Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод...
TRANSCRIPT
![Page 1: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/1.jpg)
ПРОГНОСТИЧНІ МОДЕЛІ ГІДРОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ВОД ПІВНІЧНО-ЗАХІДНОГО РЕГІОНУ ЧОРНОГО МОРЯ
(ВІТРОВЕ ХВИЛЮВАННЯ, РІВЕНЬ, ТЕМПЕРАТУРА, ТЕЧІЇ)
Д.В. Кушнір, мол. наук. співроб., асп.,Одеський державний екологічний
університет
![Page 2: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/2.jpg)
Прогностичне моделювання у системі оперативного прогнозу гідрологічних та гідрофізичних параметрів стану морського середовища
Спостереження
Попередження
Реагування
Прогностичні системи та
моделі
Вступ
![Page 3: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/3.jpg)
Вступ• Для оперативного прогностичного моделювання
основних гідрологічних процесів морського прибережного середовища (вітрового хвилювання, рівня моря та течій, температури та солоності морської води) використовуються числові гідродинамічні та спектральні хвильові моделі;
• Прогностичне моделювання включає збір та аналіз необхідної вихідної інформації; побудову розрахункової сітки для моделі морської акваторії; калібрування та валідацію математичних моделей на підставі даних натурних спостережень.
![Page 4: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/4.jpg)
Числові гідродинамічні моделі Спектральні хвильові моделі
Основні рівняння: Основні рівняння:
1. Повна система рівнянь Нав´є-Стокса для нестисливої рідини:
• Рівняння руху у горизонтальній та вертикальній площинах;
• Рівняння нерозривності;• Рівняння переносу скалярних
величин (солоність та температура).2. Для замикання системи рівнянь
використовується відповідна модель турбулентності:
• Алгебраїчна модель;• k-L модель;• k-ε модель;• Інші моделі турбулентності.
1. Спектральне рівняння збереження енергії хвиль з джерелами та стоками.
2. Моделі описують:• Просторовий розподіл хвиль;• Зміну амплітуди хвиль;• Рефракцію;• Генерацію вітрових хвиль;• Дисипацію хвильової енергії;• Дифракцію хвиль;• Нелінійну взаємодію з
перешкодами.
Характеристики гідродинамічних та спектральних хвильових моделей
![Page 5: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/5.jpg)
Числові гідродинамічні моделіРівняння «мілкої води» (рівняння Сен-Венана):
Результат чисельного вирішення системи рівнянь мілкої води
![Page 6: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/6.jpg)
Застосування числових методівОсобливості дискретизації рівнянь моделей:
Структурований підхід Неструктурований підхід
![Page 7: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/7.jpg)
Структурована криволінійна сітка
Неструктурована сітка
Застосування числових методівОсобливості дискретизації рівнянь моделей:
![Page 8: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/8.jpg)
Варіанти застосування численних моделей: 3D, 2DH, 2DV, 1D
Особливості дискретизації рівнянь моделей:
Застосування числових методів
![Page 9: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/9.jpg)
Числові гідродинамічні моделіОсновні програмні пакети для оперативного прогнозування гідрофізичних характеристик
морського шельфу в країнах ЄС та США:• MIKE ZERO by DHI (https://www.mikepoweredbydhi.com)• AQUAVEO SMS by Aquaveo, LLC (http
://www.aquaveo.com/)• EFDC Explorer by DSI, LLC (http://www.efdc-explorer.com/
)• Open TELEMAC-MASCARET by TELEMAC-MASCARET
Consortium (http://www.opentelemac.org/)• Delft3 4 Suite and D-Flow FM Suite by Deltares (
https://www.deltares.nl/en/)
![Page 10: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/10.jpg)
Числові гідродинамічні моделіХарактеристики програмних пакетів для побудови прогностичних моделей :
Назва пакету Гідродинамічний модуль
Модуль трансформації хвиль
Варіанти застосування Доступ
MIKE ZERO MIKE11, MIKE 21, MIKE3
MIKE21-Spectral Waves FM, Boussinesq
Waves 1D/2D/3D Платний
AQUAVEO SMS ADCIRC, TUFLOW, CMS-Flow
CGWAVE, CMS-Wave, BOUSS-2D, STWAVE,
WAM
Переважно 2D (3D-модель у
розробці)Платний
EFDC ExplorerEnvironmental Fluid
Dynamics Code (EFDC)
відсутній 1D/2D/3D Платний
Open TELEMAC-MASCARET
MASCARET, TELEMAC-2D, TELEMAC-3D
TOMAWAC 1D/2D/3D Open Source
Delft3 4 Suite (Structured) Delft3D-FLOW Delft3D-WAVE (SWAN) 2D/3D Open
Source
![Page 11: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/11.jpg)
Delft3Dhttps://www.deltares.nl/en/
Програмні модулі пакету:• Delft3D-FLOW• Delft3D-MOR• Delft3D-WAVE• Delft3D-WAQ• Delft3D-ECO• Delft3D-PART
Розробляється дослідним інститутом Deltares, м. Делфт, Нідерланди та знаходиться у вільному доступі.
