Закономерности пространственного распределения характеристик прилива в Мировом океане по данным глобальных приливных моделей
|
Введение 3
Глава 1. Глобальные приливные модели 14
1.1. Существующие в свободном доступе глобальные приливные модели 14
1.2. Выбор глобальных приливных моделей для расчета характеристик
пространственного распределения приливов в Мировом океане 16
Глава 2. Негармонические постоянные прилива 18
2.1 Тип прилива 18
2.2 Высоты прилива 23
2.3 Возраст прилива 25
Глава 3. Пространственное распределение типов прилива в Мировом океане 27
3.1 Распределение типов прилива в открытых частях Мирового океана 27
3.2 Расчет типов прилива по различным методикам на примере модели EOT20 .32
3.3 Распределение типов прилива вдоль береговой линии 38
Глава 4. Пространственное распределение высот прилива в Мировом океане 44
4.1 Распределение средних высот прилива в Мировом океане 44
4.2 Распределение экстремальных высот прилива в Мировом океане 49
Глава 5. Пространственное распределение возраста прилива 55
Заключение 61
Список литературы 63
Приложение 1. Средняя высота прилива в Мировом океане по данным моделей
FES2014 и TPXO9 66
Приложение 2. Экстремальные высоты прилива в Мировом океане по данным моделей FES2014 и TPXO9 70
Приложение 3. Отношение времени роста и падения уровня моря
Глава 1. Глобальные приливные модели 14
1.1. Существующие в свободном доступе глобальные приливные модели 14
1.2. Выбор глобальных приливных моделей для расчета характеристик
пространственного распределения приливов в Мировом океане 16
Глава 2. Негармонические постоянные прилива 18
2.1 Тип прилива 18
2.2 Высоты прилива 23
2.3 Возраст прилива 25
Глава 3. Пространственное распределение типов прилива в Мировом океане 27
3.1 Распределение типов прилива в открытых частях Мирового океана 27
3.2 Расчет типов прилива по различным методикам на примере модели EOT20 .32
3.3 Распределение типов прилива вдоль береговой линии 38
Глава 4. Пространственное распределение высот прилива в Мировом океане 44
4.1 Распределение средних высот прилива в Мировом океане 44
4.2 Распределение экстремальных высот прилива в Мировом океане 49
Глава 5. Пространственное распределение возраста прилива 55
Заключение 61
Список литературы 63
Приложение 1. Средняя высота прилива в Мировом океане по данным моделей
FES2014 и TPXO9 66
Приложение 2. Экстремальные высоты прилива в Мировом океане по данным моделей FES2014 и TPXO9 70
Приложение 3. Отношение времени роста и падения уровня моря
Исследование приливных явлений в Мировом океане является одной из задач современной океанологии. Приливы отличаются от других океанографических явлений четкой периодичностью, обусловленной астрономическими причинами, и постоянным потоком энергии на определенных частотах. За счет четкой периодичности приливы ярко выделяются в спектральной плотности колебаний уровня моря, течений и даже температуры и солености.
Динамическая теория приливов, разработанная Лапласом в 18 веке, до недавнего времени не могла обеспечить необходимую точность расчета параметров приливных колебаний уровня моря. Поэтому долгое время основным методом описания характеристик прилива служил эмпирический подход. Выраженная периодичность процесса позволила использовать гармонический анализ для прогноза (предвычисления) приливных колебаний уровня моря с практически неограниченной заблаговременностью и высочайшей эффективностью. В основе гармонического анализа приливов лежит представление сложной функции изменения прилива в виде набора гармонических колебаний на определённых частотах. Каждое такое колебание описывается амплитудой и фазой, называемыми гармоническими постоянными. Предполагается, что найденные из рядов наблюдений гармонические постоянные не меняются во времени и могут быть использованы для расчета прилива на любой момент времени. Предполагаемая неизменность гармонических постоянных способствовала накоплению базы данных о гармонических постоянных прилива и выявлению специальных зависимостей между отдельными гармоническими постоянными и обобщенными параметрами прилива в отдельных акваториях. Однако ряды наблюдений пригодных к анализу были получены, как правило, в прибрежной части Мирового океана, характеристики прилива в открытой части океана оставались, как правило, неизвестны. Пространственные характеристики прилива, такие как тип прилива и высота прилива определялись вдоль побережья, были систематизированы в 20 веке: появились схемы распределения высот и типов приливов вдоль побережья. Примером таких схем можно назвать результат обобщения измеренных параметров прилива А.И. Дуваниным (Дуванин, 1960) (рисунок В.1), и подобные карты, созданные как для всего Мирового океана (рисунок В.2), так и отдельных его акваторий (рисунки В.3 - В.4). За рубежом также были обобщены имеющиеся данные наблюдений за приливами, также получены схемы распределения характеристик приливов вдоль побережья (рисунки В. 5 - В. 7).
С развитием вычислительных технологий приливные уравнения Лапласа можно было применить к океану с реальными очертаниями и глубиной, а сами уравнения можно было дополнить слагаемыми, учитывающими трение и другие нелинейные эффекты. При использовании сеточной области, охватывающей весь земной шар, можно было получить глобальную приливную модель.
По-видимому, первая глобальная приливная модель была описана в работе японского исследователя Takesi Ueno (Ueno, 1964), где Мировой океан аппроксимировался грубой сеткой с пространственным шагом 10°. Следующие в хронологическом порядке глобальные приливные модели появились в СССР (Богданов, Магарик, 1967; Тирон и др., 1967). Эти модели созданы выпускниками и сотрудниками кафедры океанологии ЛГУ в 1967. Обе модели имели пространственный шаг 5° и использовали в качестве граничных условий известные колебания уровня моря на побережье и островах, учитывали диссипацию энергии приливов.
С внедрением вычислительных технологий в практику приливных расчетов росло количество и качество создаваемых глобальных приливных моделей, так с 1964 по 1986 гг. было опубликовано более 15 работ, в которых описывались различные глобальные приливные модели (Марчук, Каган, 1991). Первые приливные модели реалистично воспроизводили картину распространения приливных волн в Мировом океане, по результатам моделирования были обнаружены и классифицированы амфидромии открытой части океана. Однако грубое пространственное разрешение первых моделей не позволяло использовать полученные результаты модели для воспроизведения приливного уровня и течения для решения прикладных задач.
Качественно новый уровень качества информации, предоставляемой глобальными приливными моделями, был достигнут при усвоении рядов наблюдений. Котидальные карты Шведерского (Schwiderski, 1980) были опубликованы в 1980 году в виде матриц гармонических постоянных. Результаты расчета модели Шведерского хорошо согласовывались с данными наблюдениями и успешно использовались для прикладных целей.
Появление спутниковой альтиметрической информации дало новый импульс в развитии глобальных приливных моделей. Появились модели с различными пространственными разрешениями, основанные на различных численных методах и усваивающих спутниковую информацию и береговые мариографные наблюдения. В современных глобальных приливных моделях результаты расчета по-прежнему выводятся в виде матриц гармонических постоянных основных составляющих прилива. Интенсивное развитие глобальных приливных моделей позволило перейти к решению прикладных задач - расчету приливных колебаний уровня моря и течений в открытой части океана, задания граничных условий для региональных и локальных численных моделей динамики моря. При этом, собираемая раннее обобщающая информация о приливном режиме океана, оказалась вне зоны интересов исследователей. Например, в современных работах (Simon, 2013; Matthews, Matthews, 2014; Gerkema, 2019; Lyard et al, 2021), посвященных описанию приливов в Мировом океане, на основе результатов расчета глобальных приливных моделей приводятся лишь общие карты пространственного распределении типа приливов (рисунки В.9 - В.11) или высот прилива (рисунки В. 12 - В. 14). Во всех этих работах отсутствуют численные оценки встречаемости того или иного типа прилива. Приведенные в этих работах карты пространственного распределения характеристик приливов, как правило, выполнены в цилиндрической проекции, что затрудняет даже качественную оценку пространственного распределения характеристик прилива.
Таким образом, можно заключить, что до сих пор нет определенного ответа, подтверждённого численными оценками, на такие вопросы как: какой тип прилива доминирует в Мировом океане и его частях, какова характерная (средняя) и экстремальная высота прилива, нет численных оценок пространственного распределения характеристик прилива.
