Введение к работе
Актуальность проблемы.
Данная диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию турбулентности, структуры гидрофизических полей океана и адвективно- турбулентного переноса вещества в океане. Эти проблемы в настоящее время занимают ведущие места в науке об океане в связи с возросшей угрозой его загрязнения, с одной стороны, а также необходимостью познания механизмов переноса тех веществ, которые необходимы для поддержания биологической жизни в океане- с другой. В качестве приоритетных задач во многих международных и национальных программах выделяются исследования структуры гидрофизических полей (ГФП) и процессов обмена в прибрежных районах, в приповерхностном и придонном слоях океана, а также в зонах локальных апвеллингов, где под воздействием океанологических процессов в них формируются воды, богатые биогенами.
Для описания процессов распространения вещества в океане в настоящее время используется мощный арсенал теоретических знаний, экспериментальных данных и спутниковых наблюдений. Большое развитие в последние годы получило также численное моделирование процессов турбулентного переноса вещества в океане. Тем не менее, несмотря на значительный интерес к проблеме, накопленный опыт и большое число публикаций, свидетельствующих о чрезвычайной актуальности проблемы, обобщение, систематизация и теоретический анализ процессов обмена в океане, в частности, в приповерхностном и придонном пограничных слоях все еще отсутствуют. Остается также нерешенным ряд принципиальных вопросов, связанных со сложностью учета большого числа факторов, на процессы переноса вещества в океане.
Цель и задачи работы.
Цель работы- изучение фундаментальных свойств адвективно- турбулентного переноса вещества в стратифицированном океане. Эта цель может быть реализована установлением основных закономерностей формирования поля концентрации вещества с учетом различных гидрометеорологических условий, сочетанием теоретических и экспериментальных исследований. Перед автором стояли следующие задачи:
получить экспериментальные данные о структуре полей концентрации примеси и гидрофизических полей в широком диапазоне изменчивости гидро-меторологических факторов;
получить характеристики турбулентности в океане, необходимые для модельных расчетов процессов переноса вешества в океане и исследовать факторы, влияющие на эволюцию турбулентной энергии;
разработать комплексную численную модель, позволяющую адекватно описывать турбулентность, термодинамику океана и перенос вещества в стратифицированном океане;
исследовать влияние внешних факторов на процессы формирования структуры гидрофизических полей океана и переноса вещества в приповерхностном слое океана;
исследовать влияние неоднородностей рельефа дна на структуру ГФП и процессы распространения вещества в придонном слое океана;
исследовать влияние стратификации на турбулентность и турбулентные потоки вещества в придонном слое океана и особенности переноса вещества в этом слое.
Достоверность выводов.
Теоретические выводы подтверждены результатами натурных (в том числе и проведенных автором) и лабораторных наблюдений за турбулентностью и турбулентным переносом вещества в океане.
Практическая ценность и реализация результатов работы .
Результаты работы существенно углубляют и расширяют знания о процессах формирования и эволюции поля концентрации вещества в океане под воздействием различных гидрометеорологических факторов. Практическая ценность результатов состоит в возможности использования их в прикладных программах по диагностике и прогнозу загрязнений в океане, для оценок рекреативной способности исследуемого района и в методах по минимизации вредного воздействия загрязнений. Разработанная модель может быть применена к любому из омывающих Россию морей и к любому типу источников загрязнений (точечный, распределенный, выпадение из атмосферы, загрязнение дна и донные захоронения, глубинный сброс и взмучивание при работах по прокладке нефте- и газопроводов и т.д.), а также может быть использована для экологических экспертиз проектов, связанных со строительством портов, транспортировкой экологически опасных веществ и др.
Результаты работы уже использовались и используются в ряде отечественных и зарубежных проектах и программах, в частности, в программе "Экологическая Безопасность России", проектах РФФИ и фонда Макартуров, а также в проекте "Процессы переноса вещества в приливных и бесприливных морях" (Россия-Голландия).
Автор выносит на защиту:
-
Результаты специализированных диффузионных экспериментов, проведенных с целью получения данных о структуре полей концентрации примеси и гидрофизических полей широком диапазоне изменчивости гидрометороло-гических и океанографических факторов.
