книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник

вятью секторами в зависимости от сложности очертания береговой линии.

При сложной ветровой обстановке, когда скорость ветра вдоль лучей, проведенных из расчетной точки Р і (рис. ІѴ-26), переменна в общем случае и по величине и по направлению, но постоянна во времени (стационарное поле ветра), вычисление элементов волн ве­ дется в определенной последовательности, исходя из спектральной структуры волнового поля. Главный луч Лоі-Рі проводится в направ­ лении, противоположном скорости ветра в точке Р \ . Остальные лу­ чи Ä 2 \P\, А—2 \Рі, ЛзіРі, Л_зіРі, ... и т. д. проводятся через заданное угловое расстояние, величина которого определяется в зависимости от сложности ветрового поля. Длина лучей ограничивается наличи­ ем берега или размерами барической системы. Поскольку спект-

относительно направления ветра, то граница барической системы будет являться геометрическим местом точек, в которых вектор ско­ рости перпендикулярен направлению соответствующего луча.

130

Рис. ІѴ-27. Поле ветра вдоль одного луча:

У - изотахи; 2 — линии тока

5*

Как и в предыдущей задаче, прежде всего вычисляются в точ­ ке Р 1 высоты составляющих волн hu распространяющихся в на­ правлении проведенных лучей. Для этого вдоль лучей выделяются участки, характеризующиеся постоянной по направлению и вели­ чине скоростью ветра (рис. ІѴ-27). Размер участков в направлении лучей принимается равным расстоянию между изотахами.

В пределах выделенных участков величина скорости принимает­ ся равной среднему значению W ц между скоростями для соседних изотах. Направление скорости определяется или по линиям тока или по изобарам, или по данным непосредственных измерений в некоторых точках. Полагая, что в пределах выделенных участков условия удовлетворяют простейшей схеме — подветренная граница прямолинейна и направление ветра перпендикулярно ей, — длину разгона определяют как проекцию отрезка луча между изотахами на направление скорости ветра. Для участка, например, Л_і,іЛ_і>2 длина разгона DQ_ I X —A-\$, В-щ = Л_)і2, Л_ід cos а-щ, где а-щ —

ІѴ-23 в точке Л_1і2 находят среднюю высоту й_ід составляющей, распространяющейся по направлению Л_хдЛ_і>2.

На следующем участке Л_і>2Л_і,3 направление и величина ско­ рости ветра будут иными, но также известными. Тогда по скорости и высоте составляющей Л-щ в точке Л_і>2, воспользовавшись той же кривой на рис. ІѴ-23, можно определить_соответствующую длину разгона ДО-і,2 в направлении скорости W - 1,2. Вьісота составляю­ щей h- кг в точке Л_і,з определяется по скорости W - u и длине раз­

гона ^ Ф _ 1 2 = 0 0_ 1 2 + д о _ 1 2 ) Г д е £ ) 0 _ 1>2 = Л _ і і2Л - і , з cos а - 1, 2. Повторяя

подобный расчет для следующих участков по лучу, определяют вы­ соту составляющей h~i,Pi в точке Pit распространяющуюся по лучу

P\A-\t\. Подобным же образом определяют высоту составляющих по другим лучам. Действительную высоту волны в точке Р і находят по формуле (ІѴ-84), куда вместо й0гподставляют Л-ір, и где Д о­ определяют по табл. ІѴ-2.

Метод проф. Ю. М. Крылова, учитывающий сложные условия волнообразования и нерегулярный характер ветрового волнения, следует использовать при уточнении расчетных параметров волн на окончательной стадии проектирования гидротехнических соору­ жений.

§ 6. ВОЛНООБРАЗУЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Метод определения характеристик ветра, — скорости и ее на­ правления, которые необходимы для расчета параметров волнения, выбирают в зависимости от линейных размеров акваторий.

Для акваторий с размерами до 50—100 км (небольшие водохра­ нилища, отдельные районы морей и т. п.) указанные характеристи­ ки, принимаемые постоянными в пределах этих акваторий в тече­ ние некоторого времени, получают, обрабатывая и анализируя дан­

132

ные непосредственных наблюдений над ветром на гидрометеостан­ циях.

В соответствии с разработанной методикой расчет параметров волнения производят по анемометрической скорости ветра на высо­ те 10 м над поверхностью водоема Wi0, которая близка к средней скорости ветра и измеряется анемометром при выдерживании его в потоке воздуха от 2 до 10 мин. Однако до 1966 г. измерения ско­ рости ветра на гидрометеостанциях производились по флюгеру на высоте, часто отличной от 10 м. Поэтому полученная таким путем флюгерная скорость ветра Wz<%должна быть пересчитана в анемо­ метрическую скорость на высоте 10 ж по формуле

где Кг — коэффициент приведения к высоте 10 м может быть вы­ числен при 2 ^ 2 ^ 3 0 м с точностью до 2,5% по формулам:

Kz = l,14z-°’1585, если t воды > t воздуха;

Кг = 1,2272~°>079, если t воды < t воздуха,

Кф — коэффициент перехода от флюгерной скорости ]ѴФк анемомет­ рической при 4 ^1 ^ ф ^4 0 місек может быть вычислен с точностью до 5% по формуле

Кф= 1,04 — 0,0085ИРф.

