авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Моделирование ветрового волнения. численные расчеты для исследования климата и проектирования гидротехнических сооружений

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

(РОСГИДРОМЕТ)

Государственное учреждение

«Государственный океанографический институт»

(ГУ «ГОИН»)

На правах рукописи

КАБАТЧЕНКО ИЛЬЯ МИХАЙЛОВИЧ

Моделирование ветрового волнения. Численные расчеты для исследования климата и проектирования гидротехнических сооружений

Специальность: 25.00.28 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Государственном Учреждении «Государственный океанографический институт» (ГУ «ГОИН») РОСГИДРОМЕТА.

Научный консультант доктор физико-математических наук,

академик РАН В.Е. Захаров

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук К. В. Показеев

Доктор физико-математических наук С. Ю. Кузнецов

Доктор технических наук Г. И. Литвиненко

Ведущая организация - Московский Государственный Строительный Университет

Защита состоится « » 2007 г. в « » часов на заседании Диссертационного совета Д002.239.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН по адресу: 117851, Москва, Нахимовский пр., 36.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

кандидат географических наук

С.Г.Панфилова

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена разработке компьютерной технологии расчета полей ветрового волнения и исследованию на основе полученных результатов климатических характеристик ветрового волнения морских акваторий. Входной информацией для этой технологии являются приповерхностные поля ветра. Основные требования, которые предъявляются к технологии:

  • выходная информация включает в себя наиболее полный набор вероятностных характеристик ветрового волнения, в том числе и направленный спектр;
  • физическая модель, используемая для разработки технологии, соответствует современной теории генерации и распространения ветровых волн;
  • эксплуатационные свойства модели – прежде всего скорость вычисления – позволяют использовать ее для прогноза ветрового волнения и анализа климата ветрового волнения на современном парке вычислительной техники, включая персональные компьютеры.

Точность расчета полей ветрового волнения с использованием данной технологии подтверждена по сравнительным данным нескольких натурных экспериментов в Северной Атлантике, Черном и Балтийском морях. Современная теоретическая обоснованность используемой технологии и подтвержденная в сравнительных экспериментах точность расчетов позволили получить новые сведения о пространственно-временной изменчивости волнового климата Балтийского, Черного, Каспийского, Японского, Карского и Баренцева морей. Для всех расчетных регионов получены оценки экстремальных высот волн и выявлены тенденции в изменении волнового климата в эпоху антропогенного потепления.

Актуальность темы

Последние десятилетия характеризуются более интенсивным включением открытых и прибрежных районов мо­рей и океанов в сферу хозяйственной деятельности человека. При этом меняется структура этой деятельности. Если традиционно мо­ря и океаны ранее были преимущественно районами рыболовства и мореплавания, то сейчас все больше внимания привлекают и шельфовые зоны, которые превращаются в районы освоения и добычи минеральных ресурсов, в первую очередь нефти и газа. Нефтегазодобывающие платформы устанавливаются на все больших глубинах. Планируется разработка месторождений полезных ископаемых с материкового скло­на и даже ложа морей и океанов. Изменения в структуре хозяйст­венного использования морей и океанов и введение новой техноло­гии разведки и добычи полезных ископаемых повышают требования к объему и качеству гидрометеорологического обеспечения. При проектировании гидротехнических сооружений для открытых и при­брежных районов морей и океанов требуются сведения о «фоновых» и «экстремальных» волновых условиях. Как правило, эти сведения стремятся получить, используя наблюдения применительно к конкретно­му месту акватории. Однако только для редких точек Мирового оке­ана существуют ряды инструментальных наблюдений, для большинст­ва районов режимные характеристики волнения рассчитывают на основе численного моделирования или получают путем обобщения визуальных попутных судовых наблюдений. Несмотря на очевидные успехи в деле освещения волнового климата с использованием визуальных наблюдений (см., например, Gulev, Grigorieva et al., 200l), по точности определения «экстремальных» характеристик ветрового волнения этот подход уступает подходу, основанному на численном моделировании параметров ветровых волн. Можно привести несколько доводов в пользу этого утверждения. Как правило, капитаны стараются не попадать в штормовые зоны, в силу этого «экстремальное» волнение фиксируется реже, чем оно наблюдается в природе. Исследование волнового климата по данным визуальных наблюдений ведется не для конкретной точки, а обобщаются наблюдения, собранные в неком районе. В случае сильной пространственной изменчивости волнового климата в данном районе результат будет зависеть от его размеров и формы.

