Автореферат - Институт вычислительной математики и
advertisement
На правах рукописи Данчев Василий Николаевич Разработка и применение информационно-вычислительного комплекса для моделирования циркуляций и термического режима Телецкого озера Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном государственно бюджетном учреждении науки Институте Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук Научный руководитель: доктор физико-математических математических наук, профессор Пушистов Петр Юрьевич Официальные оппоненты: оппоненты Платов Геннадий Алексеевич доктор физико-математических математических наук, Федеральное государственное государственно бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник. сотрудник Чубаренко Ирина Петровна доктор физико-математических математических наук, Атлантическое отделение Федерального государственно государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им П.П. П Ширшова Российской академии наук, ведущий научный сотрудник. Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский Алтайский государственный университет» Защита состоится 12 ноября 2013 года в 16 часов 30 мин минут на заседании диссертационного совета Д 003.061.02 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск ибирск, пр. академика Лаврентьева, 6. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук. Автореферат разослан “10” октября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 003.061.02 при ИВМиМГ СО РАН РАН, д.ф.-м.н. д.ф Сорокин Сергей Борисович Общая характеристика работы. Диссертация посвящена созданию и верификации информационно-вычислительного комплекса, предназначенного для воспроизведения переменных гидродинамики и термического режима Телецкого озера – крупнейшего лимнологического объекта бассейна реки Обь. Основная часть притока воды в озеро (более 70 %) поступает через р. Чулышман в южную часть озерной котловины, а весь сток осуществляется через р. Бия в противоположной северо-западной части водоема. Поэтапно сформированный информационно-вычислительный комплекс (ИВК) состоит из четырех модулей: 1) модуль генерации модели сетки – WMS (www.aquaveo.com); 2) базовый прогностический модуль ИВК – двумерная продольно-вертикальная численная модель гидродинамики и качества воды CEQUAL-W2 (www.cee.pdx.edu); 3) модуль пре- и постпроцессорной обработки входной и выходной информации - W2i и AGPM-2D (www.loginetics.com); 4) база данных для обеспечения работы модулей 1–3. Указанный информационновычислительный комплекс, в котором область моделирования рассматривается как единая лимнолого-гидрологическая система: устьевой участок р. Чулышман – Телецкое озеро (включая Кыгинский и Камгинский заливы) с основными наиболее крупными боковыми притоками – исток р. Бии, позволяет комплексно исследовать гидротермодинамические процессы Телецкого озера во взаимосвязи с внешними геофизическими (гидрологическими и метеорологическими) воздействиями. Внешние геофизические воздействия в численных экспериментах с ИВК представлены либо в виде квазирегулярных (долгопериодных) сезонно-климатических изменений метеорологических и гидрологических переменных, полученных по данным наблюдений с декадным осреднением за период с 1968 по 1972 гг., либо характеризуются квазистохастической (средне- и краткосрочной) изменчивостью указанных переменных по суточным и синоптическим данным наблюдений за 1968 г. Актуальность темы. 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 1 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 предупреждения гидрологических и экологических чрезвычайных ситуаций (Марчук, 1982; Антонцев и др., 1986; Филатов, 1991; Белолипецкий и Шокин, 1997; Пененко и Цветова, 1999; Цхай и др., 2001; Пряжинская и др., 2002; Астраханцев и др., 2003; Кузин и Голубева, 2006; Аргучинцев и Аргучинцева, 2007; Чубаренко, 2010; Васильев, 2012; Loucks et al., 2005; Sene, 2008; и др.). Цель работы состоит в создании и верификации информационновычислительного комплекса и в изучении на его основе гидродинамического и термического режимов Телецкого озера при различных сценариях задания переменных метеорологических и гидрологических внешних воздействий. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Подготовить обзор экспериментальных исследований и работ по феноменологическому и численному моделированию циркуляций и термического режима Телецкого озера и некоторых озер – аналогов. 2. Создать тематическую базу данных, содержащую картографический материал, необходимый для обеспечения «информационного покрытия» области моделирования и гидрометеорологические данные, полученные с пунктов наблюдений Озерной станции Западно-Сибирского УГМС, необходимые для задания начальных и краевых условий, а также для калибровки и верификации численной модели CE-QUAL-W2. 3. Сформировать высокотехнологичный информационно-вычислительный комплекс, предназначенный для детального воспроизведения в пространстве и времени переменных гидродинамики и термического режима Телецкого озера и устьевого участка реки Чулышман. 