Preview

Морской гидрофизический журнал

Расширенный поиск

Более 30 лет «Морской гидрофизический журнал» знакомит научную общественность с новыми достижениями в различных областях современных исследований Мирового океана. Значительное внимание в журнале уделяется проблемам Черного и Азовского морей.

«Морской гидрофизический журнал» ("Morskoy Gidrofizicheckiy Zhurnal") был основан в 1985 г. как Всесоюзный, с 1993 по 2014 г. являлся научным изданием НАН Украины. В 2015 г. был зарегистрирован как российское научное издание в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС77-62201 от 26 июня 2015 г.). Также зарегистрирован как сетевое издание (Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ № ФС77-68165 от 27 декабря 2016 г.).

Журнал размещен в каталоге научной периодики РИНЦ на платформе научной электронной библиотеки eLibrary.ru.

Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, по научным специальностям и соответствующим им отраслям науки:

  • 25.00.28 – Океанология (географические науки),
  • 25.00.28 – Океанология (технические науки),
  • 25.00.28 – Океанология (физико-математические науки),
  • 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферы (физико- математические науки),
  • 25.00.30 – Метеорология, климатология, агрометеорология (географические науки),
  • 25.00.30 – Метеорология, климатология, агрометеорология (физико-математические науки),
  • 25.00.34 – Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия (географические науки),
  • 25.00.35 – Геоинформатика (географические науки),
  • 25.00.35 – Геоинформатика (физико-математические науки).

«Морской гидрофизический журнал» включен в Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science.

«Морской гидрофизический журнал» индексируется Google Scholar. Он представлен в базе данных научной электронной библиотеки "Киберленинка", а также в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудио книг.

Издание находится под научно-методическим руководством Отделения наук о Земле РАН.

Текущий выпуск

Том 35, № 6 (2019)

ТЕРМОГИДРОДИНАМИКА ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ

517-529 1
Аннотация

Цель. Развитие модели общей циркуляции океана за счет усовершенствования описания процессов вертикального турбулентного обмена теплом, солью и импульсом, которые существенно влияют на качество воспроизведения циркуляции и термохалинной структуры океана при использовании моделей, основанных на системе примитивных уравнений гидротермодинамики океана, – основная цель работы.

Методы и результаты. Основным инструментом настоящих исследований является сигмамодель циркуляции океанов и морей, разработанная в Институте вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН. Система уравнений в приближениях несжимаемости, гидростатики и Буссинеска дополняется k - ω и k - ε параметризациями вертикального турбулентного обмена, уравнения которых решаются методом расщепления по физическим процессам. Уравнения расщепляются на этапы, описывающие перенос – диффузию попарных функций k - ω и k - ε и их генерацию – диссипацию. На этапе генерации – диссипации уравнения для турбулентных характеристик решаются аналитически. При этом используются функции устойчивости, полученные на основе спектрального алгоритма. Для оценки качества двух параметризаций вертикального турбулентного обмена проводятся численные расчеты циркуляции Северной Атлантики – Северного Ледовитого океана и исследуются характеристики верхнего слоя океана.

Выводы. Показано, что структура крупномасштабных полей Северной Атлантики – Северного Ледовитого океана чувствительна к выбору моделей вертикальной турбулентности. В частности, при использовании параметризации k - ε скорость вовлечения вод сезонного пикноклина в зону развитой турбулентности заметно выше, чем при k - ω параметризации.

530-548 2
Аннотация

Цель. Воспроизвести интенсивный полярный циклон, который наблюдался над Баренцевым морем в начале января 1975 г., провести ретроспективный расчет морской циркуляции и выполнить анализ реакции верхнего слоя моря на прохождение этого циклона – цель данной работы.

Методы и результаты. Все расчеты проводятся с помощью системы оперативного диагноза и прогноза гидрометеохарактеристик для западных морей российской части Арктики (Баренцево, Белое, Печорское и Карское моря). Основными компонентами системы являются региональная негидростатическая модель атмосферной циркуляции WRF с пространственным разрешением 15 км и физически полная трехмерная σ-модель морской циркуляции INMOM и морского льда с пространственным разрешением 2,7 км. Используются данные атмосферных реанализов и результаты ранее проведенных исследований. Прохождение полярного циклона в центральной и восточной частях Баренцева моря проявляется в сильном изменении скорости приповерхностных течений под влиянием ветра. В указанных районах Баренцева моря в период шторма дрейфовая компонента преобладает над приливной. В более мелководной южной части даже в период наибольшего развития шторма превалирует приливная компонента. Показано, что полярный циклон может привести к повышению температуры поверхности Баренцева моря более чем на 1°С.

