Моделирование длинноволновых процессов в Южно-Китайском море тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат физико-математических наук Нгуен Хонг Лан

• Нгуен Хонг Лан
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Нгуен Хонг Лан

Сокращения

Введение

1 Длинноволновые процессы в Южно-Китайском море

1.1 Прогноз колебаний уровня как задача комплексного управления прибрежной зоной Вьетнама

1.2 Основные особенности формирования длинноволновых процессов в Южно-Китайском море

1.2.1 Морфометрия Южно-Китайского моря

1.2.2 Гидрометеорологические условия Южно-Китайского моря

1.2.3 Режим колебаний уровня

2 Математическая гидродинамическая модель длинноволновых процессов в бассейнах и метод криволинейных координат

2.1 Постановка задача о моделировании длинноволновых процессов в криволинейных координатах

2.2 Построение криволинейной сетки для Южно-Китайского моря

2.3 Использование географических информационных систем (ГИС) в моделировании длинноволновых процессов в ЮжноКитайском море

2.4 Основные уравнения гидродинамики, уравнения теории мелкой воды. Математическая постановка задачи моделирования длинноволновых процессов

2.4.1 Уравнения теории мелкой воды

2.4.2 Расчет касательного напряжения ветра

2.4.3 Учет метеорологической информации

2.4.4 Расчет касательного напряжения на дне

2.4.5 Граничные условия

2.5 Адаптация гидродинамической модели длинноволновых процессов к системе криволинейных координат

2.5.1 Операция дифференцирования и интегрирования в криволинейных координатах

2.5.2 Уравнение неразрывности в криволинейных координатах

2.5.3 Уравнения движения в криволинейных координатах

3 Численная реализация гидродинамической модели с использованием сетки криволинейных координат

3.1 Выбор метода численного решения - полунеявный метод

3.2 Алгоритм численного решения поставленной задачи

4 Численные эксперименты по моделированию длинноволновых процессов в Южно-Китайском море и анализ результатов

4.1 Численные эксперименты для одиночного возмущения

4.2 Численные эксперименты по моделированию штормового нагона

4.3 Районирование прибрежной зоны Вьетнама по интенсивности сгонно-нагонных явлений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование длинноволновых процессов в Южно-Китайском море»

В последние десятилетия в связи с активным освоением морских и прибрежных ресурсов значительно возросла практическая значимость исследований гидрометеорологического характера. Особенно интенсивно осваиваются ресурсы шельфовой зоны Мирового океана, в том числе и прибрежных зон его окраинных морей, к числу которых относится и ЮжноКитайское море. На эту зону приходится основная масса морепродуктов, добываемых Вьетнамом. Южно-Китайское море омывает берега многих государств Юго-Восточной Азии, таких как Вьетнам, Китай, Филиппины, Малайзия, Бруней, Индонезия, Таиланд, Кампучия, Сингапур, и играет весьма важную роль в развитии экономики всех этих стран. Южно-Китайское море является зоной интенсивного судоходства. В прибрежной зоне Вьетнама обнаружены и разрабатываются в настоящее время месторождения нефти и других полезных ископаемых. Часть прибрежной зоны Вьетнама активно используются в рекреационных целях, происходит развитие береговой инфраструктуры. Нормальное функционирование этих видов морской деятельности и развитие прибрежной зоны, в целом, невозможно без учета гидрометеорологических факторов, к числу которых относится режим колебаний уровня. Изучение и прогноз колебаний уровня являются важной составляющей гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Вьетнама.

Вьетнам - это Государство с морским побережьем, имеющим протяженность более чем 3000 км. Колебания уровня на побережье Вьетнама определяются наличием ярко выраженных приливных колебаний, а также непериодических колебаний, связанных со штормовыми нагонами и цунами. Актуальность исследований, связанных с изучением особенностей формирования колебаний уровня в этом регионе, не вызывает сомнений, поскольку появление экстремальных значений уровня, вызванных прохождением тайфунов или возникновением цунами, относится к числу опасных явлений, которые могут угрожать безопасности прибрежного мореплавания, нарушать устойчивость функционирования береговых гидротехнических и портовых сооружений, а также представлять угрозу безопасности проживающего в прибрежной зоне населения. Исследование штормовых нагонов именно в Южно-Китайском море, особенно в заливе Бакбо, представляет определенный интерес также в связи с тем, что орографические особенности района, связанные с очертаниями береговой линии и мелководностыо благоприятствуют здесь развитию нагонных явлений при прохождении тайфунов по наиболее типичным для региона Юго-Восточной Азии траекториям.