4. Провести численное исследование механизмов формирования термического режима и циркуляций Телецкого озера при различных сценариях задания переменных метеорологических и гидрологических внешних воздействий. Осуществить верификацию информационно-вычислительного комплекса на основе сравнения результатов расчетов с данными наблюдений. Для решения перечисленных выше задач в диссертационном исследовании использован метод прикладного системного анализа водных объектов/экосистем, включая интегрированную реализацию следующих его этапов: реальный объект → экспериментальное и теоретическое изучение объекта → феноменологическая/концептуальная модель → математическая модель → имитационная/численная модель → испытание и анализ численной 2 модели (калибровка, верификация, анализ чувствительности и неопределенностей) → получение новых знаний об объекте (Страшкраба и Гнаук, 1989; Пряжинская и др., 2002; Пушистов и др., 2009; Loucks et al., 2005). Научная новизна работы. Сформирован информационновычислительный комплекс, адаптированный для численного моделирования уровенного режима, полей скоростей течения, температуры воды и динамики ледового покрова Телецкого озера (включая Кыгинский и Камгинский заливы), с расчетом соответствующих переменных устьевого участка реки Чулышман, на периоды весеннего и летнего нагревания при сезонной, синоптической и суточной пространственно-временной изменчивости переменных метеорологических и гидрологических внешних воздействий (далее ИВК «Телецкое озеро»). Анализ результатов проблемно-ориентированных численных экспериментов с ИВК «Телецкое озеро» позволил решить три конкретные задачи, которые являются новыми или имеют значительные элементы новизны. 1. Изучить динамику проникновения вод реки Чулышман в меридиональную часть Телецкого озера в период весеннего половодья. 2. Исследовать механизмы циркуляций и динамику термического режима Телецкого озера при сезонной изменчивости параметров метеорологических и гидрологических внешних воздействий по данным за 1968-1972 гг. В частности, изучены процессы формирования, перемещения и слияния термических баров Телецкого озера в периоды весеннего и летнего нагревания, включая: а) речной термический бар (возникает преимущественно за счет поступления вод реки Чулышман и перемещается в меридиональной части озера с юга на север); б) классический озерный термический бар (возникает на мелководном участке северо-западной части озера и перемещается с запада на восток); в) локальные термические бары в Кыгинском и Камгинском заливах, возникающие как за счет наличия мелководных зон, так и притока речных вод. 3. Дать количественную оценку прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро» по численному воспроизведению детальной структуры термического режима водоема при прямом учете фактической внутрисуточной и синоптической изменчивости переменных метеорологических и гидрологических внешних воздействий за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г. Научная и практическая значимость. Сформированный ИВК «Телецкое озеро» является высокотехнологичным инструментом для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований гидродинамики и термического режима Телецкого озера. Показано, что этот комплекс обладает эффективным технологическим ресурсом автоматизированного построения и экспресс–модификации файла батиметрии и быстрого анализа результатов моделирования, а также практически значимыми прогностическими возможностями и может быть использован в качестве гидродинамической информационно-вычислительной основы для построения численной модели экосистемных (физических, химических и биологических) процессов и явлений Телецкого озера. ИВК «Телецкого озеро» также может быть использован при 3 планировании программ будущих экспериментальных исследований Телецкого озера, например, при проведении экспедиционных работ, нацеленных на более полное изучение динамики термических баров водоема. Диссертация выполнена по тематическим планам научноисследовательских работ Института водных и экологических проблем СО РАН и в рамках целевой научно-технической программы Росгидромета «Научноисследовательские, опытно-конструкторские, технологические и другие работы для государственных нужд в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды» на 2011-2013 годы по направлению «Разработка, испытание и внедрение моделей и методов гидрологических расчетов, оценки и прогнозов состояния водных объектов» (индекс темы 1.1.8.12). Результаты диссертационной работы автора будут использованы Сибирским региональным научно-исследовательским гидрометеорологическим институтом для численного прогноза полей скоростей течения, температуры, ледового и уровенного режимов Телецкого озера при прямом усвоении результатов численного мезомасштабного прогноза погоды по модели SLAV (www.sibnigmi.ru), о чем свидетельствует акт внедрения от 31.05.2013 г. Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением результатов численного моделирования с данными, полученными с пунктов наблюдений Озерной станции Западно-Сибирского УГМС, а также путем сравнения результатов расчетов с феноменологическими моделями циркуляций и термического режима Телецкого озера и некоторых озер-аналогов. На защиту выносятся результаты формирования информационновычислительного комплекса «Телецкое озеро» и его применения для численного исследования гидродинамических, термических и ледовых процессов Телецкого озера, включая: – характеристики динамики проникновения вод реки Чулышман в меридиональную часть Телецкого озера в период весеннего половодья; – выводы о механизмах и детальной структуре процессов гидротермодинамики Телецкого озера в периоды весеннего и летнего нагревания при сезонной изменчивости параметров внешних метеорологических и гидрологических воздействий; – количественные оценки прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро» по численному воспроизведению особенностей термического режима водоема при прямом учете фактической внутрисуточной и синоптической изменчивости переменных метеорологических и гидрологических внешних воздействий за период с 1 апреля по 1 августа 1968 года. Апробация работы. Результаты работы докладывались на: IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2009); Международной конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде «CITES-2009» (Красноярск, 2009); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий» (Челябинск, 2010); Международной конференции 4 по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «ENVIROMIS-2010» (Томск, 2010); VI и VII научнопрактических конференциях Югорского государственного университета «Проблемы рационального природопользования» (Ханты-Мансийск, 2010; 2011); XI Международном научно-практическом симпозиуме и выставке «Чистая вода России» (Екатеринбург, 2011); Научно-технической конференции (к 40-летию образования СибНИГМИ) по проблемам гидрометеорологических прогнозов, экологии и климата Сибири (Новосибирск, 2011); Международном симпозиуме «Delft3D users meeting 2012» (Delft, Netherlands, 2012). Результаты текущих исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на семинарах института систем управления и информационных технологий и института природопользования Югорского государственного университета (г. Ханты-Мансийск), на заседании ученого совета Сибирского регионального научно-исследовательского гидрометеорологического института (г. Новосибирск), на расширенном семинаре лаборатории водной экологии Института водных и экологических проблем СО РАН (г. Барнаул) и во время научной стажировки автора в компании Deltares (Независимый институт прикладных исследований в области водных ресурсов, почв и гидротехнического проектирования, Delft, Netherlands). Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 монография, 3 статьи в сборниках материалов конференций и 5 тезисов докладов. Личный вклад автора в выполненной работе заключался в сборе, обработке и анализе гидрометеорологических данных наблюдений и цифровых картографических материалов, относящихся к объекту исследования – Телецкое озеро и устьевой участок реки Чулышман, и в создании на их основе специализированной тематической базы данных; в поэтапной адаптации к объекту исследования следующих проблемно-ориентированных программных средств: CE-QUAL-W2 – модель гидродинамики и качества воды, WMS – система моделирования бассейна, W2i и AGPM – пакет прикладных программ пре- и постпроцессорной обработки входной и выходной информации, включая создание системы связи потоков данных между этими средствами и тематической базой данных; в разработке технологии автоматизированной генерации файла батиметрии модели CE-QUAL-W2; в планировании и осуществлении программы численного экспериментирования с ИВК; в проведении сравнительного анализа полученных численных результатов с данными наблюдений Озерной станции Западно-Сибирского УГМС, а также с результатами феноменологического моделирования термического режима и циркуляций Телецкого озера и некоторых озер-аналогов. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 143 наименований. Полный объём диссертации составляет 160 страниц, включая 58 рисунков и 6 таблиц. 5 Основное содержание работы Во введении раскрыта актуальность темы, сформулирована цель исследования и его основные задачи, обоснованы научная новизна и значимость работы. В первой главе представлен обзор публикаций, посвященных экспериментальным исследованиям и работам по феноменологическому и численному моделированию Телецкого озера и некоторых озер-аналогов. Раздел 1.1 содержит краткое описание объекта исследования – открытая для внешних геофизических воздействий единая лимнолого-гидрологическая система, включающая в себя: 1) участок реки Чулышман от г/п Балыкча до устья реки, 2) устье реки Чулышман, 3) меридиональную и широтную части Телецкого озера, включая Кыгинский и Камгинский заливы, 4) исток реки Бии, 5) устьевые зоны наиболее крупных боковых притоков к озеру (реки Кокши, Большие Чили, Кыга, Камга, Колдор, Самыш), а также береговые или буферные зоны Телецкого озера и участка реки Чулышман. В этом разделе также описана мотивация создания ИВК и необходимость разработки системы поддержки принятия решений при интегрированном управлении бассейном и экосистемой Телецкого озера (Пушистов и Данчев, 2013; Loucks et al., 2005). В разделе 1.2 представлен обзор результатов экспериментальных исследований и работ по феноменологическому моделированию циркуляции и термического режима Телецкого озера и некоторых озер-аналогов. Основная часть обзора работ по феноменологическому моделированию Телецкого озера посвящена описанию концептуальной модели В.