книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

выражения для энергетического спектра. В качестве примера приводим частотный спектр полностью развито­ го волнения, по Нейману,

(5.154)

где с — некоторая константа; W — скорость ветра.

Вполне развитое волнение описывает также спектр, выведенный С. С. Стрекаловым:

(5.155)

Здесь А = 1,2- ІО-2; ß = 0,88.

Для неустановившегося волнения определение спек­ тра является значительно более сложной задачей, так как в этом случае необходимо учитывать не только силу ветра, но и продолжительность его действия и длину разгона.

Сказанное выше относилось к одномернрму энергети­ ческому спектру, который являлся функцией одной пере­ менной — частоты р.

Однако, как показали исследования, спектр волн за­ висит также и от направления их распространения Ѳ. По­ этому спектр является функцией двух переменных р и Ѳ. Такой спектр называют двухмерным энергетическим спектром а2 (р, Ѳ). Определение двухмерных спектров яв­ ляется достаточно сложной задачей.

После определения энергетического спектра возни­ кает задача установления количественных связей между спектром и элементами волн. В спектральной теории установлена связь энергетического спектра со средними значениями элементов волн.

Такие связи для средних значений высот h и перио­ дов X волн имеют следующий вид:

(5.156)

о

I а2(р-) dp

(5J57)

j’ о2 (р) p2dp

309

Г Л А В А 6

ПОНЯТИЕ О МЕТОДАХ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ

Методы гидрологических прогнозов основаны на об­ щих законах физики океана и атмосферы и используют материалы статистической обработки результатов на­ блюдений. Процессы, протекающие в океанах и атмо­ сфере, взаимосвязаны и взаимообусловливают друг дру­ га, поэтому при разработке методов прогнозирования гидрологических элементов необходимо совместное изу­ чение гидросферы и атмосферы. В связи с этим гидроло­

при составлении гидрологических прогнозов, можно под­ разделить на следующие виды.

1. Климатический метод. В этом случае в качестве прогнозируемой характеристики принимается среднее многолетнее значение, полученное методами математи­ ческой статистики из достаточно длинных рядов наблю­ дений над данным гидрологическим элементом. Средние значения основных гидрологических элементов приводят­ ся в специальных пособиях, откуда они могут быть вы­ браны непосредственно на самом корабле. Практически этим методом штурман всегда пользуется, когда ему не­ обходимо оценить наиболее вероятные значения интере­ сующего его элемента. При этом в каждом конкретном случае необходимо устанавливать, будут ли прогнозируе­ мые значения выше, ниже или около многолетнего сред­ него значения, которое является своеобразной «нормой» для данного гидрологического элемента (такие прогно­ зы часто называют фоновыми).

311

2. Метод типизации. Этот метод следует рассматри­ вать как дальнейшее развитие и совершенствование кли­ матического метода. Сущность его заключается в том, что многолетний ряд значений гидрологического элемен­ та объединяется в типы по количественному, географиче­ скому или временному принципу. Для каждого типа вы­ числяется многолетняя «норма» и устанавливается связь между данным элементом и другими. В практике кораблевождения методы типизации используются для предсказания непериодических течений по типовым по­ лям ветра или давления.

3.Метод анализа периодичности. Этот метод приме­ няется для прогнозирования явлений с достаточно чет­ ко выраженной периодичностью. Классическим приме­ ром использования этого метода является метод гармо­ нического анализа приливов.

4.Методы эмпирических сопоставлений. Сущность ме­

тода заключается в сравнении численных значений влия­ ющих факторов с количественной характеристикой про­ гнозируемого элемента. Эти сопоставления дают воз­ можность установить относительную связь между коле­ баниями прогнозируемого элемента и колебаниями влияющих факторов, вычислить степень надежности най­ денной связи, а также указать степень влияния каждого фактора в отдельности.

5. Метод балансовых уравнений. В этом случае прогнозируемое значение элемента получается из урав­ нения, балансирующего приток и отток тепла в данном районе океана или моря за определенный промежуток времени (тепловой баланс). В других случаях исполь­ зуется уравнение водного баланса.

Использование всех этих методов требует наличия исходных данных в виде результатов фактических на­ блюдений над большой акваторией моря или океана, по­ этому в корабельных условиях использовать их в целях прогнозирования не всегда удается. Это обстоятельство вынуждает изыскивать иные приемы, позволяющие пред­ видеть будущие значения гидрологических элементов в районе плавания корабля.

