Численная модель гидродинамики океана в криволинейных координатах для воспроизведения циркуляции мирового океана и его отдельных акваторий

• Автор: Гусев, Анатолий Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Математические основы омодели циркуляции океана ИВМ РАН и принципы ее численной реализации

1.1 Введение. И

1.2 Развитие стмодели циркуляции океана ИВМ РАН как составной части модели климатической системы.

1.3 Формулировка задачи моделирования циркуляции океана.

1.3.1 Понятие об обобщенных координатах.

1.3.2 Уравнения гидродинамики океана в обобщенной 7системе координат на сфере.

1.4 Основные принципы и особенности численной реализации сгмоделп общей циркуляции океана .
1.4.1 Метод расщепления как методологическая основа построения численной модели циркуляции океана .

1.4.2 Особенности разностной аппроксимации.

1.4.3 Методика интегрирования по времени уравнений крупномасштабной циркуляции океана
1.5 Выводы.
2 Воспроизведение климатической циркуляции Мирового океана
2.1 Введение.
2.1.1 Современные модели Мирового океана, использующиеся для долгосрочных климатических расчетов.
2.1.2 Расчетные сетки для моделировании глобальной циркуляции океана
2.2 Физические параметры модели и условия проведения экспериментов .
2.3 Результаты расчетов
2.3.1 Течения на поверхности, уровень океана и морской лед.
2.3.2 Экваториальная динамика
2.3.3 Характеристики меридиональной циркуляции.
2.4 Выводы.
3 Моделирование циркуляции Тихого океана с высоким пространственным разрешением
3.1 Введение.
3.2 Воспроизведение циркуляции северной части Тихого океана с помощью амодели с разрешением
3.3 Расчт переноса загрязняющего вещества в северозападной части Тихого океана по заданным сценариям выбросов
Оглавление З
3.3.1 Методика расчета распространения пассивной примеси
3.3.2 Расчет переноса загрязняющего вещества с разовым выбросом в
районе ПетропавловскаКамчатского
3.4 Выводы.
Заключение
Приложения
А Формулы преобразования координат и методика интерполяции при переходе в криволинейную систему координат
А.1 Преобразование подпространства стандартной сферы в криволинейную систему с двумя симметрично смещенными полюсами
.2 Практическая реализация преобразования координат и интерполяции .
В Методики расчета атмосферного воздействия для модели океана и модель эволюции морского льда
.1 Расчет потоков тепла, соли и импульса на поверхности океана
.2 Модель эволюции морского льда, соединенная с сигмамоделью циркуляции океана ч
В.2.1 Термодинамика льда .
.2.2 Динамика льда.
С Руководство по использованию модели океана
.1 Структура модели и ее компиляция.
С.2 Запуск модели
С.З Подготовка данных
.3.1 Подготовка исходных данных в гкоординатах .
С.3.2 Подготовка топографии.
С.3.3 Подготовка трехмерных полей в сгкоординатах
С.3.4 Создание температурной маски расчетной области
С.3.5 Использование СШССЖ для проверки входной температурной маски .
С.3.6 Подготовка данных для задания условий на жидких границах . . .
С.З.7 Особенности настройки модели и подготовки данных для глобального океана.
С.4 Схема работы модели.
Литература


И. Марчуку и Саркисяну, которые всегда поддерживали работы по созданию моделей Мирового океана д. Е.М. Володину за помощь по улучшению параметризаций модели глобального океана как компонента климатической модели к. Вагно за практическую помощь в реализации и внедрении в модель океана модели термодинамики и динамики морского льда к. В.Б. Сухову и д. Г.М. Кобслькову за предложение использования криволинейной системы координат и математическую основу для ее реализации д. С.Н. Мошонкину за помощь в анализе результатов и идеи для публикаций и докладов д. В.И. Агошкову за полезные замечания при подготовке диссертационной работы. Основу настоящей диссертационной работы составляет 7модель общей циркуляции океана, первоначально разработанная в ИВМ РАН под руководством Марчука Г. И. Залесным В. Б. , , б, 2, 7, 8, , 9. Исходная версия модели использовалась для воспроизведения сезонной климатической термохалинной циркуляции Северной Атлантики с разрешением 5 х 5 х уровней по вертикали под действием внешнего атмосферного воздействия 6. Далее к модели была добавлена упрощенная 0 елойная термодинамическая модель льда 8. Позднее Дианским была проделана работа по модификации этой модели с целыо повышения качества воспроизведения ею циркуляции Мирового океана. Модификация состояла в улучшении параметризации физических процессов путем разработки и численной реализации новых блоков модели и оптимизации программного кода модели для повышения ее эффективности , . Модификация была также необходима для того, чтобы 7модсль общей циркуляции океана могла служить океаническим блоком модели климатической системы, созданной в ИВМ РАН . В настоящее время известен ряд численных моделей циркуляции океана. Одни например, , ЮЗ используются для исследования различных аспектов глобальной циркуляции океана см. Мирового океана. Главная особенность, которая отличает стмодель общей циркуляции океана ИВМ РАН от хорошо известных зарубежных моделей таких как координатной МОМ 8, основанной на пионерских работа , 6, , сткоордннатной РОМ i 9, универсальной ОРД i 2, н других см. Глава 1. Наша модель относится к так называемому классу амоделей океана. В ней в качестве вертикальной переменной используется безразмерная переменная о 0,1, задаваемая с помощью соотношения
где физическая вертикальная координата по глубине, Н глубина океана в состоянии покоя, при этом считается, что Я. Нты с ограниченными производными по х,у отклонение уровня океана от его невозмущенного состояния, соответствующего геопотенцнальной поверхности 2 0. Следует отметить, что наша модель является единственной в мире моделью этого класса, способной воспроизводить климатическую циркуляцию Мирового океана и служить океаническим блоком в совместной модели 1. Под понятием модель мы будем подразумевать, как это делается в международной литературе см. Последние годы при активном участии автора работы сопровождались дальнейшим развитием модели. В частности, в предыдущих версиях модели использовалось приближение твердой крышки , при кагором задача баротропной циркуляции решалась путем получения и разрешения уравнения для функции тока. Такой подход вызывает ряд проблем, связанных с островами и с адекватным описанием обменов через проливы. Поэтому в дальнейшем в модели стало использоваться условие линеаризованной свободной поверхности, позволяющее описывать эволюцию уровеиной поверхности океана и не вызывающее проблем островов и проливов. Такая усовершенствованная версия модели использовалась для расчета циркуляции в отдельных океанах с вихредопускающим , 2 и вихреразрешающим 4 высокими пространственными разрешениями. В дальнейшем модель была еще более переработана автором и была дополнена блоком расчета атмосферного воздействия и моделью эволюции морского льда , 9, , которые приведены детально в приложениях В и А. Одним из важнейших достижений но развитию модели пали ее реализация на параллельных вычислительных машинах и обобщение на более широкий класс ортогональных криволинейных систем координат, что является одним из основных результатов настоящей работы.