В. Селегея (В. Селегей и Т. Селегей, 1978), которая включает в себя следующие лимносезоны: 1 – период весеннего нагревания; 2 – период летнего нагревания; 3 – период осеннего охлаждения; 4 – период зимнего минимума. В этом обзоре также описаны феноменологические модели сезонной эволюции механизмов циркуляции и характеристик термического режима глубоких межгорных озер Камлупс и Коотеней (Британская Колумбия, Канада), построенные Э. Кармаком и соавторами (Carmack et al., 1978; 1979; 1986) на основе данных измерений высокого пространственно-временного разрешения (на 1-2 порядка выше, чем на Телецком озере). Озера Камлупс и Коотеней по многим физикогеографическим и термодинамическим характеристикам можно считать аналогами Телецкого озера. В разделе 1.3 проведен обзор работ по численному моделированию гидротермодинамического режима Телецкого озера и некоторых озер-аналогов. 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 (В. Квон и Д. Квон, 1996; 1998; Квон и др., 2000а; 2000б; Vasiliev at al., 1998; 1999). В обзоре также кратко описаны проблемы и результаты численного моделирования весенних термических баров в глубоких озерах, на примере озера Байкал и озера Камлупс, которые обсуждаются в работах Бочарова и др. (1996), В. Квона и Д. Квона (1997), Цветовой (1977; 1994; 1996; 6 1997), Цыденова и Старченко (2011), Holland et al. (2001;; 2003) 2003 и ряда других авторов. По солидарному мнению авторов статей (Holland et al, al 2001) и (Квон и др., 2000а), одна из основных трудностей при моделировании устьевых областей таких глубоких проточных озер, как Телецкое и Камлупс Камлупс, на основе двумерных моделей уединенного водоема (т.е. без явного описания впадающей реки) заключается в математической и интерпретационной неопределенностях в постановке краевых условий для скорости течения и температуры воды на открытой границе река-озеро озеро. Конструктивный способ преодоления этой трудности, по мнению авторов статьи (Holland et al.,., 2001), состоит в построении более совершенных моделей, которые объединяют реку и озеро в единый объект численного моделирования. Именно такой подход был реализован в диссертационном исследовании при создании информационновычислительного комплекса «Телецкое озеро». Вторая глава содержит описание информационно--вычислительного комплекса гидродинамики и термического режима Телецкого озера с расчетом соответствующих переменных устьевого участка реки Чулышман. Чулышман Этот комплекс, основанный на автоматическом обмене информации между всеми модулями, состоит из следующих компонентов: 1) модуль генерации модели сетки - WMS; 2) базовый прогностический модуль ИВК – модель CE-QUALW2; 3) модуль пре- и постпроцессорной обработки входной и выходной информации - W2i и AGPM-2D; AGPM 4) БД для обеспечения работы модулей 1 – 3. В разделе 2.1 описываются описыва модульная структура и функциональные возможности ИВК «Телецкое Телецкое озеро». В подразделе 2.1.1 приведены базовые уравнения, краевые и начальные условия, представлены схемы численной реализации, файловая структура структура, возможности и ограничения модели гидродинамики и качества воды CE-QUAL-W2 версии 3.5 (далее W2). В этом разделе также обосновывается ывается выбор модели W2 для решения поставленных в диссертации задач. В подразделе разделе 2.1.2 описаны модуль генерации модели сетки, модуль пре- и постпроцессорной обработки входной и выходной информации, структура и содержание базы данных. Для целостного понимания технологического ресурса ИВК «Телецкое озеро» на рис. 1 приведена схема связи потоков данных в этом комплексе. комплексе Рис. 1. Схема связи потоков данных ИВК «Телецкое озеро» 7 В разделе 2.2 детально описана технология и представлены результаты автоматизированной генерации файла батиметрии модели W2. Этапы создания этого файла с использованием WMS включают в себя: 1) сбор и обработку цифровых картографических материалов (в том числе цифровая батиметрическая карта Телецкого озера (Селегей и др., 2001); цифровые модели рельефа геофизического информационного центра США – NGDC NOAA (www.ngdc.noaa.gov), цифровая модель рельефа SRTM (www.srtm.csi.cgiar.org)); 2) построение на основе этих материалов нерегулярной триангуляционной сети отметок высот над уровнем моря; 3) последовательную декомпозицию моделируемой лимнолого-гидрологической системы на крупные водные объекты (WB), отдельные участки (Br) в составе WB; продольные сегменты, на которые делятся Br; слои по вертикали, на которые делятся соответствующие сегменты. В разделе 2.2 также подробно описана базовая расчетная сетка, использованная в большинстве численных экспериментов с ИВК «Телецкое озеро». Эта сетка состоит из 4 водных объектов: WB1 – участок реки Чулышман от г/п Балыкча до устья (представлен 3 участками Br1 – Br3), WB2 – устьевой участок реки Чулышман (Br4), WB3 – меридиональная часть озера (представлена тремя участками: Br5 – южная оконечность озера, примыкающая к устью