ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 6, с. 664-675
УДК 551.465
РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЙ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ПРИБРЕЖНЫХ ВОДАХ БОЛЬШОГО СОЧИ © 2013 г. Н. А. Дианский*, **, В. В. Фомин*, ***, Н. В. Жохова*, А. Н. Коршенко*
*Государственный океанографический институт им. Н.Н. Зубова 119034 Москва, Кропоткинский пер., 6 **Институт вычислительной математики РАН
119991 Москва, ул. Губкина, 8 ***Московский физико-технический институт 141700Долгопрудный, Московская обл. пер. Институтский, 9
E-mail: dinar@inm.ras.ru Поступила в редакцию 18.02.2013 г., после доработки 03.04.2013 г.
Предложена методика расчета распространения загрязняющих веществ (ЗВ) на прилегающей к Большому Сочи (БС) акватории Черного моря (ЧМ). Она основана на применении гидродинамической модели INMOM (Institute Numerical Mathematics Ocean Model), реализованной для всей акватории ЧМ в двух версиях М1 и М2. В первой используется равномерное пространственное разрешение модели с шагом ~4 км, а в М2 — неравномерное, с уменьшением шага до 50 м в акватории БС. Версия М2 используется только в периоды расчета переноса ЗВ, для которого начальное гидротермодинамическое состояние задается из М1. Обе версии отражают сложный характер циркуляции ЧМ, однако М2 более адекватно воспроизводит вихревую циркуляцию в его восточной части, где горизонтальное разрешение М2 выше. Отсюда сделан вывод, что для воспроизведения вихревой структуры циркуляции ЧМ необходимо разрешение модели порядка 1.5 км, а основной фактор формирования квазистационарного Батумского антициклонального вихря — топографические особенности в этой части моря. Расчет распространения ЗВ из р. Сочи, Хоста и Мзымта и из 18-ти труб глубоководных выпусков сточных вод проводился для периода половодья с 01.04.2007 г. по 30.04.2007 г. Показано, что большой вклад в распространение ЗВ от этих точечных источников осуществляют вихревые мезомасштабные образования, которые формируют сложную трехмерную структуру распространения ЗВ.
Ключевые слова: численная модель, моделирование течений, циркуляция, Черное море, перенос, загрязняющие вещества, морская среда.
Б01: 10.7868/80002351513060047
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в различных сферах человеческой деятельности приобретают особую важность оценка и прогноз состояния окружающей среды. В представленной работе предложена методика моделирования динамики Черного моря (ЧМ) для расчета распространения загрязняющих веществ (ЗВ) в прибрежной зоне района Адлер—Сочи (Большое Сочи). Актуальность выполненного исследования определяется возрастающей ролью Черного и Азовского морей (ЧАМ) как многоцелевой транспортной акватории, зоны промышленного освоения шельфа, а также рекреационного ресурса. В связи с этим особо следует отметить строительство газопровода "Южный поток", проведение Олимпийских игр в г. Сочи, стратегическое значение порта Но-
вороссийск и Керченского пролива. Очевидно, что функционирование этих и других морских объектов должно сопровождаться гидрометеорологическим обеспечением с совершенствованием систем контроля состояния морской среды.
На фоне коротко- и долгопериодных естественных флуктуаций состояния морской среды хозяйственная деятельность оказывает сильнейшее воздействие на экосистему ЧМ. Имеются данные о кризисных изменениях функциональных характеристик морских экосистем и трофической структуры биологических сообществ, вызванных антропогенным загрязнением [1—3]. Многочисленные научные исследования и данные мониторинга показали существенную загрязненность нефтепродуктами ЧАМ [4], что подтверждается и спутниковыми наблюдениями [3].
Имеющиеся данные свидетельствуют о значительном хроническом загрязнении, более существенно влияющем на экосистемы морей, чем даже катастрофические аварийные разливы типа Керченского в ноябре 2007 г. [2].
В настоящей работе предложена методика численного расчета распространения загрязняющих веществ (ЗВ) в прибрежных водах Большого Сочи. Она основана на применении сигма-модели морской и океанической циркуляции Института вычислительной математики (ИВМ РАН), получившей в международной практике название INMOM (Institute Numerical Mathematics Ocean Model).
1. ПРИМЕНЕНИЕ INMOM ДЛЯ РАСЧЕТА ЦИРКУЛЯЦИИ ЧЕРНОГО МОРЯ
В качестве гидродинамической модели для расчета полей течений в акватории БС использовалась сигма-модель морской и океанической циркуляции INMOM [5—8]. В ее основе лежит полная система так наз. примитивных уравнений гидротермодинамики океана в сферических координатах в приближениях гидростатики и Бус-синеска. В качестве вертикальной координаты используется безразмерная величина а, задаваемая как
ст = (z -q/(h -Z), (1)
где г — обычная вертикальная координата; Z = Ф, t) — отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности как функция долготы X, широты ф и времени t; H = H(X, ф) — невозмущенная глубина моря. Прогностическими переменными модели служат горизонтальные компоненты вектора скорости, потенциальная температура T, соленость S, отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности, толщина и сплоченность морского льда. Для расчета плотности используется уравнение состояния, специально предназначенное для численных моделей [9].