![Page 12: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/12.jpg)
• Базується на чисельному вирішенні рівняння Нав’є-Стокса для нестисливої рідини на мілкій воді у наближенні Бусінеска.
• Система диференційних прогностичних рівнянь моделі складається з рівнянь руху у горизонтальній площині, рівняння нерозривності, рівнянь переносу тепла і солей та з двопараметричної k-ε-моделі турбулентності, яка замикає ці рівняння.
• Вертикальні компоненти векторів швидкості течій розраховуються через рівняння нерозривності.
• Для рівняння швидкості вертикального руху береться гідростатичне наближення.
• Рівняння стану морської води визначається за формулою ЮНЕСКО.
• Тепло- і масообмін з атмосферою, випаровування з водної поверхні розраховуються в моделі з використанням напівемпіричних формул.
Delft3D-FLOW
![Page 13: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/13.jpg)
• Delft3D-Flow використовує криволінійну або сферичну розрахункову сітку, яка повинна бути ортогональною та добре структурованою.
• Сітка є зміщеною: точки рівня води визначаються в центрі розрахункових осередків, а нормальні компоненти швидкості - на їх відповідних гранях.
• Рівняння обчислюються за допомогою неявної кінцево-різницевої схеми з використанням методу змінних напрямків.
• Кінцево-різницева схема є безумовно стійкою. Крок за часом визначається з урахуванням умови Куранта-Фрідріхса-Леві.
Delft3D-FLOW
![Page 14: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/14.jpg)
• Спектральна хвильова модель SWAN (Simulating Waves Nearshore) є модифікацією моделі WAM, що призначена для розрахунків поля поверхневих хвиль в океанських масштабах;
• SWAN об'єднує опис фізичних процесів генерації і дисипації хвиль, взятих з моделі WAM, з додатковим описом процесів, які відбуваються на мілководді: дисипації за рахунок донного тертя і руйнування хвиль на критичних глибинах;
• SWAN - хвильова модель 3-го покоління, призначена для отримання реалістичних оцінок хвильових параметрів в прибережних областях, озерах та естуаріях по заданих полях вітру, течій і топографії дна;
• SWAN може використовуватися для розрахунків на великих масштабах (значно більших, ніж прибережні райони), однак в цьому випадку напрямок досліджень має бути направлений на вивчення еволюції хвиль від океанських масштабів до прибережних (SWAN підтримує методику розрахунків з вкладеними сітками);
• SWAN розробляється Технічним Університетом м. Делфт, Нідерланди) та знаходиться у відкритому доступі.
SWAN
![Page 15: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/15.jpg)
• Комплекс інтегрованих моделей Delft3D-FLOW-SWAN
Delft3D-FLOW + SWAN
Буфер обміну(*.com - файл)
Керуюча програма
Delft3d-FLOWDelft3d-WAVE(SWAN)
![Page 16: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/16.jpg)
1. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнір Результати чисельного моделювання внутрішньорічної мінливості характеристик гідрологічного режиму Куяльницького лиману // Український гідрометеорологічний журнал. – Одеса: ТЕС, ОДЕКУ. – 2016. – Вип.17. С. 153-163.