реки Чулышман, Br6 – глубоководный меридиональный участок и Br7 – Кыгинский залив), WB4 – широтная часть озера (также представлена тремя участками: Br8 – глубоководный широтный участок, Br9 – северо-западный мелководный участок и Br10 – Камгинский залив). Общее число продольных сегментов такой сетки – 356, длины сегментов изменяются от 20 до 1000 м в зависимости от распределения уклонов по продольному профилю максимальных глубин. Толщины слоев задавались равными 0,5 м для WB1– WB2 и, соответственно, равными 1 м в слое от поверхности озера до глубины 110 м и 3 м ниже этой глубины до дна водоема для WB3–WB4. В разделе 2.3 рассмотрены проблемы и программа калибровки и верификации ИВК «Телецкое озеро», приведены значения калибровочных параметров численной модели W2, используемые в численных экспериментах. Для проведения калибровки и верификации переменных гидродинамики и термического режима были разработаны программа и план численных экспериментов с ИВК «Телецкое озеро», нацеленные на решения трех задач: I) численное моделирование динамики проникновения вод реки Чулышман в меридиональную часть Телецкого озера в период весеннего половодья; II) исследование механизмов формирования особенностей термического режима и циркуляций Телецкого озера, включая термические бары, при сезонной изменчивости параметров внешних метеорологических и гидрологических воздействий; III) количественная оценка прогностических возможностей ИВК по воспроизведению динамики термического режима Телецкого озера при задании внешних метеорологических и гидрологических воздействий на основе использования суточных данных наблюдений за апрель-июль 1968 г. При этом первый тематический блок плана включал в себя группу из 8 численных экспериментов (ЧЭ), с периодом моделирования с 1 апреля по 5 8 июня, когда в результате сезонного нагревания температура речной воды на г/п Балыкча достигала значения 8 0С, а пик половодья приходился на 30 мая среднего года с максимальным значением расхода воды QЧул = 860,8 м3/с. В численном эксперименте I.1 точно воспроизведены условия, при которых «работает» гипотетическая схема Кармака (Carmack et al., 1978), описывающая 4 последовательных типа циркуляции, обусловленных проникновением быстро прогревающихся весной речных вод в глубокое озеро, температура воды (TL) в котором задана равной 2 0C. Численные эксперименты I.2–I.4 отличаются от I.1 только одним параметром – начальной температурой озера. Начальные значения TL в экспериментах I.2–I.4 заданы равными 1.0, 3.0 и 4.0 0C. В численных экспериментах I.5–I.8 рассматривается типичный для меридиональной части случай исходно (1 апреля) стратифицированного водоема с TL = 0,8 0C на поверхности и с вертикальным градиентом температуры γL = 0,85 0C / 100 м от поверхности до дна (В. Селегей и Т. Селегей, 1978). Между собой ЧЭ I.5–I.8 отличаются различными сценариями задания параметров внешних метеорологических воздействий. Второй тематический блок плана представлен численными экспериментами II.1 – II.4 при временном интервале моделирования с 1 апреля по 1 августа среднего года за период 1968-1972 гг., гидрометеорологические данные по которому наиболее полно представлены и проанализированы в научной литературе (см., например, В. Селегей и Т. Селегей, 1978; Селегей и др., 2001). Базовыми во втором тематическом блоке являются численные эксперименты II.1, в котором включено полное описание сезонной изменчивости внешних атмосферных и гидрологических воздействий на термодинамику озера, и II.3 – с сохранением идентичного II.1 описания метеорологического воздействия, но с полным выключением гидрологических внешних воздействий, т.е. при QЧул = QБия = Qбок.притоки = 0. В ЧЭ II.2 и II.4 по сравнению с ЧЭ II.1 и II.3, соответственно, не учитывается ветровое воздействие при включенном теплообмене на поверхности озера. Полноценная количественная верификация, основанная на сравнении результатов прогностических расчетов TL и соответствующих данных наблюдений на всех 11 гидрологических вертикалях Телецкого озера за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г., была проведена при реализации численного эксперимента III.1 третьей тематической группы плана. По рекомендации В.В. Селегея 1968 год был выбран в качестве базового года для оценки прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро», поскольку именно этот год характеризуется наиболее полным набором доступных данных гидрометеорологических наблюдений Озерной станции ЗС УГМС. Переменные метеорологических внешних воздействий в этом ЧЭ сформированы на основе 8-срочных данных наблюдений с метеостанций Беле и Яйлю для меридионального и широтного участков, соответственно. Переменные гидрологических внешних воздействий сформированы на основе фактических данных наблюдений на всех речных гидропостах Озерной станции. 