Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посмотрите новые поступления ... Обратите внимание!
 
  Наука >> География >> Океанология | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

Лабораторное моделирование воздействия атмосферного вихря на океан

В.В.Алексеев.
Опубликовано в журнале "Природа", N 4, 1999 г.
В начало

Вячеслав Викторович Алексеев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. Специалист в области математического и физического моделирования геофизических систем.

В настоящее время все более понятной становится значительная роль тропических циклонов в общей энергетике атмосферы и океана. Достаточно сказать, что кинетическая энергия одного мощного тайфуна может достигать нескольких процентов энергии атмосферных движений всего полушария.

Перемещаясь над океаном, тропический циклон вызывает существенные нарушения полей температуры и плотности поверхностного слоя воды, которые называют термическим следом циклона. Ширина следа может достигать 500-1000 км, а время его релаксации - нескольких недель. Важнейший фактор воздействия тайфуна на океан - закачка значительных количеств тепла в глубины океана. Результаты наблюдений над ураганами "Элла" и "Элоиз" в Атлантике (1975) показали, что лишь 20-30% энергии верхнего квазиоднородного слоя (ВКС1) океана передается атмосфере, а основное ее количество уходит в глубины2. Один из результатов такого энергообмена - формирование в Тихом океане слоя теплой воды вдоль экватора, причем значительно более мощного в западной его части и тонкого в восточной.

Конвективное разряжение возникающей неоднородности приводит к возникновению Эль Ниньо, которое, как теперь выяснено, играет существенную роль в формировании погодных процессов всего мира. Важна роль тропических циклонов и в формировании таких градиентных течений, как Гольфстрим и Куросио.

Натурные наблюдения и измерения в тропических циклонах исключительно сложны и не дают ответов на многие вопросы в связи с ограниченными возможностями проведения исследований в штормовых условиях3. Поэтому важное дополнение к этим исследованиям - математическое и лабораторное моделирования. Недостатки первого связаны с тем, что, с одной стороны, приходится сильно упрощать задачу, хотя бы потому, что время машинного счета всегда ограничено, а, с другой стороны, трудность преодоления неустойчивостей при решении гидродинамических задач заставляет выбирать слишком большие вязкости, что приводит к искажению задачи.

Метод физического моделирования в гидродинамике достаточно широко используется при решении технических задач. Он позволяет достаточно быстро получить наглядные результаты, причем работая с реальным физическим объектом.

Поэтому можно считать, что наблюдаемые явления определяются гидродинамическими процессами и не связаны с выбором математической модели.

Лабораторное моделирование процессов циркуляции в атмосфере и в океане позволяет также освободиться от второстепенных факторов и провести исследования интересующих процессов в широких диапазонах значений параметров.

Рис.1 Лабораторная установка, моделирующая воздействие атмосферного вихря на воду (слева), и схема формирования центральной части воздушного вихря (справа, вид снизу). $\Theta$ - угол втока воздуха в вихревую камеру. 1 - отсасывающий вентилятор в кожухе, 2 - демпферная сетка, 3 - основание кожуха вентилятора, 4 - тангенциальные окна для создания регулируемой завихренности, 5 - прозрачные окна для наблюдения и фотографирования волн, 6 - лампы для нагрева воды и создания вертикальной термической стратификации, 7 - поверхность воды.

Физическое моделирование вихревых атмосферных процессов ведется достаточно давно. Исключительно важны такого рода работы, выполненные в 80-е годы под руководством А.М.Обухова в Институте физики атмосферы РАН, сотрудниками отделения физики плазмы в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова, а также на физическом факультете МГУ4. Физические модели процессов в океане крайне немногочисленны, не говоря уже об исследовании воздействия воздушного вихря на стратифицированную жидкость или возбуждения волновой структуры этим вихрем на поверхности жидкости.

Мы исследовали воздействие нижнего слоя атмосферного вихря на слой подстилающей воды в созданной нами экспериментальной установке, отвечающей требованиям динамического подобия. Это - теплоизолированный бассейн площадью $3 \times 4$ м2 и глубиной 3 м с воздушной камерой объемом 55 м3. Над бассейном на регулируемой высоте установлены нагреватели - ксеноновые лампы. С их помощью воздух над водой и вода прогреваются, в результате реализуется нужное вертикальное распределение температуры в воде. Бассейн имеет прозрачные окна, которые позволяют проводить визуальные наблюдения и фотосъемку. Генератор вихря - размещенный в кожухе вентилятор, создающий пониженное давление. Ниже вентилятора расположена демпферная сетка, препятствующая передаче углового момента от вентилятора непосредственно к поверхности воды. Вращение воздуха над водной поверхностью задается отклоняющими пластинами. Получаемый в результате профиль вращательной скорости воздушного потока в слое над поверхностью воды повторяет все характерные черты ветра в реальном урагане. В зависимости от угла втока воздуха, определяемого отклоняющими пластинами, можно имитировать атмосферные вихри различного типа5: тропические циклоны, когда угол втока большой (порядка 60°), или циклоны умеренных широт (угол - 10-20°).

Движение жидкости под воздушным вихрем определяется соотношением сил плавучести и инерционных сил. Характер течения в условиях циклона - значением критерия (или числа) Ричардсона
$R_i = {\displaystyle{\Delta \rho} \over \displaystyle{\rho}} \cdot {\displaystyle{gL_B} \over \displaystyle{V^2}}$
где $L_В$ - характерный вертикальный масштаб, за который принята толщина ВКС: 80- 100 м в натурных условиях и 5-6 см в модели; ${\displaystyle{\Delta \rho} \over \displaystyle{\rho}}$ - относительный перепад плотности, V - вертикальная скорость. Для адекватного моделирования реальной гидродинамической системы движение жидкости в модели должно характеризоваться тем же значением числа $R_i$.