Откорректированные таким образом данные срочных наблюде­ ний * над ветром служат исходным материалом для определения необходимых характеристик ветра. В результате статистической обработки данных наблюдений могут быть установлены функции обеспеченности и повторяемости скоростей ветра по величине и на­ правлению, площади охвата ветрами большой силы и наибольшая продолжительнсть действия ветра различной скорости для отдель­ ных румбов.

Результаты статистической обработки даются в таблицах или в графическом виде. В необходимых случаях для определения мак­ симальной скорости ветра заданной обеспеченности производят графическую экстраполяцию кривых распределения, построенных на билографмической клетчатке вероятностей (рис. ІѴ-28).

При расчете гидротехнических сооружений наибольший интерес представляют максимальные параметры волны, которые наблюда­ ются один раз в заданное число лет. Эти параметры вычисляют по скорости ветра, имеющей такую же вероятность превышения, опре­ деляемую при четырех сроках наблюдения в сутки по формуле

NРп

*Подробнее порядок расчета скорости ветра по данным наблюдений метео­ станций и полям давления см. в [56].

133

Рис. ІѴ-28. Билогарифмическая клетчатка вероятностей с примером построения кривой распределения скорости ветра и ее экстраполяции

где N — число дней наблюдения; hP — повторяемость направления ветра всех градаций скорости; п — заданное число лет.

По вычисленому значению Рп %, воспользовавшись кривой рас­ пределения (подобной кривой на рис. ІѴ-28), определяют значение максимальной скорости ветра заданной обеспеченности.

Однако для акваторий протяженностью более 100 км скорость ветра нельзя считать постоянной и следует учитывать ее изменение в пространстве и во времени, что можно сделать, воспользовавшись картами полей ветра, которые рассчитывают по синоптическим кар­ там. Последние бывают двух типов: п р и з е м н ы е к а р т ы пого­ ды, на которые наносят сведения наземных станций о температуре, давлении, положении фронтов, направлении и скорости ветра и т. д.,

134

ления, направления и скорости ветра на различных уровнях над по­ верхностью моря в слое до 18 км.

При использовании синоптических карт предполагается, что анемометрической скорости на высоте 10 м над поверхностью водое­ ма соответствует скорость, получаемая при расчете полей ветра по полям давления. Последние представляют собой систему изобар, построенных по данным приземных -карт погоды. При этом на осно­ вании анализа синоптических карт выбирают наиболее жесткий шторм при волноопасном направлении ветра за определенный ряд лет, — расчетный шторм, — в течение которого могут наблюдаться максимальные параметры волн заданной обеспеченности. При вы­ боре расчетных синоптических ситуаций следует учитывать, что наиболее неблагоприятные условия имеют место при: наибольшем градиенте давления, т. е. наиболее близком расположении изобар друг к другу; наибольшей протяженности области разгона; наибо­ лее близком расположении области разгона к рассматриваемому району побережья; наименьшей скорости движения центра бариче­ ской системы. Обычно производят расчеты для нескольких случа­ ев, а затем выбирают наиболее неблагоприятный.

Для выбранного расчетного шторма строят указанные выше карты полей ветра, для чего рассчитывают скорость ветра по гради­ ентам атмосферного давления, которые определяют делением раз­ ности давлений для соседних изобар на расстояние между ними и измеряют в миллибарах на 1° меридиана.

При наличии градиента давления массы воздуха стремятся пе­ реместиться из области высокого в область низкого давления. Под влиянием отклоняющей силы вращения Земли (сила Кориолиса) поток воздуха отклоняется на 90° вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии и двигается вдоль изобар. Однако в ре­ альных условиях на воздушный поток кроме этих сил оказывают воздействие центробежные силы, развивающиеся вследствие криво­ линейное™ изобар, и силы трения между отдельными слоями воз­ духа, а также между воздухом и подстилающей поверхностью. По­ этому в действительности направление потока воздуха отличается от указанного.

При наличии в атмосфере перемещающихся над земной поверх­ ностью областей пониженного и повышенного давления формиру­ ются вихревые движения воздушных масс с диаметром вихря от нескольких сот до нескольких тысяч километров. Эти образования называют соответственно циклонами и антициклонами.

Для циклонов характерны: восходящее движение воздуха в центре вихря, общая циркуляция воздуха на периферии против ча­ совой стрелки в Северном полушарии, убывание давления от пери­ ферии к центру и возрастание скорости ветра в том же направле­ нии.

Для антициклонов характерны: убывание давления от центра к периферии, нисходящее движение воздуха в центре вихря, цирку­

135

ляция воздуха на периферии по часовой стрелке в Северном полу­ шарии. Скорость перемещения циклонов и антициклонов составляет в среднем около 30 км/ч.

