68 ' Глава 4 Проанализируем двухслойную термическую структуру озера © хорошо перемешанными эпи- и гиполимнионами, имеющими в каждом — слое — постоянную — температуру. — Металимнион представляет собой бесконечно тонкий слой, на котором температура и плотность меняются скачком. При этом оказалось, что при относительно небольшом наклоне дна существует тен- денция к увеличению расстояния прибрежного потока от берега и к расширению зоны прибрежного пограничного слоя. Средняя скорость течений увеличивается от весны к лету за счет бароклинности. Нелинейные эффекты не имеют большого значения при расчете скорости для двухслойных моделей. Рис. 4.3.3. Схема течений на поперечном разрезе через — оз. Онтарио, рассчитанных по многослойной модели Беннета. Цифры на графике — скорость течений, см/с. Положительные значения — течения направлены на читателя. Многоуровенная модель ветровых течений была разработана Беннетом для оз. Онтарио (рис. 4.3.3). Им была поставлена задача выяснить роль топографии дна и берегов и термической стратификации в формировании течений. В уравнениях движений — для двухслойной — жидкости — учтены параметр Кориолиса и нелинейные члены. Течения возбуждаются горизонтально однородным ветром. Результаты расчета в виде полных потоков показаны на примере поперечного сечения озера. - : Численные эксперименты с этой моделью показали, что структура течений как для — однородного, так и для стратифицированного озера — одинакова. В мелководных прибрежных районах при вдольбереговом направлении ветра ТЕРМО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЗЕРАХ 69 отмечается перенос масс воды по ветру с усилением скорости течений на — некотором — (порядка — внутреннего — радиуса деформации, несколько километров) расстоянии от берега. В глубоководной зоне озера имеет место перенос вод, обратный прибрежному потоку: При стратифицированном озере ширина зоны прибрежного потока (соаяа! ]е!) увеличивается по сравнению с однородным — водоемом. При — относительно неболышом наклоне дна существует тенденция к увеличению расстояния прибрежного потока от берега и к расширению зоны прибрежного пограничного слоя. Средняя скорость течёений увеличивается от весны к лету за счет бароклинности. Нелинейные эффекты не имеют болыного значения при расчете скорости для двухслойных моделей. Трехмерные модели динамики вод озер. При моделировании процессов в крупнейших озерах Америки (Верхнее, Гурон, Мичиган, Эри и Онтарио), Европы (Ладожском и Онежском), Азии (Байкал, Иссык-Куль) и Африки (Танганьика) важно учитывать стратификацию вод, наличие термобара, апвеллингов и даунвеллингов, внутренних волн Кельвина, Пуанкаре и другие эффекты, а для практических расчетов необходимо определять вертикальную — составляющую скорости. Для этих целей требуется — применять — трехмерные — модели. Их — можно подразделить на диагностические и прогностические, в которых на поверхности водоема в качестве граничного условия задается поток тепла. Разработаны также и полупрогностические модели, в них на поверхности озера температура воды задается, а в толще вод рассчитывается с использованием уравнения для тепла. Созданы также динамико-стохастические модели с усвоением данных наблюдений и так называемый четырехмерный анализ, нашедшие применение для океана. Остановимся подробнее. на ряде трехмерных математических моделей, разработанных для расчетов динамики вод озер. Наибольшее распространение получили модели Т. Саймонса, ° примененные для Великих озер Америки, озер Женевского (Швейцария) и Несиярви (Финляндия). Им разработаны достаточно универсальные многослойные и многоуровенные модели в прогностическом и диагностическом вариантах. В моделях — Саймонса — используется — относительно — сложная параметризация для описания турбулентного обмена между сло- ями, рассчитывается интегральная функция полных потоков, определение которой достаточно непросто для неодносвязных