-
Анализ полученного экспериментального материала наблюдений за процессами переноса искусственно вносимых примесей в периоды весенне- летнего прогрева и осеннего выхолаживания, а также материалы исследования гидрофизических полей океана, в районах с резким поднятием дна.
-
Разработанную на основе метода блуждающих частиц численную комплексную модель переноса вещества в океане, которая включает в себя модуль для расчета турбулентности и динамического блок, состоящий из универсальной 3-х мерной модели океана с разными уровнями замыкания.
-
Результаты аналитического и численного моделирования влияния суточного хода солнечной радиации и нестационарности ветра на процессы формирования структуры ГФП и переноса вещества в приповерхностном слое океана.
-
Оценки вклада гидрофизических процессов при формировании аномалий поля концентрации вещества в районах океана с резким поднятием дна и анализ факторов, влияющих на масштабы таких аномалий.
-
Обобщение теории влияния стратификации на турбулентность и турбулентные потоки вещества в придонном погранслое слое океана.
-
Результаты исследования нелинейного взаимодействия турбулентности и стратифицированного сдвигового течения и роли этого взаимодействия в процессе формирования неоднородностей в полях океана.
Научная новизна работы
Основные результаты работы, выносимые на защиту, получены автором либо впервые, либо представляют собой обобщение известных теорий и наблюдений.
Апробация работы.
Отдельные аспекты защищаемой работы докладывались и обсуждались: на заседаниях рабочих групп;
ИОБАН, Варна, 1984,1986, 1989,
БАН, София, 1986,
Институт прибрежных исследований (RIKZ) Гаага, Голландия, 1993-1997),
на симпозиумах;
"Антропогенная эвтрофикация и изменчивость экосистемы Черного моря" - Москва, 1984 и "Механизмы генерации мелкомасштабной турбулентности в океане"- Калининград, 1985.
на конференциях;
в НО ПАН, Сопот, Польша, 1986,1993,
Gordon Research Conferences, Кингстон,США.1993, 1995,
the Third Thematyc Conference Remote Sencing for Marine and Coastal
Environment, Technology and Application. Сиэттл, США, 1995,
в МГУ им. MB. Ломоносова, Москва,1997,
the Second Airborn Remote Sencing Conference and Exhibition Technology,
Measurement and Analysis. San-Francisco, 1996;
на ассамблеях и конгрессах;
EGS, 1996, IMAP/IAPSO, 1985,1995,1997; IAMAP/IAHS,1993.
на коллоквиумах;
по гидродинамике океана (Льеж, Бельгия, 1992, 1994,1997);
на встречах и совещаниях;
на VI Всесоюзном лимнологическом совещании, Иркутск, 1985,
в Океанографическом институте Скриппса , Сан-Диего, США, 1990,
в Исследовательском Центре по морским наукам, Стони Брук, США, 1988
в Гидрохимической лаборатории, Брисбен, Австралия, 1990,
в Институте гидравлики, Делфт, Голландия, 1994, 1995,
в Институте прибрежных исследований (RIKZ), Гаага, 1995 -1997. а также на семинарах и коллоквиумах Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
Вклад автора.
Автором лично разработана модель переноса вещества в океане и получены все теоретические и численные результаты, представленные в работе. Экспериментальный материал в диффузионных опытах получен и обработан при участии С.С. Муравьева, А.А. Субботина, С.Н. Лелявина, А.Л. Сухова, Т.Н. Пацирсвой, Ж.М. Ациховской, А.Д. Лисиченка, Н.Д. Гордеева, К.К. Марцин-куса, Б.В. Перлибы и Д.Н. Салакова, за что автор выражает им благодарность. Автор также выражает свою признательность Ю.Б. Петрову, В.Н. Набатову, С.М.Ежелову, СР. Стефанову и М.Я. Лиловеру за сотрудничество в специализированных океанских экспедициях, измерения гидрофизических полей в которых были использованы в диссертации.
Структура и объем работы.
Похожие диссертации на Турбулентный перенос вещества в стратифицированном океане