Значение средней скорости ветра над водной поверхностью мо­ жет быть вычислено с достаточной для инженерных целей точностью по формуле

Ар

где d — расстояние между изобарами, в градусах меридиана; Ар —-

ления, мбар на 1° меридиана; ф — географическая широта пункта,

Г Sin ф

136

скорости ветра r> 10—16° меридиана, то 1,0, и в табл. ІѴ-4 входят со значением d\ если же г<10—16° меридиана, то следует учитывать кривизну изобар, для чего в табл. ІѴ-4 входят со зна­ чением dr=dKr-

Направление ветра в расчетной точке на высоте z=10 м опреде­ ляется углом а, величина которого принимается по табл. ІѴ-5 и от­ считывается от направления касательной к изобаре в сторону мень­ шего давления.

Т а б л и ц а ІѴ-5

Значения коэффициента Атр и угла а в зависимости от градации градиента давления и состояния атмосферы

Рассчитанные по полю давления векторы скоростей ветра нано­ сят на карту в каждой расчетной точке в виде стрелки с указанием значения скорости. Затем проводят линии, касательные к нанесен­ ным стрелкам, и получают линии тока ветра; стрелки на линиях тока указывают направление ветра: если стрелка направлена на юг, то ветер северный, если стрелка указывает на север, то ветер юж­ ный и т. п. Наконец, методом линейной интерполяции наносят изотахи — линии равных скоростей. Система линий тока и линий рав­ ных скоростей полностью определяет поле ветра над рассматривае­ мой акваторией.

В нижних слоях с приближением к поверхности земли скорость ветра уменьшается. Степень уменьшения изменяется в широких пре­ делах в зависимости от сил внутреннего трения и трения о подсти­ лающую поверхность. Последняя величина определяется рельефом и аэродинамическими свойствами подстилающей поверхности: чем меньше ее шероховатость, тем меньше изменения скорости ветра. Наиболее однородная и наименьшая по величине шероховатость характерна для поверхности водоемов, поэтому скорость ветра здесь больше и более равномерна по высоте, чем над окружающей сушей. Так как в нижних слоях воздуха наблюдается турбулентная пульсация скорости ветра, то обычно указывают ее среднюю вели­ чину и возможные отклонения от этого значения. Определение ско­ рости ветра в приводном слое атмосферы производится на основе экспериментально установленного распределения скорости ветра по высоте, которое подчиняется в общем случае степенному закону

137

Здесь k — постоянная; п — параметр, зависящий от шероховато­ сти подстилающей поверхности и состояния воздушных масс. Для условий моря при устойчивом состоянии воздушных масс, что на­ блюдается обычно при длительных штормах, по данным наблюде­ ний п = 8—10.

Измерения скорости ветра в приводном слое воздуха показыва­ ют, что при равных скоростях ветра на высоте 10 м максимальные скорости у невзволнованной поверхности моря меняются в зависи­ мости от состояния атмосферы.

Различия в устойчивости воздушных масс определяют различия в процессе турбулентного обмена в нижних слоях воздуха. Чем больше градиенты температуры воздуха при неравновесных услови­ ях, тем больше неустойчивость воздушных масс, тем интенсивнее турбулентный обмен, больше максимальная скорость ветра у по­ верхности воды и меньше различие в скоростях ветра на различных высотах.

Следовательно, при одной и той же скорости ветра на высоте 10 м могут наблюдаться (в зависимости от устойчивости атмосфе­ ры) волны различной высоты, так как волны находятся под воздей­ ствием скоростей ветра, действующих на более низких, чем 10 м высотах, где в наибольшей степени сказывается влияние типа тем­

Наблюдения показали, что если не учитывать температурную стратификацию воздуха над водоемом и разность температур воды и воздуха, то это может привести к ощутимым погрешностям при определении высоты волн даже при известной скорости ветра на за­

= 10 м) для гидротехнических сооружений I и II классов согласно СН 92—60 при нормальных условиях эксплуатации принимается с

138

1961 г. рекомендовал для практических расчетов в большинстве случаев пользоваться данными о скорости ветра также с повторяе­ мостью 1 раз в 50 лет. Эти скорости ветра для побережий океанов составляет 30—50 м/сек.

Расчетная максимальная скорость ветра при проектировании

в 10 лет. Увеличение расчетной обеспеченности максимальной ско­ рости ветра при необходимости должно быть соответствующим об­ разом обосновано с учетом стоимости и срока амортизации соору­ жений и размеров возможного ущерба при их разрушении.

Продолжительность действия ветра зависит от размеров области разгона, скорости перемещения циклона и взаимной ориентации направлений движения циклона и распространения волн.

В общем случае, когда указанные направления не совпадают (рис. ІѴ-29), продолжительность действия ветра определяется из соотношений:

если центр циклона пересек область разгона раньше, чем волны, зародившиеся у наветренной границы области, дошли до подветрен­ ной границы этой области, расположенной ближе к рассматривае­

Сц

если волны достигли подветренной границы области разгона раньше, чем циклон пересек эту область; в частном случае циклон может быть вообще неподвижен

Сгр

139