книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

приливного течения. На рис. 9.13 приведен годограф суточного при­ ливного течения. Цифры показывают часы после полной воды.

Форма годографа приливных течений может быть не только эллиптической, но и более сложной в зависимости от характера прилива и физико-географических условий района. На рис. 9.14 показан годограф приливных течений для Сан-Франциско. Цифры показывают час после полной воды в Сан-Франциско.

Теоретическое решение задачи с учетом вращения Земли, как показано в гл. VIII, оказывается весьма сложным и было выпол­ нено приближенно для двух частных случаев: для случая распро­ странения волны в узком канале бесконечной длины и для случая

стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном. Действительные наблюдения показывают, что в проливах и вблизи береговой черты приливные течения имеют обычно ревер­ сивный характер, а в удалении от берега — вращательный. Иногда вращение векторов приливного течения в северном полушарии про­ исходит не по часовой, а против часовой стрелки. Такого рода вра­ щательные течения представляют собой результат интерференции

двух или более приливных волн и наблюдаются редко.

Влияние трения на приливные течения. Трение о дно и между слоями воды оказывает существенное влияние на характер при­ ливных течений. Влияние трения сказывается, главным образом, в нижнем слое (слое трения), толщина которого зависит от пери­ ода прилива и величины коэффициента турбулентного трения. Выше слоя трения приливные течения имеют тот же характер, что и при отсутствии трения. Выше слоя трения годограф векторов те­ чений (рис. 9.15 б) направлен большой осью в направлении рас­ пространения волны (по оси V), и максимальные скорости наблю­ даются в моменты полной и малой воды (0 и 6 часов). В слое

381

трения эллипс приливного течения более узкий (рис. 9.15 в), большая ось эллипса повернута вправо (в северном полушарии) относи­ тельно направления распространения волны и максимальные ско­ рости наблюдаются раньше моментов полной ( 0 часов) и малой ( 6 часов) воды.

Угол, образуемый большой осью эллипса течения с направле­ нием распространения волны, не возрастает непрерывно с прибли­ жением ко дну, а достигает максимального значения на некотором расстоянии от дна. В мелководных районах влияние трения о дно может сказываться во всей толще воды.

На рис. 9.15 а показаны кривые изменения скорости прилив­ ного течения с глубиной на разные часы приливной фазы относи-

менту малой воды. Скорости на оси Z равны нулю, вправо — поло­ жительные, влево — отрицательные. Кривые наглядно показывают, что в верхних слоях течение с глубиной изменяется мало, а при приближении ко дну резко уменьшается.

С влиянием трения связано изменение с глубиной зоны нулевых значений приливных течений. На рис. 9.15 г представлен верти­ кальный разрез приливной волны. Стрелками показано направле­ ние приливных течений. Наклонные линии между стрелками пред­ ставляют собой линии, вдоль которых скорости течений равны нулю, т. е. зоны нулевых значений приливных течений. Если бы трение отсутствовало, эти линии были бы строго вертикальными и годо­ граф векторов течений имел бы вид, представленный на рис. 9.15 б. При наличии же трения годограф скорости принимает вид, представленный на рис. 9.15 в. Эти изменения можно объяс­ нить наклоном орбиты частицы на мелководье. На рис. 9.16 пока­ зана вертикальная орбита частицы приливной волны на мелково­ дье. Как видно на рисунке, большая ось а—а' принимает положе­ ние, параллельное уклону дна, вследствие чего величина возрастает.

382

а максимальные скорости течения не совпадают с моментами пол­ ных и малых вод.

Приведенные общие выводы о влиянии трения о дно имеют лишь качественный характер и не могут быть применены при ре­ шении конкретных задач. В теории этого вопроса еще многое под­ лежит разработке.

Предвычисления приливных течений. Как видно из изложен­ ного, теория приливных течений разработана слабо и не дает воз­ можности предвычислять их теоретически. Поэтому для практиче­ ских расчетов, так же как и в случае приливных колебаний уровня, используются результаты непосредственных наблюдений над тече­ ниями. Подвергая эти наблюдения обработке методом гармониче­ ского анализа или другими методами, можно получить данные для расчета приливных течений на любой срок Вперед.

При обработке результатов наблюдений над течениями разли­ чают:

1.Наблюденные течения, т. е. течения, полученные непосред­ ственно в результате наблюдений;

2.Полусуточные приливные течения, имеющие период, равный половине лунных суток (12 ч 25 мин);

3.Суточные приливные течения, имеющие период, равный лун­ ным суткам (24 ч 50 мин);

4. Смешанные приливные течения, период которых меняется в течение половины лунного месяца. Они могут быть неправиль­ ными полусуточными и неправильными суточными;

5. Остаточные течения, представляющие собой разность между наблюденными и приливными течениями.

