Модели термоклина

Оценка основных энергетических потоков в задачах имитационных расчетов поля температуры водоема была двояко использована в моделях термоклина. Значения энергий вычислялись на основе метеоданных, и затем либо рассчитывался энергетический баланс свободной поверхности озера [154, 220, 239], либо вычислялась равновесная температура (Гр) [27, 140, 142, 143, 231, 530]. Равновесная температура, определяемая как температура поверхности водоема Гп. в при равенстве энергетических потоков, поступающих в водоем и покидающих его через эту поверхность, может быть найдена решением следующего уравнения [c.43]

Глава 3. Модели термоклина [c.74]

Проводимый ниже анализ распределения осредненной температуры в сильно и устойчиво стратифицированном верхнем термоклине показывает, что достаточной моделью этого распределения является бегущая тепловая (или диффузионная) волна Герца, причем величина эффективного коэффициента температуропроводности оказывается с хорошей точностью. постоянной. Этот коэф- [c.195]

Рис. 12.3. Результаты обработки натурных экспериментов подтверждают модель бегущей волны для верхнего термоклина.

При расчете энергетического баланса поверхности озера (описанного в п. 2.2) необходимы среднесуточные данные за период в несколько лет. Такие данные нужны как для верификации модели, так и в дальнейшем для имитационных прогнозов. (Наиболее широко используемые модели описываются в главе 3, а некоторые конкретные исследования обсуждаются в п. 7.1.) На основе имитационных расчетов за годовой период имеется возможность анализировать наиболее грубые характеристики изменчивости этого временного масштаба, такие, как глубина залегания и длительность существования термоклина, момент смены термической стратификации, а также мОмент наступления и продолжительности аноксии в гиполимнионе. Как уже отмечалось в п. 2.2, в таких расчетах баланс потоков энергии через поверхность водоема и ветровое напряжение входят в виде усредненных за 24 ч значений, что является грубым допущением. [c.65]

Современные модели энергетического баланса свободны от этих упрощений и позволяют предсказывать глубину залегания термоклина. В этих моделях после каждого шага по времени (направленного в будущее) осуществляется сравнение наличной потенциальной энергии перемешанного слоя с ветровой кинетической энергией, наличествовавшей на предыдущем временном шаге. По мере образования перемешанного слоя и его заглубления (увеличения по толщине) все больше и больше дополнительных нижележащих слоев оказываются вовлеченными в этот перемешанный слой [282, 417]. Скорость изменения потенциальной энергии в действительности соответствует работе, затрачиваемой на то, чтобы поднять слой холодной воды до центра масс перемешанного слоя [515]. [c.101]

Рассмотренные модели неявно предполагают, что разбавление может происходить неограниченно во времени и пространстве. В действительности же боковые границы будут ограничивать диффузию. То же можно сказать о донной границе, свободной поверхности водоема и, возможно, об очень устойчивых слоях (таких, как термоклин). В действительности шлейфы загрязняющих вод могут образовываться либо непосредственно на поверхности, либо быстро поднимаются к последней. Это означает, что диспергирование в вертикальном направлении оказывается исключенным. [c.153]

Однако ни в анализе, выполненном Бедфордом и Бабаджимо-поулосом [27], ни в многочисленных разработках моделей термоклина не производится четкого разделения между экспериментальными данными, осредненными по озеру, и данными, относящимися к каким-то отдельным станциям. В результате в некоторых публикациях (например, [588]) сравнение расчетов по озерно-усредненной модели производится с данными наблюдений, полученными лишь для одной точки в озере (которая обычно соответствует месту максимальной глубины водоема). [c.82]

Нантюа (46,2° с. ш., 5,6° в. д.) получили наилучшее соответствие модельных расчетов и экспериментальных данных при ст=13 и /г =1,6. Было показано (см. обсуждение результатов модельных расчетов в п. 7.1), что использование в моделях термоклина этих значений а я п дает результаты, близкие к данным наблюдений. И тем не менее уравнение (3.61) не может рассматриваться в качестве самостоятельного подхода для описания процессов турбулентности в водоеме. Хотя здесь используется только параметрическое выражение для /(Ri), существуют и другие функциональные соотношения между коэффициентами турбулентной диффузии тепла /Ст и количества движения (момента) Км, потоковым (Rin) и градиентным (Ri) числами Ричардсона и турбулентным числом Прандтля (Рг). [c.96]

