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

В период наблюдений 2005-2006 гг. метеорологический режим над Средним Каспием характеризовался преобладанием значимых северо-западных и северных ветров над юго-восточными и южными по силе и повторяемости в соотношении 63% к 37%.

На рис. 3 приведена роза обеспеченностей высот волн по направлениям в квантильной форме.

Рис. 3. Роза высот волн по направлениям в квантильной форме

Результаты анализа рис. 3 свидетельствуют о том, что наиболее волноопасными являются штормы от юго-восточных румбов, для которых характерен наибольший разгон.

Полученные в работе оценки обеспеченности высот и периодов волн уточняют данные, имеющиеся в литературе, причем многие различаются в несколько раз. Это и понятно, литературные источники основаны на данных визуальных наблюдений, расчетов и приближениях береговых наблюдений на глубоководную часть моря. Так по данным [38] обеспеченность высот волн в диапазоне 2-4 м составляет для осенне-зимнего периода 17-18%, в то время как наши данные дают более высокие оценки, равные 24%.

Оценки обеспеченности периодов волн для осенне-зимнего периода по литературным источникам в несколько раз завышены по сравнению с данными прямых измерений [Амбросимов, 2007]. Сравнить длины волн для глубоководной части Каспийского моря не представляется возможным, поскольку таких данных в литературных источниках нет. Наши данные двумерных вероятностных распределений повторяемостей и периодов для всех сезонов также значительно расходятся с литературными. Скудность литературных данных и большие расхождения в характеристиках волнения для открытого моря [Косарев, Тужилкин, 1995] объясняется тем, что, практически, до 2004 года измерений в открытом море не проводилось, все данные литературные источники черпали с береговых постов ГМС Махачкалы, Изберга или Дербента [Кошинский, 1975]. Ошибки визуальных наблюдений с проходящих судов составляют до 50% от наблюдаемой величины [Григорьева, 2006], поэтому полученные в данной работе характеристики поверхностного волнения являются уникальными.

Практически все характеристики волнения, представленные в научной литературе, для одних и тех же сезонов значительно разнятся с нашими данными. Дело в том, что данные по волнению для глубокого моря сравниваются с данными береговых постов, а это не сравниваемые и не критикуемые результаты. У берега работает механизм образования волн мелкого моря, в центре моря - волн глубокого моря. Все они возникают и развиваются по своим законам.

Анализ вероятностных оценок обеспеченности (см. Рис. 4), показывает, что в осенне-зимний период поверхностное волнение в центральной части Среднего Каспия характеризуется заметным превышением значений высот, периодов и длин волн по сравнению весенне-летним. Повторяемость более высоких волн, более продолжительных периодов и более длинных волн наблюдается в холодный осенне-зимний сезон. Это превышение достигает двукратного и более значений.

Рис. 4. Сравнение оценок обеспеченности высот волн , периодов и длин волн для зимнего и летнего периодов наблюдений на структуре «Центральная»

Оценки повторяемости высот и периодов волн для зимнего и летнего сезонов 2006 года, полученные на полигоне «Центральный» показывают (см. Рис. 5.), что повторяемость высот волн более 2,5 м составила, соответственно, 5,9% и 0,2%. В октябре-январе 2005-2006 гг. волны с периодами более 5,5 секунд имели повторяемость 5,1%, а в весенне-летний сезон 2006 г. повторяемость периодов 5,5 секунд составляла доли процента.

Рис. 5. Оценки повторяемости высот и периодов волн для зимнего и летнего сезонов 2006 года (полигон «Центральный»)

В табл. 1 и 2 и на рис. 7-8 представлены двухмерные вероятностные повторяемости высот h_3% и периодов волнения на полигоне «Центральный» в осенне-зимний и весенне-летний сезоны 2005-2006 гг.

Таблица 1. Двухмерные вероятностные повторяемости высот h_3% и периодов волнения на полигоне «Центральный» в осенне-зимний сезон 2005-2006 гг.

Таблица 2. Двухмерные вероятностные повторяемости высот h_3% и периодов волнения на полигоне «Центральный» в весенне-летний сезон 2006 года

Поверхностное волнение возбуждается ветром и имеет тоже направление, что и ветер, при этом зыбь может иметь любое направление, поэтому двумерное распределение высот и периодов максимальных волн может иметь два и более максимумов.

В табл. 3 приведено распределение высот волн 3% обеспеченности для 8 румбов, оцениваемых как направления p, соответствующие максимуму частотно-направленного спектра волнения. Видно, что наиболее часто регистрировалось волнение от Ю-ЮВ румбов (около 34%) и от СЗ-З румбов (около 28%). От северных румбов наблюдается наиболее сильное волнение (что характерно для Центральной части Каспийского моря в зимний сезон). Однако следует учесть, что при сложных условиях волнообразования (смешанное волнение) величина p дает неоднозначную оценку направлений, т.к. спектр может иметь несколько пиков.

Таблица 3. Совместная повторяемость (%) высот волн 3% обеспеченности и направлений p, повторяемость направлений волн , повторяемость и обеспеченность высот волн

Анализ характеристик штормов в различные сезоны 2005-2006 гг. на полигоне «Центральный» и «Ялама» показывает (см. Рис. 6), что в 2006 году зимние шторма были более интенсивными по сравнению с 2005 годом. Формально, относительно порога Z=4 м, с середины ноября 2005 года по 23 января 2006 года наблюдалось 16 штормов с продолжительностью от 3 до 57 часов, причем два из них превышали порог 5 м и продолжительность их была 3 и 9 часов, в 2005 году относительно порога Z=4 м зафиксировано только 2 шторма, продолжительностью от 1 до 2 часов. Относительно уровня Z=3 м зимой 2005 года на «Яламе наблюдалось 7 штормов от 2 до 20 часов и на «Центральной» 11 штормов продолжительностью от 1 часа до 1,5 суток. В весенний и осенний периоды 2005 года в основном преобладали шторма ниже 3-х метрового уровня, а в летние месяцы высоты волн в штормах, как правило, не превышали 2-х метров. В 2006 году в зимние месяцы относительно Z=3 м наблюдался 21 шторм с длительностями от 3 часов до 8 суток.

Рис. 6. Длительности штормов в зависимости от порогов Z (средней высоты волны в шторме) за 84 (2016 часа) зимних и летних суток 2006 года

Рис. 7. Двухмерные вероятностные распределения повторяемости высот h_3% и периодов волнения на полигоне «Центральный» в осенне-зимний сезон 2006 года

Рис. 8. Двухмерные вероятностные распределения повторяемости высот h_3% и периодов волнения на полигоне «Центральный» в летний период 2006 года

Многие особенности режима волнения могут быть изучены при рассмотрении спектральной структуры волнения. При штормовом усилении волнения преобладают, в основном, однопиковые спектры, а при перемене направления ветра возникает картина смешанного волнения, которой соответствует двухпиковый и более спектр (см. рис. 9). При ослаблении ветра без существенной смены направления ветровое волнение затухает, порождая систему зыби. Сложная картина образования волн возникает при наложении нескольких систем затухающих волн и развитием новой системы волн под действием ветра переменных направлений.

Рис. 9. Типовые климатические спектры волнения в Каспийском море [27]:

(а) - ветровое волнение (класс I);

(б) - смешанное волнение с разделением ветровых волн и зыби (класс II);

(в) - фоновое смешанное волнение (класс III, ветровые волны и несколько систем зыби);

(г) - затухающее волнение (класс IV)

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

· Разработана технология постановки волнографов-мареографов на притопленных буйковых станциях в глубоком море на заданную глубину под поверхность моря для измерения волнения с помощью гидростатического датчика давления.

· Создана методика учета погрешностей при изменении заглубления ПБС под воздействием течений.

· Разработана методика гидроакустической локации места постановки станции на дно моря с привязкой к спутниковому каналу JPS. Отработана методика поиска и подъема ПБС без потери якорного груза.

· Впервые, с помощью разработанных волнографов-мареографов ГМУ-2 и ВМ-4, получен массив данных, не имеющий аналогов в отечественной научной литературе. Создан банк сезонных характеристик волнения для глубоководной части Каспийского моря.

· Впервые количественно описана межсезонная изменчивость ветрового волнения в Каспийском море. Получены оценки экстремальных высот волн.

· Получены функциональные зависимости сезонных и межгодовых характеристик штормов и благоприятных окон погоды для 2004-2006 гг.

· Анализ результатов спектров волнения показал, что в Каспийском море присутствует система смешанных волнений с несколькими типами зыби, вызванными сложным воздействием ветра под влиянием Кавказских гор.

Дальнейшее развитие работы предполагает:

- детальный анализ структуры волнения с привлечением данных по скорости и направлению ветра в совокупности с космическими снимками приводного поля скорости ветра;

- построение двумерных распределений плотности вероятности скоростей и направлений ветра и волн по данным морских измерений.

- созданием нового поколения ПБС с возможностью передачи информации по спутниковому каналу в береговую лабораторию для оперативного прогноза за состоянием водной среды.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Амбросимов С.А. О корреляционных связях между короткопериодными воздействиями ветра на систему течений северо-западной части Каспийского моря. // В трудах пятого междунар. симпозиума «Проблемы экоинформатики», М., 2002, с. 128-132.

2. Амбросимов С.А., Абдуллин Р.В. Исследование изменчивости поля течений в мелководной предустьевой части северо-западного Каспия (2000-2001 гг.). // В трудах LVII науч. сессии посв. Дню Радио, М., 2002, т. 1, с. 120-123.

3. Амбросимов А.К., Амбросимов С.А. Некоторые результаты экологических наблюдений над флюидными колодцами Северного Каспия. // В тр. Междунар.симпоз. «Инженерная экология -2003», М., РАН, РАЕН, НТО РЭС им. А.С. Попова, 2003, с. 165-169.

4. Амбросимов А.К., Амбросимов С.А. Натурные измерения поверхностного волнения глубоководной части Каспийского моря. // В трудах Междунар. симпозиума «Инженерная экология -2005», М., РАН, РАЕН, НТО РЭС им. А.С. Попова, 2005, с. 152-157.