Структура гидрофизических полей в шельфовой зоне моря и в устьях рек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ШЕЛЬФАХ МОРЕЙ И В

УСТЬЯХ РЕК И ИХ ИЗУЧЕНИЕ. в

1.1. Исходные уравнения и граничные условия

1.2. Характерные особенности циркуляции вод шельфа и устьев рек. Анализ наблюдений.

1.3. Основные направления теоретического моделирования гидродинамики шельфа и устьев рек.

ГЛАВА 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГВДРОДИНАМИКИ

ШЕЛЬФА И УСТЬЕВ РЕК.

2.1. Прямые измерения вертикальной структуры мелкомасштабной турбулентности при нагоне на шельфе Каспийского моря.

2.2. Наблюдения изменчивости гидрофизических процессов в поле бриза на шельфе Черноок го моря.

2.3. Инструментальное исследование течений в устье реки Волги

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ В УСТЬЯХ

РЕК И ПРИЛЕГАЩИХ ШЕЛЬФОВЫХ ВОДАХ.

3.1. Одномерная модель течений в устьях рек.

3.2. Трехмерная модель течений в устьях рек.

3.3. О влиянии ветра на течения в устья рек.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СГОННО-НАГОННОЙ

ЦИРКУЛЯЦИИ НА ШЕЛЬФЕ

4.1. Модель прибрежной циркуляция обусловленной сгонно-нагонными ветрами

4.2. Модель прибрежной циркуляции обусловленной бризом. ^

4.3. О резонансных явлениях в верхнем слое моря при бризе

Согласно принятому в 1953 году международному определению,шельф - это мелководная зона, простиравшаяся вдоль материков от линии малой воды до глубины, на которой становится заметным увеличение наклона дна в сторону возрастающих глубин, Зона, где такое увеличение угла наклона имеет место, называется краем шельфа. Обычно она располагается на глубине около 200 м и является внешней, океанской его границей, за краем которой начинается континентальный склон, оканчивающийся областью отложения осадочных пород - континентальным подъемом, переходящим в ложе океана (абиссаль). N

Внутреняя граница шельфа проходит вдоль линии малой воды у суши и захватывает устья рек. Воздействие шельфа на нижний участок реки является определягацим, так что устьем реки можно назвать её нижний участок, где режим реки сильно изменен влиянием моря или океана, в который она впадает. Обратное воздействие реки на шельф также может быть очень существенным, например Сем. § 3.2 данной диссертации), воды Амазонки распространяются в океан на расстояние порядка нескольких тысяч километров. Эти обстоятельства в сущности и обусловили содержание диссертации - мы будем изучать здесь гидрофизи -ческие процессы в устьях рек и на шельфе, а также их взаимное влияние, очень сложное и почти не исследованное в настоящее время.

Изучение шельфов и устьев рек необходимо для решения многих научных и народохозяйственных проблем. Среди них основное место занимают проблемы обеспечения страны водными, пищевыми, минеральными и энергетическими ресурсами, а также решение многочисленных задач, обусловленных потребностями морского хозяйства, морского промысла, морского транспорта, строительства, сельского хозяйства, медицины. Программа КПСС ставит задачу наиболее эффективного использования богатств и сил природы в интересах народа. Решение этой задачи требует глубоких научных знаний процессов,происходящих в природе, в частности физических процессов, происходящих в шельфовой зоне и в устьях рек.

Динамика устьев рек, эстуариев, фиордов и шельфов настолько своеобразна, что по данному вопросу имеется своя обширная литература, как периодического, так и монографического характера. Движению вод в устьях рек и на шельфах, присущи многие закономерности,характерные для речных потоков. С другой стороны, воды в устьях рек часто стратифицировании по температуре и солености, что вовсе не характерно для речных потоков и наоборот сближает динамику устьев рек с динамикой океанов и морей. Очевидно, что устье реки и прилегающие шельфовые воды нельзя считать ни рекой, ни морем, а справедливо выделять в особую, переходную, пограничную область взаимодействия реки и моря или океана. как

Отмеченная особенность шельфов и устьев рек пограничных областей сразу же показывает основную трудность, возникающую при гидродинамическом моделировании этих уникальных природных объектов. Известно, что факторы, являющиеся пренебрежимо малыми в основном потоке, становятся существенными при изучении пограничных слоев. В устьях рек и на шельфах это правило приводит к тому, что для полного и точного описания их необходимо использовать полные уравнения гидромеханики турбулентно движущейся жидкости. Возможность пренебрежения каким-либо членом уравнений отсутствует и именно это обстоятельство представляло основную трудность для первых исследователей гидродинамики устьев рек и прилегающих шельфовых вод, основные усилия которых были направлены в сторону поиска путей разумного упрощения задачи.