В. М. Царенко провели обработку в этих координатах многочисленных натурных данных, хорошо подтвердивших модель бегущей волны для верхнего термоклина. На рис. 12.3 представлены результаты Ефимова по обработке осредненного за октябрь 1968— [c.207]

Модель, рассмотренная ранее в этом разделе, описывает первую стадию процесса установления градиента давления. Дальнейшее развитие процесса было исследовано в численных моделях (например [622]). Модель также показывает ограниченность зоны, занятой противотечением, пределами экваториального радиуса деформации Россби и воспроизводит апвеллинг, связанный с экмановской дивергенцией на экваторе. Большое значение имеет также наклон термоклина, поскольку он приводит к подъему холодной воды к поверхности в восточонй части области. Таким образом, в периоды активных воздействий на океан воды легко выходят на поверхность и охлаждают е, в другое же время поверхность покрыта тонкой теплой пленкой. На западе перемешанный слой глубокий и достаточно теплый, так что изменения интенсивности перемешивания или притоков тепла от атмосферы не могут сильно изменить температуру поверхности. [c.189]

Рис. 11.20. Меридиональное сечение структуры течений через экватор, построенное с помощью линейного решения Маккриэри [501, рис. 4с]. В левой части показаны зональные течения (восточные течения имеют положительный знак). В правой части рисунка — потоки в меридиональной плоскости. В качестве вынуждающей силы в модели задается западное напряжение ветра на поверхности, действующее в ограниченном диапазоне широт и долгот. Зона действия ветра симметрична относительно экватора и срединной линии между меридиональными границами. Показанный разрез выполнен посередине области. Профиль плотности характеризуется наличием верхнего пере- мешанного слоя глубиной 75 м с резким экспоненциальным уменьшением плотности непосредственно над его границей и менее сильным падением в более глубоких областях. Отметим существование сильного восточного противотечения (изолинии в см/с), выше и нил<е которого расположены западные течения, и возникновение апвеллинга, поднимающего воды из термоклина. В качестве масштаба в левом нижнем углу правого рисунка помещены стрелки, длина которых соответствует скоростям 0,005 см/с по вертикали и 10 см/с по горизонтали. Горизонтальные оси координат размечены в километрах.

Рис. 12.5. Стационарная свердруповская циркуляция ветрового происхождения при гармонически меняющемся восточном напряжении ветра. Модель ветрового напряжения показана на левом рисунке. Она приближенно соответствует действительно встречающимся значениям напряжения в этих широтах. Вблизи 30° с. ш., где давление на поверхности максимально, экмановская подкачка также максимальна и направлена вниз. Справа сплошными линиями -показано решение. В действительности реакция имеет преимущественно бароклинный характер (в том смысле, что наболее мощные течения ограничены пределами верхних слоев), так что изолинии могут представлять и динами- ческие высоты, и глубину термоклина. Результаты численных расчетов для океанов реальных очертаний очень похожи (см., например, [24]), Пунктирные линии в левом нижнем углу рисунка нанесены для того, чтобы показать, как связаны с решением Свердрупа зоны зарождения западных пограничных течений (см. разд. 12.6).

Ледовый покров по результатам моделирования начинает разрушаться с 11 апреля, и к 7 мая площадь льда уменьшается вдвое, а к 17 мая озеро полностью освобождается ото льда (рис. 21). По данным А. И. Тихомирова (1968), полное очищение Ладоги наступает в первой половине мая. Тогда же происходит зарождение термобара. В модели эти явления происходят примерно в те же сроки. По результатам расчетов, в глубоководной части озера температура воды практически постоянна и равна примерно 2 °С. На мелководье, между берегом и термобаром, начинает формироваться термоклин (рис. 6, а, б 19, а, б). Окончание периода весеннего нагревания связывают с исчезновением термобара. Согласно данным А. И. Тихомирова (1968), это происходит в среднем в середине июля. В модели термобар, идентифицируемый изотермой 4°С на поверхности, исчезает 10 июля. [c.123]

Период зимнего охлаждения. Начало периода зимнего охлаждения связывают с моментом достижения водными массами температуры максимальной плотности. Он начинается, по результатам расчетов, с 17 декабря. В ноябре—декабре в модели получено сокращение площади ледового покрова (рис. 21), что согласуется с данными наблюдений. К середине февраля 95 % площади поверхности озера покрыто льдом. Изотерма 2 °С (в вертикальном сечении) перемещается с глубин 15—20 м на глубины 50—80 м. К моменту окончания периода зимнего охлаждения положение изотерм близко к горизонтальному. Температура воды в гиполимнионе находится в пределах 1.5—2.2 °С. Наиболее ярко зимний термоклин представлен на рис. 18, в, г. Изменение теплозапаса озера, который в этот момент минимален, незначительно. Процесс образования льда сопровождается не только приповерхностным, но и общим охлаждением водоема. На рис. 18, а и б хорошо прослеживается постепенное заглубление изотермы Т=2°С. Каким образом происходит передача тепла из глубины водоема к поверхности Можно указать два механизма турбулентную диффузию и адвекцию. Судя по величине коэффициента вертикальной турбулетной диффузии Уг, которая в глубоководной части близка к 10" м /с, и по величине вертикальной скорости, имеющей в гиполимнионе порядок 10-5 сделать определенный вывод о преобладании одно- [c.138]

Модель В. В. Меншуткина и О. Н. Воробьевой (1987) экосистемы Ладожского озера, так же как и созданная на ее основе модель, представленная в гл. 6, были предназначены прежде всего для определения реакции экосистемы на рост фосфорной нагрузки. Однако биотический блок этих моделей был построен на основе данных наблюдений за озером в период 1976—1979 гг. Поэтому не учитывались изменения в экосистеме озера, наметивпшеся во второй половине 80-х годов. Так, по мнению многих исследователей (Ладожское озеро..., 1992), в озере возросла роль растворенного органического вешества и бактериопланктона во внутриводоемном обороте фосфора в период развитого термоклина отмечается возникновение зон с пониженным содержанием кислорода, отмечено также изменение видового состава доминирующих групп фитопланктона. Использованное в предыдущих моделях представление фитопланктона в виде одной однородной группы не позволяло повысить точность определения первичной продукции в условиях меняющихся биогенной нагрузки и погодных условий. Развитие процесса антропогенного эвтрофирования озера потребовало для его исследования создания математических моделей экосистемы, которые могли бы уточнить многие представления о процессе оценить вклад различных групп гидробионтов в регулирование внутриводоемного обмена веществом и энергией, оценить потоки вещества на границах вода— дно и вода—атмосфера, воспроизвести сезонную смену видов фитопланктона, сукцессию. [c.212]

Следует отметить, что 5ЕВ не зависит от модели вертикального температурного профиля в озере (глава 3), поскольку поверхностная температура может быть точно предсказана непосредственно по 5ЕВ без дополнительных имитационных расчетов глубины залегания термоклина (хотя, конечно, многие модели позволяют рассчитать и то и другое). Из рис. 2.26 видно, сколь блестяще результаты расчетов согласуются с данными наблюдений за 1974 г. для оз. Келоун (44,9° с. ш., 93,2° з. д.) [167] и данными, усредненными за 1966—1975 гг. для оз. Уиндермие [220]. I [c.64]

Более подробное обсуждение вопроса о заглублении термоклина в рамках моделей перемешанного слоя можно найти в работах Тёрнера и Крауса [571], Полларда и др. [417], Хенсена [201], а также Ниилера [377]. [c.107]

При изложении конкретных принципов будем в миниатюре сохранять структуру принятого в этой книге изложения вначале обсудим приложение моделей турбулентной диффузии и термоклина, затем — моделей биолого-химических циклов и наконец — модели эвтрофикации. Заключительные разделы этой главы посвящены описанию технической реализации рекомендаций, выработанных струйными и дестратификационными моделями. [c.239]

Расчеты по этому выражению производились только для слоя эпилимниона. В гиполимнионе значение /Ст принималось постоянным и равным /Сткл, где /Сткл — значение /Ст на уровне термоклина. В модели использовался логарифмический закон сдвига скорости ветра (что, как было показано в п. 3.1, далеко от действитель- [c.250]

Чтобы проиллюстрировать возможности одной из типичных моделей с точки зрения достижимой для нее точности имитационных расчетов, остановимся более подробно на результатах работы Форда и Стефана [166]. Приведенные на рис. 7.15 как измеренные, так и рассчитанные изоплеты для оз. Келоун на 1974 г. свидетельствуют об отсутствии сколько-нибудь серьезных несоответствий между ними. В разумных пределах точности получено значение глубины залегания термоклина. Хотя здесь следует [c.252]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология