Разработана система приемов для определения «экстремальных» режимных характеристик волнения на глубокой и мелкой воде, основанная на методе цензурированных выборок;

Исследованы режимные параметры ветрового волнения для морских акваторий с различными климатическими условиями и характером волнообразования (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);

Выполнены комплексные исследования режима ветрового волнения Черного моря, включающие детальный анализ пространственной и временной изменчивости режимных характеристик;

Разработана система численных моделей аэрогидродинамических процессов у поверхности раздела атмосфера - море в осенних вторичных термических циклонах Черного моря. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов.

Исследованы параметры ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовых течений в шторме 9-11 ноября 1981 года, приведшего к катастрофическим разрушениям гидротехнических сооружений на акваториях, прилегающих к западному побережью Крыма.

Методы исследования

Проведение натурных экспериментов по измерению поверхностного волнения и применение современных методов обработки измерений с целью получения вероятностных характеристик ветрового волнения, в том числе и спектральных;

Численное гидродинамическое моделирование ветрового волнения по исходным полям ветра;

Применение современных методов анализа климатических характеристик волнения, в том числе и с малыми вероятностями превышения.

Положения, выносимые на защиту

Разработана новая численная модель диагноза и прогноза направленных спектров ветрового волнения по исходным полям ветра. Модель основана на «узконаправленной» спектральной теории ветрового волнения, созданной акад. В.Е. Захаровым.

На базе данной численной модели разработана компьютерная технология расчета направленных спектров ветрового волнения. Технология верифицирована по данным натурных экспериментов и внедрена в практику работ Росгидромета. На Центральной Методической Комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета данная технология была рекомендована в практику оперативных работ (решение от 17.10.01). На научно-техническом совете Росгидромета 6 июля 2001 года «узконаправленной» модели был придан статус Российской Атмосферно-Волновой Модели;

Предложена система приемов для определения параметров ветрового волнения с большими периодами повторяемости (5 лет и более) на глубокой и мелкой воде, базирующаяся на методе цензурированных выборок. Предложены критерии выделения синоптических ситуаций, относящихся к штормовым, из всего ряда наблюдений;

Разработанные модель ветрового волнения и система приемов определения «экстремальных» характеристик позволили исследовать режимные характеристики ветрового волнения по специализированным запросам народнохозяйственных организаций. Исследовался волновой режим морских акваторий, в которых предполагается строительство гидротехнических сооружений. Данные акватории различались между собой климатическими условиями и характером волнообразования (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);

Проведены комплексные исследования режима ветрового волнения Черного моря. Установлено возрастание высот волн с большими периодами повторяемости с севера моря на юг. Выявлены два максимума для высот волн, возможных раз в 10 лет, в юго-восточном и юго-западном районах моря. Выделен устойчивый тренд в средней за год мощности ветрового волнения. Мощность волнения последние 15 лет на море возрастала, причем, для восточных районов она росла быстрее, чем для западных;

Выделен тип штормов, которые приводят к катастрофическим разрушениям для северных районов Черного моря. Эти штормы вызываются осенними вторичными термическими циклонами (ВТЦ). Построена система численных моделей аэрогидродинамических процессов у поверхности раздела в этих штормах. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов. Показано большое влияние разницы температуры вода - воздух и повышенной шероховатости взволнованной поверхности на обмен импульсом в системе атмосфера-море.

В шторме 9-11 ноября 1981 г. рассчитаны параметры ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовые течения. Согласно исследованиям данный шторм является наиболее полным аналогом в новейшей истории «Балаклавской бури» наиболее жестокого по историческим данным шторма, вызванного осенними ВТЦ. Показано, что параметры ветровых волн в эпицентре этих штормов решительно превосходят наблюдаемые даже самых сильных штормах на севере Черного моря. Указанные штормы следует выделять в особый тип природных явлений, приводящих к катастрофическим последствиям.

Научная новизна работы

Новизна работы определяется как использованными подходами, в решении задачи численного моделирования ветровых волн, так и полученными результатами. Новизной подхода является применение в разработке численной технологии расчета и прогноза ветрового волнения «узконаправленной» теории ветрового волнения. Это первая в мире данного типа компьютерная технология, в которой используется альтернативное «дискретному» упрощение кинетического интеграла. Новизна полученных результатов заключается в обосновании выделения наряду с «фоновыми» и «экстремальными» волновыми условиями еще одного типа природных явлений, которые приводят к катастрофическим последствиям. Данный тип явлений возможен при совпадении целого ряда неблагоприятных гидрометеорологических условий. На основе массовых численных расчетов с помощью разработанной численной модели автором получены новые сведения о пространственно-временной изменчивости волнового климата морей, омывающих Россию, в эпоху антропогенного потепления.