Последние десятилетия характеризуются прогрессом в области моделирования ветрового волнения. Он связан с разработкой моделей, которые позволяют рассчитывать направленный спектр ветрового волнения. Мировое признание получила модель WAM (см., например Komen et al., 1994; Polnikov et al., 2002), в нашей стране разработана «узконаправленная» модель ветрового волнения (Захаров, Смилга, 1981; Заславский, 1989; Кабатченко и др., 2001), которая по точности не уступает модели WAM, но качественным образом превосходит ее по быстродействию. В настоящее время разработано несколько методов вычисления режимных характеристик ветрового волнения, основанного на анализе результатов численных расчетов параметров волнения (см., например, Кабатченко, 1995; Рожков и др., 2000). Наибольшую известность получил метод POT (Petrauskas, Aagaard, 1971; Mathiesen et al., 1994; Матушевский, Кабатченко, 1999), надежность которого подтверждена множеством экспериментов, выполненных как в научных, так и в прикладных целях. Успехи в развитие численных моделей ветрового волнения и методов исследования волнового режима позволили автору на новой научной основе исследовать пространственную и временную изменчивость волнового климата на морях России. В том числе были оценены режимные параметры волн с малыми вероятностями превышения. В полной мере это относится и к высоте волны с периодом повторяемости 100 лет - основной режимной характеристике, необходимой для проекти­рования нефтегазодобывающих платформ. Была исследована важная особенность волнового климата - межгодовая изменчивость. Решение всех перечисленных вопросов необходимо для обоснования проектирования и строительства гидротехнических сооружений, для безаварийного ведения работ на шельфе и экономного расходования средств и материалов. Отсюда следует, что тема данной работы является актуальной и практически значимой.

Цель исследования

Цель исследования – выяснение пространственно-временной изменчивости волнового климата морей, омывающих Россию, выяснение «экстремальных» волновых условий для этих морей, создание компьютерной технологии диагноза и прогноза волновых полей для условий глубокого и мелкого моря.

Для развития данного направления:

  1. Разработана новая численная гидродинамическая модель ветрового волнения, позволяющая по исходным полям ветра рассчитывать направленные спектры ветрового волнения в узлах регулярной сетки. Она базируется на «узконаправленной» спектральной теории ветрового волнения, разработанной акад. В.Е. Захаровым;
  2. Внедрен в практику оперативных работ ГМЦ метод прогноза ветрового волнения, основанный на «узконаправленной» модели ветрового волнения. Метод верифицирован по данным нескольких сравнительных натурных экспериментов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оперативным методам, и лицензирован Центральной Методической Комиссией Росгидромета;
  3. Разработана система приемов для определения «экстремальных» режимных характеристик волнения на глубокой и мелкой воде, основанная на методе цензурированных выборок;
  4. Исследованы режимные параметры ветрового волнения для морских акваторий с различными климатическими условиями и характером волнообразования (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);
  5. Выполнены комплексные исследования режима ветрового волнения Черного моря, включающие детальный анализ пространственной и временной изменчивости режимных характеристик;
  6. Разработана система численных моделей аэрогидродинамических процессов у поверхности раздела атмосфера - море в осенних вторичных термических циклонах Черного моря. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов.
  7. Исследованы параметры ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовых течений в шторме 9-11 ноября 1981 года, приведшего к катастрофическим разрушениям гидротехнических сооружений на акваториях, прилегающих к западному побережью Крыма.

Методы исследования

  1. Проведение натурных экспериментов по измерению поверхностного волнения и применение современных методов обработки измерений с целью получения вероятностных характеристик ветрового волнения, в том числе и спектральных;
  2. Численное гидродинамическое моделирование ветрового волнения по исходным полям ветра;
  3. Применение современных методов анализа климатических характеристик волнения, в том числе и с малыми вероятностями превышения.

Положения, выносимые на защиту

  1. Разработана новая численная модель диагноза и прогноза направленных спектров ветрового волнения по исходным полям ветра.
    Модель основана на «узконаправленной» спектральной теории ветрового волнения, созданной акад. В.Е. Захаровым.
  2. На базе данной численной модели разработана компьютерная технология расчета направленных спектров ветрового волнения. Технология верифицирована по данным натурных экспериментов и внедрена в практику работ Росгидромета. На Центральной Методической Комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета данная технология была рекомендована в практику оперативных работ (решение от 17.10.01). На научно-техническом совете Росгидромета 6 июля 2001 года «узконаправленной» модели был придан статус Российской Атмосферно-Волновой Модели;
  3. Предложена система приемов для определения параметров ветрового волнения с большими периодами повторяемости (5 лет и более) на глубокой и мелкой воде, базирующаяся на методе цензурированных выборок. Предложены критерии выделения синоптических ситуаций, относящихся к штормовым, из всего ряда наблюдений;
  4. Разработанные модель ветрового волнения и система приемов определения «экстремальных» характеристик позволили исследовать режимные характеристики ветрового волнения по специализированным запросам народнохозяйственных организаций. Исследовался волновой режим морских акваторий, в которых предполагается строительство гидротехнических сооружений. Данные акватории различались между собой климатическими условиями и характером волнообразования (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);
  5. Проведены комплексные исследования режима ветрового волнения Черного моря. Установлено возрастание высот волн с большими периодами повторяемости с севера моря на юг. Выявлены два максимума для высот волн, возможных раз в 10 лет, в юго-восточном и юго-западном районах моря. Выделен устойчивый тренд в средней за год мощности ветрового волнения. Мощность волнения последние 15 лет на море возрастала, причем, для восточных районов она росла быстрее, чем для западных;
  6. Выделен тип штормов, которые приводят к катастрофическим разрушениям для северных районов Черного моря. Эти штормы вызываются осенними вторичными термическими циклонами (ВТЦ). Построена система численных моделей аэрогидродинамических процессов у поверхности раздела в этих штормах. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов. Показано большое влияние разницы температуры вода - воздух и повышенной шероховатости взволнованной поверхности на обмен импульсом в системе атмосфера-море.
  7. В шторме 9-11 ноября 1981 г. рассчитаны параметры ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовые течения. Согласно исследованиям данный шторм является наиболее полным аналогом в новейшей истории «Балаклавской бури» наиболее жестокого по историческим данным шторма, вызванного осенними ВТЦ. Показано, что параметры ветровых волн в эпицентре этих штормов решительно превосходят наблюдаемые даже самых сильных штормах на севере Черного моря. Указанные штормы следует выделять в особый тип природных явлений, приводящих к катастрофическим последствиям.

