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:
- Модель Экмана. Экман впервые в океанологии представил проблему расчета морских течений в виде задачи теоретической гидродинамики.
- Динамический метод возник для расчета только одной из трех компонент скорости течения по гидрологическому разрезу.
- Метод полных потоков оказался моделью однородного океана.
- Численное прогностическое моделирование – уже реальная ступень в исследовании бароклинного океана с учетом геометрии бассейна.
- Метод синтеза модели и данных гидрологических наблюдений – важная следующая ступень. Он у нас называется «#диагноз-адаптация».
- Модель К. Брайена. Впервые в океанологии им построена модель категории 3DPEM.
- Четырехмерный анализ – самая трудная и самая важная стадия моделирования.
Содержание
Понятия[править]
wikiru:Баротропность[править]
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[править]
планетарная завихренность
СЭБИР[править]
совместный эффект бароклинности и рельефа дна
В преобразованном таким образом уравнении появился новый источник энергии – СЭБИР, который в несколько раз превосходит энергию ветра.
Принципы[править]
основной перенос водных масс происходит в верхнем километровом слое океана[править]
первые модели[править]
Модель Экмана[править]
основные недостатки модели Экмана:
- морская вода однородна;
- единственной силой, возбуждающей движение, служит касательное трение
ветра
Динамический метод[править]
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[править]
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[править]
- 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[править]
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... Тогда и возникла идея о расчете циркуляции Мирового океана по заданным из наблюдений полям плотности, т.е. идея диагностических расчетов
Диагностические расчеты[править]
Диагноз-адаптация[править]
как метод восстановления и взаимного приспособления всех климатических характеристик. После расчетов по диагностическим моделям стало ясно, что пользоваться методом полного потока однородного океана абсолютно бессмысленно. Формально диагностические расчеты можно было выполнить с очень высоким разрешением даже на отсталых советских ЭВМ.
недостатки[править]
нижний предел разрешения[править]
Но, нижний предел разрешения определяется не мощностью ЭВМ, а масштабом осреднения, которым пользовались при подготовке полей T, S от разрозненных по времени и пространству данных наблюдений... основной недостаток любой диагностической модели не в этом...
#СЭБИР[править]
При диагностическом расчете копируются ошибки несоответствия гидрологических полей рельефу дна океана, ибо невозможно было аккуратно учесть влияние рельефа дна при подготовке полей T, S по скудным данным наблюдений. Сильное влияние рельефа дна на поле течений – это «палка о двух концах», оно говорит не только о важности учета рельефа дна, но и о том, что велики последствия погрешностей поля плотности, привнесенные в поле течений #СЭБИР'ом (совместный эффект бароклинности и рельефа дна)... Это и было основным аргументом оппонентов против диагностических расчетов, отстаивающих отсталые однородные модели полного потока...
3DPEM[править]
Что делать? ...взяться за прогностическое моделирование на основе полной нелинейной системы с учетом #СЭБИР, вычисляя не только динамику, но и T, S, т.е. по модели, которая в англоязычной литературе называется 3DPEM – Three dimensional primitive equation model.