Экспедиционные работы 2011 г.

О Т Ч Е Т
о проведении экспедиционных работ по проекту
"Проведение натурных измерений и идентификация математических моделей кольцевых течений озера Байкал, включая нелинейные эффекты эволюции больших геострофических вихрей"
(конкурс СО РАН 2011 г.)

Организация: Институт динамики систем и теории управления СО РАН.

Руководитель экспедиционных работ: д.т.н. Горнов А.Ю., зам. директора по научной работе.

Исполнители: н.с., к.т.н. Зароднюк Т.С., ведущий программист Аникин А.С., программист Козлов В.В.

Экспедиционные работы проводились в рамках реализации интеграционного проекта № 21.10 программы Президиума РАН "Исследование разномасштабных гидрофизических процессов и их изменчивости, как основных факторов тепло- и массопереноса в экосистеме озера Байкал" (координаторы к.г.н. Гранин Н.Г., д.ф.-м.н. Ерманюк Е.В.) выполняемого совместно с сотрудниками Лимнологического института СО РАН, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН и Института гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН, направленного на исследование и математическое моделирование кольцевых течений, наблюдаемых на ледовой поверхности озера Байкал в последние годы. В 2009–2010 гг. в ИДСТУ СО РАН в рамках работ по проекту были разработаны одномерные и двухмерные математические модели ледового покрова и математические модели кольцевых течений, выполнена их структурная идентификация. Одной из основных проблем реализации проекта оказалось получение достоверной и точной натурной информации о кольцевых течениях и механизме их генерации.

Задачами экспедиционных работ являлись:

Проведение натурных измерений течений в районах проявления кольцевых структур;
Идентификация разработанных ранее математических моделей с учетом нелинейных физических эффектов, связанных с генерацией больших вихрей;
Идентификация по натурным данным нелинейных характеристик эффективной теплопроводности подледного слоя воды.

В 2011 г. по решению Приборной комиссии СО РАН для выполнения проекта было выделено финансирование на приобретение комплекса приборов для проведения натурных измерений течений. Приборы были получены в марте 2011 г. В состав комплекса включены: 1) когерентный доплеровский измеритель профиля течений Pulse-Coherent ADP (Когерентный режим: частота измерений — 2 гц; максимальное разрешение по вертикали — 1,6 см; максимальный диапазон глубин — 5 м; точность измерения скорости течений — 1%; разрешающая способность — 0,01 см/сек. Некогерентный режим: частота измерений — 1 гц; максимальное разрешение по вертикали — 25 см; максимальный вертикальный размер профиля — 14 м; точность измерения скорости течений — 1%; разрешающая способность — 0,1 см/сек); 2) акустический доплеровский измеритель профиля течений ADP (максимальный диапазон глубин — до 220 м; точность измерения скорости течений — 1%; разрешающая способность — 0,1 см/сек). Комплекс приборов использовался при проведении экспедиционных работ.

В 2011 г. полевые работы по проекту выполнялись сотрудниками ИДСТУ СО РАН в следующие сроки:

07 апреля 2011 г.	Горнов А.Ю.	(автотранспорт)
14 апреля 2011 г.	Аникин А.С.	(автотранспорт)
20–27 июня 2011 г.	Козлов В.В.	(НИС "Титов")
04–10 июля 2011 г.	Горнов А.Ю., Зароднюк Т.С., Аникин А.С.	(НИС "Коптюг")
18–24 сентября 2011 г.	Козлов В.В.	(НИС "Титов")

Экспедиционные в 2011 г. работы были направлены на исследование вертикального распределения температуры и течений в Южном и Среднем Байкале. С применением комплекса приборов проведены натурные измерения характеристик подледных течений. На основе полученной информации выполнена параметрическая идентификация моделей в виде квазигеострофических приближений уравнений движения вращающейся бароклинной жидкости. Для уточнения параметров модели проведены повторные измерения. При моделировании вертикального распределения температуры подо льдом были использованы данные измерения скоростей подледных течений, составляющие от 2 до 6 см/с при толщине льда 690 мм.

Получены оценки зоны максимальных скоростей течений, где имеет место усиление конвективного и турбулентного вертикального обмена, которое ведет к ускорению разрушения ледового покрова. В качестве начальных данных модели задавалось измеренное распределение температуры по вертикали. При моделировании граничных условий использовались данные изменения толщины льда и горизонтальное распределение температуры на глубине 5–10 м в области кольцевой структуры, полученные в ходе экспедиционных исследований. По результатам идентификации параметров вертикального обмена на фоновой станции восстановлен коэффициент эффективной температуропроводности, представляющий функцию глубины горизонта (рис 1.). В результате численных экспериментов с различными параметризациями физических процессов удалось воспроизвести некоторые особенности явления — определить область формирования минимальных значений толщины ледового покрова. Численные эксперименты показывают, что толщина льда в кольце при увеличении коэффициента вертикальной эффективной температуропроводности в результате интенсификации вертикального обмена уменьшается по сравнению с толщиной ледового покрова в базовом варианте. Результаты модельных экспериментов при разных значениях коэффициентов эффективной температуропроводности в подледной воде согласуются с экспериментальными данными о пространственной изменчивости толщины ледового покрова в районе кольцевой структуры, формирующейся на стадии деградации льда.