Введение к работе
Актуальность исследования.
Одной из важных задач современной физики океана является исследование эволюции гидрофизических полей и механизмов формирования тепловых аномалий в океане. Проведенные за последние 25 лет крупные гидрофизические эксперименты (Полигон-70, МОДЕ-0, МОДЕ, ПОЛИМОДЕ, Мегапо-лигон, Атлантэкс-90) привели к открытию и описанию вихрен открытого океана и фронтальных вихрей (рингов). Эти исследования также показали, что в океане наблюдается существенная пространственно-временная изменчивость термоха-линной структуры и течений. Изучению этих проблем посвящены в настоящее время национальная программа "Разрезы" и международная программа WOCE.
Важное место в этих исследованиях занимают работы, проводимые в рамках численного моделирования. Можно выделить два направления создания численных моделей. Одно -это вихреразрешающие модели со стационарными граничными условиями, в которых изменчивость расходов крупномасштабных течений и процесс вихреобразования можно объяснить неустойчивостью основных потоков, которая приводит к статистически стационарному процессу перехода энергии в вихревые структуры. Другое - прогностические модели динамики океана с нестационарными граничными условиями (поля тангенциального напряжения трения ветра и потоков тепла), предназначенные для моделирования изменчивости гидрофизических полей.
Диссертационная работа содержит оба эти подхода и посвящена модельному исследованию, направленному на изучение пространственно-временной эволюции гидрофизических полей океана в рамках различных численных моделей: модели диагноза и адаптации гидрофизических полей, трехмерной нелинейной вихреразрешающей баротропной модели циркуляции океана, прогностической модели общей циркуляции океана и объединенной модели деятельного слоя и общей циркуляции океана.
Цель її задачи исследования.
Целью работы является изучение на основе численного моделирования пространственно-временной эволюции гидрофизических полей океана под влиянием нестационарных граничных условий. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Провести апробацию и тестирование модели диагноза и адаптации по синхронным данным наблюдений над течениями и гидрологических съемок.
-
Исследовать механизм модельной адаптации гидрофизических полей океана для района средних широт.
-
Построить трехмерную нелинейную вихреразрешающую баротропную модель циркуляции океана.
-
Провести изучение реакции баротропного океана на возмущения тангенциального напряжения трения ветра в рамках трехмерной нелинейной баротропной модели.
-
Создать объединенную модель верхнего деятельного слоя и общей циркуляции океана.
-
Провести модельный мониторинг северной части Атлантического океана с использованием реальных граничных условий, изучить вклад в изменчивость полей течений ветрового воздействия на поверхность океана.
Научная новизна.
На основе расчетов по модели диагноза и адаптации гидрофизических полей океана, показано, что в районе средних широт адаптация носит вязко-волновой характер. В результате, в процессе адаптации подавляются инерционные колебания и внутренние волны.
Построена новая трехмерная нелинейная вихреразре-шающая баротропная модель циркуляции океана.
На основе расчетов по трехмерной баротропной модели показано, что, как и в модели с заданием тангенциального напряжения ветра в виде массовой силы, нестационарность поля ветра приводит к формированию в океане нестационарной
крупномасштабной циркуляции, возбуждению волн Россби и генерации вихрей.
Сформулирована новая объединенная модель верхнего деятельного слоя и общей циркуляции океана.
На основе объединенной модели проведен модельный мониторинг северной части Атлантического океана с использованием реальных ежесуточных граничных условий. Показано, что наблюдается существенная внутрисезопная изменчивость гидрофизических полей и интегральных функций типа меридиональных переносов тепла. Прогностические расчеты по модели общей циркуляции океана показали, что заметная эволюция полей течений и изменение их расходов обусловлены не только процессами глубокой зимней конвекции, но и во многом связаны с нестационарным ветровым воздействием на поверхность океана.
Практическая ценность
Предложенная в работе объединенная модель верхнего деятельного слоя и общей циркуляции океана может быть применена для гидрофизического мониторинга различных акваторий океана и морей при наличии соответствующих граничных условий, например, спутниковой информации о температуре поверхности океана и полей атмосферного давления (карт погоды).
Проведенные расчеты показали, что используемая в работе модель общей циркуляции может достаточно хорошо работать в режиме краткосрочного прогноза гидрофизических полей океана при наличии достоверных граничных условий.
Модели могут применяться при решении различных экологических задач, для целей морской навигации, при решении задач по взаимодействию океана и атмосферы, для получения карт полей течений при планировании и проведении морских экспедиционных исследований.
Построенная в работе трехмерная нелинейная вихрераз-решающая баротропная модель может быть использована при
модельном изучении вихревой динамики океана и процессов взаимодействия вихрей со струйными течениями.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Отдела крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН. По результатам модельного мониторинга Северной Атлантики был сделан доклад на Международной конференции "Динамика океана и атмосферы" (Москва 1995).
Публикации. Основные результаты диссертации опубли кованы в 8 работах.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 128 страниц, включая 39 рисунков и список литературы из 108 наименований.