Главная особенность INMOM, которая отличает ее от других известных моделей океана, таких как MOM [10], модель ИВМ и ИОРАН [11], использующих г-систему координат, а так же POM [12] и ROMS [13] в а-системе координат и других заключается в том, что при численной реализации в INMOM используется метод расщепления по физическим процессам и пространственным координатам.
Метод расщепления дает возможность эффективно реализовывать обладающие малой дисси-пативностью квази-полунеявные схемы интегрирования по времени, которые позволяют применять в модели временные шаги в несколько раз большие, чем в моделях общей циркуляции океана, основанных на явных схемах с аналогичными
пространственным разрешением и коэффициентами вязкости и диффузии.
Для более точного описания процессов динамики океана оператор боковой диффузии второго порядка для тепла и соли представлен в форме, эквивалентной горизонтальной диффузии в обычной ^-системе координат [6]. В уравнениях движения для описания боковой вязкости, используется оператор 4-го порядка, эффективно подавляющий 2-х шаговую моду численного шума.
Рассматриваемая модель ШМОМ использовалась в двух версиях — модель 1 (М1) и модель 2 (М2). В М1 использовалось равномерное пространственное разрешение для акватории ЧАМ с шагом ~4 км. М2 реализовывалась для акватории ЧМ, но с неравномерными по пространству шагами, которые у побережья БС уменьшаются до 50 м.
Необходимость использования двух моделей обусловлена тем, что по М1 можно быстро рассчитывать циркуляцию всего ЧМ на любой заданный физический момент времени, поскольку временной шаг этой модели большой, порядка 5 минут. Вторая же модель М2 требует значительных вычислительных ресурсов, поскольку она имеет большую размерность сеточного пространства, а ее временной шаг — 30 с. Предполагается, что М2 будет использоваться только в моменты расчета распространения ЗВ, причем начальное гидрологическое состояние для М2 задается из расчетов по М1 путем интерполяции. Поскольку М2 реализуется на акватории всего ЧМ, то проблема условий на жидких границах, которая неизбежно возникла бы при использовании региональной модели высокого разрешения, исчезает. Ниже дано краткое описание особенностей моделей М1 и М2.
1.1. Модель М1 для расчета динамики Черного и Азовского морей
Более подробно с М1 как версии модели ГЫМОМ для ЧАМ можно ознакомиться по работе [5]. Пространственное разрешение модели 3' и 2'24'' по долготе и широте соответственно, что составляет ~4 км. Сеточная область в горизонтальной плоскости содержит 287 х 160 узлов. По вертикали задается 40 неравномерно распределенных по глубине ст-уровней.
Для задания глубин использовались данные по топографии Земли GEBCO (http://www.gebco.net) с пространственным разрешением 30''. Исходные данные высокого разрешения сглажены несколько раз с помощью фильтрации Тьюки и ограничены минимальной глубиной 1 м. Это необходимо для ст-модели, поскольку используется преобразование вертикальной координаты (1), и, следовательно, функция Н = Н(Х,ф) должна быть отличной от нуля и обладать достаточной гладкостью
на выбранной пространственной сетке, поскольку она входит во все операторы разностного дифференцирования [5].
Для построения начальных условий по T и S использованы данные Морского гидрофизического института Национальной академии наук Украины (МГИ НАНУ) [14], представляющие собой 3-х мерные среднемесячные климатические поля для акватории ЧМ с пространственным разрешением порядка 25—50 км, которые интерполировались на сеточную область модели.
Параметризация крупномасштабной горизонтальной турбулентной диффузии для температуры и солености осуществлялась с помощью оператора 2-го порядка с коэффициентом 50 м2 с-1. В качестве горизонтальной вязкости использовался оператор 4-го порядка с коэффициентом 109 м4/с.
Коэффициенты вертикальной вязкости и диффузии выбирались согласно параметризации Фи-ландера-Пакановского [15]. Коэффициент вертикальной вязкости изменялся от 10-4 до 10-3 м2/с, а диффузии — от 0.5 х 10-5 до 0.5 х 10-4 м2/с для T и от 0.1 х 10-5 до 0.1 х 10-4 м2/с для S. В случае неустойчивой стратификации для параметризации конвективного перемешивания коэффициент вертикальной диффузии задавался равным значению 2 х 10—3 м2/с. Чтобы избежать возможных для ст-модели ситуаций "выклинивания" вертикальных профилей T, S и скорости в приповерхностном 2.5-метровом слое океана для более интенсивного перемешивания коэффициенты диффузии и вязкости задавались тому же значению 2 х 10—3 м2/с. Для T и S на боковых границах и дне ставится условие отсутствия потоков. На границах для скорости ставится условие непротекания, дополненное условиями свободного скольжения на боковых границах и квадратичного трения на дне [5].
Для верификации М1 и расчета начального состояния гидрофизических полей ЧАМ для М2 был произведен расчет по М1 за период с 01.01.2007 г. по 31.12.2008 г. Расче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.