Региональный характер опасных морских явлений и необходимость учета их локальных проявлений на различных участках прибрежной зоны Вьетнама вызывают необходимость моделирования этих явлений в рамках единой численной модели, охватывающей всю акваторию Южно-Китайского моря. Проблемы, связанные с необходимой пространственной детализацией расчета, такие как большие массивы исходной информации или наглядная визуализация результатов расчетов могут быть эффективно решены использованием современных ГИС технологий. Последнее обстоятельство, кроме того, делает более удобным использование разрабатываемой численной модели в рамках общей геоинформационной системы, которая может быть развита для информационной поддержки системы КУПЗ побережья Вьетнама.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка численной гидродинамической модели для расчета непериодических колебания уровня, связанных со штормовыми нагонами и цунами, направленная на создание единой службы предупреждения об экстремальных колебаниях уровня в прибрежной зоне Вьетнама.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- создание базы данных для расчетов;

-разработка гидродинамической модели для длинноволновых процессов в Южно-Китайском море в криволинейной системе координат, основанной на использовании уравнений теории мелкой воды;

- построение композиционной криволинейной сетки координат для всей акватории Южно-Китайского моря;

- программная реализация интегральной численной модели для расчета колебаний уровня и поля течений в Южно-Китайском море с использованием сетки криволинейных координат;

- проведение конкретных численных расчетов колебаний уровня и поля течений для различных синоптических ситуаций;

- анализ условий формирования режима непериодических колебаний уровня и районирование на основе численных расчетов побережья Вьетнама по интенсивности сгонно-нагонных явлений.

Новые результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, состоят в следующем:

- впервые для всей акватории Южно-Китайского моря с применением ГИС технологий построена численная гидродинамическая модель, основанная на использовании сетки криволинейных координат.

- при построении сетки криволинейных координат для всей акватории Южно-Китайского моря в модели впервые применена композиционная сетка.

-впервые предложена структура комплекса программ оперативной океанологии с целью предупреждения экстремальных подъемов уровня вдоль побережья Вьетнама как составной части системы комплексного управления прибрежной зоной Вьетнама.

Полученные в работе результаты могут служить основой для изучения проблемы морских наводнения и прогноза непериодических колебаний уровня в различных районах побережья Южно-Китайского моря. Результаты могут быть использованы в таких отраслях народного хозяйства как проектирование, строительство и эксплуатация морских гидротехнических сооружений, поиск и добыча нефти и других полезных ископаемых, судоходство и рыболовство.

На защиту выносятся следующие положения: а) метод построения композиционной сетки, использованной в моделировании длинноволновых процессов в Южно-Китайском море; б) гидродинамическая модель длинноволновых процессов в ЮжноКитайском море в системе криволинейных координат; численный метод расчета и программная реализация гидродинамической модели с использованием ГИС технологий; в) анализ условий формирования непериодических длинноволновых колебаний уровня и трансформации длинных волн в условиях реальной морфометрии Южно-Китайского моря; г) схема районирования прибрежной зоны по интенсивности сгонно-нагонных явлений и метод оперативной оценки величины нагона в заливе Бакбо при прохождении тайфунов различной интенсивности; структура комплекса программ оперативной океанологии, направленного на предупреждение об экстремальных подъемах уровня в системе комплексного управления прибрежной зоной Вьетнама.

Диссертация выполнена в РГТМУ под руководством доцента, кандидата географических наук Н. JL Плинка и при поддержке преподавателей кафедры комплексного управления прибрежными зонами, которым автор выражает искреннюю благодарность за помощь в работе.

Заключение диссертации по теме «Океанология», Нгуен Хонг Лан

Заключение

Выполненные в рамках диссертационной работы исследования направлены на разработку численной модели, основанной на использовании сетки криволинейных координат и предназначенной для изучения, анализа, расчета и прогнозирования длинноволновых процессов в Южно-Китайском море. В прикладном отношении разработанная численная модель построена с использованием современных ГИС-технологий, что превращает численную модель в инструмент, который может быть использован при развитии системы комплексного управления прибрежной зоной Вьетнама. Разработанная численная модель может быть использована в оперативной океанологии при обеспечении информацией о колебаниях уровня в прибрежной зоне Вьетнама, при научном обосновании стратегии управления рисками от воздействия стихийных морских бедствий, планировании застройки, а также решении других задач, связанных с развитием прибрежных территорий. Результаты выполненной диссертационной работы позволили сделать следующие основные выводы:

1. Разработанная численная модель, основанная на использовании сетки криволинейных координат, правильно воспроизводит процесс формирования длинноволновых колебаний уровня в Южно-Китайском море. Выполнение модельных расчетов, расчетов, связанных с моделированием реальных случаев прохождения тайфуна, сравнение результатов расчетов с теоретическими оценками, данными наблюдений, результатами, полученными с использованием других моделей, физическая интерпретация результатов моделирования подтверждают возможность использования численной модели для анализа и прогноза длинноволновых колебаний уровня в прибрежной зоне Вьетнама.

2. Использование построенной для всей акватории Южно-Китайского моря композиционной криволинейной сетки дает возможность повышения точности численного решения уравнений гидродинамической модели. При этом реализованный в оболочке ГИС общий метод построения криволинейной расчетной сетки может быть использован в дальнейшем для развития гидродинамических методов расчета океанологических процессов не только в Южно-Китайском море, но и применительно к другим районам Мирового океана.

3. По результатам выполненных расчетов выполнен анализ условий формирования длинноволновых колебаний уровня с учетом реальной морфометрии Южно-Китайского моря, построены схемы районирования прибрежной зоны Вьетнама по величине штормовых нагонов и сгонов, предложен метод оперативной оценки величины штормового нагона, связанного с прохождением тайфунов различной интенсивности для наиболее опасного участка побережья Вьетнама — залива Бакбо.

4. С учетом результатов гидродинамического моделирования и анализа климатических траекторий прохождения тайфунов в ЮжноКитайском море, на побережье Вьетнама выделена зона наибольшего риска, связанного с повышением уровня, сделан ряд рекомендаций по управлению рисками в контексте развития системы комплексного управления прибрежной зоной Вьетнама.

5. В общем виде рассмотрена структура и состав мероприятий, направленных на развитие системы комплексного управления прибрежной зоной Вьетнама.

6. Разработанная гидродинамическая модель может быть внедрена в оперативную службу гидрометеорологического обеспечения Вьетнама.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Нгуен Хонг Лан, 2005 год

1. Фам Ван Тхук. Nhung dac diem song than khu vuc bien dong -Некоторые особености цунами в Южно-Китайском море // Наука и технология моря. 2001. - С. 52 - 64.

2. Фам Ван Тхук. Song than о bien dong va van de du bao: Цунами в Южно-Китайском море и проблема прогнозирования. // Bien Dong 2001: Доклад науч. конф. — 2001. — С. 351 — 365.

3. Соловьев С. JI. Методы предсказания цунами // Вестник АН СССР. — 1972.-№5. с. 72-81.

4. Соловьев С. JI. Повторяемость землетрясений и цунами в Тихом океане //Волны цунами: Спб. науч. тр. Вып 29. Южно-Сахалинск, 1972.-С. 7-47.

5. Данг Конг Минг. Распространение приливных волн и приливного колебания уровня Южно-Китайского моря // Океанология. 1975. — Т. 15, вып 4.-С. 580-586.

6. Нгуен Ван Кы. Исследование штормовых нагонов и течений в устьевых областях рек под влиянием тайфунов (на примере р. Кыакам). -Одесса: Изд. ОГМИ, 1979. 21с.

7. Нгуен Нгок Тви. Особенности формирования приливных явлений Южно-Китайского моря // Океанология. — 1969. — Т. 9, вып. 2. — С. 235 — 248.

8. Нгуен Нгок Тви. Тропические циклоны и штормовые нагоны в прбрежных водах Вьетнама // Тр. ГОИН. 1989. - Вып. 188. - С. 98 - 102.

9. Nguyen Ngoc Thuy. Specific tidal phenomena of the East Sea and the problem of calculation of tidal characteristics // 14-th Pacific science congress . -Khabarovsk, 1979.- 14 p.

10. Нгуен Нгок Тви. Атлас приливов залива Бакбо. Ханой: Изд. ГУГМС СРВ, 1976.-70 с.

11. Доронин Ю. П., ДоНгокКунь, Прошутинский А. Ю. К численному моделированию штормовых нагонов в Южно-Китайском море //Лен. политех, ин-т. Л., 1982. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 27.05.82, № 4914-83.

12. До Нгок Кунь. Некоторые результаты численного моделирования штормовых нагонов в Южно-Китайском море//Лен. политех, ин-т. Л., 1982. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 27.05.82, № 4914-83.

13. Нгуен Тхи Бай. Моделирование гидро- и лито-динамики приливов морских бассейнов: Дис. . канд. физ.-мат. наук: 11.00.08. Защищена 10.11.96.-СПб., 1996.- 128 с.

14. Вольцнигер Н. Е., Клеванный К. А. Интегрирование уравнений трехмерного движения в произвольной области для расчета наводнений // Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1987. - Т. 23, № 5. с. 462 - 469.

15. Вольцингер Н. Е., Пясковский Р. В. Теория мелкой воды. Океанологические задачи и численные методы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -207 с.

16. Вольцингер Н. Е., Клеванный К. А., Пелиновский Е. Н. Длинноволновая динамика прибрежной зоны. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

17. Иваненко С. А. Построение криволинейных сеток и их использование в методе конечных элементов для решения уравнений мелкойводы // Сообщ. по прикл. мат. М.: Изд. ВЦ АН СССР, 1985. - 61 с.

18. Годунон С. К., Рябенький В. С. Разностные схемы. М.: Наука, 1973.-400 с.

19. Shi, F., Sun, W., Wei, G. A WDM method on generalized curvilinear grid for calculation of storm surge flooding//Appl. Ocean Res. — 1997.— 19.— P. 275 282.

20. Shi, F., Kong, Y., Ding, P. An implicit method using contravariant velocity components and calculations in a harbor-channel area // Acta Oceanol. Sin. 1998. - 20 (4). - P. 17 - 24.

21. Thompson J. F., Warai Z. U. A., Mastin C. W. Boundary-fitted coordinate systems for numerical solution of partial differential equation. A review // J. Сотр. Phys. 1982. - Vol. 47, N 2. - P. 1 - 108.

22. Thompson J. F., Warsi Z. U A., Mastin C. W. Numerical grid generation foundation and application.: North Holi. 1985. - 483 p.

23. Плинк H. JI., Кашарский M. В., Нгуен Хонг Лан. Методология учета колебаний уровня при комплексном управлении прибрежными зонами // Колебание уровня в морях. Спб.: Изд. РГТМУ, 2003. - С. 5 — 20.

24. Вольцингер Н. Е., Клеванный К. А. Вертикальная структура цунами при накате на берег // Изв. АН СССР, ФАО. 1985. - Т. 21, № 10. - С. 1078 -1085.

25. Каган Б. А. Взаимодействие океана и атмосферы. — Спб.: Гидрометеоиздат, 1992.-335 с.

26. Каган Б. Л. Динамика придонного пограничного слоя океана //Итоги науки и техники. Обнинск: Изд. ВИНИТИ, 1981.-Т. 6. - С. 81 -189. - (Сер. Океанология).

27. Марчук Г. И., Каган Б. А. Динамика океанских приливов. JL: Гидрометеоиздат, 1983. — 359 с.

28. Клеванный К. А. Влияние диссипации на распространение и накат цунами: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. Горький, JT.: ААНИИ, 1985. -20 с.

