Оценки коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии в океане по данным дрифтеров: проблема картирования и параметризации

• Автор: Лыжков, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 25.00.28
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ГЛОБАЛЬНАЯ ДРИФТЕРНАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДЫ ОЦЕНИВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ В ОКЕАНЕ С ПОМОЩЬЮ ЛАГРАНЖЕВЫХ ЧАСТИЦ
1Л. История применения метода лагранжевых частиц для исследования циркуляции вод и турбулентной диффузии в океане
1.2. Глобальная дрифтерная программа (история развития, современное состояние, применение для изучения горизонтальной турбулентной диффузии в океане)
1.3. Методы расчета эффективного коэффициента турбулентной диффузии по статистике лагранжевой частицы
1.3.1. Метод Тейлора
1.3.2. Метод Дэвиса и метод дисперсии частицы
1.3.3. Метод меньшего главного компонента
1.3.4. Описание турбулентной диффузии с использованием модели случайных блужданий
1.3.5. Броуновское движение как пример статистического подхода к описанию диффузии
1.4. Метод расчета и картирование бароклинного радиуса Россби в океане
ГЛАВА 2. МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ДЭВИСА И РАСЧЕТЫ КОЭФФИЦИЕНТА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ В ИНДИЙСКОМ ОКЕАНЕ
2.1. Особенности циркуляции вод в верхнем слое Индийского океана
2.2. Модификация метода Дэвиса для расчета коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии в океане по данным дрифтеров
2.3. Карты максимального и асимптотического коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии в Индийском океане и их интерпретация
ГЛАВА 3. КАРТЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ В ПОВЕРХНОСТНОМ И ВЕРХНЕМ КВАЗИОДНОРОДНОМ СЛОЯХ ОКЕАНА И ИХ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ
3.1. Раздельное рассмотрение дрифтеров в зависимости от статуса плавучего якоря и выбор размера квадрата осреднения
3.2. Карты Ктах и Кт в верхнем квазиоднородном и поверхностном слоях Мирового океана и их интерпретация
3.2.1. Тихий океан
3.2.2. Атлантический океан
3.3. Параметризация коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии
3.4. Дискуссия. Чем отличаются дрифтерные оценки коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии от оценок по формуле Смагоринского и другие вопросы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Интерес к исследованию процессов турбулентной диффузии и перемешивания в океане обусловлен в первую очередь определяющей ролью турбулентности в формировании гидрофизических, гидрохимических, гидробиологических и иных полей в океанской среде [Монин, Озлшдов, 1981]. Благодаря турбулентному перемешиванию в тропической зоне океан аккумулирует большое количество тепла, которое затем переносится морскими течениями в умеренные и высокие широты. С другой стороны, в определенных локальных приполярных районах реализуется турбулентный процесс глубокой конвекции, благодаря которому тепло передается от океана к атмосфере, и охлажденная вода проникает в придонный слой океана, а затем переносится глубоководными течениями в сторону экватора, формируя глубинные и промежуточные водные массы, трансформация которых, в свою очередь, определяется процессами турбулентной диффузии. Такой процесс носит название меридионального термохалинного круговорота. Нельзя не отметить и чисто прикладной аспект исследований турбулентной диффузии в океане, связанный с необходимостью прогноза и мониторинга распространения в океанской среде различного рода антропогенных загрязнений (например, разливов нефтепродуктов вследствие аварий при их добыче на шельфе и транспортировке), а также выработки оптимальной стратегии поиска утерянных предметов, плавающих на поверхности моря (например, поиск жертв кораблекрушений).
Поскольку разрешить турбулентные вихри разного масштаба, которые непосредственно осуществляют обмен теплом, массой, импульсом и различного рода активными и пассивными примесями в океане, в рамках глобальных климатических конечно-разностных численных моделей океана технически невозможно ни сейчас, ни в обозримом будущем, становится актуальной проблема параметризации коэффициентов вертикального и горизонтального

Подставляя (1.3.25) в формулу Тейлора (1.3.6), получаем выражение для эффективного асимптотического коэффициента диффузии броуновской частицы Кв:
KB = j. (1.3.26)
В соответствии с законом равнораспределения кинетической энергии по
степеням свободы в статистической механике, кинетическую энергию х-
компонента броуновской частицы можно выразить через абсолютную температуру Тк и константу Больцмана к:
—mu2 = —кТК. (1.3.27)

Из уравнений (1.3.26 - 1.3.27) окончательно приходим к известной формуле Эйнштейна [Einstein. 1905] для эффективного коэффициента диффузии броуновской частицы
(1-3.28)
bnafi
1.4. Метод расчета и картирование бароклинного радиуса Россби в
океане
Поскольку в последней, третьей главе настоящей диссертации, где речь идет о параметризации коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии в океане, активно используется бароклинный радиус Россби, то было принято решение посвятить целый параграф методам расчета этого параметра.
Бароклинный радиус деформации Россби Lbc играет принципиально важную роль в теориях крупномасштабной циркуляции океана. Он определяет