2. Ю.С. Тучковенко, Н.С. Лобода, Д.В. Кушнир Оценка влияния условий водообмена с морем на изменчивость уровня и солености воды в Тилигульском лимане // Український гідрометеорологічний журнал. – Одеса: ТЕС, ОДЕКУ. – 2015. – Вип.16. С. 164-174.
3. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнір Моделювання впливу водообміну з морем на мінливість гідрологічних характеристик Тилігульського лиману // Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету ім. Володимира Гнатюка. Серія: Біологія. Спеціальний випуск: Гідроекологія. – 2015. – №3-4 (64). – 794 с. – С. 384-388.
4. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнир Результаты адаптации модели Delft3D FLOW к условиям ‑Тилигульского лимана // Вісник Одеського державного екологічного університету. – Одеса: ТЕС, ОДЕКУ. – 2014. – Вип.18. С. 164-174.
5. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнир Моделирование ветровой циркуляции вод в Тилигульском лимане // Вісник Одеського державного екологічного університету. – Одеса: ТЕС, ОДЕКУ.- 2013.- Вип.16. С. 149 158.‑
6. Чисельне моделювання мінливості гідрологічних характеристик Куяльницького лиману / Водний режим та гідроекологічні характеристики Куяльницького лиману: Монографія / за ред. Н.С. Лободи, Є.Д. Гопченка. Одеський державний екологічний університет, – Одеса, 2016. – 332 с., іл. 101, табл. 71, бібл. 389. – С. 261 283.‑
7. Гідрологічний режим Тилігульського лиману / Водні ресурси та гідроекологічний стан Тилігульського лиману: Монографія / за ред. Ю.С. Тучковенка, Н.С. Лободи. Одеський державний екологічний університет, – Одеса: ТЕС, 2014. – 278с., іл. 139, табл. 62, бібл. 240. – С. 148 158.‑
Приклади застосування моделей - Публікації
![Page 17: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/17.jpg)
Приклади застосування моделей
Куяльницький лиман
Тилігульський лиман
![Page 18: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/18.jpg)
Delft3D-FLOW - Приклади застосування
Поля векторів осереднених за глибиною течій, отримані в моделі
Моделювання транспорту наносів при забезпеченні водообміну Тилігульського лиману з морем через штучний з´єднувальний канал
![Page 19: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/19.jpg)
SWAN – Приклади застосування
Поля значних висот хвиль, м, та хвильових векторів, отримані в моделі SWAN
![Page 20: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/20.jpg)
Приклади застосування прогностичних моделей
RWsOS – North Sea: Система оперативного прогнозування для Північного моря та Північно-Європейського континентального шельфу
![Page 21: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/21.jpg)
Приклади застосування прогностичних моделей
FEWS-Guanabara:
Оперативний моніторинг та прогнозування для бухти Гуанабара, штат Ріо-де-Жанейро, Бразилія
![Page 22: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/22.jpg)
Криволінійна сітка для оперативної прогностичної моделі гідрологічних процесів вод Чорного моря
![Page 23: Прогностичні моделі гідрологічних процесів вод Північно-Західного регіону Чорного моря (вітрове](https://reader037.vdocuments.mx/reader037/viewer/2022102802/58e867ed1a28ab007c8b5a4f/html5/thumbnails/23.jpg)
Висновки
• Прогностичні моделі гідрологічних процесів морських вод є невід'ємною складовою системи оперативного прогнозу гідрологічних та гідрофізичних параметрів стану морського середовища української частини акваторії Азово-Чорноморського басейну.
• Для підвищення виправдованості оперативних прогнозів мінливості параметрів вітрового хвилювання, температури, солоності води, течій, рівня моря для обраних (портових) ділянок акваторії Азово-Чорноморського басейну доцільно використовувати сучасні європейські числові моделі, такі як Delft3D-FLOW та SWAN.