Автореферат: Инструментальные наблюдения за полем волнения в центральной части Каспийского моря с притопленных буйковых станций

Большие погрешности измерений, а также отсутствие надежных данных о ветровом волнении во время жестоких штормов привели нас к целесообразности использования, в качестве долговременных носителей измерителей волнения заякоренные притопленные буйковые станции (ПБС). ПБС обладают одним важнейшим качеством, на приборы установленные на ПБС, в отличие от поверхностных буев и судовых измерений, не воздействует поверхностное волнение, исключается погрешность, связанная с качкой. Волнограф может измерять поле волнения в точке в течение продолжительного времени, ограниченного только объемом твердотельной памяти прибора и запасом электропитания. Ошибки измерений в этом случае минимизированы. Кроме этого уменьшается до минимума износ элементов буйковой станции, связанный с непрерывным подергиванием станции на волне.

В главе детально рассматривается структура ветрового воздействия в центральной части Среднего Каспия, по данным литературных источников. На всех представленных схемах центральная часть Среднего Каспия находится в зоне с большими градиентами штормовых скоростей ветра, уменьшающимися от его западного берега к восточному. Представлена повторяемость P(%) и обеспеченность F(%) скоростей ветра, в основном по данным береговых и попутных судовых наблюдений, характерный ветровой режим и повторяемость штормовых ветров, который для скоростей ветра более 16 м/с составляет от 2-3% в осенне-зимний сезон до 0.4% весной и летом. Представлены типовые поля ветра над Каспийским морем, которые формируются при различных синоптических ситуациях, а также экстремальные схемы направлений и скоростей ветров над Каспийским морем в жестоких штормах всех типов.

В I главе также представлены режимные характеристики повторяемости P(%) высот (h_3%) и периодов (ф_ср) волн по месяцам, полученных по данным береговых постов ГМС «Изберг», «Махачкала» и «Дербент», попутных судовых наблюдений и расчетных характеристик.

Показано, что в мористой области западной части Среднего Каспия преобладает волнение юго-восточного и северо-западного направлений (до 30%). Наиболее волноопасным является юго-восточное направление, наиболее штормовые месяцы - январь и октябрь. По литературным данным высоты волн 3%-й обеспеченности, возможные 1 раз в 50 лет, составляют 10 м, 1 раз в 100 лет - 11 м. Для рассматриваемого района, в соответствии с оценками, приведенными в [8], периоды и длины средних волн, возможные 1 раз в 50 и 100 лет составляют, соответственно, 9-10 и 11-12 с, 150-170 и 160-180 м.

Обзор гидрометеорологических условий центральной части Среднего Каспия по результатам ранее выполненных исследований позволяет сделать следующие выводы:

гидрометеорологические условия центральной части Среднего Каспия характеризуются значительной пространственно-временной изменчивостью в широком диапазоне масштабов от межгодового до короткопериодного (порядка часов и минут),

это обусловлено расположением рассматриваемого региона на границах климатических зон и макроциркуляционных атмосферных структур, а также его открытостью и глубоководностью;

к одной как наиболее важной гидрометеорологической характеристике, лимитирующей развитие нефтегазового комплекса в глубоководной части Каспийского моря, относятся штормовые ветры и волны;

данные по характеристикам волнения основаны на визуальной информации с проходящих судов или береговых постов, поэтому ошибки могут достигать 30-50%;

имеющаяся в опубликованных источниках информация о волнении по своему объему и номенклатуре в целом недостаточна для обеспечения безопасности при проведении изыскательских и технологических морских работ в центральной части Среднего Каспия, необходимая для информационного обеспечения судоходства и ресурсодобывающей морской деятельности нефтяных компаний в данном регионе;

в настоящее время практически нет длинных рядов данных по измерению волнения в открытом море;

из этого следует необходимость проведения специализированных работ в глубоководной части моря с целью получения экспериментального материала о волнении, необходимого для проведения здесь специальных инженерно-гидрометеорологических изысканий.

Постановка волнографов на заякоренных притопленных буях в открытом море решает проблему получения данных, хотя это довольно сложный и дорогой эксперимент, но в этом случае возможно получение долговременных достоверных данных о характеристиках волнения для любого сезона года.

Во второй главе проводится анализ современных методов и приборов для измерения волнения. Обсуждается точность наблюдений за характеристиками волн с помощью различного типа волнографов. Особое внимание, уделяемое этому вопросу, обусловлено целью диссертации, направленной на получение количественных и качественных климатических характеристик волнения Каспийского моря.

Первым этапом оценки метрологической обеспеченности приборов было проведение анализа источников погрешностей и проведение сравнительных измерений характеристик волнения приборами различного типа.

Ранее, в практике морских исследований, в основном, использовалась электроконтактная веха или струнный датчик измерения высоты волн, который представляет собой укрепленную на изолированной вехе вертикальную струну из проволоки высокого сопротивления, как правило, из нихрома, включенной в одно из плеч измерительного моста. При прохождении волны вода замыкает участок струны по закону близкому по амплитуде, периоду и фазе движению волны, что соответствует изменению напряжения разбаланса мостовой схемы по такому же закону. По этому принципу работает веха Фруда - измеритель волнения в глубоком море, которая представляет собой массивную вертикальную плавающую веху, период собственных колебаний которой на волне больше периодов измеряемых волн. В других модификациях струнных волнографов вместо струны использовались дискретные контакты, расположенные вертикально, замыкая которые волна создавала дискретную запись волнения на регистраторе. К сожалению, эти громоздкие конструкции, хорошо работающие в спокойную погоду, не работали в штормовую.

Судовые волнографы, основанные на датчиках давления, применяются с дрейфующих или заякоренных судов. Датчик волнового давления связан тросиком с поплавком плавающим на поверхности. Давление волн, которое передается вглубь воды, давит на мембрану или на тензодатчик или кварцевую пластину, которые преобразуют изменение давления в электрический или частотный сигнал. Судовые волнографы регистрируют волны любых размеров во время слабых и средних штормов. Во время сильных штормов судно, связанное с волнографом тонкой линией связи, сильно дрейфует по ветру, таща за собой поплавок волнографа, тем самым вносит сильные искажения в измеряемое волнение.

Существовали разработки и радиоизмерителей волн, которые предназначались для измерения характеристик волнения в глубоководных районах морей и океанов с помощью плавающих волнографов и передачей информации по радиоканалу на борт обеспечивающей лаборатории. Эта аппаратура, например ГМ-32, теоретически обеспечивала дистанционное измерение высот волновых колебаний в диапазоне от 0,2 до 20 м и позволяла периодически регистрировать элементы волн в течение примерно семи суток сеансами продолжительностью по 25 мин с интервалами между ними 25 мин или непрерывно в течение трех суток на расстоянии до нескольких км. Однако в открытом море эти измерения должно контролировать обеспечивающее судно, что довольно сложно осуществить в штормовом море.

Радиолокационный метод измерения высот волн обеспечивает измерение колебаний морской поверхности по площади, размеры которой определяются длительностью излучаемого импульса, шириной диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и временем задержки строба, которым задается расстояние до площадки, на которой ведется измерение. Т.е. радиолокационный метод измерения как бы эквивалентен методу измерения с помощью множества волнографов, размещенных по площади. Однако радиолокационный метод (он же спутниковый) не измеряет параметров отдельной волны, в отличие от волнографов, а дает осредненные сведения о характеристиках групп волн. Радиолокационный метод позволяет вести наблюдения на ходу судна, но также не работает в штормовую погоду.

Наиболее совершенными волнографами являются акустические приборы, в основу которых положен принцип измерения трех компонент волнового движения частиц воды (эффект Доплера) по сдвигу фаз обратного акустического рассеивания от примесей в водной среде. Этот метод позволяет получить трехмерную картину волнения. Приборы доплеровского типа устанавливаются под поверхностью моря на твердом основании или на дне на глубины до 100 м. Однако ввиду высокой стоимости, эти приборы пока не нашли массового применения в отечественной океанологии.