Выводы. Положительную аномалию температуры поверхности моря формируют динамические процессы, связанные с вертикальным перемешиванием, подъемом вод в западной и центральной частях Баренцева моря, экмановским дрейфом и даунвеллингом у побережья Новой Земли. Вклад теплообмена с атмосферой в формирование положительных аномалий температуры поверхности моря незначителен. В южной части Баренцева и в Печорском морях в результате прохождения полярного циклона, наоборот, происходит значительное понижение поверхностной температуры почти на 1,5°С, что является результатом выхолаживания верхнего слоя моря за счет отдачи тепла в атмосферу.

549-571 2
Аннотация

Цель. Рассмотрены процессы формирования плотной придонной воды в зимний период в районе северо-западного побережья Новой Земли и ее дальнейшего распространения вдоль наклонного дна в сторону трога Св. Анны и далее в открытый океан. Цель состоит в том, чтобы показать, что процесс такого распространения тесно связан с генерацией мезомасштабных вихрей.

Методы и результаты. Данные имеющихся измерений указывают лишь на остаточные формы такого движения, поскольку охватывают в основном лишь летний сезон. Численное исследование проводится с помощью системы вложенных моделей SibCIOM и SibPOM. В ходе численных экспериментов удалось показать пригодность данной системы при описании придонной структуры вод и детально воспроизвести процесс распространения придонных вод. При анализе процесса выявлена энергетическая конверсия доступной потенциальной энергии регулярного движения в потенциальную энергию вихревых образований. В свою очередь, агеострофичность вихревых структур способствует ускоренному продвижению плотных шельфовых вод вниз вдоль наклонного дна.

Выводы. Одна из важных особенностей процессов формирования и распространения придонных плотных вод состоит в том, что на начальном этапе они сопровождаются активной генерацией мезомасштабных вихревых структур. Оба процесса энергетически взаимодействуют и способствуют увеличению тепломассообмена между шельфом и открытым океаном. Правильное описание этих обменов является необходимым условием для успешного моделирования термодинамики промежуточных и глубоких вод Северного Ледовитого океана.

572-584
Аннотация
Цель. Изучение пространственно-временной изменчивости некоторых модельных характеристик, в частности поля уровня океана в Южной Атлантике, – цель настоящей работы. Методы и результаты. Основным методом исследования служит метод разложения аномалий уровня по естественным ортогональным составляющим (Karhunen-Loeve decomposition). Изучается изменчивость собственных чисел и векторов соответствующих ковариационных матриц, их распределение во времени и пространстве. Показывается, как данный метод может быть применен к ассимиляции наблюдаемых данных, и анализируется физический смысл этой ассимиляции. Рассматривается математическая модель гидродинамики океана, разработанная в Институте вычислительной математики РАН, сформулирована задача динамико-стохастической и гибридной ассимиляции данных уровня океана. Приведены результаты сравнений пространственно-временной изменчивости модельного и наблюдаемого уровня в Южной Атлантике. Проанализированы сходство и различие этой изменчивости. Выводы. Сделан анализ структуры взаимосвязи наблюдаемого и моделируемого полей уровня океана, что позволит в дальнейшем провести усвоение данных наблюдений с использованием полученных весовых матриц. Подобные исследования структур взаимосвязей характеристик для полей поверхностной температуры океана, поверхностных течений, совместных ковариационных связей и не только позволят понять, как именно наблюдаемые величины корректируют модельный расчет. Показан климатический ход собственных векторов и чисел, их временная и пространственная изменчивость. Данная методика позволит более детально моделировать и прогнозировать гидродинамические процессы в Южной Атлантике и проводить дальнейший анализ их природы.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА

585-599 3
Аннотация

Цель. В целях моделирования гидротермодинамики моря решается задача вариационной ассимиляции данных наблюдений температуры поверхности моря. Ассимиляция данных позволяет скорректировать расчеты численной модели данными измерений исследуемой среды.