Фактический материал

Для верификации компьютерной технологии расчета и прогноза ветрового волнения использованы данные 4-х научных экспериментов в Северной Атлантике, Черном и Балтийском морях, Финском заливе. В экспериментах в Финском заливе и на Черном море автор принял личное участие. При анализе волнового климата использованы базы данных гидрометеорологических параметров в штормах Балтийского, Черного, Каспийского, Японского, Карского и Баренцева морей. В создание этих баз данных принимал участие автор.

Личный вклад автора

Структурно работа состоит из четырех блоков:

Разработана компьютерная технология диагноза и прогноза направленных спектров ветрового волнения по исходным полям ветра;

Проведены натурные эксперименты для верификации разработанной технологии;

Проведены численные расчеты полей ветровых волн в Черном, Балтийском, Баренцевом, Каспийском, Карском и Японском морях;

Обобщены результаты выполненных расчетов и получены новые сведения о пространственно-временной изменчивости высот волн, закономерностях и тенденциях изменения волнового климата.

В области создания компьютерной технологии автором разработан алгоритм численной реализации «узконаправленной» модели ветрового волнения, создана компьютерная программа, обоснована по литературным источникам и натурным экспериментам основная гипотеза, использованная при выводе «узконаправленной» теории. Численная модель была им реализована на ЭВМ и адаптирована к современным технологиям диагноза и прогноза ветрового волнения Росгидромета РФ. В области натурных исследований автор принимал непосредственной участие в планировании и проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов. Третий и четвертый блоки диссертации автором выполнены самостоятельно.

Практическая ценность работы

Созданная численная модель диагноза и прогноза направленного спектра ветровых волн по исходным полям ветрам является наиболее эффективным способом получения информации о состояния волнения в морях и океанах. Не уступая современным дискретным спектральным моделям по точности и уровню информативности, она решительно превосходит их по быстродействию. Полученные оценки режима ветрового волнения на Черном, Балтийском, Баренцевом, Каспийском, Карском и Японском морях и его пространственно-временной изменчивости, а также значения экстремальных высот волн, позволяют судить о закономерностях и тенденциях изменения волнового климата в эпоху антропогенного потепления.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре лаборатории ветрового волнения ГОИНа, лаборатории нелинейных волновых процессов ИОРАН и семинаре кафедры физики моря МГУ. На 4 всесоюзных и всероссийских конференциях и на 13 международных конференциях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, из них 12 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 13 статей в тематических сборниках и коллективных монографиях, 17 статей и тезисов в трудах научных конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы, всего 251 публикация. Работа изложена на 281 странице, включая 102 рисунка и 16 таблиц.

Благодарности

К настоящему времени наука достигла высокого уровня понимания физических процессов генерации и распространения ветрового волнения. Одной из ведущих школ в мире по изучению теории ветрового волнения является лаборатория нелинейных волновых проблем Института океанологии РАН им. П.П. Ширшова под руководством акад. В.Е. Захарова. Лично Владимиром Евгеньевичем и его сотрудниками (М.М. Заславским, В.П. Красицким и другими) разработана замкнутая теория ветрового волнения. Использование данных теоретических достижений позволило автору выполнить настоящую работу. Также она была бы невозможной без огромного научного и практического опыта исследования ветрового волнения, накопленного в лаборатории ветрового волнения Государственного Океанографического Института. Данная лаборатория была организована в 1952 году для обеспечения работ по добыче нефти на Нефтяных Камнях в Каспийском море. За время ее существования под руководством таких ученых, как Б.Х. Глуховский, Г.В. Ржеплинский, Г.В. Матушевский были исследованы важнейшие закономерности ветрового волнения. Исключительно большой вклад в развитие науки о волнах в России и СССР внесли волновой отдел СоюзМорНИИПроекта под руководством Ю.М. Крылова и С.С. Стрекалова, а также петербургская школа волновиков И.Н. Давидана и И.В. Лавренова. Неоценима заслуга по организации численных прогнозов ветрового волнения Морского отдела ГМЦ и лично З.К. Абузярова. Автор выражает большую благодарность всем упомянутым (и не только им) ученым. Без них данная работа была бы невозможна.

основное содержание работы

Во введение обосновывается новизна и актуальность темы, ставятся цели и задачи исследования, обсуждаются основные методы решения проблемы. Здесь же представлены основные выводы и результаты диссертационной работы.