29. Клеванный К. А., Пелиновский Е. Н. Влияние нелинейной диссипации на распространение волн цунами // Изв. АН СССР, Сер. ФАО. -1978. Т. 14, № 10. - С. 1074 - 1078.

30. Лятхер В. М. Численный метод расчета наката длинных волн на берег // Процессы возбуждения и распространения цунами: Сб. науч. статей. М.: Изд. ИОАН СССР, 1982. - С. 103 - 108.

31. Мазова P. X. Линейная теория наката волн цунами на шельфы различных геометрий // Накат цунами на берег. — Горький: Изд. ИПФ АН СССР, 1985.-С. 48-63.

32. Мазова P. X., Пелиновский Е. Н. Линейная теория набегания волн цунами на берег // Препринт № 256. Горький: ИПФ АН СССР, 1981, С. 16

33. Shi, F., Sun, W. A variable boundary model of storm surge flooding in generalized curvilinear coordinate grids // J. Numer. Methods Fluid. 1995. -21. -P. 641 - 651.

34. Borthwick, A. G. L., Barber, R. W. River and reservoir flow modeling using the transformed shallow water equations // J. Numer. Methods Fluids.1992.- 14.-P. 1193- 1217.

35. Goring, D. G. Tsunamis the propagation of long waves onto a shelf: PhD dissertation. California: By California Institute of Technology, Pasadena.

36. Solution of shallow water equations for complex flow domains via boundary fitted coordinates / Hauser, J., Paap, H.G., Eppel, D., Mueller, A. // J. Numer. Methods Fluids. 1985. - 5. - P. 727 - 744.

37. Kashiyama, K., Okada, T. Automatic mesh generation method for shallow water flow analysis // J. Numer. Methods fluids. 1992. - 15. — P. 1037 -1057.

38. Kirby, J. T. Parabolic wave computations in non-orthogonal coordinate systems//J. Waterw.- Port: By Coastal Ocean Eng. 1988.- 114.- P. 673 -685.

39. Kirby, J. T. Nonlinear, dispersive long waves in water of variable depth // Gravity Waves in Water of Finite Depth. Computa / Ed. Hunt, J.N.: Computa. Mech. Publications. 1997. - P. 55 - 126.

40. Kirby, J. Т., Dalrymple, R. A., Kaku, H. Parabolic approximations for water waves in conformal coordinate systems//Coastal Eng. 1994.— 23.- P. 185-213.

41. Sheng, Y. P. Modeling coastal and estuarine processes using boundary-fitted grids // Proc. 3rd Int. Symp. River Sediment. 1986. - P. 1416 - 1442.

42. Rober A. Semi-implicit method // Numerical methods used in atmospheric models: GARP Publ. Ser. 2. 1979. - N. 17. - P. 419 - 437.

43. Робер А. Полунеявный метод // Численные методы, используемые в атмосф. моделях / Ред. В. П. Садоков. JL: Гидрометеоиздат, 1982. - С. 302 -315).

44. Волыдингер Н. Е., Тузова О. И. О расчете вертикальной структуры течений при штормовых нагонах // Изв. АН СССР, Сер. ФАО. 1983. - Т. 19, №5.-С. 524-532.

45. Воробьев В. Н., Смирнов Н. П. Общая океанология, часть II. Динамические процессы. — СПб, 1999. 230 с.

46. Голинько В. И., Пелиновский Е. Н. Накат длинных волн на берег в каналах переменного сечения//Метеорология и гидрология, 1988. — № 6. — С. 107-112.

47. Динамика океана. — JL: Гидрометеоиздат, 1980. — 302 с.

48. Доронин Ю. П. Региональная океанология. — JL: Гидрометеоиздат, 1986.- 143 с.

49. Вольцингер Н. Е., Клеванный К. А. Моделирование длинноволновых движений с использованием спрямляющего отображения области // Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1986. - Т. 22, № 8. - С. 844 - 849.

50. Кононкова Г. Е., Показеев К. В. Динамика морских волн. — М.: Изд. МГУ, 1985. 297 с.