Методы и результаты. Рассматривается математическая модель гидротермодинамики Черного и Азовского морей, разработанная в Институте вычислительной математики РАН и записанная в сигма-системе координат. Отличительной особенностью данной модели является использование в численной реализации метода расщепления по физическим процессам и пространственным координатам, что позволяет значительно упростить алгоритм вариационной ассимиляции данных. Сформулирована задача вариационной ассимиляции данных о температуре поверхности моря. Введен функционал стоимости, включающий в себя функцию управления – поток тепла на верхней границе моря и данные спутниковых наблюдений температуры поверхности моря. Необходимое условие минимума функционала переформулировано через систему оптимальности, включающую в себя прямую задачу, сопряженную задачу и условие для управления. На основе вариационной ассимиляции данных наблюдений со спутников разработан алгоритм решения поставленной задачи, учитывающий ковариационную матрицу ошибок наблюдений, рассчитанную на основе статистических характеристик данных наблюдений температуры поверхности моря. Алгоритм подразумевает последовательное решение системы оптимальности в итерационном процессе со специально подобранным итерационным параметром. Приведены результаты решения поставленной задачи на примере акватории Черного и Азовского морей.

Выводы. Проведено сравнение результатов расчетов численной модели с ассимиляцией данных наблюдений и без ассимиляции, показывающее эффективность процедур ассимиляции данных наблюдений. Исследовано влияние процедуры ассимиляции температуры поверхности моря на другие параметры системы. Показано, что при ассимиляции температуры поверхности моря влияние оказывается только на температуру в верхних слоях, а профиль в нижних слоях, при условии достаточной глубины, остается практически неизменным. Влияние на другие параметры системы либо минимально, либо не ощущается совсем.

600-620 1
Аннотация

Цель. Описание новой методики численного решения уравнений гидродинамики несжимаемой жидкости со свободной границей и переменной плотностью в гидростатическом приближении – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Алгоритм основан на методе гиперболической декомпозиции – пред-ставлении многослойной среды в виде отдельных слоев, взаимодействующих через границы раздела. Силы, действующие на верхнюю и нижнюю границы каждого слоя, трактуются как внешние, не нарушающие свойства гиперболичности системы уравнений для каждого слоя. Для решения системы гиперболических уравнений с переменной плотностью в каждом слое используется явная схема КАБАРЕ. Схема имеет второй порядок аппроксимации и обратима по времени. Ее особенностью является повышенное число степеней свободы – наряду с кон-сервативными переменными, определенными в центрах расчетных ячеек, используются пото-ковые переменные, отнесенные к серединам граней. Система уравнений многослойной мелкой воды не является безусловно гиперболической и при потере гиперболичности становится не-корректной. Гиперболическая декомпозиция не устраняет некорректности исходной системы. Для регуляризации численного решения предлагается использовать следующий набор средств: фильтрацию на каждом временном шаге потоковых переменных скорости, плотности и толщи-ны слоя; сверхнеявную аппроксимацию градиента давления; линейную искусственную вяз-кость; переход к эйлерово-лагранжевым (СЭЛ) переменным, приводящий к обмену между слоями массой и импульсом. Основным средством, стабилизирующим численное решение на больших временах, является переход к СЭЛ-переменным. Остальные приемы вспомогательные и используются для тонкой настройки.

Выводы. Показано, что для обеспечения регуляризации и гарантированной устойчивости задач необходимо не только перестраивать расчетную сетку на каждом временном шаге, но также использовать фильтрацию потоковых переменных и искусственную вязкость, моделирующую турбулентное перемешивание.

621-632 2
Аннотация

Цель. Построение и апробация вариационной процедуры определения концентрации загрязняющей примеси и скорости вытекания воды на выходе из подводного источника, а также анализ чувствительности алгоритма к уровню случайного шума в данных измерений – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Расчет поля течений проведен с помощью трехмерной бароклинной σ-координатной модели циркуляции вод. При реализации модели переноса загрязнений использованы монотонные схемы типа TVD. Начальные профили температуры и солености задавались на основе результатов зондирования в районе подводного выпуска, а характерная скорость фоновых течений определялась на основе данных ADCP-измерений. Идентификация входных параметров задачи проводилась на основе итерационной процедуры минимизации квадратичного функционала. Численные эксперименты по идентификации параметров заглубленного источника загрязнений показали, что без учета шума искомые параметры восстанавливаются с относительной ошибкой < 1%. Показано, что задача идентификации обладает лучшей обусловленностью при ассимиляции данных из более информативных точек схемы измерений.