Цель работы: количественно оценить параметры пространственного распределения типов и высот прилива в открытой части Мирового океана
Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
1. Составить критический обзор существующих методов типизации колебаний приливного уровня моря, указать на их недостатки и особенности. Предложить типизацию приливов без использования гармонических постоянных.
2. Рассчитать максимальные и средние высоты прилива во всем Мировом океане по данным глобальных приливных моделей. Создать оптимальный алгоритм массового предвычисления прилива на длительный отрезок времени
3. Рассчитать пространственное распределение типов приливов в Мировом океане.
4. Выявить пространственное распределение средних и экстремальных высот приливов в Мировом океане.
5. Определить пространственное распределение времени запаздывания неравенств приливов в Мировом океане.
Динамическая теория приливов, разработанная Лапласом в 18 веке, до недавнего времени не могла обеспечить необходимую точность расчета параметров приливных колебаний уровня моря. Поэтому долгое время основным методом описания характеристик прилива служил эмпирический подход. Выраженная периодичность процесса позволила использовать гармонический анализ для прогноза (предвычисления) приливных колебаний уровня моря с практически неограниченной заблаговременностью и высочайшей эффективностью. В основе гармонического анализа приливов лежит представление сложной функции изменения прилива в виде набора гармонических колебаний на определённых частотах. Каждое такое колебание описывается амплитудой и фазой, называемыми гармоническими постоянными. Предполагается, что найденные из рядов наблюдений гармонические постоянные не меняются во времени и могут быть использованы для расчета прилива на любой момент времени. Предполагаемая неизменность гармонических постоянных способствовала накоплению базы данных о гармонических постоянных прилива и выявлению специальных зависимостей между отдельными гармоническими постоянными и обобщенными параметрами прилива в отдельных акваториях. Однако ряды наблюдений пригодных к анализу были получены, как правило, в прибрежной части Мирового океана, характеристики прилива в открытой части океана оставались, как правило, неизвестны. Пространственные характеристики прилива, такие как тип прилива и высота прилива определялись вдоль побережья, были систематизированы в 20 веке: появились схемы распределения высот и типов приливов вдоль побережья. Примером таких схем можно назвать результат обобщения измеренных параметров прилива А.И. Дуваниным (Дуванин, 1960) (рисунок В.1), и подобные карты, созданные как для всего Мирового океана (рисунок В.2), так и отдельных его акваторий (рисунки В.3 - В.4). За рубежом также были обобщены имеющиеся данные наблюдений за приливами, также получены схемы распределения характеристик приливов вдоль побережья (рисунки В. 5 - В. 7).
С развитием вычислительных технологий приливные уравнения Лапласа можно было применить к океану с реальными очертаниями и глубиной, а сами уравнения можно было дополнить слагаемыми, учитывающими трение и другие нелинейные эффекты. При использовании сеточной области, охватывающей весь земной шар, можно было получить глобальную приливную модель.
По-видимому, первая глобальная приливная модель была описана в работе японского исследователя Takesi Ueno (Ueno, 1964), где Мировой океан аппроксимировался грубой сеткой с пространственным шагом 10°. Следующие в хронологическом порядке глобальные приливные модели появились в СССР (Богданов, Магарик, 1967; Тирон и др., 1967). Эти модели созданы выпускниками и сотрудниками кафедры океанологии ЛГУ в 1967. Обе модели имели пространственный шаг 5° и использовали в качестве граничных условий известные колебания уровня моря на побережье и островах, учитывали диссипацию энергии приливов.
С внедрением вычислительных технологий в практику приливных расчетов росло количество и качество создаваемых глобальных приливных моделей, так с 1964 по 1986 гг. было опубликовано более 15 работ, в которых описывались различные глобальные приливные модели (Марчук, Каган, 1991). Первые приливные модели реалистично воспроизводили картину распространения приливных волн в Мировом океане, по результатам моделирования были обнаружены и классифицированы амфидромии открытой части океана. Однако грубое пространственное разрешение первых моделей не позволяло использовать полученные результаты модели для воспроизведения приливного уровня и течения для решения прикладных задач.