9 Третья глава посвящена изложению результатов численного исследования динамики проникновения вод реки Чулышман в меридиональную часть Телецкого озераа в период весеннего половодья. В разделе 3.1 представлены результаты численного воспроизведения четырех стадий проникновения речных вод в глубокое межгорное озеро, описываемых гипотетической схемой Э. Кармака. В этом разделе также излагаются результаты исследования чувствительности льности модели W2 к различным сценариям задания начальной температуры озера. Сопоставительный опоставительный анализ результатов расчетов ЧЭ I.1 .1 и результатов, представленных в работе Carmack et al. (1978), позволяет сделать однозначный вывод о феноменологическом подобии типов циркуляций схемы схем Кармака и циркуляций воспроизводимых с помощью ИВК «Телецкое Телецкое озеро». озеро Результаты исследования, описанные в данном разделе, являются новыми. В разделе 3.2 описываются 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 (ЧЭ I.5 – I.8). Рис. 2. Поля температуры воды и векторные отображения течений, полученные в численном эксперименте I.6 (включены все переменные сезонн сезонных внешних воздействий) в сравнении с фазами F, G и H феноменологической модели Э. Кармака (Carmack et al., 1979) для периода весеннего нагревания. Фрагмент а– 26.04, б– нагревания 20.05, в– 5.06 10 Впервые с помощью ИВК «Телецкое озеро» в ЧЭ I.6 (включены все переменные сезонных внешних воздействий) для южной части водоема успешно воспроизведены характерные особенности циркуляции и термического режима фаз F (плотностная склоновая струя), G (речной термический бар, запирающий приток речной воды в озеро) и H (формирование первичного термоклина) феноменологической модели Э. Кармака (Carmack et al., 1979), о чем свидетельствует рис. 2. Четвертая глава посвящена описанию результатов численного исследования механизмов циркуляций, динамики термического режима и ледового покрова Телецкого озера, с учетом расхода и температуры воды главного притока – р. Чулышман, основных боковых притоков (реки Кыга, Большие Чили, Кокши, Кыга, Чеченег, Самыш) и оттока (р. Бия) при сезонной изменчивости параметров метеорологических и гидрологических внешних воздействий, полученных по данным с декадным осреднением за 1968-1972 гг. В разделе 4.1 излагаются результаты численного исследования механизмов формирования, перемещения и слияния речного и озерного термических баров Телецкого озера в периоды весеннего и летнего нагревания. В разделе 4.2 описаны результаты численного исследования механизмов возникновения и перемещения термических баров в Кыгинском и Камгинском заливах. Схема, иллюстрирующая последовательность процессов формирования, перемещения и слияния термических баров Телецкого озера, описанных в разделах 4.1 и 4.2, показана на рис. 3. Сопоставительный анализ результатов расчетов ЧЭ II.1 – II.5 показал, что: – хотя радиационно-турбулентный теплообмен на поверхности водоема дает основной вклад в тепловой баланс озера, основной приток – р. Чулышман и сток – р. Бия в значительной мере контролируют циркуляционные структуры и определяют термодинамический режим Телецкого озера в период весеннелетнего нагревания; – определяющими факторами в формировании термического режима Кыгинского залива в период весеннего нагревания являются поверхностный теплообмен и влияние проникающих в залив вод реки Чулышман. В период летнего нагревания к числу значимых факторов в динамике поверхностной температуры залива можно отнести ветровое воздействие; – определяющим фактором в формировании термического режима Камгинского залива является весеннее прогревание вод на значительном по площади мелководье залива. Вместе с тем, на динамику термического режима этого залива заметное влияние оказывают приток воды реки Камга, прежде всего на мелководном участке и ветровой режим на глубоководном участке. Если сравнивать полученные результаты ЧЭ II.1 – II.4 с результатами, опубликованными в работах В. Квона и Д. Квона (1996; 1998), В. Квона и др. (2000а; 2000б), Vasiliev at al. (1998; 1999), то численные эксперименты второй тематической группы позволили детализировать и уточнить процессы формирования, перемещения и слияния речного и озерного термических баров Телецкого озера в период весенне-летнего нагревания (см. фрагменты а, б, г и д 11 рис. 3), а также провести качественную и количественную оценку ветрового воздействия на термический режим водоема. Новыми являются результаты численного исследования термического режима Кыгинского и Камгинского заливов. Впервые воспроизведены локальные термические бары (см. фрагменты б и в рис. 3), возникающие в этих заливах. Рис. 3. Схема, иллюстрирующая последовательность процессов формирования, перемещения и слияния термических баров Телецкого озера (ЧЭ II.1) в периоды весеннего и летнего нагревания: а) поле TL и положение фронта (TL ≈ 4 0С) речного термического бара (1) на предустьевом склоне южной оконечности Телецкого озера – 22 мая; б) поле TL и положение фронтов речного термического бара (1) и локального термобара (2) Кыгинского залива – 29 мая, перед их слиянием; в) поле TL и положение фронта локального термобара (3) Камгинского залива – 9 июня; г) поле TL и положение фронта классического озерного термобара (4) – 15 июня; д) поле TL и положение фронтов речного (1) и озерного (4) термических баров на 9 июля. Расчетная дата слияния термобаров (1) и (4) – 13 июля, по данным наблюдений за среднемноголетний период – 12-15 июля (В. Селегей и Т. Селегей, 1978). В