Равенство этих чисел в реальной системе и нашей модели давало следующую связь между временными (T, Tm) и пространственными (L, Lm) масштабами для натурных условий и модели: $(L/L_m)^{1/2} = T/T_m$. Отношение вертикальных масштабов реальной системы и модели примерно 2000, так что отношение времен равно 40-50.

Очень важно, что для океанских течений протяженностью в десятки и сотни километров натурные измерения подтверждают линейную зависимость коэффициента турбулентного обмена от масштаба. Это позволило соблюсти геометрическое подобие модели и реального циклона. Если говорить о волновых движениях под воздушным вихрем, то размеры модели позволили пренебречь силами поверхностного натяжения. В природе тропические циклоны представляют собой быстродвижущиеся образования. В нашем бассейне мы не могли имитировать эту ситуацию. Однако сравнение удалось сделать с данными наблюдений благодаря уникальной ситуации, связанной с тайфуном "Вирджиния", который 26-30 июля 1978 г. прошел в районе 22-28° северной широты, 143-151° западной долготы. При этом он сделал петлю и таким образом почти трое суток стоял на одном месте. Наблюдения в следе этого тайфуна проводились в экспедиции "Тайфун-78" на гидрометеорологическом судне "Волна" 1-6 августа на семи разрезах поперек траектории тайфуна. В качестве фоновой была принята температура, измеренная 23-28 июня при стандартной океанографической съемке района. Внутри следа образовалось холодное ядро с максимальным охлаждением на 5-6° С. След "Вирджинии" имел неоднородную структуру: по его краям наблюдались высокие горизонтальные градиенты температуры воды, максимум которых достигал 2° С на 10 км.

Мы воспроизвели эту ситуацию в лаборатории и после пересчета по формулам подобия получили возможность сравнения6. Сначала примерно двое суток бассейн прогревался лампами, в результате чего установилось вертикальное распределение температуры, имитирующее ситуацию в спокойном океане. Затем мы включили на несколько часов воздушный вихрь и через каждые 15 мин измеряли температуру воды в 10 точках по вертикали, на различных расстояниях от центра вихря.

Рис.2 Преобразование начального вертикального профиля температуры (0) в водном слое через 30 мин (I), один (II), два (III) и три (IV) часа от начала действия вихря при угле отклонения пластин $\Theta = 60^{\circ}$; r - расстояние от центра вихря, rm - радиус максимальной скорости ветра.

Оказалось, что в центральной области существенную роль в трансформации поля температур играет восходящее движение воды (апвелинг), которое приводит к понижению температуры в области термоклина, к росту толщины верхнего перемешанного (квазиоднородного) слоя и к обострению градиента температуры на его нижней границе. Под областью максимальных ветров развивается нисходящее движение (даунвелинг), результат которого - повышение температуры по всей глубине термоклина на 1.5-2° С. Под периферийными областями вихря все изменения определяются только испарением и возникающей за счет него конвекцией, вклад которой из-за механического действия вихря невелик. Было исследовано уменьшение содержания тепла в верхнем квазиоднородном слое по мере воздействия вихря, связанное с отдачей тепла в атмосферу и нижние горизонты водной толщи модели.

Рис.3 Динамика теплопереноса из верхнего квазиоднородного слоя в атмосферу и в глубокие слои воды (заштриховано) после начала воздействия воздушного вихря. t - характерное время перемешивания ВКС.
Рис.4 Распределение температур на разных глубинах как функция расстояния от центра вихря. Сплошные линии - изотермы модели, штриховые - изотермы под тайфуном "Вирджиния". Т0, Т1 - температуры верхнего квазиперемешанного слоя (ВКС) в этих случаях соответственно. Глубина Z нормирована на толщину h (ВКС), расстояние от центра вихря - на радиус максимальной скорости ветра rm.


1 Перемешивание в этом слое способствует выравниванию в нем температуры. За нижнюю границу ВКС принимается глубина, на которой градиент температуры максимален.
2 Хаин А. П., Сутырин Г. Г. Тропические циклоны и их взаимодействие с океаном. Л., 1983.
3 Григоркина Р. Г., Фукс В. Р. Воздействие тайфунов на океан. Л., 1985.
4 Максуорси Т. Лабораторное моделирование атмосферных вихрей: Критический обзор // Интенсивные атмосферные вихри. М., 1985. С.260-284;
Гледзер Е. Б., Должанский Ф. В., Обухов А. М. Системы гидродинамического типа и их применение. М., 1981;
Незлин М. В., Снежкин Е. Н. Вихри Россби и спиральные структуры. М., 1990;
Взаимодействие в системе литосфера, гидросфера, атмосфера. М., 1996.
5 Алексеев В. В., Мелешко А. Н., Сугрей В. И. // ДАН СССР. 1983. Т.272. N 6. С.1348-1350;
Алексеев В.В., Баранов П.А., Метальников А.А. Физическое моделирование системы главных волн и термического следа тропического циклона // Энергоперенос в вихревых и циркуляционных течениях. Минск, 1986. С.145-154.
6 Алексеев В.В., Метальников А.А. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т.26. N 3. С.177-183.

Вперед


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования