МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ А.С. Саркисян

http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/112568/01-Sarkisian.pdf?sequence=1

УДК 551.581.1

В обзоре обсуждаются семь основных направлений, или стадий, развития моделирования характеристик океанов и морей:

1. #Модель Экмана. Экман впервые в океанологии представил проблему расчета морских течений в виде задачи теоретической гидродинамики.
2. #Динамический метод возник для расчета только одной из трех компонент скорости течения по гидрологическому разрезу.
3. Метод полных потоков оказался моделью однородного океана.
4. Численное прогностическое моделирование – уже реальная ступень в исследовании бароклинного океана с учетом геометрии бассейна.
5. Метод синтеза модели и данных гидрологических наблюдений – важная следующая ступень. Он у нас называется «диагноз-адаптация».
6. Модель К. Брайена. Впервые в океанологии им построена модель категории 3DPEM.
7. Четырехмерный анализ – самая трудная и самая важная стадия моделирования.

Понятия

wikiru:Баротропность

такое свойство сплошной среды, при котором её плотность является функцией только давления. Сплошная среда, не являющаяся баротропной, называется «барокли́нной»... В бароклинном океане плотность воды является функцией не только давления, но и температуры или солености.

β-эффект

планетарная завихренность

диагностические рассчёты

Модель Экмана

основные недостатки модели Экмана:

• морская вода однородна;
• единственной силой, возбуждающей движение, служит касательное трение

ветра

Динамический метод

Параллельно с моделью Экмана возник динамический метод... Многие называют это методом расчета геострофических течений... не просто геострофические течения... а его исключительный, частный, упрощенный случай – случай, который предполагает наличие так называемой «нулевой» поверхности. Это предположение приводит к искусственно быстрому затуханию скорости течения с глубиной и ко многим другим серьезным недостаткам – нарушение закона сохранения массы, отсутствие возможности расчета вертикальной компоненты скорости течения, отсутствие зависимости скорости течения в данной точке от соседних или связи одной компоненты скорости с другой, и т.д. и т.п... Геострофическое приближение приемлемо только в случае, когда поле давления рассчитано правильно.

метод вечен по двум причинам:

• несмотря на уйму недостатков, метод в первом приближении качественно правильно отражает схему градиентной части поверхностных (но не средних по высоте, а тем более не глубинных) течений;
• метод крайне прост.

Модель Штокмана

После того, как два совершенно противоречивых метода – #Модель Экмана и #Динамический метод (согласно одному из них, ρ = const и единственной движущей силой является ветер, а другой основан исключительно на переменной плотности и обходится без учета прямого воздействия ветра) просуществовали бок о бок около полувека «не замечая друг друга», казалось, что В.Б. Штокман [2, 3] нашел выход, предложив модель, которая учитывает и ветер и, как ему показалось, бароклинность морской воды... известно Штокман придавал большое значение наличию аналогии между уравнениями полного потока в море и изгибом закрепленной пластины... #основной перенос водных масс происходит в верхнем километровом слое океана... Чтобы облегчить вывод уравнения полных потоков, Штокман, Свердруп и Манк сделали предположение о наличии некоторой поверхности на большой глубине с поистине феноменальными свойствами. А именно, они считали, что на этой глубине затухают и скорости течения, и градиенты давления, и вертикальное трение; кроме того, сама эта глубина бароклинного слоя постоянна во всем океане. Что правильно в рассуждениях авторов метода полных потоков, это то, что градиенты плотности убывают с глубиной, так же как и вертикальное трение.

три недостатка

• Однако, они убывают, но вовсе не затухают,
• а глубина бароклинного слоя вовсе не постоянна. На деле их океан баротропен, потому что в их основном уравнении нет градиентов плотности, и единственной движущей силой для функции полного потока у них всех является вихрь от касательного трения ветра, не имеющий никакого отношения к бароклинности воды...
• В модели полного потока Штокмана-Манка был еще один неверный постулат – считалось, что изолинии функции полного потока отображают линии тока поверхностного течения.

... учет β-эффекта (что оказалось важным) привел к западной интенсификации и в результате показалось, что модель Манка реалистична. Это вдохновляло многих ученых и «теория» полных потоков получила широкое распространение... успеху модели Манка содействовали не только учет β-эффекта, но и перечисленные #три недостатка

Прогностические модели

только путем расчетов можно понять под действием каких именно факторов формируется и трансформируется поле ρ, а, следовательно, и климатическая циркуляция. Расчеты такого рода называются прогностическими в отличие от диагностических, в которых ρ задается. Прогностическими считаем модели, в которых решаемое уравнение для ρ или T и S обязательно нелинейное, нестационарное, трехмерное и содержит поля u,v,w. Только таким путем составляющие скорости и аномалия плотности становятся взаимозависимыми... Что касается уравнений движения, то они в первом приближении могут быть и линейными – лишь бы они были трехмерными и содержали все три компоненты скорости в качестве искомых функций. Это упрощение допустимо вследствие того, что вне экватора основные линейные слагаемые (градиент давления и ускорение силы Кориолиса) почти балансируют друг друга...

Основные достижения этой стадии расчетов

• а) главным достижением является выяснение очень важной роли зонального переноса массы бароклинной жидкостью в западной интенсификации и отрыве интенсивных течений (Гольфстрим, Куросио и т.д.) с западного побережья... Учет бароклинности (адвекции аномалии плотности) привел к термическому варианту объяснения механизма общей циркуляции океана в противоположность механическому, ветровому воздействию на однородный океан
• б) расчеты показали, что рельеф дна играет принципиальную роль и этим фактором никак нельзя пренебречь
• в) трансформация аномалии плотности оказалась в такой степени важным процессом, что вопрос о том, какова роль того или иного фактора в динамике течений, сводился к тому, какова роль его в трансформации плотности? Иными словами, каковы изолинии аномалии плотности, такова крупномасштабная (стационарная, сезонная) циркуляция. Если у западного (северного,

южного) побережья есть сгущение изолинии плотности, то есть и Гольфстрим, есть интенсивное градиентное течение (если нет – то нет). Если у восточного есть сгущение плотности, то есть апвеллинг, если нет – то нет тут и выявились наши проблемы, а именно – слабость советской вычислительной техники... это сильное отставание, заставляло нас решать искомые задачи глобальной циркуляции только с грубым разрешением (двух-пятиградусные шаги по горизонтали), заниматься моделированием только для небольшой части Мирового океана