Математическое моделирование теплового режима и динамики парниковых газов в водоёмах суши Степаненко Виктор Михайлович

Краткое описание

Оглавление диссертациидоктор наук Степаненко Виктор Михайлович
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы
1.1 Роль водоёмов суши в климатической системе
1.1.1 Термодинамическое взаимодействие водоёмов с атмосферой
1.1.2 Водоёмы суши как источник парниковых газов
1.2 Математическое моделирование водоёмов суши
1.2.1 Иерархия моделей по пространственной детализации
1.2.2 Турбулентные замыкания
1.2.3 Моделирование внутренних колебаний в водоёмах
1.2.4 Верификация моделей водоёма
1.2.5 Моделирование биогеохимических процессов
1.2.6 Параметризация водоёмов в системах прогноза погоды и моделях климата
1.3 Выводы по современному состоянию проблемы
Глава 2. Численное моделирование термодинамики водных
объектов. Сравнение моделей
2.1 Формулировка одномерного приближения
2.1.1 Уравнение вертикального переноса для горизонтально осредненных величин в замкнутом водоёме
2.1.2 Уравнение переноса в движущейся нормированной вертикальной системе координат
2.2 Уравнение притока тепла и примесей
2.3 Уравнения для горизонтальных компонент импульса
2.4 Турбулентное замыкание
2.5 Уравнения тепловлагопереноса в слоях льда и снега
2.6 Уравнения тепловлагопереноса в донных отложениях
2.7 Параметризация теплообмена с наклонным дном
2.8 Аспекты численной реализации одномерных уравнений термогидродинамики
2.8.1 Численная реализация уравнений сохранения скалярных величин и импульса
2.8.2 Численная реализация к — е замыкания
2.9 Валидация модели в идеализированных численных экспериментах 80 2.9.1 Эксперимент Като-Филлипса
2.10 Сравнение одномерных моделей по данным наблюдений на
оз. Коссенблаттер (Германия)1
2.10.1 Модели озера
2.10.2 Характеристики озера и данные наблюдений
2.10.3 Постановка численных экспериментов
2.10.4 Результаты и обсуждение
2.10.5 Выводы
2.11 Сравнение одномерных моделей по данным наблюдений на оз.Валькеа-Котинен (Финляндия)2
2.11.1 Характеристики озера и данные наблюдений
2.11.2 Модели озера и постановка численных экспериментов
2.11.3 Результаты и обсуждение
2.11.4 Выводы
2.12 Обсуждение систематического расхождения турбулентных потоков по расчетам моделей водоёма и по методу ковариации пульсаций
2.13 Численное моделирование заглубленного максимума температуры в оз. Большой Вилюй (Камчатка)
2.13.1 Введение
2.13.2 Характеристика озера и данные измерений
2.13.3 Постановка численных экспериментов
2.13.4 Аналитическое решение для профиля температуры
2.13.5 Чувствительность аналитического решения
2.13.6 Тепловой баланс максимума температуры
1 Раздел написан на основе статьи (Stepanenko йХ., 2013), дополнительные материалы доступны по ссылке http://www.geosci-model-dev.net/6/ 1337/2013/^т^6-1337-2013-8ирр1ете^^Х
2Раздел написан на основе статьи (Stepanenko et а1., 2014)
3Раздел написан на основе статьи (Stepanenko et а1., 2018)
2.13.7 Результаты и обсуждение
2.13.8 Выводы
Глава 3. Параметризация гравитационных и инерционных
колебаний в замкнутых водоёмах
3.1 Линейные модели расслоенной жидкости
3.1.1 Сохранение энергии в расслоенной жидкости
3.1.2 Общая постановка задачи для однослойной жидкости
3.1.3 Общая постановка задачи для двухслойной жидкости
3.2 Параметризация сейш в одномерной модели4
3.2.1 Случай двумерного водоёма без вращения
3.2.2 Обобщение на случай трёхмерного водоёма
3.2.3 Обобщение на случай с вращением
3.2.4 Проверка параметризации сейш на аналитических решениях
3.2.5 Сводка уравнений одномерной модели с параметризацией сейш
3.2.6 Численная реализация параметризации сейш в одномерной модели
3.2.7 Свободные колебания в модели с параметризацией сейш
3.2.8 Эффект параметризации сейш на перемешивание в сдвиговом стратифицированном потоке
3.2.9 Эффект параметризации сейш для оз.Валькеа-Котинен
3.3 Выводы
Глава 4. Моделирование производства, потребления и переноса
парниковых газов в пресных водоёмах
4.1 Краткие сведения о биогеохимии метана
4.1.1 Производство метана
4.1.2 Потребление метана
4.2 Модель биогеохимических процессов
4.2.1 Вводные замечания
4.2.2 Уравнения для растворённых газов и форм органического углерода в водной толще
4Раздел написан на основе статьи (Степаненко, 2018)
4.2.3 Модель пузырька и ее сопряжение с остальной частью модели
4.2.4 Аэробное окисление метана в водной толще
4.2.5 Модель метана в донных отложениях
4.3 Параметризация образования и стока кислорода и углекислого
газа
4.3.1 Фотосинтез
4.3.2 Дыхание
4.3.3 Биохимическое потребление кислорода
4.3.4 Донное потребление кислорода
4.3.5 Динамика хлорофилла-а
4.4 Валидация модели по данным наблюдений на оз. Щучье (Северо-Восточная Сибирь)5
4.4.1 Характеристика озера и данные наблюдений
4.4.2 Численные эксперименты и калибровка модели
4.5 Валидация модели по данным наблюдений на оз. Куйваярви (Южная Финляндия)6
4.5.1 Характеристика озера и данные наблюдений
4.5.2 Постановка численных экспериментов
4.5.3 Результаты
4.5.4 Обсуждение
4.5.5 Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение А. Уравнение теплопроводности при
использовании нормированной движущейся системы координат
Приложение Б. Одномерные модели водоема, участвовавшие
в проекте LakeMIP
5Раздел написан на основе статьи (Степаненко и др., 2011)
6Раздел написан на основе статьи (Stepanenko et а1., 2016)
Приложение В. Вывод закона сохранения механической
энергии многослойной жидкости
Приложение Г. Вычисление среднего градиента уровня воды
в круговой области
Приложение Д. Критическая концентрация метана в донных
отложениях
Приложение Е. Скорость генерации метана в талике при
разложении старой органики
Приложение Ж. Стационарное число Ричардсона для
модификаций к — е модели
Приложение З. Свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ (модель LAKE)
Приложение И. Свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ (модель ТМО)