пятой главе приведены количественные оценки прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро» по численному воспроизведению особенностей термического режима водоема при прямом учете фактической 12 внутрисуточной и синоптической изменчивости переменных метеорологических и гидрологических гидрологическ внешних воздействий по данным наблюдений за апрель-июль июль 1968 года. При анализе прогностических возможностей модели W2 W повышенное внимание уделялось рассмотрению ситуаций с относительно большими ошибками прогнозов TL и, по возможности, производилась идентификация причин таких ошибок и формулировались конкретные предложения по их уменьшению при дальнейшем развитии ИВК «Телецкое озеро». В разделе 5.1 проведен анализ результатов прогнозов температуры воды в поверхностном и придонном слоях Телецкого озера. В разделе 5.2 представлены результаты качественного и количественного сравнения расчетных и измеренных вертикальных профилей температуры воды Телецкого озера. Для количественной оценки прогностического потенциала ИВК «Телецкое озеро» использовались величины абсолютных ошибок прогноза TL в поверхностном (AES), среднем по глубине (AEM) и придонном (AEB) слоях озера, а также значения среднеарифметической (ME), средней абсолютной (MAE), среднеквадратической (RMSE) ошибок прогнозов TL в указанных слоях за апрель – июль 1968 г. по всем 11 пунктам наблюдений Озерной станции. Информация о средних значениях абсолютных ошибок прогноза ТL в поверхностном (MAES),, среднем по глубине (MAEМ) и придонном (MAEB) слоях Телецкого озера представлена представ в наглядной форме на рис рис. 4. Рис. 4. Информация о средних значениях абсолютных ошибок прогноза ТL (MAES / MAEМ / MAEB, 0С) по 11 пунктам наблюдений Озерной станции ЗС УГМС с апреля по июль 1968 г. Итоговые средние ошибки прогнозов температуры воды в поверхностном поверхностном, среднем по глубине и придонном слоях Телецкого озера для всех пунктов наблюдений за апрель – июль 1968 г. (при общем числе оцениваемых прогнозов N = 285) составили: ME = 0,04 0С, MAE = 0,35 0С, RMSE = 0,50 0С. Число 13 прогнозов, в которых AES, AEM и AEB превысили 1 0С, равно 11 (или 3,9 % от общего количества прогнозов). Проведенный интерпретационно-сопоставительный анализ результатов прогностических расчетов ЧЭ III.1 и данных наблюдений на 11 пунктах Озерной станции ЗС УГМС показывает, что ИВК «Телецкое озеро» не только верно воспроизводит основные особенности динамики термического режима водоема в периоды весеннего и летнего нагревания, описанные в феноменологических моделях В.В. Селегея и Э. Кармака, но и реально обладает значительными прогностическими возможностями, которые могут быть использованы при решении практических задач в области гидрометеорологии и охраны окружающей среды. Результаты, полученные в главе 5, являются новыми. В заключении приведены основные результаты работы, полученные в диссертационном исследовании при последовательном применении метода прикладного системного анализа водных объектов. Приложение А содержит таблицы некоторых количественных оценок прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро» за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г., приложение Б – акт внедрения результатов диссертационного исследования автора в Сибирском региональном научноисследовательском гидрометеорологическом институте. Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: 1. Сформирован 4-х компонентный (препроцессор – WMS, базовая прогностическая численная модель – CE-QUAL-W2, постпроцессор – W2iAGPM и тематическая БД) информационно-вычислительный комплекс, позволяющий для заданных начальных и граничных условий проводить с высоким пространственно-временным разрешением расчеты уровня поверхности воды, продольной и вертикальной составляющих скорости течения, температуры воды, толщины льда Телецкого озера при различных сценариях задания параметров, описывающих внешние метеорологические и гидрологические воздействия. Обоснована модульная структура и описаны функциональные возможности и ограничения ИВК «Телецкое озеро». Разработана технология и представлены результаты автоматизированной генерации файла батиметрии Телецкого озера и устьевого участка реки Чулышман. 2. Впервые с помощью ИВК «Телецкое озеро» и анализа работ по феноменологическому моделированию глубоких межгорных озер воспроизведены и теоретически обоснованы характерные особенности гидротермодинамики (плотностная склоновая струя и речной термический бар) южной части Телецкого озера в период весеннего половодья на реке Чулышман. 3. Численно исследованы процессы и описаны механизмы формирования, перемещения и слияния речного и озерного термических баров Телецкого озера и локальных термобаров смешанной природы в Камгинском и Кыгинском 14 заливе в период весенне-летнего нагревания. На основе анализа чувствительности ИВК «Телецкое озеро», установлено, что реки Чулышман и Бия в период весенне-летнего половодья в значительной мере контролируют циркуляционные структуры и определяют термодинамический режим Телецкого озера. 