Наиболее удобными и доступными приборами для измерения ветровых волн в открытом море являются волнографы-мареографы, использующие частотные датчики давления (кварц на сапфире). Датчик прикрепляют на тросе длиной ~ 20 м к плавающему буйку. Волновые движения буя на волне передаются на датчик в виде пульсаций волнового давления. Датчики давления являются, как правило, мембранного или тензометрического принципа действия. Такие датчики можно устанавливать на заякоренных притопленных буйковых станциях, тогда их положение относительно уровня моря можно считать квазистационарным, а низкочастотные колебания буя в толще морской воды можно учитывать при пересчете пульсаций давления в параметры волнения. Для учета изменения положения датчика по глубине, в случае воздействия на буй дрейфового течения, используются его же данные как мареографа. Для аналогичных пересчетов в доплеровском приборе необходима установка в него дополнительного измерителя уровня моря, что усложняет и удорожает прибор.

Представителями этого семейства приборов являются частотные измерители волнения ГМУ-2.01 (СКБ ГМП г. Обнинск) и ВМ-4 (ИОРАН), которые предназначены для измерения пульсаций гидростатического давления, гидростатического давления на глубине (уровня) и температуры в автономном режиме в морской среде с возможностью последующего расчета данных в параметры волнения.

Летом-осенью 2004 года был проведен эксперимент по сравнению данных гидростатического волнографа с данными измерений струнного волнографа, который считается эталонным. Результаты сравнения характеристик ветрового волнения, рассчитанных по данным струнного волнографа и датчика гидростатического, позволяют утверждать о хорошем согласии практического применения теории волн малой амплитуды для датчика давления в волноизмерительном комплексе. В эксперименте использовался стандартный гидростатический волнограф ГМУ-2.01 разработки Росгидромета.

В экспедиционный летне-осенний период 2006 года в Байдарацкой губе на Белом море в качестве волнографов использовалось два типа приборов, основанных на донном датчике давления. Первый ВМ-4, производства ИОРАН, второй доплеровский - фирмы «Sea Bird» (SBE-26). Представлялось вполне разумным сравнить результаты измерений данными датчиками. К сожалению, измерения были разнесены как по времени, так и по пространству. Не совпадали и условия волнообразования в точках установки приборов. SBE-26 был установлен на глубине 14 м, а прибор №1 ИОРАН на глубине 12,5 м. Время включения SBE-26 на полчаса отличалось от стандартных гидрометеорологических измерений. Измерения SBE-26 проводились каждый час, измерения датчиком ИОРАН раз в 3 часа в стандартные сроки. Для унификации измерений данные SBE-26 были прорежены. Результаты сравнения (см. рис. 1.), с учетом временной и пространственной разнесенности, надо признать исключительно удачными.

Зимой 2007 года в северной части Каспийского моря были проведены совместные сравнительные испытания волнографов ГМУ-2.01 и ВМ-4. Приборы ставились на дно на глубине 6 м в одной точке и на одном уровне. Трехдневные записи уровня моря и волнения показали почти полное совпадение результатов, расхождения по уровню составили менее 3-х см, что составляет 0,5% от глубины места и может быть объяснено лишь различным положением датчиков давления на дне относительно друг друга. Однако такое расхождение ниже уровня погрешностей приборов такого типа.

Рис. 1. Результат сравнения работы (характерная высота волны, м) двух донных волнографов: производства ИОРАН (№1 был установлен в Байдарацкой губе на глубине 12,5 м Уральский берег) и SBE-26 (№1111 был установлен на глубине 14 м Уральский берег). Дискрет между включением датчиков составляет 30 мин.

Серьезной методической проблемой при измерении волнения в открытом море является заглубление волнографов или притопление буйковых станций на определенную глубину, а также поиск и подъем станций. (Из-за серьезной криминогенной обстановки в Каспийском море исключается даже обозначение притопленного буя на поверхности моря небольшим поплавком).