презентация отчета

НАПРАВЛЕНИЕ:
Комплексные междисциплинарные
исследования природных
процессов на базе уникальных
крупномасштабных установок:
Байкальский нейтринный телескоп
и установка «Тунка»
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ
КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ
РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ
БАЙКАЛ: отчет о результатах по гранту
за 2008 год
Портянская И. А.
Иркутский государственный
университет, г. Иркутск
27 ноября 2008 г.
Содержание
Научный задел
Ожидаемые результаты в соответствии
с заявленным планом работы
Основные полученные научные результаты
Предполагаемое использование результатов
Перечень публикаций по результатам работы
или рукописей, направленных в печать
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
2
Научный задел:
В работе использованы материалы
наблюдений, собранные в рамках
Байкальского нейтринного проекта
3600 m
9
5
6
7
8
10
100 m
11
1
1366 m
100 m
2
4
3
13
18
14
1.5km
600 m
15
12
Начиная с 90х годов на базе
Байкальского нейтринного телескопа
НТ-2000, ведутся гидрофизические
наблюдения водной среды озера
Байкал.
17
C 1999 года, производится
непрерывный пространственный
мониторинг температурного
режима озера Байкал.
16
Мониторинг осуществляется
при помощи температурных датчиков TR -1000, TR -1060, VEMCO, SBE-39.
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
3
Научный задел:
Следует отметить, что
по данным наблюдений
1999 – 2006 гг. поведение
температур на
горизонтах в среднем
повторяется из года в год
12
19m
25m
10
77m
Temperature
В результате получены
данные, отражающие
круглогодичное
поведение температуры
на различных глубинах в
период 1999-2006г.
90m
8
127m
182m
288m
6
4
2
0
0
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
.
Days (2000-2001 from 01 March)
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
4
Научный задел:
Описание модели
Основным элементом модели является одномерное уравнение
теплопроводности
2
T
T
  cp 
  (t , z )  2  Q(t , z )
t
z
Q(t , z )  Q0 (t )  e

z

Описывает поглощение солнечного тепла водой
в зависимости от глубины
Перейдем от коэффициента теплопроводности к
коэффициенту температуропроводности


  cp
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
5
Научный задел:
Зависимость коэффициента
температуропроводности от глубины
Параметр α характеризует устойчивость или неустойчивость элемента
температурного профиля
  (T ( z )  Tmd ( z ))  Tz/
stable
unstable
α < 0 : статически устойчивое состояние
α > 0 : неустойчивое состояние воды
unstable
 1 ,   (T ( z )  Tmd ( z ))  Tz/  0
 ( z)  
/

,


(
T
(
z
)

T
(
z
))

T
md
z 0
 2
stable
1  2
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
6
Научный задел:
С учетом массопереноса уравнение теплопроводности имеет вид:
T (t , z )
 2T (t , z )
T (t , z )
  (t , z )
 b(t , z )
 Q(t , z )
2
t
z
z
 (t , z ) - коэффициент температуропроводности
Q (t , z )
- внешние источники тепла
 (t , z )
b( t , z )   w 
z
Граничные условия: •
•
- коэффициент вертикального массопереноса
на поверхности T(z0 ,t) = T0 (t),
на условной нижней границе деятельного слоя
T (z1 ,t) = T1 (t).
В качестве T0(t) и T1(t) используются временные ряды температуры на
соответствующих границам горизонтах
В качестве начальных условий используется экспериментальный
температурный профиль, соответствующий некоторому моменту времени.
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
7
Ожидаемые результаты в соответствии с
заявленным планом работы:

Коэффициенты температуропроводности и вертикального
массопереноса как функции времени и глубины
за весь период наблюдений

Количественные оценки максимальных скоростей
и типичных энергий движения вод по вертикали и их временное
поведение на разных горизонтах за весь период наблюдений

Основные характеристики вертикального переноса энергии
возмущений по результатам спектрального анализа температурных
временных рядов.
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
8
Основные полученные научные результаты




