Определение местоположения начального поля концентрации возможного источника загрязнения в акватории Черного моря у Гераклейского полуострова на основе метода сопряженных уравнений

С. Г. Демышев, О. А. Дымова, В. С. Кочергин, С. В. Кочергин✉

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: vskocher@gmail.com

Аннотация

Цель. Исследование распространения загрязнений в прибрежной зоне Севастополя на основе динамической модели с высокой степенью дискретизации по пространству, учитывающей реальный атмосферный форсинг, – цель данной работы. На основе применения метода сопряженных уравнений ставится задача проведения расчетов по определению местоположения возможных источников загрязнения по данным измерений.

Методы и результаты. Расчет поля течений проведен с помощью созданной в Морском гидрофизическом институте РАН трехмерной бароклинной модели циркуляции вод Черного моря с высокой степенью дискретизации по пространству. При реализации модели используются данные реального атмосферного форсинга SKIRON. Метод сопряженных уравнений применяется для определения местоположения возможных источников загрязнения. Проводится анализ модельных течений в прибрежной зоне для выбранного промежутка времени. Осуществлен расчет по распространению пассивной примеси от начального пятна загрязнения в акватории Черного моря у Гераклейского полуострова. На основе интегрирования серии сопряженных задач определено место локализации источника загрязнения.

Выводы. В результате проведенных численных экспериментов по интегрированию серии сопряженных задач определена область, в которой может находиться возможный источник загрязнения. Местоположение этой области хорошо согласуется с начальным распределением концентрации, что позволяет при наличии информации о характере примеси определить место ее поступления в водную среду. Предложенные подходы могут быть использованы при решении широкого класса задач экологической направленности, а также для интерпретации и планирования натурных экспериментов по исследованию распространения сточных вод в прибрежной зоне.

Ключевые слова

численное моделирование, идентификация источников загрязнения, сопряженная задача, перенос примеси

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0827-2018-0004 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей».

Для цитирования

Определение местоположения начального поля концентрации возможного источника загрязнения в акватории Черного моря у Гераклейского полуострова на основе метода сопряженных уравнений / С. Г. Демышев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 2. С. 226–237. EDN QXFBMA. doi:10.22449/0233-7584-2020-2-226-237

Demyshev, G.S., Dymova, O.A., Kochergin, V.S. and Kochergin, S.V., 2020. Determination of Location of the Concentration Initial Field of a Possible Contamination Source in the Black Sea Water Area near the Gerakleisky Peninsula Based on the Adjoint Equations Method. Physical Oceanography, [e-journal] 27(2), pp. 210-221. doi:10.22449/1573-160X-2020-2-210-221

DOI

10.22449/0233-7584-2020-2-226-237

Список литературы

  1. Булеев Н. И., Марчук Г. И. О динамике крупномасштабных атмосферных процессов // Труды Института физики атмосферы АН СССР. М., 1958. № 2. С. 66–104.
  2. Марчук Г. И. Численные методы расчета ядерных реакторов. М. : АТОМИЗДАТ, 1958. 381 с.
  3. Марчук Г. И., Скиба Ю. Н. Численный расчет сопряженной задачи для модели термического взаимодействия атмосферы с океаном и континентами // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1976. Т. 12, № 5. С. 459–469.
  4. Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М. : Наука, 1982. 319 с.
  5. Skiba Y. N., Parra-Guevara D. Application of Adjoint Approach to Oil Spill Problems // Environmental Modeling & Assessment. The Netherlands: Springer. 2017. Vol. 22, iss. 4. P. 379–395. doi: 10.1007/s10666-016-9540-4
  6. Рябцев Ю. Н., Шапиро Н. Б. Определение начального положения обнаруженных в открытой части моря поверхностных линз пониженной солености // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2009. Вып. 18. С. 141–157.
  7. Kochergin V. S., Kochergin S. V. Identification of the Parameters of the Instantaneous Point Pollution Source in the Azov Sea Based on the Adjoint Method // Physical Oceanography. 2017. No 1. P. 62–67. DOI: 10.22449/1573-160X-2017-1-62-67
  8. Demyshev S. G., Kochergin V. S., Kochergin S. V. Using the Variational Approach and Adjoint Equations Method Under the Identification of the Input Parameter of the Passive Admixture Transport Model // Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes. 3rd International Scientific School for Young Scientists, Ishlinskii Institute for Problems in Mechanics of Russian Academy of Science / Eds. V. Karev, D. Klimov, K. Pokazeev. Cham: Springer International Publishing AG. 2018. P. 51–61. doi.org/10.1007/978-3-319-77788-7
  9. Кочергин В. С. Определение поля концентрации пассивной примеси по начальным данным на основе решения сопряженных задач // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. Вып 25, т. 2. С. 370–376.
  10. Demyshev S. G. A numerical model of online forecasting Black Sea currents // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2012. Vol. 48, P. 120–132. https://doi.org/10.1134/S0001433812010021
  11. Demyshev S. G., Dymova O. A. Numerical analysis of the mesoscale features of circulation in the Black Sea coastal zone // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. Vol. 49. P. 603–610. https://doi.org/10.1134/S0001433813060030
  12. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Reviews of Geophysics. 1982. Vol. 20, iss. 4. P. 851–875. doi:10.1029/RG020i004p00851
  13. Arakawa A., Lamb V. R. A Potential Enstrophy and Energy Conserving Scheme for the Shallow Water Equations // Monthly Weather Review. 1981. Vol. 109, iss. 1. P. 18–36. doi:10.1175/1520-0493(1981)109 <0018: APEAEC> 2.0.CO;2
  14. Harten A. High resolution schemes for hyperbolic conservation laws // Journal of Computational Physics. 1983. Vol. 49, iss. 3. P. 357–393. https://doi.org/10.1016/0021-9991(83)90136-5
  15. Эволюция поля концентрации Цезия-137 в Черном море после прохождения чернобыльского облака / С. Г. Демышев [и др.] // Метеорология и гидрология. 2001. № 10. С. 49–61.
  16. The regional weather forecasting system SKIRON: An overview / G. Kallos [et al.] // Proceedings of the Symposium on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments. Greece, Athens. 1997, P. 109–122.
  17. Operational system for diagnosis and forecast of hydrophysical characteristics of the Black Sea / G. K. Korotaev [et al.] // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52, iss. 5. P. 542–549. https://doi.org/10.1134/S0001433816050078

Скачать статью в PDF-формате