книги из ГПНТБ / Абузяров З.К. Морские гидрологические информации и прогнозы учеб. для гидрометеорол. техникумов

Под разгоном ветра понимается прямолинейное расстояние, на котором ветер с постоянной средней скоростью воздействует на поверхность моря.

Если ветер с постоянной средней скоростью и направлением на­ чинает дуть над ранее спокойной поверхностью воды, высота и пе­ риод воли начинают расти с течением времени.

На достаточно большом расстоянии от берега или тылового края области шторма по истечении достаточно продолжительного вре­ мени элементы волн достигают своего предельного развития, когда ни разгон, ни продолжительность действия ветра уже не оказы­ вают влияния на их развитие. Рост волн зависит только от скорости ветра. Причем чем больше скорость ветра, тем больше времени не­ обходимо для того, чтобы параметры волн достигли своих предель­ ных размеров. По этой причине при очень больших скоростях ветра волны редко достигают полностью развитого состояния, так как сильные ветры, как правило, бывают непродолжительными.

По В. В. Шулейкину, зависимости предельной высоты и периода

Если же волны не достигли своего предельного развития, их рост будет зависеть либо от продолжительности действия ветра, либо от размеров области, над которой ветер эффективно воздей­ ствует на водную поверхность.

Впервом случае ветер дует с постоянной скоростью над неогра­ ниченной площадью воды. Тогда всюду поступает одно и то же ко­ личество энергии и волны растут во времени по всей площади оди­ наково. В этом случае рост волн зависит только от продолжитель­ ности действия ветра. Во втором случае ветер дует достаточно долго над ограниченной площадью. При этом рост волн зависит только от расстояния до наветренного «рая области шторма. Вообще говоря, существует некоторая минимальная продолжитель­ ность действия ветра и минимальное расстояние от точки, для кото­ рой дается прогноз, до наветренного края области шторма, при которых волны достигают установившегося состояния. Если же и продолжительность действия ветра и расстояние меньше определен­ ного минимума, то при прогнозе волн необходимо учитывать тот фактор, который ограничивает развитие волн.

При расчетах и прогнозах элементов волн необходимо разли­ чать чисто ветровые волны и волны зыби. Зыбь, которая образова­ лась после ослабления ветра в области шторма, называют штормо­ вой зыбью. В отличие от нее, зыбь, пришедшая в штилевую область из других районов, называется мертвой зыбью. В каждом случае используются различные приемы расчетов.

Вморе и особенно в океане редко встречаются простые условия волнообразования, когда ветер, устойчивый по силе и направле-

121

шло, сохраняется достаточно продолжительное время. Как пра­ вило, ветер непрерывно меняется во времени и пространстве, уси­ ливаясь в одном месте и ослабевая в другом, тем самым создавая сложную картину волнения.

Учет при расчетах и прогнозах взаимодействия различных си­ стем волн при меняющихся ветровых ситуациях является трудной задачей. Прогнозисты должны обладать достаточным опытом, чтобы быстро и правильно разобраться в ситуации и эффективно использовать имеющиеся в их распоряжении средства и приемы.

§ 3. М ЕТО Д Ы РА СЧ ЕТ О В И П Р О ГН О ЗО В Э Л ЕМ Е Н Т О В ВОЛН ГЛ У Б О К О ГО М ОРЯ

Энергетические методы, основанные на решении уравнения энер­ гетического баланса волн, для глубокого моря были предложены

Результаты расчетов этими методами в тон пли иной степени разли­ чаются между собой. Это обусловлено тем, что для расчетов ис­ пользуются данные, полученные путем применения различных ме­ тодов наблюдений и обработки (например, ветер берется на раз­ личных уровнях). Кроме того, еще недостаточно изучен механизм питания волн энергией ветра, в особенности на малых разгонах.

Оценка энергетических методов показала, что наиболее точный из них—-теоретический метод Шулейкина. Физической основой этого метода является теория поля ветровых волн, разработанная Шулейкиным. Сложная формула энергетического баланса волн да­ ется в виде простого дифференциального уравнения поля ветровых

Найден точный интеграл этого уравнения отдельно для разви­ вающихся волн и для установившихся волн. Получено выражение, характеризующее границу перехода от развивающихся волн к ус­ тановившимся. Для перехода от безразмерных аргументов к задан­ ным величинам были получены постоянные масштабные соотноше­ ния. В результате чего выведены расчетные формулы и построены рабочие диаграммы, приведенные в приложении 4.

122

ствующей глубокому морю, находим значение т)=0,61. Если бы на диаграмме точка с координатами т и £ легла выше кривой, то волнение было бы установив­ шееся, тогда соответствующее значение т| следовало бы определять по диаграм­

г.

ветра во времени или по разгону разбивается на отрезки, в преде­ лах которых средняя скорость и направление ветра считаются не­ изменными, т. е. непрерывная кривая заменяется ступенчатой. Рас­ чет ведется «шагами» последовательно от ступеньки к ступеньке. На каждом новом шаге учитывается рассчитанное значение эле­ мента волны предыдущего шага.

Метод Шулейкина был положен в основу численной схемы про­

чет развития и затухания волнения производится только в зависи­ мости от времени действия ветра, при этом предполагается, что большие пространства океана, для которых этот метод разработан, не ограничивают развитие волн за счет разгона, за исключением точек, находящихся вблизи берега.

На основе численных прогнозов полей атмосферного давления на уровне моря, взятых через 6 часов, рассчитываются соответст­ венно прогностические карты распределения ветра по методике, описанной в § 6, гл. I.

Расчет элементов волн (высота и направление распростране­ ния) в каждой точке расчетной области ведется шагами. Для удобства счета на ЭВМ зависимости безразмерной высоты волны от безразмерного разгона и времени для развивающегося волне­

123

Уменьшение высоты волн при ослаблении скорости ветра рас­ считывалось по формуле, предложенной К. М . Сиротовым:

ветра в м/с.

На первом шаге в качестве исходных данных используются фак­ тические наблюдения за ветром и волнением. В дальнейшем ис­ пользуются прогностические карты ветра. При этом вычисленное поле волнения после каждого шага принимается за исходное для расчета поля волнения следующего шага. Количество шагов опре­

для Северной Атлантики. Время счета прогноза волн на трое суток (при Az!= 12 ч) занимает около 5 минут машинного времени.

Численный метод прогноза полей волнения предусматривает расчет только высот волн и направления их распространения, так как именно эти элементы представляют наибольший интерес для

ным наблюдений за ветром и волнением, проводимых на кораблях

ных, так и визуальных. В результате строятся зависимости элемен­ тов волн от волнообразующих факторов. При этом существует раз­ личный подход. В одних случаях зависимости строятся по данным

124

Рис. 29. Карта поля волнения, рассчитаннія і/і 15 часов 17 января 1965 г.

изолинии рассчитанных высот волн, 2 — направление распространения рассчитанных волн, 3 — высота и направление наблюденных волн.

наблюдении за ветром и волнами в точке, в других случаях в каче­ стве аргументов, определяющих развитие волн в точке, берутся поля ветра или непосредственно поля атмосферного давления, пред­ ставляемые аналитически путем разложения в ряды по ортогональ­ ным функциям. Так, 3. К. Абузяров в Гидрометцентре разработал физико-статистический метод прогноза полей волнения по полям атмосферного давления.

Рис. 30. Эмпирическая связь между высотой, периодом волн и ско­ ростью ветра (по данным визуальных наблюдений кораблей погоды в Северной Атлантике).

Для 130 точек, равномерно расположенных в Северной Атлан­ тике, по способу наименьших квадратов с помощью ЭВМ были по­ строены прогностические зависимости вида:

где (hx)t и (hy)t — проекция высот волн, взятых с учетом направ­ ления, на момент прогноза; — коэффициенты разложения по­ лей атмосферного давления до третьего порядка включительно на момент прогноза; (B ijh -A f—-коэффициенты разложения поля вол­ нения до третьего порядка включительно, взятые за 6 часов до про­ гноза (Аг1= 6 ч ).

126

Для составления прогноза поля волнения по методу Абузярова на определенные моменты времени (например, 6 часов) необходимо иметь фактическую карту волнения и прогнозы полей атмосфер­ ного давления через 6 часов. На рис. 31 показаны фактические и вычисленные значения высот волн по данным корабля по­ годы А.

В оперативной практике необходимость снимать данные о дав­

ражается в градусах меридиана.

2. Измерителем определяют расстояние между изобарами, про­ веденными через 5 мб, между которыми находится прогнозируемая точка.

3. Полученное расстояние между изобарами откладывают от оси ординат на горизонтальную линию номограммы I, соответст­ вующую широте точки.

127

4. Затем переходят в верхнюю правую часть номограммы II до пересечения с кривой, соответствующей широте точки. Затем из по­ лученной точки параллельно оси абсцисс перемещают измеритель в левую верхнюю часть номограммы III до пересечения с кривой, соответствующей полученному радиусу кривизны.

5. Из этой точки опускаются вниз до оси абсцисс, на которой определяют значение скорости ветра. Продолжая движение вниз до пересечения с кривой /г, от точки пересечения перемещаются вправо до пересечения с осью ординат, с которой снимают искомую высоту волны.

Расчет зыби производится с помощью табл. 21 и 22. Возмож­ ность прихода зыби из области шторма в точку, лежащую за пре­ делами шторма, определяется по табл. 21. Зная высоту волн в об­ ласти шторма, направление их распространения и промежуток вре-

Табліща 21

Расстояние D (мили), на которое распространяется зыбь за время t и высота зыби /г (м) в конце этого расстояния

Таблица 22

Наиболее вероятные значения высот затухающих волн (м) в точке через различные промежутки времени

128

мени, на которой дается прогноз, находят расстояние, которое прой­ дут волны зыби, и высоту их в конце этого расстояния. Зная путь, проходимый зыбью, судят о возможности ее прихода в точку про­ гноза.

Если в районе, для которого дается прогноз, ожидается ослаб­ ление ветра и затухание штормовых волн, то их высота определя­ ется по табл. 22. Эта таблица составлена для наиболее вероятных условий, характеризуемых некоторой средней величиной ослабле­ ния ветра со временем.

іО . №. Крылов, Г. В.-Ржеплииский и др. разработали новый эм­ пирический метод расчета элементов волн на основе статистиче­ ского анализа большого числа волиографных записей. Основные за­ висимости этого метода имеют следующий вид:

для глубокого моря

По номограмме находим, что величина t\/V расположена левее значения (х/Ѵ2) • ІО3, а величина h lV — правее. Следовательно, в первом случае волнение развивающееся, а во втором установившееся.

По значеншо-уг-=0,4 с верхней кривой снимаем значение относительной

высоты волны /гі/Ѵ2 = 0,0069, откуда /іі = 1,55 м. Затем по значению (х/Ѵ2) • 103=

В первом случае рассматриваются волны зыби при ослаблении ско­ рости ветра во времени в точке прогноза. Во втором случае рас­ сматриваются волны зыби, возникшие в результате ослабления скорости ветра по пространству; в этом случае параметры волн зыби рассчитываются с учетом их уменьшения от границы области шторма до точки прогноза. Если в точке прогноза наблюдается местный ветер, создающий систему местных ветровых волн, то вол­

отличаются более чем на 45°. При этом параметры ветровых волн определяются методами, изложенными выше, а параметры волн зыби определяются по номограмме приложения 7.

130