Научная новизна работы

Новизна работы определяется как использованными подходами, в решении задачи численного моделирования ветровых волн, так и полученными результатами. Новизной подхода является применение в разработке численной технологии расчета и прогноза ветрового волнения «узконаправленной» теории ветрового волнения. Это первая в мире данного типа компьютерная технология, в которой используется альтернативное «дискретному» упрощение кинетического интеграла. Новизна полученных результатов заключается в обосновании выделения наряду с «фоновыми» и «экстремальными» волновыми условиями еще одного типа природных явлений, которые приводят к катастрофическим последствиям. Данный тип явлений возможен при совпадении целого ряда неблагоприятных гидрометеорологических условий. На основе массовых численных расчетов с помощью разработанной численной модели автором получены новые сведения о пространственно-временной изменчивости волнового климата морей, омывающих Россию, в эпоху антропогенного потепления.

Фактический материал

Для верификации компьютерной технологии расчета и прогноза ветрового волнения использованы данные 4-х научных экспериментов в Северной Атлантике, Черном и Балтийском морях, Финском заливе. В экспериментах в Финском заливе и на Черном море автор принял личное участие. При анализе волнового климата использованы базы данных гидрометеорологических параметров в штормах Балтийского, Черного, Каспийского, Японского, Карского и Баренцева морей. В создание этих баз данных принимал участие автор.

Личный вклад автора

Структурно работа состоит из четырех блоков:

  1. Разработана компьютерная технология диагноза и прогноза направленных спектров ветрового волнения по исходным полям ветра;
  2. Проведены натурные эксперименты для верификации разработанной технологии;
  3. Проведены численные расчеты полей ветровых волн в Черном, Балтийском, Баренцевом, Каспийском, Карском и Японском морях;
  4. Обобщены результаты выполненных расчетов и получены новые сведения о пространственно-временной изменчивости высот волн, закономерностях и тенденциях изменения волнового климата.

В области создания компьютерной технологии автором разработан алгоритм численной реализации «узконаправленной» модели ветрового волнения, создана компьютерная программа, обоснована по литературным источникам и натурным экспериментам основная гипотеза, использованная при выводе «узконаправленной» теории. Численная модель была им реализована на ЭВМ и адаптирована к современным технологиям диагноза и прогноза ветрового волнения Росгидромета РФ. В области натурных исследований автор принимал непосредственной участие в планировании и проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов. Третий и четвертый блоки диссертации автором выполнены самостоятельно.

Практическая ценность работы

Созданная численная модель диагноза и прогноза направленного спектра ветровых волн по исходным полям ветрам является наиболее эффективным способом получения информации о состояния волнения в морях и океанах. Не уступая современным дискретным спектральным моделям по точности и уровню информативности, она решительно превосходит их по быстродействию. Полученные оценки режима ветрового волнения на Черном, Балтийском, Баренцевом, Каспийском, Карском и Японском морях и его пространственно-временной изменчивости, а также значения экстремальных высот волн, позволяют судить о закономерностях и тенденциях изменения волнового климата в эпоху антропогенного потепления.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре лаборатории ветрового волнения ГОИНа, лаборатории нелинейных волновых процессов ИОРАН и семинаре кафедры физики моря МГУ. На 4 всесоюзных и всероссийских конференциях и на 13 международных конференциях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, из них 12 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 13 статей в тематических сборниках и коллективных монографиях, 17 статей и тезисов в трудах научных конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы, всего 251 публикация. Работа изложена на 281 странице, включая 102 рисунка и 16 таблиц.

Благодарности



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.