МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ А.С. Саркисян

Материал из Common History development
Версия от 11:33, 16 ноября 2018; It4history (обсуждение | вклад) (Диагноз-адаптация)
Перейти к навигации Перейти к поиску

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[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 Sebir.png 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]

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.

Диагноз-адаптация[править]

Полная, высокого разрешения модель, лучший интерполянт, но, создавая или усиливая градиенты в одном месте, она начинает сглаживать, портить в другом – получается «нос вытащил – хвост увяз». Мы и предлагаем остановиться. Вместо «сотворения мира» сделаем синтез модели и данных наблюдений. Это интерактивное действие человека и машины называем диагноз-адаптация

Модель К. Брайена[править]

Брайен принял за начальные T, S идеализированные вертикальные профили, не зависящие от горизонтальных координат, т.е. взялся за задачу о «сотворении мира» для Мирового океана. Для первых пробных оценок это было полезно, но никто не мог тогда знать, что это полезно лишь качественно – и только. Даже с сегодняшними возможностями ЭВМ все сначала решают задачу инициализации, исходя из трехмерных осредненных данных измерений T, S (сезонных, среднемноголетних, месячных и т.д.) и только после этого переходят к решению конкретных нестационарных задач.

недостатки модели Брайена[править]

ни модель, ни возможности ЭВМ не были способны решить задачу о «сотворении океана» и длительное интегрирование (тысячелетия модельного времени) было нецелесообразно... Чтобы избежать перегрузки памяти ЭВМ, многие ученые стерли из памяти ЭВМ именно самую интересную часть (стадию 1 кривых I и II) 10-15 лет... Словом, простым формальным совместным решением двух систем уравнений (атмосферы и океана) нельзя прогнозировать изменения климата на десятилетия или столетия.

четырехмерный анализ[править]

высшая ступень моделирования. Он крайне важен как для моделирования изменений климатических характеристик, так и для оперативной океанологии. В частности, он необходим для решения проблем с обнаружением подводных лодок... Четырехмерный анализ, также как и процедура диагноз-адаптация, стоит на двух ногах – модель и данные наблюдений. Но в данном случае, связи между этими двумя аспектами сложнее