Выводы. На основе анализа проведенных численных экспериментов показана работоспособность алгоритма линеаризации при идентификации параметров подводного источника. Предложенные алгоритмы могут быть использованы при решении широкого класса задач экологической направленности, а также для интерпретации и планирования натурных экспериментов по исследованию распространения сточных вод в прибрежных водах.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОРСКИХ СИСТЕМ

633-645 8
Аннотация

Цель. Изучение водообмена между Средним и Южным Каспием, оценка его интенсивности, пространственно-временной структуры и изменчивости – цель данной работы.

Методы и результаты. В исследовании применяется численная модель общей циркуляции Каспийского моря, имеющая достаточно высокое разрешение для описания мезомасштабной структуры течений – 2 км. С применением этой модели реконструирована циркуляция Каспийского моря в 2003 г., рассчитаны основные характеристики переноса вод между Средним и Южным Каспием. Конкретный год выбран в связи с тем, что во все месяцы 2003 г. поля скорости ветра в акватории Среднего и Южного Каспия достаточно хорошо согласовывались со среднеклиматическими. В полученной по модели структуре течений над Апшеронским порогом отмечается следующая закономерность: северные течения наиболее часто формируются над склоном восточного шельфа, южные – над склоном западного, причем последние, как правило, более интенсивны и регулярны. С середины июля по октябрь над Каспием регулярно дуют восточные ветры, в несколько раз усиливая северные течения, несущие вдоль восточного побережья относительно соленые и теплые воды Южного Каспия в Средний. Достаточно стабильное течение, имеющее южное направление, расположено вдоль склона западного шельфа на глубинах 100–150 м и создается градиентом плотности между холодным Средним и теплым Южным Каспием. В целом поток воды над порогом направлен с севера на юг, при этом южные потоки распределены в течение года относительно равномерно, в то время как бόльшая часть расхода северных течений приходится на период с конца июля по декабрь.

Выводы. Поскольку на юге Каспийского моря воды на всех глубинах более теплые и соленые, чем в его центральной части, водообмен двух бассейнов на протяжении всего года способствует росту и температуры, и солености в Среднем Каспии и соответственно их понижению – в Южном. Потоки соли, создаваемые течениями в рассматриваемом районе, достаточны для повышения солености верхнего слоя Среднего Каспия на 0,5‰ за 100 дней, при этом соответствующий рост температуры не превосходит 0,01–0,03°C за сутки. Обратные (южные) течения несут относительно пресные воды в Южный Каспий, понижая соленость его верхнего слоя на величину до 0,2‰ в месяц, однако такие интенсивные интрузии отмечаются лишь в марте и декабре. Влияние этих течений на тепловой баланс Южного Каспия более однородно в течение года и не превосходит 0,17°C/сут.

646-661 2
Аннотация

Цель. Процесс формирования халинной стратификации в Черном море в настоящее время исследован достаточно слабо. Считается, что современное состояние бассейна близко к равновесию. Однако анализ долговременных наблюдений показывает, что имеется тенденция к распреснению поверхностного слоя моря и осолонению его глубинных вод. Получить цельное представление о формировании халинной стратификации бассейна и характерных временных масштабов ее долговременной климатической эволюции – цель данной работы.

Материалы и методы. Численные расчеты циркуляции Черного моря, формирующейся под воздействием водообмена через Босфор, речного стока, осадков и испарений, на основе модели NEMO сопоставляются с полученными ранее результатами лабораторного моделирования. Показано, что время формирования верхне- и нижнебосфорского течений имеет характерный временной масштаб в 20 лет. Относительно небольшое время приспособления водообмена через Босфор к внешним условиям показывает, что на климатических масштабах пролив должен находиться в квазиравновесном состоянии. Результаты численных экспериментов показали также, что на фоне изначально заданной постоянной солености Черного моря происходит относительно быстрое формирование вертикальной халинной стратификации за счет распреснения верхнего 40-метрового слоя под влиянием речного стока. Это приводит к формированию халоклина в слое 10–40 м. Глубже соленость увеличивается медленно за счет притока мраморноморских вод. В каждом из расчетов интенсивное распреснение поверхностного слоя происходит в течение 70–80 лет, после чего его соленость начинает медленно увеличиваться.

Выводы. В итоге характерное время приспособления стратификации бассейна к изменению внешних условий составляет 70–100 лет. После достижения равновесного режима происходит медленная квазистационарная эволюция полей бассейна. Анализ результатов позволил получить уравнения для описания медленной эволюции халинной стратификации.

Объявления

Еще объявления...


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.