Анатолий Владимирович Гусев

Разработана основанная на примитивных уравнениях численная модель циркуляции Чёрного моря с улучшенным пространственным разрешением прибрежной зоны. Уравнения модели формулируются в двухполюсной ортогональной системе координат с произвольным расположением полюсов и сигма - координатой по вертикали. Численный алгоритм решения задачи основан на методе многокомпонентного расщепления. Повышение горизонтального разрешения достигается за счёт смещения полюса в окрестность выделяемой подобласти. Это позволяет вместе с крупномасштабной морской циркуляцией моделировать вихревые режимы прибрежной динамики в рамках «сквозного счета». Проведены численные расчёты полей течений, уровня моря, температуры и солёности в локально вихревом режиме на сетке с переменным шагом. Северный координатный полюс смещён в окрестность г. Геленджик, шаг сетки изменяется от 150 м в прибрежной зоне до 4,6 км в основной акватории. Расчёты проведены при реальном атмосферном воздействии за 2007 г. в рамках бароклинной и баротропной (плотность положена константой) моделей. Бароклинная модель успешно воспроизводит крупномасштабную циркуляцию Чёрного моря, а также мезо- и субмезомасштабную изменчивость прибрежных течений. Расчёты демонстрируют активность и изменчивость бароклинной динамики в зоне высокого пространственного разрешения. Наблюдаются значительные изменения структуры струйных прибрежных течений: отход ОЧТ от берега, разбиение его на отдельные струи, формирование прибрежных противотечений, циклональных и антициклональных вихревых образований в прибрежной зоне и между отдельными струями. Прибрежные течения, с высокими горизонтальными скоростями зимой до 50-60 см/с, вызываются преимущественно ветром и концентрируются в верхнем слое глубиной 10–20 м. Анализ физических особенностей и масштабов моделируемых процессов показывает, что наблюдаемую в эксперименте динамику шельфовых процессов можно условно отнести к вынужденной субмезомасштабной изменчивости. Вместе с тем следует отметить достаточно близкие горизонтальные размеры мезомасштабных и субмезомасштабных образований и для их разделения требуется более тщательный анализ.

Публикация:
Залесный В.Б., Гусев А.В., Агошков В.И. Моделирование циркуляции Чёрного моря с высоким разрешением прибрежной зоны. Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2016. Т. 52. № 3. С. 316–333 (V.B. Zalesnyi, A.V. Gusev, V.I. Agoshkov. Modeling Black Sea circulation with high resolution in the coastal zone. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. V. 52, № 3, Р. 277–293).

Представлена методика расчёта циркуляции и распространения консервативного загрязняющего вещества в Чёрном море с улучшенным пространственным разрешением в районе полигона ИО РАН у геленджикского побережья. Численная модель основана на примитивных уравнениях крупномасштабной гидродинамики, которые формулируются в ортогональной системе координат с произвольным расположением полюсов по горизонтали и изобатической s-системе по вертикали. Алгоритм решения задачи основан на методе многокомпонентного расщепления. Повышение горизонтального разрешения достигается за счёт смещения полюса в окрестность выделяемой подобласти. Это позволяет вместе с крупномасштабной морской циркуляцией моделировать вихревые режимы прибрежной динамики в рамках «сквозного счета». Проведены численные расчёты полей течений, уровня моря, температуры и солёности в локально вихревом режиме на сетке с переменным шагом. Северный координатный полюс смещён в окрестность г. Геленджик, шаг сетки изменяется от 150 м в прибрежной зоне до 4.6 км в основной акватории. Расчёты проведены при синоптическом атмосферном воздействии за 2011–2012 гг. Модель успешно воспроизводит крупномасштабную циркуляцию Чёрного моря, а также мезо- и субмезомасштабную изменчивость прибрежных течений. Расчёты демонстрируют активность и изменчивость бароклинной динамики в зоне высокого пространственного разрешения. Наблюдаются значительные изменения структуры струйных прибрежных течений: отход ОЧТ от берега, разбиение его на отдельные струи, формирование прибрежных противотечений, циклонических и антициклонических мезомасштабных и субмезомасштабных вихревых образований. Проведены расчёты распространения консервативного загрязнения, демонстрирующие процесс самоочищения Геленджикской бухты в июле 2012 г. Расчёты позволяют не только оценить концентрацию загрязняющего вещества в море, но и изучить процессы формирования и изменчивости циркуляции в Чёрном море. Так, короткопериодные изменения (1–2 суток) поля прибрежных течений ярко проявляются в процессе распространения загрязнения. В течение месяца Геленджикская бухта почти полностью очищается.

Публикация:
А.В. Гусев, В.Б. Залесный, В.В. Фомин. Методика расчёта циркуляции Чёрного моря с улучшенным разрешением в районе полигона ИО РАН. Океанология, 2017, Т. 57, № 6, С. 978–989. (A.V. Gusev, V.B. Zalesny, V.V. Fomin. Technique for simulation of Black Sea circulation with increased resolution in the area of the IO RAS polygon. Oceanology, 2017, V. 57, № 6, P. 880–891)

Разработана трёхмерная численная модель гидродинамики Чёрного и Азовского морей с пространственным разрешением ~4×4 км по горизонтальным координатам и 40 уровнями по вертикали. Модель включает алгоритмы четырёхмерной вариационной ассимиляции полей температуры и солёности. Прогностические расчёты при реальном атмосферном воздействии за период 2008 г. показывают адекватность воспроизведения основных гидродинамических характеристик Чёрного моря. Проведены модельные расчёты в режиме «вариационная инициализация - прогноз». Как и следовало ожидать, по сравнению с прогностическим расчётом в модельных полях усиливается проявление климатического сигнала. Это проявляется, в частности, в том, что улучшается воспроизведение вертикальной структуры солёности, и как следствие, холодного промежуточного слоя. Ассимиляция полей температуры и солёности вызывает изменение структуры уровня моря. Существенные изменения наблюдаются вдоль южного берега и восточной части Чёрного моря. Это – подобласть, характеризующаяся значительной перестройкой динамики в летний период, изменением ОЧТ, формированием локальных вихрей, таких как Батумский. Эксперимент показывает, что динамика указанной подобласти особо чувствительна к ассимилируемым данным наблюдений.

Публикация:
В.Б. Залесный, А.В. Гусев, С.Н. Мошонкин. Численная модель гидродинамики Чёрного и Азовского морей с вариационной инициализацией температуры и солёности. Известия РАН, физика атмосферы и океана, 2013, Т. 49, № 6, с. 699-716. (V.B. Zalesny, A.V. Gusev, and S.N. Moshonkin. Numerical model of the hydrodynamics of the Black Sea and the Sea of Azov with variational initialization of temperature and salinity. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2013, Vol. 49, No. 6, pp. 642–658)

Разработан и реализован численный метод решения трёхмерных уравнений негидростатической гидродинамики океана. Метод основан на многокомпонентном расщеплении модифицированной модели с искусственной сжимаемостью. Исходная система расщепляется на две подсистемы: перенос трёх компонентов скорости и адаптацию полей плотности и течений. На этапе адаптации горизонтальные компоненты скорости представляются в виде суммы баротропных и бароклинных, и выделяются две соответствующие системы. Для баротропной динамики эффект сжимаемости входит за счет граничного условия на свободной поверхности. Для бароклинной – вводится как ε-регуляризация уравнений для отклонений негидростатических компонентов скорости и давления от средних по вертикали. Алгоритм является развитием разработанной в ИВМ РАН модели гидродинамики океана INMOM, основанной на «примитивных» уравнениях. Расчет негидростатической динамики проводится на дополнительном этапе расщепления.

Публикация:
Залесный В.Б., Гусев А.В., Фомин В.В. Численная модель негидростатической морской динамики, основанная на методах искусственной сжимаемости и многокомпонентного расщепления // Океанология. 2016. Т. 56. №6. C. 959-971 (V.B. Zalesny, A.V. Gusev, V.V. Fomin. Numerical Model of Nonhydrostatic Ocean Dynamics Based on Methods of Artificial Compressibility and Multicomponent Splitting // Oceanology. 2016. V. 56. № 6. P. 876–887).

Проведены расчёты глобальной циркуляции океана и ее межгодовой изменчивости за период 1948-2007 гг. с помощью модели общей циркуляции океана Института вычислительной математики РАН (INMOM - Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). Выявлена междекадная изменчивость климата, в том числе заметное уменьшение интенсивности Атлантической термохалинной циркуляции, меридионального переноса тепла в Северной Атлантике и поступления тепла из Северной Атлантики в атмосферу с конца 1990-х годов. Это - отрицательная обратная связь в климатической системе Земли, направленная на замедление потепления климата (“hiatus”), вызванного в последние десятилетия, в основном, антропогенными факторами. Выявлена также долгопериодная – около 60 лет – изменчивость Атлантической термохалинной циркуляции, которая с задержкой около 10 лет влияет на термическое состояние поверхности Северной Атлантики. Предполагается, что этот механизм может делать вклад в формирование собственной долгопериодной изменчивости Атлантической термохалинной циркуляции.

Публикация:
Гусев А.В., Дианский Н.А. Воспроизведение циркуляции Мирового океана и её климатической изменчивости в 1948-2007 гг. с помощью модели INMOM. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 1. С. 3-15. (A.V. Gusev and N.A. Diansky. Numerical simulation of the World ocean circulation and its climatic variability for 1948–2007 using the INMOM. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2014, Vol. 50, No. 1, pp. 1–12).