развивающееся во времени явление, включающее в себя вдольсклоновый поток в более глубокой части, подповерхностную струю в более мелкой части и компенсационное течение в средних слоях. Компенсационное течение, существующее на всех этапах развития термобара во времени, обеспечивает горизонтальный перенос между открытыми и прибрежными водами сквозь условную границу 4х - градусной изотермы.
Динамика течений при термобаре в «быстрой» стадии его развития определяется не теплопотоком через поверхность, а обусловленным им потоком плавучести в верхний слой и горизонтальным градиентом плотности.
Скорость продвижения изотермы, соответствующей Tmd, и скорость движения подповерхностной струи различны, причем изотерма продвигается несколько быстрее. Таким образом, фронт термобара, определявшийся ранее как зона конвергенции течений при 4С, точнее -это зона конвергенции на переднем фронте подповерхностной струи.
Результаты и выводы, сформулированные в терминах горизонтальных градиентов плотности и потоков плавучести в верхний слой, справедливы и для солоноватых бассейнов, в том числе с вертикальной соленостной
стратификацией. Анализ натурных данных и спутниковых снимков показал, что в Балтике существует фронтальная зона, связанная с переходом температуры воды через Tmd, причем термическая структура вод по разные стороны фронта во многом повторяет черты, описанные при натурных исследованиях в озерах. Научная новизна полученных результатов. Впервые показано, что:
-термобар в «быстрой» стадии его развития связан с продвижением подповерхностной струи, возникающей из-за горизонтального градиента плотности между прибрежной и глубоководной частями бассейна.
-скорость движения подповерхностной струи и положение изотермы Tmd не совпадают в пространстве: изотерма продвигается быстрее.
-на всех стадиях развития термобара существует компенсационный поток в средних слоях, направленный к берегу, что обеспечивает горизонтальный перенос сквозь условную границу 4С- изотермы.
-динамика термобара определяется не теплопотоком через поверхность, а возникающим в его результате потоком плавучести в поверхностный слой и горизонтальным градиентом плотности, формирующимся над наклонным участком дна.
-скорость продвижения подповерхностной струи связана с толщиной верхнего теплоактивного слоя.
-Впервые подобран и проанализирован большой массив среднемноголетних данных, контактных измерений и спутниковых снимков для Балтийского моря, характеризующих переход этого солоноватого бассейна через Tmd. -Впервые указано, что холодный промежуточный слой Балтики имеет T Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов диссертации обеспечена комплексным методом в исследованиях - совместным использованием лабораторного, численного и аналитического аппарата при моделировании термического бара, а также сравнением с натурными данными. Практическую ценность в диссертации представляют: выявление детальной структуры термического бара, включающей в себя вдольсклоновое течение в глубокой части, подповерхностную струю в более мелководной области и компенсационное течение в средних слоях; зависимость скорости продвижения термобара в быстрой стадии его развития от толщины верхнего теплоактивного слоя; - результаты анализа натурных данных, характеризующие сезонный Результаты, полученные для солоноватых водоемов, могут быть также использованы рыбопромысловыми организациями для предсказания районов высокой концентрации рыбы, приуроченных к существованию подобного фронта в весенний период в Балтийском море. Выводы представляют интерес при решении таких важных практических задач, как распространение загрязнений в водоемах и рациональное использование их природных ресурсов. Личный вклад автора заключается в планировании и проведении серий экспериментов в лаборатории АО ИО РАН и лаборатории механики жидкости Технического университета г. Эйндховена (Голландия), обработке и интерпретации результатов исследований; в проведении численного моделирования. Автором были проанализированы среднемноголетние и данные контактных измерений, относящиеся к процессам перехода через Tmd в солоноватых водоемах, доступные в Институте исследований Балтийского моря г. Варнемюнде (Германия). Анализ результатов численных и лабораторных экспериментов, получение аналитических зависимостей проходили совместно с научным руководителем. Апробация работы. Основные результаты исследования апробированы автором на семинарах лаборатории прибрежных систем АО ИО РАН; на семинаре лаборатории экспериментальной физики океана ИО РАН; на семинаре по океанологии и геоэкологии географического факультета РГУ им. И. Канта; во время научных визитов автора в Технический университет г. Эйндховена (Голландия) и Институт исследований Балтийского моря (IOW, Германия); на IV Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии» (Москва, 2004); на XIII, XIV Международных конференциях «Структуры и потоки в жидкости» (Москва, 2005, Санкт-Петербург, 2007); на XXV, XXVI, XXVII Международных конференциях «Школа гидравлики» (Польша, 2005, 2006, 2007); на 5 и 7-ом Балтийских научных конгрессах (Польша, 2005; Германия, 2007); на XI Международной конференции «Физические процессы в природных водоемах» (Германия, 2007); на X Международной конференции «Методы и средства исследования океана» (Москва, 2007); на Конгрессе EGU (Австрия, 2008). Работа проходила экспертную оценку и поддерживалась грантами РФФИ (06-05-64138, 07-05-00850, исполнитель), NATO ESP.CLG 981 368 (исполнитель) и INTAS «Поддержка молодых ученых» № 06-1000014-6508 (2007-2009 г.г.), где автор является ответственным исполнителем. Публикации. Всего насчитывается 28 научных публикаций. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 180 наименований. Работа содержит 173 страницы текста, 74 рисунка и 12 таблиц. Благодарности. Автор глубоко благодарен своему научному руководителю ктн И.П. Чубаренко за постановку задачи, поддержку и постоянное внимание к работе. За помощь и ценные советы в процессе работы над диссертацией искренне признательна зав. лаб. прибрежных систем кфмн Б.В. Чубаренко. Автор выражает благодарность дфмн, проф. В.А. Гриценко - за постоянное содействие и полезные рекомендации, и дфмн А.Г. Зацепину - за неоднократное обсуждение результатов работы. Автор благодарит проф. ГертЯна ван Хейста и технический штат лаборатории механики жидкости Технического университета г. Эйндховена (Голландия) за возможность проведения серий экспериментов и проф. Ханса Бухарда и сотрудников Института исследований Балтийского моря (Варнемюнде, Германия) за предоставленный массив мониторинговых, ереднемноголетних и спутниковых данных по Балтике.
термический фронт в солоноватых водоемах с горизонтальным и вертикальным
градиентом солености;Похожие диссертации на Исследование структуры и динамики термобара в пресных и солоноватых водоемах