Качественно новый уровень качества информации, предоставляемой глобальными приливными моделями, был достигнут при усвоении рядов наблюдений. Котидальные карты Шведерского (Schwiderski, 1980) были опубликованы в 1980 году в виде матриц гармонических постоянных. Результаты расчета модели Шведерского хорошо согласовывались с данными наблюдениями и успешно использовались для прикладных целей.
Появление спутниковой альтиметрической информации дало новый импульс в развитии глобальных приливных моделей. Появились модели с различными пространственными разрешениями, основанные на различных численных методах и усваивающих спутниковую информацию и береговые мариографные наблюдения. В современных глобальных приливных моделях результаты расчета по-прежнему выводятся в виде матриц гармонических постоянных основных составляющих прилива. Интенсивное развитие глобальных приливных моделей позволило перейти к решению прикладных задач - расчету приливных колебаний уровня моря и течений в открытой части океана, задания граничных условий для региональных и локальных численных моделей динамики моря. При этом, собираемая раннее обобщающая информация о приливном режиме океана, оказалась вне зоны интересов исследователей. Например, в современных работах (Simon, 2013; Matthews, Matthews, 2014; Gerkema, 2019; Lyard et al, 2021), посвященных описанию приливов в Мировом океане, на основе результатов расчета глобальных приливных моделей приводятся лишь общие карты пространственного распределении типа приливов (рисунки В.9 - В.11) или высот прилива (рисунки В. 12 - В. 14). Во всех этих работах отсутствуют численные оценки встречаемости того или иного типа прилива. Приведенные в этих работах карты пространственного распределения характеристик приливов, как правило, выполнены в цилиндрической проекции, что затрудняет даже качественную оценку пространственного распределения характеристик прилива.
Таким образом, можно заключить, что до сих пор нет определенного ответа, подтверждённого численными оценками, на такие вопросы как: какой тип прилива доминирует в Мировом океане и его частях, какова характерная (средняя) и экстремальная высота прилива, нет численных оценок пространственного распределения характеристик прилива.
Цель работы: количественно оценить параметры пространственного распределения типов и высот прилива в открытой части Мирового океана
Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
1. Составить критический обзор существующих методов типизации колебаний приливного уровня моря, указать на их недостатки и особенности. Предложить типизацию приливов без использования гармонических постоянных.
2. Рассчитать максимальные и средние высоты прилива во всем Мировом океане по данным глобальных приливных моделей. Создать оптимальный алгоритм массового предвычисления прилива на длительный отрезок времени
3. Рассчитать пространственное распределение типов приливов в Мировом океане.
4. Выявить пространственное распределение средних и экстремальных высот приливов в Мировом океане.
5. Определить пространственное распределение времени запаздывания неравенств приливов в Мировом океане.
В работе на основе результатов расчета трех глобальных приливных моделей были определены характеристики пространственного распределения типов и высот прилива в открытой части Мирового океана.
До недавнего времени для определения типа прилива использовались соотношения амплитуд суточных и полусуточных гармоник. Такие отношения амплитуд (критерии Дуванина, Куртье, Ван Дер Стока, индикатор формы прилива и пр.) удобны в использовании, но требуют предварительного гармонического анализа приливов и описываются всего лишь 3-4 составляющими приливов. Альтернативные типизации приливов могут быть проведены по автокорреляционной функции или по прямому анализу кривой приливного уровня моря. В ходе данной работы были использованы все существующие типизации приливов, определены новые пороговые значения для типизации приливов, основанной на автокорреляционной функции. Предложена альтернативная типизация приливов, основанная на непосредственном анализе временного хода уровня моря.
Для расчёта средних и экстремальных высот прилива в рамках данной работы был разработан алгоритм быстрого предвычисления высот прилива на длительный отрезок времени (более 18,6 лет) для сеточной области, охватывающей весь Мировой океан. В основе алгоритма лежит вынос расчета астрономических параметров на весь временной отрезок предвычисления из циклов пространственного перебора гармонических постоянных в ячейках сеточной области.