Несмотря на невозможность упрощения задачи в общем случае, определенные успехи на этом пути были достигнуты при изучении устьев отдельных рек, например, при исследовании устьев рек Потомак, Джеймс, Коннектикут и других. Очевидным недос -татком такой тенденции, распространенной в настоящее время довольно широко, является потеря общих подходов к решению задачи. В результате, исследователи отдельных участков шельфа или устьев рек перестают понимать друг друга, а литература по рассматриваемой тематике изобилует региональными исследованиями отдельных устьев или отдельных участков шельфа, никак не связанных друг с другом. И хотя устья отдельных рек или отдельные участки прибрежной зоны действительно часто отличаются друг от друга и допускают различные упрощения задачи, необходимо помнить, что конечной целью исследований является построение общей, внутренне непротиворечивой теории, выводы из которой соответствуют наблюдениям и которая способна описать любой шельф или любое устье. Построение подобной теории нужно начинать с анализа основных факторов,определяющих динамику рассматриваемых областей?к числу которых нужно отнести ветер и речной сток, пространственную неоднородность поля плотности, пршшвообразующие силы, силу Кориолиса, рельеф дна и боковые границы, а также потоки тепла, соли и вещества

- 7 через границы рассматриваемой акватории.

Цель диссертации, изучение нескольких из указанных факторов, в частности исследование влияния ветра, стока реки, пространственной неоднородности поля плотности и боковых границ на циркуляцию в шельфовой зоне моря и в устьях рек. Метод исследования, применённый нами для решения поставленной задачи - инструментальные наблюдения и теоретическое моделирование*

Диссертация состоит из четырех глав, В первой главе работы рассматриваются исходные уравнения и граничные условия, позволяющие ставить и решать различные физико-математические задачи,с помощью которых изучается циркуляция вод на шельфах и в устьях рек. Рассматриваются характерные особенности этой циркуляции, а также основные направления её теоретического моделирования. Во второй главе диссертации описываются наблюдения, проведенные автором в экспедициях на шельфах Каспийского и Черного морей, а также в устье реки Волги. Наблюдаемая структура гидрофизических полей в шельфовой зоне этих морей и в устье Волги исследуются в третьей и четвертой главах диссертации с помощью теоретических моделей. Приводится сравнение результатов расчетов с наблюдениями. В заключении резюмируются основные результаты полученные а работе, а также намечаются пути дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы можно резюмировать следу пцим образом :

1. Исследована пространственно-временная структура гидрофизических полей при сгонно-нагонных явлениях, наблюдаемых на шельфах Каспийского и Черного морей. Описаны особенности вертикального, продольного и поперечного распределения течений в устье реки Волги.

2. Построена одномерная стационарная модель течений и турбулентности в хорошо перемешанных устьях рек, позволяющая прогнозировать их вертикальное распределение. Исследовано воздействие ветра на течения и турбулентность в потоке на наклонной плоскости.

3. Построена трехмерная стационарная модель течений хорошо перемешанных устьях рек, включающая эффекты обусловленные рельефом дна, силой Кориолиса, вертикальным турбулентным трением и боковыми границами. В отличии от имеющихся моделей построенная модель позволяет описать стоковые (речные) течения на устьевом участке реки, а также учесть влияние ветра на тече ния в устьях рек.

4. Получены и проанализированы точные аналитические решения уравнений модели для устьев нескольких идеализирован ных форм. Изучено асимптотическое поведение решения при уда -лении от устьевого створа вглубь реки и на устьевое взморье. На основании найденных асимптотических законов затухания скоростей течений при удалении от устья, получены величины максимальной дальности распространения речных струй в море. Эти величины хорошо соответствуют наблюдениям.

5. На основе построенной трехмерной, теоретической модели течений в хорошо перемешанных устьях рек проведен расчет пространственной структуры течений в устьях рек Волги, Индиана (США) и в порту Аджиро (Япония). Результаты хоро -шо соответствуют наблюдениям. На основе построенной модели проведен также анализ влияния ветра на течения в устьях рек. Результаты анализа позволяют объяснить явление втягивания (эжекции) морских вод в реку при сгонных ветрах, а также усиление придонных течений из устья в море при нагонных ветрах, наблюдаемое в устьях рек Дон и 1*удзон (США).

6. Построена двухмерная теоретическая модель квазистационарной сгонно-нагонной циркуляции на шельфах, учитывающая эффекты стратификации. Модель позволяет правильно описать наблюдаемые особенности структуры течений и температуры на шельфе Каспийского моря, Построена двумерная, нестационарная модель течений и эволюции стратификации на шельфах. Изучена возможность описания явления реакции верхнего слоя моря на бриз в области шельфа с помощью построенной модели.

7. На основании найденного теоретического решения исследованы резонансные эффекты в верхнем слое моря при бризе. Решение хорошо объясняет данные наблюдений, полученные на шельфе Черного моря. Исследованы особенности переходных, неустановившихся явлений на шельфе. С помощью теоретического решения и данных наблюдений определен коэффициент трения.

В заключении отметим, что поставленная во введении задача создания теории способной описать динамику шельфов и устьев рек решена в диссертации лишь частично. Дальнейшее раз -витие теорий течений в устьях рек должно идти по пути учета нестационарности, нелинейности, горизонтального обмена количеством движения и стратификации. Теоретические разработки нужно сочетать с измерениями в природе, многие наблюдаемые явления в устьях рек еще не нашли объяснения : например, формирование устьевых ям и резкое усиление скоростей течений в канале, вблизи устьевого створа. Общая картина все еще неясна, не хватает деталей, но, говоря словами Филлипса (1980): "ключи к решению проблем лежат в море и в лаборатории, а так же в наших головах, если у нас достаточно разума и терпения, чтобы их найти."

Н.К.Шелковников и Г.Ф.Красножон руководили и участвовали в исследованиях, использованных при написании диссертации.

Некоторые ее разделы основаны на работах выполненных автором совместно с С.В.Доброклонским, А.И.Фельзенбаумом, Ю.З.Миро-польским, Н.А.Пантелеевым, Г.Г.Сутыриным и Р.М.Мамедовым.

При подготовке окончательного варианта диссертации ценные критические замечания были высказаны сотрудниками Гидрофизического отдела Института Водных Проблем АН СССР и сотрудниками кафедры Физики моря и вод суши Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Всем этим лицам приношу свою искреннюю благодарность.

1. Арсеньев С.А., Доброклонский C.B., Мамедов P.M., Шелковников Н.К.1975. Прямые измерения характеристик мелкомасштабной турбулентности с неподвижной платформы в открытом мо -ре. Изв. АН СССР, сер. ФАО, т. II, Ш 8, с.845-850.

2. Арсеньев С.А., Сутырин Г.Г., Фельзенбаум А.И.1976а.О реакций стратифицированного океана на тайфун. Докл. АН СССР, т. 231, № 3, с. 567-570.19766.Термическая структура океана в области тайфуна. Промысловая океанология, сер. 9, вып. II, с. 1-7.

3. Арсеньев С.А., Фельзенбаум А.И.1977. Интегральная модель квазиизотермического слоя в океане. Изв. АН СССР, сер. ФАО, т. 12, № 10, с. 10341043.

4. Арсеньев С.А., Булгаков П.Г., Миропольский Ю.З., Пантелеев H.A.1978. О тонкой структуре частоты Вяйсяля-Брента в Средиземном море. Океанология, т. 18, вып. 2, с. 208-217.

5. Арсеньев С.А., Красножон Г.Ф.1984. Метод расчета течений в устье Волги. Раздел в отчете Института водных проблем АН СССР по теме 5.3.,М., АН СССР, 8 с.

6. Бобков C.B., Куфтарков Ю.М., Литвинов П.й.1971. К нелинейной теории стационарных нагонов и сгонов у пологого берега. Морские гидрофизические исследования, 15 (55).

7. Бэрдслей, Бокуорт (Beardsley R.C., Boicourt W.C.)1981. On estuarine and cautiunental-shelf circulation inthe Middle Atlantic Bight. In book: "Evolution of Physical Oceanography. Scientific Surveys in Honor of Henry Stcmme!". The Mil Press, p. 198-233»

8. БэрДСЛвЙ, Харт (Beardsley R.C., Hart S.)1978. ^simple theoretical model for the flow of an estuary into a continental shelf. J. Geophys. Res., vol.83, Ho.62, p. 875-883.

9. Денман, Платт (Penman К.Ь., Piatt Т.)1979. Биологический прогноз в море. В сб. "Моделирование и прогноз верхних слоев океана". Д., Гидрометиздат, с. 299-311.1. Джозеф Д.1981. Устойчивость движений жидкости. М., "Мир", 638 с.

10. Джонсон Д., Джонсон В. (Johnson D.R., Johnson W.R.)1979» Vertical and cross-shelf flow in the coastal vpwelling region off Oregon. Deep-sea Res., vol.26, Но 4A, p. 399-408.

11. Зшштинкевич С.С., Лайхтман Д.JI., Монин А.С.1967. Динамика пограничного слоя отмосферы. Изв. АН СССР, сер. ФАО, т. 3, №3, с. 297-333.

12. Караушев A.B. 1969. Речная гидравлика. I., Гидрометиздат, 416 с.

13. Вертикальный турбулентный обмен в устойчиво стратифицированном море. Изв. АН СССР, сер. Геофиз. В II.

14. Коппенфельс В., Штальман Ф.1963. Практика конформных отображений. М., Иностранная литература, 406 с,1. Косарев А.Н.1975. Гидрология Каспийского и Аральского морей. М., Изд. МГУ, 272 с.

15. Кочергин В.П., Боковиков А.Г.1980. Трехмерная численная модель распространения примеси в прибрежной зоне глубокого водоема. Изв. АН СССР, сер. ФАО, т. 16, 7, с. 729-737.

16. Кошинский С.Д., Рыжова JÏ.M.1981. Условия наводнения в Северо-западном Каспии IG-I3ноября 1952 года. Труды Западно-Сибирского регионального НИИ , вып. 50, с. 63-74.

17. Красножон Г.Ф., Семенов С.С., Суханова Й.Г.1979. Исследование устьев рек, прибрежных зон и дна Северного Каспия с помощью дистанционных методов. Водные ресурсы № I, с. 88-96.

18. Красножон Г.Ф., Салванкин В.П., Семенов С.С.1980. Использование космической фотосъемки при изучении внутренних водоемов и устьевых областей рек. Водные ресурсы, & I, с. 121-137.

19. Кривошея В.Г., Плахин S.A., Савин М.Г.1979. Временная изменчивость течений в верхнем алое Черного моря. Изв. АН СССР, сер. ФАО, т. 15, Ш 10,с. H09-III4.

20. Кривошея В.Г., Плахин S.A., Савин М.Г., Титов В.Б.1980. О внутригодовой изменчивости течений на шельфе Кавказского побережья Черного моря. Океанология, т. 20, вып. I, с. 34-39.

21. Линдертс, Лью (Leendertse J.J., Liu S.K.)1973. A three-dimensional turbuleut energy model for nonhomogeneous estuaries and coastal sea system. In books

22. Hydrodynamies of Estuaries and Fjords /Ed.Nihoul J., Etsevier Sci Publ.Company, p. 387-405. Линейкин П.С., Овсиенко C.H.1979. Штормовые нагоны. Итоги науки и техники. Сер.

23. Океанология, т. 5, М., Изд. ВИНИТИ, с. 1Г7-140.

24. Ниилер, Kpayc (Hiiler P.P., Kraus E.B.)1979. Одномерные модели верхнего слоя океана. В сб. "Моделирование и прогноз верхних слоев океана". Л*, Гидрометиздат, с. 175-208.

25. Гидрометиздат, с, 375-208.

26. Перрелс, Кареле (Perrels P.A., Karelse М.)

27. Ричард, Селиккол (Reichard R.P., Celikkol В.)1978. Application of a finite element hydrodynamic modelto the Great Bay estuary system. In book: Hydrodynamics of Estuaries and Fiords / Ed. Nihoul J., Elsevier Sci. Pub. Company, p. 349-372.

28. Гидромеханика , 1968". М., Изд. ВИНИТИ, с. 97-338.

29. Хансен и Рэттри (Hansen D.V., Rattray M.) 196$. Gravitational circulation in straits and estuaries.

30. Эллиот, Ванг и Цритчард (Elliot A.J., Wang D.P., Pritchard D.W.). 1978. The circulation near the nead of Chesa peake Bay. J. Marine Res., vol. 56, Ho 4, p. 645-655.