51. Марчук Ан. Г., Чубаров JI. Б., Шокин Ю. И. Численное моделирование волн цунами. — Новосибирск.: Наука, 1983. 175 с.

52. Mace Е. И., Судобичер В. Г. Численный метод расчета наката волн в прибрежной зоне крупных водоемов//Водные ресурсы. — 1980.— № 3.— С. 143- 148.

53. Милитеев А. Н., С л адкевичМ. С. Численный метод расчета наката длинных волн на берег//Вопросы долгосрочного и оперативного прогноза цунами. Владивосток: Изд. ДВНЦ АН СССР, 1981. - С. 48 - 49.

54. Анучина Н. Н. Некоторые разностные схемы для системгиперболических уравнений //Тр. МИЛН, 1966. Т. 74. - С. 5 - 15;

55. Трансформация цунами на шельфе и в прибрежной зоне / В. Г. Бухтеев, В. А. Макаров, А. В. Некрасов, Н. JI. Плинк // Структура и динамика вод Мирового океана. JL: Изд. ЛПИ, 1983. — С. 115 - 126.

56. Бухтев В. F., Плинк Н. Л. Численное моделирование реального случая: цунами // Изучение цунами в открытом океане. — М.: Наука, 1978. -С. 33-42.

57. Бухтев В. Г., Плинк Н. JI. Использование математических моделей в целях прогнозирования изменения параметров цунами при реальном рельефе дна // Исследование и освоение Мирового океана. — вып. 71. — JI.: Изд. ЛГМИ -ЛПИ, 1980.-С. 93- 100.

58. Вагер Б. Г., Вольцингер Н. Е., Руденко Э. П. Расчет вертикальной структуры ветровых нагонов // Числ. мет. в задачах мат. физ.: Межвуз. тем. сб. трудов / ЛИСИ.- 1983.-С. 79-87.

59. Вольцингер Н. Е. Длинные волны на мелкой воде.— Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 160 с.

60. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1980.-535 с.

61. Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы.— М.: Наука,1989.

62. Яненко Н. Н., Данаев Н. Т., Лисейкин В. Д. О вариационном методе построения сеток//Числ. мет. мех. сплошной среды. — Новосибирск, 1977. — Т. 8, №4.-С. 157-163.

63. Оганесян Jl. А., Сивашинекий С. В. Диагностические расчеты штормовых нагонов. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. — 120 с.

64. Пелиновский Е. Н. Нелинейная динамика волн цунами. — Горький: Изд. ИПФ АН СССР, 1982. 226 с.

65. Пелиновский Е. Н., Плинк Н. Л. Предварительная схема цунами-районирования побережья Курило-Камчатской зоны на основе одномерных расчетов (модельный очаг). Горький: Изд. ИПФ АН СССР, 1980. - С. 18.— (Препринт № 5).

66. Прокопов Г. П. О расчете разностных сеток, близких к ортогональным в областях с криволинейными границами. — М.: ИПМ АН СССР, 1974. 36 с. - ( Препринт № 17).

67. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач (Пер. с Англ. языка). М.: Мир, 1972. - 418 с.

68. Сафонов Г. Ф. Возбуждение длинных волн в океане крупномасштабными изменениями в поле касательного напряжения ветра / Государственный океанологический институт. — М.: Гидрометеоиздат, 1985.- 108 с.

69. Селезов И. Т. О численном моделировании генерирования и распространения волн цунами // Эволюция цунами от очага до выхода на берег. М.: Радио и связь, 1982. - С. 6 — 15.

70. Нгуен Тхо Шао. Моделирование приливных движений и баланс приливной энергии Южно-Китайского моря: Дис. . канд. геогр. наук: 11.00.08.-Защищена 10.11.88. Л.: ЛГМИ, 1988.- 103 с.

71. Зы Ван Тоан. Энергия приливов в Южно-Китайском море: Дис. . канд. геогр. наук: 25.00.28. Защищена 2001. - СПб.: РГГМУ, 2001. - 198 с.

72. Bang thuy trieu 2001 = Приливные таблицы // Marine hydrometeoro-logical centre in Vietnam. — Hanoi.: Nha xuat ban thong ke, 2000.