В целом верхний слой разделяется на два интервала глубин, в
которых пространственно-временное поведение обоих
коэффициентов существенно различается в течение практически
всего года.
Граница между интервалами примерно соответствует глубине
залегания мезотермического максимума.
В верхнем интервале типичные значения вертикального
массопереноса порядка 10-3 см/с.
Исключая периоды гомотермии турбулентная
температуропроводность было 10-6 м2/с в верхнем
интервале и 10-4 м2/с в нижнем. Непосредственно перед
гомотермиями наблюдаются наибольшие значения 0.02 м2/с
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
9
Основные полученные научные результаты
Годовая эволюция коэффициента вертикального массопереноса
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
10
Основные полученные научные результаты
Годовая эволюция температуропроводности
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
11
Сопоставлены спектральные характеристики
на различных глубинах для изучения
вертикального переноса энергии.
На глубинах до 100 м наибольшая интенсивность
наблюдалась в летний период.
Типичное время распространения энергии через
приповерхностную зону порядка месяца.
Вследствие особенностей летней
стратификации поверхностные возбуждения
практически не достигают глубинных слоев.
Вместе с тем, энергия очень медленно
распространяется сквозь толщу озера, и уже
аккумулированная глубинными водами энергия
достигает придонной зоны довольно быстро с
типичными скоростями распространения порядка
сотни метров в неделю.
На больших глубинах заметные возмущения
наблюдаются в периоды, близкие по времени к
моментам весенней и осенней гомотермий. При
этом осенняя динамика отличается значительно
большей интенсивностью.
Зависимость интеграла спектральной плотности
от времени на различных горизонтах
(в относительных единицах)
Основные полученные научные результаты
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
12
Основные полученные научные результаты
Распределение вертикальных скоростей
Максимальное значение
составляет порядка нескольких десятых см/с.
Оцененные значения плотности
кинетической энергии вертикального
движения воды
Минимальное значение ~ 10-8 Дж / м3
Максимальное значение ~ 10 Дж / м3
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
13
Предполагаемое использование результатов
На основании полученных результатов можно составить
четкое
представления
о
важнейших
параметрах
вертикального водообмена, основных чертах каскадной
передачи энергии между динамическими процессами на разных
пространственно-временных масштабах и существенно
дополнить накопленные сведения о тепловом режиме озера
Байкал.
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
14
Перечень публикаций по результатам работы
или рукописей, направленных в печать:
1. Н.М. Буднев, С.В. Ловцов, Ю.В.Парфенов, И.А. Портянская, А.Э. Растегин, В.Ю.Рубцов М.Н.
Шимараев, Е.С. Троицкая М. Shturm, М. Shurter, А. Wuest. Моделирование эволюции температурного
режима верхних слоев оз. Байкал по данным экспериментов 2000– 2001гг., 2004-2005гг. //
Избранные тексты докладов международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях»
(Санкт-Петербург, 2 июля -5 июля, 2007). Изд-во ИПМ РАН, Москва, 2008
2. N.M. Budnev, S.V. Lovtsov, Yu.V. Parfenov, I.A. Portyanskaya, A.E.Rastegin, V.Yu.Rubtzov, M.N. Shimaraev ,
М. Shurter, М. Shturm, Ye.S.Troitskaya, А. Wuest. Temperature Spectra as Indices of Vertical Energy Transfer
in the South Baikal//Selected papers.International conference “Fluxes and structures in fluids” (St-Peterburg, 2-5
July, 2007). Moscow, 2008
3. Н.М. Буднев, С.В. Ловцов, Ю.В.Парфенов, И.А. Портянская, А.Э. Растегин, В.Ю.Рубцов М.Н.
Шимараев, Е.С. Троицкая М. Shturm, М. Shurter, А. Wuest. О случаях прибрежного апвеллинга в Южном
Байкале по измерениям температуры на буйковых станциях в районе нейтринного телескопа //
Избранные тексты докладов международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях»
(Санкт-Петербург, 2-5 июля, 2007). Изд-во ИПМ РАН, Москва, 2008
4. Н.М. Буднев, С.В. Ловцов, И.А. Портянская, А.Э. Растегин, В.Ю.Рубцов, М. Shturm, М. Shurter, А. Wuest.
Результаты моделирования эволюции температурного режима верхних слоев оз. Байкал по данным
экспериментов 2000–2001гг., 2004-2005гг. (принята к печати в «Известия Иркутского государственного
университета. Серия – Науки о Земле»: март 2008.)
5. N.M. Budnev, S.V. Lovtsov, I.A. Portyanskaya, A.E. Rastegin, V.Yu.Rubtzov, М. Shturm, M. Shurter, А. Wuest.
Peculiarities of vertical energy transfer in the south Baikal via water temperature data (принята к печати в
«Известия Иркутского государственного университета. Серия – Науки о Земле»: март 2008.)
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.
15
Спасибо за внимание!
ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ.