4.2.2. Ветровое волнение

В зависимости от условий образования и распространения волн различают следующие три основных типа волнения:

а) ветровое волнение – волнение, вызванное ветром, продолжающим дуть во время наблюдения; подветренный склон у ветровых волн круче, чем наветренный; при сильном ветре гребни ветровых волн заваливаются и срываются;

б) зыбь – волнение, продолжающееся после ветра, уже затихшего, ослабевшего или изменившего свое направление; также волнение, вызванное ветром, дующим вдали от места наблюдения; волны зыби имеют более правильную форму, чем ветровые волны, и обычно длиннее их; мертвой зыбью называется зыбь, распространяющаяся при полном безветрии;

в) смешанное волнение, - когда одновременно наблюдается зыбь и ветровая волна.

Если взволнованную поверхность моря пересечь вертикальной плоскостью в направлении распространения волновых колебаний, то получим волновой профиль (рис. 4.26.).

Рис. 4.26.

Линия, пересекающая волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы, носит название – средний волновой уровень.

Каждая волна на волновом профиле характеризуется следующими геометрическими элементами:

гребень – часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня;

вершина – наивысшая точка гребня волны;

ложбина – часть волны, расположенная ниже среднего волнового уровня;

подошва – наинизшая точка ложбина волны;

высота h– превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле;

длина - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле;

крутизна – отношение высоты данной волны к ее длине.

Пеленг волнения П – угол между нордовой частью истинного меридиана и направлением, откуда приходят волны (как и для ветра – «в компас»).

Курсовой угол волнения

где ИК – истинный курс судна;

q= 0для встречного волнения;

q = 180для попутного,

период волны - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль;

скорость распространения, или фазовая скорость с, - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения.

За период волны профиль волны смещается на расстояние, равное длина волны, поэтому длина, период и скорость волны связаны зависимостью

.

На основании гидродинамической теории волн были получены следующие формулы, связывающие отдельные элементы волн глубокого моря :

;

;

.

На рост элементов волн влияют скорость и продолжительность действия ветра и длина разгона ветра над морем (т.е. расстояние, на котором ветер близких направлений воздействует на волны).

Как показывает анализ продолжительных инструментальных записей волнения, при одних и тех же условиях волнообразования на поверхности моря наблюдаются волны разных размеров. Для изучения такого сложного реального ветрового волнения предложена статистическая теория волн, которая рассматривает взволнованную поверхность моря как статистическую совокупность случайных по размерам волн.

Основная задача этой теории – нахождение функций распределения элементов волн в точке при определенных параметрах ветра, а также режимных функций, которые характеризуют разнообразие элементов волн в заданном районе моря за длительные промежутки времени.

Распределение высот волн в точке характеризуется функцией обеспеченности

,

выраженной в безразмерной форме, h_o– среднее значение высот волн.

На рис. 4.27 показаны кривые повторяемости (дифференциальная) и обеспеченности (интегральная) высот волн в безразмерной форме, отнесенные к средней высоте волны.

1 – повторяемости; 2 – обеспеченности.

Рис. 4.27.

Повторяемость П% - частота появления определенной высоты волны из общего числа наблюдений, например, вероятность появления средней высоты h_срравна 46%, для удвоенной средней П5% и т.д.

Обеспеченность Об% - вероятность того, что высота волны окажется равной или больше заданной величины. Например, в атласе в некотором месте указана h_ср= 3 м; ее обеспеченность Об = 46%, т.е. в 46 случаях из ста высота волны в данном месте будет 3 м и более.

Многие метеоцентры передают факсимильные карты волнения трех-процентной обеспеченности (Об=3%); например, в каком-то месте указана h_3%= 6 м; это означает, что в трех случаях из ста высота волны окажется 6 м или больше.

Для сравнения волн различной обеспеченности существует следующее равенство:

;

здесь h^(1/3)– "значительная" волна – среднее значение трети крупных волн из всей серии.

Необходимо заметить, что с малой обеспеченностью возможны очень высокие волны, воздействие даже одной на судно или на береговые сооружения катастрофическое (например, в Северном море зарегистрирована волна 21 м или известные "wave-killer" возле м. Игольный).

При волнении поступательно перемещается только форма волны, частицы же воды совершают колебательные движения, оставаясь почти на месте.

