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

Прогностичне моделювання у системі оперативного прогнозу гідрологічних та гідрофізичних параметрів стану морського середовища

Спостереження

Попередження

Реагування

Прогностичні системи та

моделі

Вступ

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.

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

Числові гідродинамічні моделіРівняння «мілкої води» (рівняння Сен-Венана):

Результат чисельного вирішення системи рівнянь мілкої води

Застосування числових методівОсобливості дискретизації рівнянь моделей:

Структурований підхід Неструктурований підхід

Структурована криволінійна сітка

Неструктурована сітка

Застосування числових методівОсобливості дискретизації рівнянь моделей:

Варіанти застосування численних моделей: 3D, 2DH, 2DV, 1D

Особливості дискретизації рівнянь моделей:

Застосування числових методів

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/)

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

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.

• 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

• 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

• 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

• Комплекс інтегрованих моделей Delft3D-FLOW-SWAN

Delft3D-FLOW + SWAN

Буфер обміну(*.com - файл)

Керуюча програма

Delft3d-FLOWDelft3d-WAVE(SWAN)

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

Приклади застосування моделей

Куяльницький лиман

Тилігульський лиман

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

SWAN – Приклади застосування

Поля значних висот хвиль, м, та хвильових векторів, отримані в моделі SWAN

Приклади застосування прогностичних моделей

RWsOS – North Sea: Система оперативного прогнозування для Північного моря та Північно-Європейського континентального шельфу

Приклади застосування прогностичних моделей

FEWS-Guanabara:

Оперативний моніторинг та прогнозування для бухти Гуанабара, штат Ріо-де-Жанейро, Бразилія

Криволінійна сітка для оперативної прогностичної моделі гідрологічних процесів вод Чорного моря

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.