4. Проведен детальный интерпретационно-сопоставительный анализ результатов прогностических расчетов температуры воды с данными наблюдений на всех 11 пунктах Озерной станции ЗС УГМС за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г. Показано, что ИВК «Телецкое озеро» обладает значительным прогностическим потенциалом, качественно и количественно верно воспроизводит особенности реальной динамики термического режима водоема при учете фактической суточной изменчивости параметров метеорологических и гидрологических внешних воздействий. Работа по созданию и верификации ИВК «Телецкое озеро» позволила определиться с задачами его дальнейшего развития как краткосрочными, например, разработка блока расчета параметров светового и ветрового затенения поверхности водоема от прибрежных хребтов и модификация батиметрии дельты реки Чулышман, так и перспективными, например, дополнить комплекс моделью водосборного бассейна типа «осадки-сток» и разработать новую или адаптировать известную численную негидростатическую модель динамики мезомасштабных процессов в атмосфере над акваторией и бассейном Телецкого озера. Успешные тестовые численные эксперименты с подключением блока моделирования качества воды в составе ИВК «Телецкого озера», проведенные диссертантом совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. П.Ю. Пушистовым и сотрудниками ИВЭП СО РАН к.б.н В.В Кирилловым и А.В. Дьяченко, показали реальную возможность создания полноценной численной модели динамики экосистемы Телецкого озера. Однако для этого необходимо разработать феноменологическую модель гидрохимических и гидробиологических процессов Телецкого озера и провести масштабные полевые работы для создания адекватной экосистемной базы данных. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.ф.м.н. П.Ю. Пушистову за постановку задачи, поддержку и постоянное внимание к работе. Автор благодарит также В.В. Селегея, член-корр. РАН В.Н. Лыкосова, д.г.н. В.А. Земцова, д.ф.-м.н. В.Н. Крупчатникова, к.б.н. В.В. Кириллова, д-ра К. Бергера за поддержку данной работы и полезные дискуссии. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК: 1. Данчев В.Н., Пушистов П.Ю. Опыт разработки и результаты применения информационно-вычислительного комплекса для моделирования гидродинамики и качества воды рек и водоемов бассейна Оби. Часть 2 15 Телецкое озеро и участок реки Чулышман // Вестн. Бурят. гос. ун-та. – 2012. – Вып. 9. – С. 154–161. 2. Пушистов П.Ю., Данчев В.Н., Романенко Р.Д. Результаты применения модели гидродинамики и качества воды CE-QUAL-W2 v.3.2 с автоматизированной генерацией файла батиметрии для численного воспроизведения переменных гидродинамики участка реки Северная Сосьва // Водное хозяйство России. – 2012. – № 6. – С. 49–68. 3. Данчев В.Н., Пушистов П.Ю. Количественная оценка прогностического потенциала информационно-вычислительного комплекса «Телецкое озеро» // Вестн. Бурят. гос. ун-та. – 2013. – Вып. 9. – С. 161–166. Монография 4. Пушистов П.Ю., Данчев В.Н. Информационно-вычислительные комплексы водных объектов бассейна Оби. Часть 1 – ИВК «Северная Сосьва». Часть 2 – ИВК «Телецкое озеро» / науч. ред. В.Н. Лыкосов, В.А. Земцов. – Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publishing, 2013. – 160 с. Другие публикации 5. Данчев В.Н. «Анализ чувствительности экосистемы глубокого водоема к изменчивости параметров геофизического форсинга на основе применения модели CE-QUAL-W2» // Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии : материалы IV Всерос. конф. молодых ученых, Томск, 19-21 окт. 2009 г. – Томск, 2009. – С. 414–418. 6. Данчев В.Н. «Выбор информационно-вычислительной основы с целью исследования динамики водной экосистемы Телецкого озера с учетом процессов на площади водосбора» // Проблемы географии Урала и сопредельных территорий : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Челябинск, 20-22 мая 2010 г. – Челябинск : АБРИС, 2010. – С. 43–54. 7. Данчев В.Н. Разработка 2.5-D модели гидрологического и термического режимов Телецкого озера с учетом боковой приточности и нестационарного метеорологического форсинга на площади водосбора // Проблемы рационального природопользования : материалы VII открытой науч.-практ. конф. Института природопользования Югорского государственного университета, Ханты-Мансийск, 25 марта 2011 г. – Ханты-Мансийск: ОАО «Информационно-издательский центр», – 2011 г. – С 47–49. 8. Romanenko R.D., Danchev V.N., Sokolovich Yu.V., Kolesnikov F.N. Results of the analysis of sensitivity predictive variables of dynamics ecosystems deep reservoir and rivers to variability of parameters geophysical forcing on the basis of application of model CE-QUAL-W2 // International Conference on Computational Information Technologies for Environmental Sciences, CITES-2009, July 11-15, Krasnoyarsk, Russia: Program&Abstracts – Krasnoyarsk. – 2009. – P. 40–41. 9. Danchev V.N., Pushistov P.Yu., Kirillov V.V., Dyachenko A.V. Information system, as the tool of research of an ecosystem dynamics of a deep reservoir and its basin (on example of lake Teletskoye) // International conference on Environmental Observations, Modeling and Information Systems ENVIROMIS-2010, July 5-11, Tomsk, Russia: Program&Abstracts. – Tomsk. – 2010. – P 112–113. 16