В зависимости от формы волнения различают:

а) рябь, возникающую при слабом ветре; расстояние между соседними гребнями порядка нескольких сантиметров;

б) правильное (двухмерное) волнение, - когда наблюдается только одна система ветровых волн или зыби и ясно различаются следующие друг за другом длинные гребни и подошвы волн;

в) интерферированное волнение – при одновременном существовании двух или трех систем правильных волн;

г) трехмерное волнение – гребни и подошвы таких волн, которые располагаются как бы в шахматном порядке;

д) толчея – беспорядочные стоячие волны, утратившие определенное направление движения и как бы вздымающиеся на месте; образуется в результате встречи волн, идущих от разных направлений;

е) прибой – пенистые валы, образующиеся при набегании на берег (волна разрушается);

ж) взбросы – столбы воды, образующиеся при набегании волн на крутые и приглубые берега;

з) буруны – опрокидывание волн с пеной при прохождении их над банками, рифами или камнями.

Оценка состояния поверхности моря производится в соответствии со шкалой, помещенной в таблице 3.

Таблица 3

DESCRIPTIVE TERMS REFERRING TO WAVES

1. For length of SWELL waves:

Length in feet Length in metres

Short ……………………………… 0-300 ……………………………0-100

Average ………………………… 300-600 ………………………….100-200

Long …………………………… over 600 ………………………… over 200

2. For height of SWELL waves:

Height in feet Height in metres

Low ……………………………….… 0-7 ……………………………… 0-2

Moderate ……………………………7-13 ……………………………… 2-4

Heavy ……………………………over 13 …………………………… over 4

(С) For height of SEA waves:

Code Figure	Русское значение	Heightin feet	Heightin meters
Сalm-glassy	штиль	0	0
Calm-rippled	рябь	0-1/3	0-0.1
Smooth-wavelets	слабое волнение	1/3-1	0.1-0.5
Slight	легкое	12/3-4	0.5-1.25
Moderate	умеренное	4-8	1.25-2.5
Rough	значительное	8-13	2.5-4
Very rough	очень значительное	13-20	4-6
High	сильное	20-30	6-9
Very high	очень сильное	30-45	9-14
Phenomenal	исключительное	over 45	over 14

Баллы Волнения	Признаки степени волнения
0	Зеркально гладкое море
1	Рябь, небольшое чешуеобразные волны без пены
2	Короткие волны, гребни, опрокидываясь, образуют стекловидную пену
3	Волны удлиненные, местами видны барашки
4	Волны хорошо развиты; повсюду белые барашки
5	Начало образования крупной волны, белые пенистые гребни занимают значительные площади
6	Волны громоздятся; срываемая с гребней пена ложится полосами по ветру
7	Высота и длина волн заметно увеличены, полосы пены ложатся тесными рядами по направлению ветра
8	Высокие гороподобные волны с длинными ломающимися гребня- ми. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. По- верхность моря от пены становится белой
9	Высоты волн настолько велика, что суда временами скрываются из вида. Море в направлении ветра, покрыто пеной. Ветер, срывая гребни, несет водяную пыль, уменьшающую видимость

Наибольшие океанские волны достигают высоты до 37 м и длины до 400 м. Зыбь может обладать еще большей длиной, например, недалеко от экватора в Атлантическом океане была отмечена зыбь, которая имела 824 м в длину и обладала скоростью 70 морских миль в час. Период этой необычайной зыби равнялся 23 сек. Средние океанские штормовые волны имеют высоту до 8 м и длину около 150 м. Скорость их распространения в среднем 36 узлов и период - около 8 сек.

В морях волны отличаются меньшими размерами; например, в Черном море наибольшие из наблюдавшихся штормовых волн имели длину около 80 м и высоту в 6-8 (При юго-западном шторме в северо-восточной части отмечены волны до 13 м!). Обычно же при ветре 10-15 м/сек высота волн в Черном море вдали от берегов составляет 1,5-2,5 и при длине в 10-30 м.

Под воздействием ветра элементы волны увеличиваются в следующем порядке:

а) высота волны увеличивается вначале быстрее других элементов, вследствие чего в первый период шторма волны бывают круче, чем при шторме полной силы;

б) длина волны вначале незначительна, но затем начинает расти быстрее;

в) скорость также увеличивается, но, достигнув некоторого предела, сохраняет свое значение.

При стихании ветра высота волн быстро уменьшается, а длина и скорость долго остаются неизменными.

С уменьшением глубины места длина волн так же, как и скорость распространения, уменьшается, в то время как высота волны возрастает (т.е. крутизна возрастает).

Влияние встречного течения имеет подобный характер - высота волн и крутизна растет (рис. 4.28.), где h_o – высота волны без течения.

Рис. 4.28.

На графике имеется характерный максимум при скорости течения около двух узлов.