На основе трех современных глобальных приливных мелей (TPXO9, FES2014, EOT20) определено пространственное распределение типов прилива в Мировом океане. Выяснено, что по всей площади океана доминирует полусуточный тип прилива, а у берегов - неправильный полусуточный. Впервые было оценено процентное соотношение типов прилива во всем Мировом океане и в отдельных его частях. Установлено, что численные характеристики пространственного распределения типов прилива в Мировом океане, полученные по различным глобальным приливным моделям и по различным методикам, отличаются друг от друга, однако сохраняются общие закономерности распределения.
В рамках работы для трех глобальных приливных моделей были рассчитаны экстремальные и средние высоты приливов в открытой части Мирового океана. Впервые определено распределение частот появления различных высот с шагом 5 см во всем Мировом океане и в отдельных его частях. Установлено, что гистограмма высот прилива имеет одномодовое распределение с положительной асимметрией. Наиболее часто встречаются средние высоты 0.6 метра и экстремальные высоты 0.9 метра. Наибольшие высоты прилива наблюдаются в Атлантическом океане, а наименьшие - в Северном Ледовитом. Оценки средних высот прилива по различным моделям полностью совпадают между собой. Оценки экстремальных высот по различным моделям несколько отличаются, но общие закономерности распределения остаются неизменными.
В работе были количественно оценены время запаздываний наступления неравенств прилива и особенности их пространственного распределения. Оценки возраста приливов по трем моделям полностью совпадают между собой.
До недавнего времени для определения типа прилива использовались соотношения амплитуд суточных и полусуточных гармоник. Такие отношения амплитуд (критерии Дуванина, Куртье, Ван Дер Стока, индикатор формы прилива и пр.) удобны в использовании, но требуют предварительного гармонического анализа приливов и описываются всего лишь 3-4 составляющими приливов. Альтернативные типизации приливов могут быть проведены по автокорреляционной функции или по прямому анализу кривой приливного уровня моря. В ходе данной работы были использованы все существующие типизации приливов, определены новые пороговые значения для типизации приливов, основанной на автокорреляционной функции. Предложена альтернативная типизация приливов, основанная на непосредственном анализе временного хода уровня моря.
Для расчёта средних и экстремальных высот прилива в рамках данной работы был разработан алгоритм быстрого предвычисления высот прилива на длительный отрезок времени (более 18,6 лет) для сеточной области, охватывающей весь Мировой океан. В основе алгоритма лежит вынос расчета астрономических параметров на весь временной отрезок предвычисления из циклов пространственного перебора гармонических постоянных в ячейках сеточной области.
На основе трех современных глобальных приливных мелей (TPXO9, FES2014, EOT20) определено пространственное распределение типов прилива в Мировом океане. Выяснено, что по всей площади океана доминирует полусуточный тип прилива, а у берегов - неправильный полусуточный. Впервые было оценено процентное соотношение типов прилива во всем Мировом океане и в отдельных его частях. Установлено, что численные характеристики пространственного распределения типов прилива в Мировом океане, полученные по различным глобальным приливным моделям и по различным методикам, отличаются друг от друга, однако сохраняются общие закономерности распределения.
В рамках работы для трех глобальных приливных моделей были рассчитаны экстремальные и средние высоты приливов в открытой части Мирового океана. Впервые определено распределение частот появления различных высот с шагом 5 см во всем Мировом океане и в отдельных его частях. Установлено, что гистограмма высот прилива имеет одномодовое распределение с положительной асимметрией. Наиболее часто встречаются средние высоты 0.6 метра и экстремальные высоты 0.9 метра. Наибольшие высоты прилива наблюдаются в Атлантическом океане, а наименьшие - в Северном Ледовитом. Оценки средних высот прилива по различным моделям полностью совпадают между собой. Оценки экстремальных высот по различным моделям несколько отличаются, но общие закономерности распределения остаются неизменными.
В работе были количественно оценены время запаздываний наступления неравенств прилива и особенности их пространственного распределения. Оценки возраста приливов по трем моделям полностью совпадают между собой.
Подобные работы
- Закономерности пространственного распределения характеристик прилива в Мировом океане по данным глобальных приливных моделей
Дипломные работы, ВКР, прочее. Язык работы: Русский. Цена: 4600 р. Год сдачи: 2022