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

Притопленные буи ставились на капроновых фалах. Перед постановкой ПБС производилась обтяжка капроновых 10-12 мм фалов.

Перед постановкой рабочего буя в заданную точку моря производилась постановка «пробной» станции для отработки элементов постановки основной станции. К верхней части «пробного» буя привязывался фал длиной 30-50 м с прикрепленными к нему через 3-5 м пронумерованными пенопластовыми поплавками для визуального наблюдения за глубиной погружения буя. На верхнюю плоскость «пробного» буя устанавливался волнограф-мареограф, по записям которого в дальнейшем корректировались длины буйрепов перед постановкой основного буя. После постановки «пробной» станции проводилась визуальная оценка заглубления буя по числу всплывших буйков или по их номерам. За этот же фал производился подъем «пробной» станции из моря без потери якорного груза.

После подъема «пробной» станции проводится коррекция длин капроновых буйрепов по записи мареографа и контрольным поплавкам, с целью погружения несущего пенопластового буя рабочей станции точно на заданную глубину.

При постановке рабочей станции к придонному концу рабочей линии, в качестве которой использовался 10-12 мм капроновый фал, через спаренный (для увеличения надежности) размыкатель крепился якорный груз, который по истечения срока работы станции отстегивается с помощью акустического размыкателя по команде с борта судна и буй всплывал.

После постановки рабочей станции проводилась акустическая локация ее местоположения, т.е. уточнение места посадки грузов на дно по акустическим сигналам размыкателей, расположенных у якорного груза. С этой целью с судна из четырех-пяти точек вокруг предполагаемого места посадки якорей станции на дно с горизонтальной удаленностью в несколько сотен метров проводилась акустическая локация размыкателей станции с помощью погружной бортовой антенны, по откликам которых рассчитывалась наклонная дальность размыкателей от места локации. По данным наклонной дальности размыкателей от судна и данным спутниковой навигации рассчитывалось точное местоположение станции, т.е. ее географические координаты.

Третья глава посвящена методам математической обработки материалов наблюдений. Детально описана методика подготовки, коррекции и пересчета пульсаций давления, индуцированных поверхностным волнением, в характеристики волнения, а также методика вероятностно-статистического расчета параметров волнения.

Связь флуктуаций давления под поверхностью моря со смещением поверхности хорошо известна, однако была обнаружена некоторая некорректность в использованных ранее процедурах пересчета частотных спектров давления на спектры смещения поверхности. Именно, не существует простой алгебраической связи между реализациями случайных флуктуаций давления и смещения поверхности, как это предполагалось ранее, связь такого типа существует только между спектрами этих случайных процессов [25]. Имеется очевидное преимущество использования датчика давления, расположенного на фиксированной глубине под поверхностью, по сравнению с волнографами пересекающими поверхность (типа струнных), поскольку последние часто повреждаются под динамическим воздействием ветра и волн.

Пакет прикладных программ, разработанный [Кабатченко, 2006] обеспечивает обработку получаемой информации. С помощью быстрого преобразования Фурье с заданным окном рассчитывались оценки спектра пульсаций давления Р(). Далее, используя теоретическую передаточную функцию, осуществляется переход от спектра пульсаций давления к частотному спектру ветрового волнения S(). Используя S(w), в соответствии с методикой пересчета пульсаций давления в спектр ветровых волн [Заславский, Красицкий; 2001], были рассчитаны наиболее важные интегральные характеристики поверхностных волн, определяемые моментами спектра наинизшего порядка

В частности, средняя высота волн определяется формулой

(24)

где, - нулевой момент частотного спектра.

Характерная высота значительных волн (эта высота имеет обеспеченность близкую к 13% на промежутке квазистационарности), определяется как:

Средний период волн определяется через моменты частотного спектра как интервал времени между нулями реализации:

(25)

Здесь и - нулевой и второй моменты частотного спектра, соответственно.

Кроме этого определяются:

· период пика спектра ;

· длина волны пика спектра ;

· средняя длина волны .