Практические методы обработки наблюдений над приливными течениями можно разделить на две группы:

1. Упрощенные методы, применяемые для расчета течений при правильных приливах (полусуточных или суточных). В основу этих методов положены следующие предположения:

а) промежутки времени между моментами кульминации Луны или моментами полных вод и моментами максимальных скоростей течений остаются неизменными;

б) остаточное течение за период наблюдений не изменяется. 2. Точные методы, основанные на теории гармонического ана­ лиза приливов. Они могут быть использованы для расчета прилив­ ных течений любого характера. Эти методы исходят из следующих

положений:

а) приливные течения состоят из периодических лунных и сол­ нечных течений. Периоды элементарных течений не кратны между собой и определяются астрономическими аргументами приливообразующих светил;

б) остаточные течения за период наблюдений принимаются пе­ ременными.

Упрощенные методы предвычисления приливных течений вклю­ чают методы: проекционный, Северной гидрографической экспеди­ ции, метод И. В. Максимова и другие, отличающиеся некоторыми

383

техническими деталями. Сущность этих методов заключается в вы­ делении из наблюденных течений периодической приливной состав­ ляющей. Для решения этой задачи предполагается, что за время своего периода приливные течения изменяются по синусоидаль­ ному закону. Если суммировать аналитически или геометрически (разложив векторы течений на составляющие по двум осям коор­ динат) все ежечасные наблюдения над суммарными течениями за полный период приливного течения, сумма периодических течений должна равняться нулю. Оставшаяся часть наблюденных течений представит непериодическую составляющую течения, увеличенную во столько раз, сколько взято слагаемых. Разделив оставшуюся часть суммарных течений на число слагаемых, получим остаточ­ ное течение, обусловленное воздействием непериодических сил. Если после этого вычесть графически или аналитически остаточ­ ное течение из суммарного за каждый час, получим ежечасные зна­ чения приливного течения.

Однако, как известно, период приливного течения равен не то­ чно половине суток или суткам, а больше и равен 12 ч 25 мин для полусуточного прилива и приближенно 24 ч 50 мин для суточ­ ного. Поэтому вместо обычного времени вводят условный счет вре­ мени, который позволяет использовать данные о вычисленных при­ ливных течениях для их предсказания. В условной шкале времени за нулевой час принимается момент полной воды для какого-либо ближайшего пункта или момент кульминации Луны (верхней или нижней) на меридиане Гринвича, приходящийся на период наблю­ дений наблюденных течений.

Если за нулевой момент принимается момент кульминации

воды в каком-либо пункте, то часы называют водными , шкалу —

ш к а л о й в о д н о г о в р е м е н и .

Обычно берется момент полной воды в ближайшем основном порту, для которого в таблицах приливов даются моменты полных и малых вод на каждый день года. Предпочтительнее брать шкалу водного времени, так как приливные течения более тесно связаны с колебаниями уровня моря в данном районе, чем с моментом кульминации Луны. Но в этом случае течения, рассчитанные от­ носительно момента полной воды в одном пункте, трудно сравни­ вать с течениями, рассчитанными относительно момента полной воды в другом пункте.

По шкале лунного времени значения приливных течений рас­ считываются для одного и того же физического момента времени. Ошибки при использовании этой шкалы могут возникать ввиду того, что моменты полных вод наступают не через равные про­ межутки времени после кульминации Луны, так как лунные про­ межутки не постоянны.

Для уяснения принципов расчета приливных течений упрощен-

384

ными методами рассмотрим проекционный метод, который наи­ более часто применяется на практике.

При обработке данных этим методом необходимо иметь еже­ часные наблюдения над течениями за 13 часов при полусуточных приливных течениях и за 25 часов при суточных. Результаты на­

Т а б л и ц а 37

Пример обработки результатов наблюдений над приливными течениями

Остаточное течение:

направление 225° скорость 38 см/с

По составляющим векторов скорости наблюденного течения строятся графики их изменения во времени. По оси абсцисс откла­ дывается время наблюдений, а по оси ординат составляющие ско­ рости в выбранном масштабе (рис. 9.17). На тот же график сверху нанесена шкала водного времени. (Вместо водного времени можно пользоваться лунным временем.) За нулевой час принимается мо­ мент полной воды в основном порту. От него влево и вправо от­ кладываются (через 1 ч 2 мин среднего солнечного времени) вод­ ные часы. Часы, стоящие влево от нулевого часа, нумеруются от

—I д о —V, а вправо — от +1 до +VI часа, если приливные течения полусуточные. Если приливные течения суточные, то часы нумеруются от —I до —-XI и от +1 до +XII соответственно. На каждый целый час водного времени с графика снимают значе­ ния составляющих векторов наблюденного течения по меридиану и параллели и заносят их в графы 7, 8 .

Суммируя составляющие наблюденного течения за период при­ ливных течений и деля эти суммы на число слагаемых, получают составляющие остаточного течения. Вычитая составляющие оста­ точного течения из соответствующих составляющих наблюденного

ные направления на север и восток), а вместо истинного направ­ ления течения а при углах больше 90° входить в номограмму с уг­ лом р = 180 — а или р = 360 — а.

386

Результаты обработки наблюдений над приливными течениями для данного моря или его части систематизируются в виде свод­ ных «Таблиц приливных течений» или «Атласов приливных тече­ ний». В «Таблицах» даются координаты пункта и значения при­ ливных течений на каждый час условной шкалы времени для по­ верхности и различных глубин. В «Атласах» приводятся карты приливных течений на каждый час условной шкалы времени для поверхности моря и различных глубин.

Обработка результатов наблюдений над приливными течениями на глубинах ничем не отличается от обработки наблюдений над поверхностными течениями и осуществляется в соответствии с из­ ложенными принципами.

Для полусуточных приливных течений составляются по 12 карт для каждого горизонта, а для суточных по 24 карты.

Построение таблицы и атласов приливных течений в услов­ ной шкале времени позволяет достаточно просто вести их предвычнсление на любой день и час. Для этого необходимо перевести момент времени, на который ведется предвычисление, в часы услов­ ной шкалы.

Если «Таблицы» или «Атлас» построены по шкале водного времени, то из «Таблиц приливов» на заданную дату выбирается момент полной воды в принятом основном пункте, который и слу­ жит нулевым моментом на данный день. Если «Таблицы» или «Ат­ лас» построены по шкале лунного времени, то нулевым моментом будет момент кульминации Луны в заданный день, выбираемый из «Астрономического ежегодника».

Далее определяется разность между заданным моментом вре­ мени и моментом полной воды или моментом кульминации Луны соответственно. Полученная разность (со знаком плюс или минус) представляет час условного времени (водного или лунного), со­ ответствующий моменту, на который ведется предвычисление. По найденному моменту условного времени, округленному до целых часов, и выбирается из «Таблиц» скорость и направление прилив­ ного течения для интересующего пункта. Для определения течения по «Атласу» с карты, соответствующей рассчитанному моменту условного времени, снимается направление и скорость приливного течения в заданном пункте.

К точным методам предвычисления приливных течений отно­ сятся гармонический анализ и штурманский метод. Оба метода, как в отношении теоретической основы, так и практических прие­ мов, совершенно аналогичны одноименным методам обработки на­ блюдений и предвычисления приливных колебаний уровня, изло­ женным в гл. VII. Вследствие этого здесь рассматриваются только некоторые особенности практических расчетов.

В отличие от колебаний уровня, приливные течения характери­ зуются двумя элементами: направлением и скоростью. Поэтому прежде чем обрабатывать наблюденные векторы суммарных тече­ ний, предварительно необходимо разложить их на составляющие

по меридиану U и параллели V, каждую из которых и обрабаты­ вать так же, как обрабатываются наблюдения над уровнем.

Рассматриваемыми методами из наблюдений определяются гар­ монические постоянные: амплитуды составляющих приливного те­ чения на меридиан U0 и параллель Vo и специальные углы поло­ жения составляющих на меридиан gu и параллель g v для отдель­ ных волн. При этом штурманским методом, как следует из теории,

са; Pi — главной солнечной суточной с периодом 24,066 часа; Qx — большой лунной эллиптической суточной с периодом 26,868 часа.

По гармоническим постоянным вычисляются на любой час и день составляющие приливного течения на меридиан и параллель, а затем по номограмме (рис. 9.18) направление и скорость самих течений.

Основные этапы обработки наблюдений для вычисления гармо­ нических постоянных приливных течений следующие:

1.Наблюденные ежечасные течения разлагают на составляю­ щие по меридиану и параллели. По найденным величинам стро­ ятся графики составляющих для исключения возможных случай­ ных ошибок, обнаруживаемых при проведении кривых по нанесен­ ным точкам. С графиков снимаются значения составляющих на меридиан и параллель на каждый целый час средних солнечных суток по времени того пояса, по которому велись наблюдения. Снятые ежечасные значения заносятся в специальный бланк об­ работки.

2.Полученные с графика значения составляющих наблюден­ ного течения складываются за 24 часа каждых суток, и сумма де­

388

лится на 24. Найденные величины приближенно характеризуют составляющие остаточного течения за данные сутки. Отнимая за каждый час суток из составляющей наблюденного течения состав­ ляющую остаточного течения, выделяем составляющую прилив­ ного течения.

3. Чтобы избежать отрицательных величин, к найденным зна­ чениям составляющих приливного течения прибавляется какаянибудь постоянная величина. На результатах вычисления это не скажется, а вероятность ошибок уменьшится.

Ежечасные значения составляющих приливного течения с при­ бавленной к ним постоянной величиной заносятся отдельно для каждой составляющей — на меридиан и параллель, в бланки для вычисления гармонических постоянных, применяемых при вычисле­ нии гармонических постоянных колебаний уровня. Вычисление гармонических постоянных осуществляется так же, как и при обра­ ботке наблюдений над колебаниями уровня с использованием тех же вспомогательных таблиц.

Предвычисление приливных течений по гармоническим постоян­ ным позволяет получить данные с необходимой для кораблевожде­ ния точностью при любых типах приливов. При этом на основании проведенных исследований можно считать, что для обеспечения кораблевождения вполне надежные результаты могут быть полу­ чены штурманским методом при предвычислении по гармоническим постоянным четырех волн: М2, Sz, Ki и Оь

Гармоиические постоянные используются и для составления на­ вигационных пособий по приливным течениям. При этом на каж­ дый час условной шкалы времени дается несколько векторов при­ ливных течений для различных астрономических условий.

Астрономические условия, соответствующие моменту, на кото­ рый ведутся предвычисления, выбираются из «Астрономического ежегодника» или вспомогательных таблиц, приводимых в самих пособиях.

§ 53. Основные черты географического распределения течений

Течения на поверхности океана складываются в результате сложных процессов взаимодействия океана и атмосферы и воздей­ ствия приливообразующих сил.

Как известно, Солнце, посылающее тепло на земную поверх­ ность, служит основным источником энергии в океане и атмосфере. Оно неравномерно нагревает поверхностные слои воды и нижние слои воздуха в различных широтах: больше всего тепла получают экваториальные области и меньше всего полярные. Вследствие этого температура воды и воздуха на экваторе выше, чем в высо­ ких широтах, что создает различие плотностей и возникновение плотностных течений в океане и атмосфере. При движении воз­ духа над поверхностью океана возникает трение между водой и воздухом, которое обусловливает ветровые течения.

Если бы на течение не воздействовали отклоняющая сила вра­ щения Земли и силы внутреннего трения, а океан покрывал Землю

389

сплошь, то по распределению плотности и ветров нетрудно было бы установить направление и скорость течения. Однако указанные причины и наличие континентов настолько усложняют общую кар­ тину течений, что соответствие между действующими силами и течением можно установить только при тщательном анализе. Но такой анализ чрезвычайно сложен и в большинстве случаев пока невозможен. Это становится особенно понятным, если вспомнить, что морские течения и океан в свою очередь воздействуют на течение атмосферы (ветер), еще больше усложняя характер взаимосвязей.

Вторым источником энергии, обусловливающим движение масс воды, служат космические силы притяжения Луны и Солнца, вы­ зывающие приливные течения. В отличие от течений плотностных и ветровых, приливные течения периодические и, как показано выше, легче поддаются предсказанию, если имеются наблюдения необходимой продолжительности. Однако и они подвергаются воз­ действию отклоняющей силы вращения Земли, сил трення и за­ висят от физико-географических условий (размеров и глубины моря, характера берега и т. п.).

Приливные течения океанов изучены слабо. Однако на основа­ нии новейших данных можно сделать вывод, что они в открытых частях океанов достигают существенных величин (до 1 узла) и имеют полусуточный характер.

В морях приливные течения изучены значительно лучше. По скорости они могут достигать в отдельных районах 6 узлов.

Вследствие недостаточности данных об этих течениях в океанах ниже рассматриваются только преобладающие на поверхности океанов течения, представляющие сумму плотностных и ветровых (дрейфовых и градиентных) течений.

Плотностные течения обладают известным постоянством. Они меняются преимущественно в соответствии с сезонным ходом сол­ нечной радиации.

Ветровые течения отличаются наибольшей изменчивостью, так же как и вызывающая их атмосферная циркуляция. Более устой­ чивые течения отмечаются в тропических широтах, в области ус­ тойчивых пассатных ветров. В умеренных и высоких широтах, где атмосферная циркуляция неустойчива, менее устойчивы и тече­ ния. Тем не менее, последние исследования, проведенные совет­ скими учеными, показали, что даже в тропических широтах тече­ ния не отличаются устойчивостью. Так, например, В. Г. Кортом установлено, что в зоне Северо-Атлантического пассатного течения существует обратное течение, названное Антило-Гвинейским про­ тивотечением.

Устойчивость, или постоянство, течения по направлению, опре­ деляется отношением скорости течения, полученной как средне­ геометрическое из всех наблюдений в данной точке, и среднеариф­ метической и выражается в процентах.

Поэтому на карты течений на поверхности океанов и морей сле­ дует смотреть как на схемы, дающие общую или преобладающую картину течений.

390