Верификация по данным in situ расчета толщины перемешанного квазиоднородного слоя океана по скорости ветра

1.

Институт математики и компьютерных технологий
Кафедра математического и компьютерного моделирования
Выпускная квалификационная работа
Верификация по данным in situ
расчета толщины перемешанного квазиоднородного слоя
океана по скорости ветра
Студент группы Б9120-01.03.02систпро
Доманский Игорь Сергеевич
Научный руководитель
к.т.н., доцент
Алексанина Марина Георгиевна
2024г

2.

Где важно знать
толщину перемешанного слоя
• Морская биология и экология
• Миграция морских организмов
• Рыболовство
• Определение оптимальных рыболовных зон
• Мониторинг популяций
• Военное дело
• Навигация подводных лодок
• Океанографические разведки
2 из 22

3.

Квазиоднородный
перемешанный слой океана
определяется по профилям T и S
3 из 22

4.

CTD – основной прибор для
получение профилей T и S
CTD-зонд назван по измеряемым параметрам:
С – Conductivity (Электропроводность),
пересчет в соленость
T – Temperature (Температура)
D – Depth (Глубина)
4 из 22

5.

Эмпирическая оценка толщины
квазиоднородного слоя по скорости ветра
Существует упрощённая и часто используемая
эмпирическая модель расчёта глубины
перемешанного слоя (MLD) с использованием
скорости ветра (U), периода (Ts) и высоты волны (Hs)
MLD = 12.5 × Hs + 0.2×(U × Ts)
5 из 22

6.

Эмпирическая оценка толщины
квазиоднородного слоя по скорости ветра
Для полностью сформированной волны выполняется
соотношение: g×Ts/uf =2,398×102,
где Hs — высота полностью
где uf - скорость трения (скорость на уровне поверхности
сформированной волны;
воды).
λ5 — безразмерный коэффициент, Коэффициент аэродинамического сопротивления CD
выражается с одной стороны как CD = uf2/U2,
приблизительно равный 0.27;
-3
U— скорость ветра на высоте 10м; а с другой стороны оценивается как CD=10 ×(1,1+0,0035×U).
1/2
2 1/2
1/2
g — ускорение свободного падения. Находим скорость трения: uf=(CD) ×(U ) =U×(CD) .
Получаем период волны:
Получаем высоту волны:
Ts = 2,398×U/g×(0,11+0,0035U)1/2.
Нs=0,27×U2/g.
Hs=λ5×U2/g,
В итоге получаем оценку глубины перемешанного слоя MLD
через скорость ветра U:
MLD == U2/g×(3,375+ 0,4796(0,11+0,0035U)1/2)
6 из 22

7.

Цели и задачи работы
Цель: исследовать, при каких условиях эмпирическая формула
дает приемлемые результаты.
Задачи:
1. Поиск и сбор данных in situ (температурных профилей) в
Японском море за различные сезоны.
2. Сбор суточных измерений скорости и направлении ветра на
поверхности для каждого из имеющихся профилей.
3. Обработка полученных данных, сведение в таблицу и их
графическое представление.
4. Сравнение результатов измерений in situ с результатами,
полученными эмпирической формулой, анализ расхождений.
7 из 22

8.

Данные in situ
Источник данных: ТОИ ДВО РАН
Количество температурных профилей: 59 (из них 39 за 2022 год, 20 за 2023
год)
Столбцы:
1. ID буя
2. Номер профиля
3. Время
4. Долгота
5. Широта
6. Глубина
7. Температура
8. Соленость
8 из 22

9.

Данные по ветру: Интернет сервис
параметров ветра (реанализ)
по координатам и дате
9 из 22

10.

Табличное представление
собранных данных
10 из 22

11.

Графическое представление
профиля температуры
и скорости ветра
11 из 22

12.

Анализ полученных данных:
количество профилей в категориях по уровню
рассогласования in situ и расчетам по формуле
Δ = |MLDin situ – MLDf|
12 из 22

13.

Хорошее соответствие
(Δ ≤ 5 м)
13 из 22

14.

Среднее соответствие
(5 м < Δ ≤ 15 м)
14 из 22

15.

Плохое соответствие
(Δ > 15 м)
15 из 22

16.

Средняя и максимальная ошибка
в категориях
16 из 22

17.

Зависимость ошибки
от скорости ветра
17 из 22

18.

Зависимость ошибки
от даты измерений за 2022 год
18 из 22

19.

Зависимость ошибки
от даты измерений за 2023 год
19 из 22

20.

Предварительные версии
основных причин несоответствия
•Слишком большая скорость ветра,
разрушающая стратификацию вод
океана
•Резкое изменение скорости ветра
20 из 22

21.

Заключение
• В ходе исследования проанализировано 59 случаев, выделено 3
категории:
• Хорошее соответствие (Δ ≤ 5) : 22 случая.
• Среднее соответствие (5 < Δ ≤ 15) : 22 случая.
• Плохое соответствие (Δ > 15): 15 случаев.
• Выяснено, что эмпирическая формула показывает приемлемые
соответствия с in situ данными - в 37% ошибка < 5 м, в 37% ошибка от
5 м до 15 м, итого 74%.
• При скорости ветра свыше 6 м/с ошибка растет прямо
пропорционально скорости. Эмпирическая формула
нуждается в доработке, учитывая данный вывод.
21 из 22

22.

Институт математики и компьютерных технологий
Кафедра математического и компьютерного моделирования
Выпускная квалификационная работа
Верификация по данным in situ
расчета толщины перемешанного квазиоднородного слоя
океана по скорости ветра
Студент группы Б9120-01.03.02систпро
Доманский Игорь Сергеевич
Научный руководитель
к.т.н., доцент
Алексанина Марина Георгиевна
2024г