§28. ПРОГНОЗ ВОЛНЕНИЯ

Степень волнения оценивается по 9-балльной шкале от 0 до IX баллов, в основу которой положены диапазо­

312

ны высот хорошо выраженных волн с обеспеченностью около 3%.

Волнение -оказывает очень большое влияние на пла­ вание корабля, прежде всего оно вызывает потерю ско­ рости хода. Наблюдения показывают, что при 9-балль­ ном встречном ветре, когда степень волнения достигает VI—VII баллов, потери в скорости хода могут достигать 50%. Кроме того, волнение предопределяет безопасностБ корабля в целом, ограничивает возможность применения оружия и технических средств. Все это придает важную роль умению прогнозировать степень волнения.

В настоящее время в океанографии нет единой обще­ принятой методики составления прогнозов волнения. Применяемые методы расчета параметров ветровых волн постоянно меняются по мере получения новых экспери­ ментальных данных. Созданию строгой теории методов прогноза волнения препятствуют, с одной стороны, труд­ ности физической интерпретации исходных данных, а с другой — зависимость от прогноза ветрового режима, методы которого еще пока далеки от совершенства. Из­ данное Министерством морского флота Руководство по расчету параметров ветровых волн применимо лишь в береговых условиях, когда в распоряжении прогнозиста имеются данные о фактическом ветровом волнении, установившемся на большой акватории океана, и специ­ ализированный прогноз ветрового поля.

Для корабельных условий можно рекомендовать эмпирический прием, основанный на установленной за­ висимости между баллом степени волнения и расстоя­ нием между изобарами на прогностической синоптиче­ ской карте, проведенными через 5 мбар.

На основании статистической обработки результатов наблюдений над волнением, выполненных на кораблях погоды Атлантического океана, получены две рабочие кривые (рис. 59), используя которые можно сделать следующие практические выводы.

1. В широтах менее 50° волнение V баллов наступает при расстояниях между изобарами 150—200 миль (около 3° широты), а в широтах 50° и более — при расстояниях 100—,150 миль (около 2° широты).

2. Волнение VII баллов наблюдается при расстояниях менее 120 миль в широтах менее 50° и при расстояниях менее 60 миль — в широтах 50° и более.

3 1 3

Используя эти установленные зависимости и распо­ лагая принятой прогностической синоптической картой (см. § 3 9 ), представляется возможным выделить зоны V- и ѴІІ-балльного волнения над акваторией океана по из­ меренному расстоянию между изобарами на прогности­ ческой карте, проведенными через 5 мбар. Сопоставле­ ние же прогностического волнового поля и фактического,

Рис. 59. Номограмма для определения степени волнения:'

/ — д л я ш и р о т 40° и б о л ь ш е ; 2 — д л я ш и р о т м е н ь ш е 40°

которое установилось к моменту составления прогноза волнения, позволит получить и дополнительные характе­ ристики ожидаемого волнения.

§ 29. ПРОГНОЗ ТЕЧЕНИЙ

Прогнозы течений имеют важное значение, особенно при ведении прокладки пути корабля, поэтому практи­ ческая необходимость их совершенно очевидна, между тем методы составления их разработаны очень слабо.

С навигационной точки зрения всякое течение, кото­ рое сносит корабль с линии заданного пути, является

314

суммарным, т. е. состоит из отдельных составляю­ щих:

rotІ — векторы отдельных составляющих.

Если ограничить точность определения элементов те­ чения по направлению ±15°, а по скорости ±0,2 уз, то формулу (6 .1 ) можно ограничить пятью составляющими:

где v ti — вектор квазипостоянного течения;

—вектор приливо-отливного течения;

vt — вектор ветрового течения;

vt — вектор остаточного течения;

vt — вектор бароградиентного течения.

При плавании в узкостях и у берегов иногда следует учитывать еще и сгонно-нагонную составляющую.

1. Квазипостоянное течение. Эта составляющая ха­ рактеризуется постоянством по направлению и скорости при осреднении за достаточно большой период времени, хотя на каждый отдельный момент времени в данной точке течение может существенно отличаться от его среднего значения. Квазипостоянные течения могут на­ блюдаться на глубинах и обычно достигают значитель­ ных скоростей в узкостях и проливах. Благодаря их по­ стоянству сведения об этой составляющей легко карти­ руются. При составлении прогноза суммарного течения эта составляющая входит в виде постоянного члена, эле­ менты снимаются с карты, соответствующей району пла­ вания.

2. Приливо-отливное течение. Теоретические исследо­ вания возникновения приливо-отливных течений дают возможность установить следующие их особенности:

— носят вращательный характер, вследствие чего направление и скорость их постоянно меняются. Каждая частица, участвующая в приливо-отливном течении, за

315

приливной цикл описывает замкнутую траекторию и возвращается в исходное положение;

—у берегов и особенно в узкостях приобретают ре­ версивный характер, приливное течение при этом идет в одном направлении, а отливное — в противоположном;

—наибольшие скорости наблюдаются в дни сизигий­ ных приливов, а наименьшие — в дни квадратурных при­ ливов. Только в некоторых районах Тихого океана макси­ мальные скорости течений наблюдаются в дни с тропи­ ческими приливами. В узких проливах максимальные скорости бывают обычно в часы, близкие к наступлению полной или малой воды. В широких же, таких, как про­ лив Лаперуза, горло Белого моря и др., а также у побе­

хают. Эти течения можно рассматривать как длинные и большепериодные волны, а за скорость течения принять путь, проходимый частицами воды за приливный цикл. В длинных поступательных волнах вертикальные орбиты частиц воды представляются эллипсами, вытянутыми в горизонтальном направлении. Элементы этих эллиптиче­ ских орбит определяются соотношением

(6.3)

где ß — вертикальная полуось, равная половине вели­ чины прилива;

а— горизонтальная полуось;

т— период волны;

Н— глубина океана;

z — глубина залегания частицы воды от поверх­ ности;

g — ускорение свободного падения.

Если для простоты рассуждений считать, что прилив

глубину океана /7=10 0 0 0 м, то, подставляя эти значения в (6.3), получим

= 118-0,99» 117 м.

316

Таким образом, путь частицы, расположенной на глу­ бине 1 0 0 0 0 м, всего на 1 м меньше пути частицы, нахо­ дящейся на поверхности; следовательно, и скорости дви­ жения этих частиц по орбитам остаются почти неизмен­ ными. В последнее время появилось много сообщений, подтверждающих вывод о неизменности скорости при­ ливо-отливных течений с глубиной.

Сведения о приливо-отливных течениях выбираются из атласов или таблиц приливо-отливных течений. В этих пособиях даются направление и скорость течения на каждый час водного или лунного времени, вычисленные как средние векториальные; следовательно, выбранные

учет течений часто приходится начинать в моменты, не совпадающие с целым водным часом, что затрудняет процесс выборки данных. В этом случае, чтобы прибли­ зить выбираемые данные к действительным, целесооб­ разно производить осреднение результатов, как пока­ зано в табл. 24.

Т а б л и ц а 24

Определение средних значений элементов течений на переход корабля

Вэтой таблице:

7’с — судовое время;

Тпв— время наступления полной воды в основном

порту, относительно которого составлена схе­ ма приливо-отливных течений;

Тв— водный час как промежуток времени между заданным моментом, на который рассчиты­ вается течение, и временем наступления пол­ ной воды в основном порту. ТВ= ТС— Тпв.

317

если направление течения в смежные водные часы отли­ чается на угол меньше 80°, и как среднее векторное, если угол равен или больше 80°. В последнем случае опреде­ ление среднего удобно производить на круге СМО.

При составлении прогноза течения эта составляющая предвычисляется на заданный час по пособиям в соот­ ветствии с водным часом, характером прилива и райо­ ном плавания.

3. Ветровые течения. Возникновение ветровых тече­ ний связано с наличием силы трения движущегося воз­ духа о поверхность воды. Теоретические основы форми­ рования ветровых течений изложены в § 27. Для практи­ ческих целей используются закономерности, вытекаю­ щие из теоретических положений, для установившихся течений. При этом будем считать течение установившим­ ся, если ветер сохраняется по направлению (не выходя за пределы четверти горизонта) больше 18 ч, а его ско­ рость меняется в пределах до 3—4 баллов.

В общем случае установившиеся ветровые течения характеризуются следующими особенностями.

Направление поверхностного течения отклоняется от линии действия ветра на угол а вправо в Северном по­ лушарии и влево — в Южном (рис. 60). Величина этого угла согласно выводам теории составляет 45° в удален­ ных от берегов районах океана и 15—20° — у берегов.

Скорость течения пропорциональна силе ветра. Зна­ чение коэффициента пропорциональности зависит от глубины места, степени устойчивости вод, разгона (под разгоном понимается путь ветра над водной поверхно­ стью в одном направлении) и главным образом от про­ должительности действия ветра. При плавании в уда­ ленных районах океанов значение коэффициента k реко­ мендуется брать:

вширотах больше 30° &= 0,12;

вширотах меньше 30° &= 0,15;

вморях и прибрежных районах А = 0 ,1 .

3 18