Обычно, для практических целей в соответствии со СНИП, расчетные характеристики режима волнения представляются в терминах высоты волны 3% обеспеченности, связанной с величиной соотношением

(26)

В дальнейшем (если не оговорено дополнительно) таблицы и рисунки представлены в терминах .

В четвертой главе приводятся основные характеристики волнения по данным измерений с ПБС в центральной части Каспийского моря с января 2005 по июнь 2006 года.

В таблицах и рисунках представлены подробные пространственно-временные характеристики волнения для всех сезонов, полученные на полигонах «Центральный», расположенного в центральной части Среднего Каспия, и «Ялама», расположенного в юго-западной части Дербентской котловины Среднего Каспия.

Каспийское море в районе глубоководной части достаточно бурное, часто встречаются крупные волны. Примерно каждые пять лет высоты волн 3% обеспеченности могут превышать 10 м. Зимой 2005 года нами зафиксированы индивидуальные волны высотой 7,6 м. Повторяемость высот волнения 3% обеспеченности более 6 м составляет 0,1-0,6% (что примерно соответствует одному случаю за год). В особенно штормовые годы высоты волн 3% обеспеченности могут достигать 12 м. Чаще всего отмечается волнение 3% обеспеченности с высотой до 2 м. Волны 3% обеспеченности высотой более 4 м иногда могут наблюдаться непрерывно в течение суток.

Как правило, большие волны наблюдаются при ветрах северных и северо-западных направлений. Реже наибольшие высоты волн наблюдаются при южных и юго-западных ветрах. Частая смена направлений ветров приводит к сложной картине волнового поля. Нередко отмечается смешенное волнение и крупная зыбь с севера и северо-запада. Во время сильных штормов со смешенным волнением периоды волн в исключительных случаях могут превышать 13 с. Как правило, предельные значения средних периодов волн равны примерно 10 с. Повторяемость средних периодов волн более 9 с не превышает 1-2%; 85-90% всех средних периодов - менее 5 с.

За 2005-2006 гг. было получено десять 3-2-х месячных массивов волнения в глубоком море (всего около 6400 15-ти минутных файлов, полученных через каждые три часа).

Анализ реализаций волнения свидетельствует о том, что под влиянием изменчивости поля ветра над акваторией Каспийского моря формируется последовательность перемежающихся штормов и окон погоды.

В главе приведены в таблицы временных рядов характеристик волнения в районе полигонов «Центральный» и «Ялама»: 3%-ные высоты волн; средние периоды; периоды спектрального пика; средние длины волн; длины волн спектрального максимума. Представлены таблицы расчетов распределений оценок обеспеченности F_X(y)=P (Xy) высот , средних периодов , средних длин волн за все время наблюдений и средней длины для зимнего, весеннего и летнего и осеннего сезонов 2005-2006 гг.

Распределения высот волн сопоставлены с распределением Вейбула. Его обеспеченность F(x) задается в виде

Распределение зависит от трех параметров - , и x₀. В представленных таблицах приведены оценки этих характеристик по выборочным данным для высот волн 3% обеспеченности и для средних периодов для всех сезонов 2005 года. В большинстве случаев выборочные точки находятся вблизи теоретического распределения. Следовательно, гипотеза о распределении Вейбулла в этом диапазоне не противоречит исходным данным.

Рассчитаны условные (ассоциированные) статистики волнения. Совместные распределения высот волн 3% обеспеченности и соответствующих им средних периодов.

Для штормов и окон погоды рассчитана синоптическая изменчивость для различных сезонов центральной части Среднего Каспия, которая представлена системой из 4-х величин:

· продолжительность (S) шторма (положительного выброса h_3%(t) за фиксированный уровень);

· продолжительность () окна погоды (отрицательного выброса h_s(t) за фиксированный уровень);

· максимальное значение h⁺ (м) высоты волны в шторме уровня Z;

· минимальное значение h ^- (м) высоты волны в окне погоды уровня Z.

Для каждого сезона 2005-2006 года составлены таблицы минимальных, средних и максимальных значений величин h⁺ и h ^- (м); S, (часы) для выделенных штормов для рядов h_3%(t) относительно уровней волнения 1, 2 и 3 м.

