Разработка и применение информационно-вычислительного комплекса для моделирования циркуляций и термического режима Телецкого озера

• Автор: Данчев, Василий Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 160 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Г лава 1. Обзор экспериментальных исследований и работ по феноменологическому и численному моделированию Телецкого озера и некоторых озер-аналогов
1.1. Объект и необходимость моделирования
1.2. Обзор экспериментальных исследований и работ по феноменологическому моделированию циркуляций и термического режима Телецкого озера и некоторых озер-аналогов
1.3. Обзор работ по численному моделированию гидротермодинамического режима Телецкого озера и некоторых озер-аналогов
Глава 2. Информационно-вычислительный комплекс гидродинамики и термического режима Телецкого озера
2.1. Модульная структура и функциональные возможности ИВК «Телецкое озеро»
2.1.1. Исходные уравнения, краевые и начальные условия, численная реализация, файловая структура, возможности и ограничения модели гидродинамики и качества воды СЕ-СЮАЕ-\/
2.1.2. Модули генерации файла батиметрии и пре- и постпроцессорной обработки входной и выходной информации. База данных для обеспечения работы модулей ИВК
2.2. Технология и результаты автоматизированной генерации файла батиметрии Телецкого озера и устьевого участка реки Чулышман
2.3. Проблемы и программа калибровки и верификации ИВК «Телецкое озеро»
Глава 3. Численное исследование динамики проникновения вод реки Чулышман в меридиональную часть Телецкого озера в период весеннего половодья
3.1. Численное воспроизведение стадий проникновения речных вод в глубокое межгорное озеро, описываемых гипотетической схемой Кармака. Оценки влияния начальной температуры озера на циркуляции схемы Кармака
3.2. Результаты моделирования динамики проникновения вод реки Чулышман в Телецкое озеро в период весеннего половодья при реальной начальной температуре водоема и различных сценариях задания параметров сезонного внешнего метеорологического воздействия

Глава 4. Численное исследование термического режима и циркуляций Телецкого озера в периоды весеннего и летнего нагревания при сезонной изменчивости параметров внешних метеорологических и гидрологических воздействий
4.1. Результаты численного исследования механизмов возникновения и перемещения речного и озерного термических баров в меридиональной и широтной частях Телецкого озера
4.2. Результаты численного исследования механизмов возникновения и перемещения термических баров Кыгинского и Камгинского заливов
Глава 5. Оценка прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро» по численному воспроизведению особенностей термического режима водоема при
прямом учете внутрисуточной и синоптической изменчивости переменных метеорологических и гидрологических внешних воздействий по данным наблюдений за апрель-июль 1968 года
5.1. Анализ результатов прогнозов температуры воды в поверхностном и придонном слоях Телецкого озера
5.2. Качественное и количественное сравнение расчетных и измеренных вертикальных профилей температуры воды Телецкого озера
Заключение
Список литературы
Приложения
Введение

Исследование гидротермодинамических процессов в глубоких стратифицированных озерах относится к числу наиболее важных задач физической лимнологии и является основой для изучения гидрохимических и гидробиологических процессов в них. Для крупных озер с большим временем полного водообмена атмосферные воздействия (ветровой режим и теплообмен на поверхности водоема) оказываются доминантно значимыми при формировании циркуляции и термического режима таких водоемов. Для проточных озер небольших размеров с малыми значениями времени водообмена важным становится взаимодействие между водоемом и протекающими через него речными водами, в результате чего приток и отток рек в значительной мере определяют термодинамический режим таких водоемов. Большое число озер, включая Телецкое, оказываются в средней части спектра времени полного водообмена. Циркуляции и термический режим таких озер находятся как под влиянием притока и оттока речных вод, так и существенно зависят от характеристик атмосферных воздействий, процессов внутренней термодинамики и морфометрии водоемов. Изучение природных механизмов, влияющих на циркуляции и распределение водных масс в таких озерах, а также оценка антропогенных воздействий, влияющих на показатели качества воды, представляют несомненный научный и практический интерес.
В виду многообразия и сложности процессов, определяющих циркуляции и термический режим озер и водохранилищ, эффективным средством оценки и прогноза переменных гидротермодинамики является математическое моделирование. Использование математического моделирования и проведение вычислительного эксперимента позволяют оценивать природоохранные аспекты и последствия реализации проектов, связанных с антропогенным воздействием на водные экосистемы и разрабатывать эффективные системы

феноменологической модели [98] в работах [35, 36] не воспроизводились вообще.
Таким образом, представленный выше краткий обзор свидетельствует о том, что приоритет в разработке нестационарных двумерных поперечно-осредненных численных моделей гидротермических процессов в Телецком озере принадлежит ИВЭП СО РАН, благодаря работам О.Ф. Васильева, В.И. Квона и соавторов [35, 36, 135, 136 и др.]. Вместе с тем, очевидна необходимость дальнейшего изучения гидротермодинамического режима Телецкого озера. В первую очередь это связано с необходимостью исследований динамики проникновения вод реки Чулышман в меридиональную часть Телецкого озера в период весеннего половодья. Как отмечалось выше в моделях [35, 36, 135, 136 и др.] для южной части Телецкого озера не воспроизводятся характерные особенности циркуляции фаз Б (плотностная склоновая струя) и в (речной термический бар, запирающий приток речной воды в озеро), описанные в феноменологической модели Кармака [98]. Следует отметить, что вопрос о физическом понимании процессов формирования, перемещения и слияния термических баров Телецкого озера (речной и классический озерный термобары, локальные термобары в Кыгинском и Камгинском заливе) остается по существу открытым, как в экспериментальном, так и теоретическом отношениях и требует дальнейших исследований. Особенно много неясностей связано с выяснением влияния короткопериодной изменчивости параметров внешних метеорологических и гидрологических факторов на формирование и развитие термических баров озера.
Проблемы и результаты численного моделирования весенних термических баров в глубоких озерах, на примере озера Камлупс и озера Байкал (Телецкое озеро, согласно [62, 64], часто называют «Малым Байкалом»), обсуждаются в работах [3, 4, 32, 79-82, 84, 116, 117, 133 и др.]. Динамика речного термического бара, обусловленного весенним нагреванием вод р. Селенга, основного притока озера Байкал, в статье [117] изучается с использованием двумерной продольно-вертикальной численной модели озера,