В пятой главе представлен анализ характеристик волнения глубоководных частей центральной части Среднего Каспия.

Для сравнения модельных расчетов характеристик волнения с нашими данными измерения волнения in situ была использована спектральная модель ветрового волнения, разработанная под руководством академика В.Е. Захарова, хорошо зарекомендовавшая себя при моделировании ветрового волнения в океане. Модель самосогласованного описания ветра и волн устраняет недостатки, самой используемой в настоящее время, модели WAM и является, по сути дела, первой в мире моделью следующего поколения. Достичь этого качественного улучшения теории прогноза ветровых волн удалось за счет двух основных фундаментальных результатов: - построенную В.Е. Захаровым регулярную процедуру упрощения общего интеграла нелинейных взаимодействий и предложенную М.М. Заславским технику самосогласованного описания ветра и волн [26,116]. Эта техника позволяет описывать совместно два процесса в приповерхностном слое океана - ветровой поток и ветровое волнение. Такой подход дает возможность динамически описывать состояние поверхности океана, в частности эволюцию параметра шероховатости.

На основании данной теоретической модели был разработан ее численный аналог, который был реализован для Каспийского моря [Красицкий, 1974; Krasitskii, Zaslavskii, 1978].

Проведено методическое сравнение характеристик волнения, полученных с помощью теоретической модели и инструментально в двух районах в одно и тоже время для зимне-весеннего периода 2005 года. Сравнение показало, что, модель для Каспийского моря дает результаты, плохо сопостовимые с данными измерений in situ.

Следует отметить, что значительное различие в значениях характеристик волнения для центральной части моря дают также посты наблюдений Махачкалы, Изберга и Дербента, когда интерполируют береговые наблюдения высот, направлений волн, силы ветра, а также количества дней с сильным ветром на глубоководную часть моря.

Корреляции между скоростью ветра (ГМС г. Махачкалы) и высотой волн по данным измерений берегового поста для осенне-зимнего периода (ноябрь-январь 2005-2006 гг.) составляет 0,79; между скоростью ветра (ГМС г. Махачкалы) и данными высот волн с ПБС «Центральная» 0,34; между волнением на посту и ПБС 0,52. Для весенне-летнего сезона соответствующие коэффициенты равны 0,52; 0,47 и 0,32. Эти данные показывают, что для более слабых ветров корреляция вежду силой ветра и высотой волны ослабевает.

Расчеты максимальных высот волн и порывов ветра по данным наблюдений на ПБС «Центральная» и берегового поста ГМС г. Махачкалы в осенне-зимний и весенне-летний сезоны 2005-2006 гг., показывают, что при прогнозе волнения по данным постов береговых наблюдений необходимо вводить коррекцию для центральной части моря. Вызывает некоторое сомнение использование для анализа данных ветрового волнения на полигоне «Центральный» и «Ялама» данных по скорости ветра ГМС Дагестана (г. Махачкала) потому, что те высоты волн, которые наблюдались в центральной части моря не соответствуют силе ветра, измеренной ГМС Махачкалы. Полученные различия возможно объясняются большими расстояниями между метеостанцией ГМС и полигоном «Центральный» равным 175 км.

На рис. 2 представлена годовая обеспеченность скорости и направления ветра, которая указывает на северо-западное и юго-восточное направления ветров как преимущественные.

Рис. 2. Роза обеспеченности скоростей ветра за 2006 год

В имеющихся публикациях режимные характеристики волн для западной части Среднего Каспия основаны на данных береговых наблюдений на ГМС Изберг [Гидрометеорология и гидрохимия…, 1992], попутных судовых наблюдений [Ветер и волны, 1974] или на косвенных расчетах по типовым полям ветра [Кошинский, 1975, Гидрометеорологические условия…, 1986, Гидрометеорологические карты, 1988].

Анализ распределений высот волн, полученных на ПБС в различные сезоны 2005-2006 гг., показывает, что изменчивость высот волн от сезона к сезону имеет волнообразный характер с минимумом в весенне-летний период и максимумом в осенне-зимний. Эта закономерность вполне соответствует силе и продолжительности ветров в эти сезоны.