«РЕЖИМ, ДИАГНОЗ И ПРОГНОЗ ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ В МОРЯХ И ОКЕАНАХ Под редакцией д-ра геогр. наук. Е.С. Нестерова Москва 2013 УДК 551.465 Рецензент: доктор географических наук, профессор В.М.Грузинов Научно-методическое ...»

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ)

РЕЖИМ, ДИАГНОЗ И ПРОГНОЗ ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ

В МОРЯХ И ОКЕАНАХ

Под редакцией

д-ра геогр. наук. Е.С. Нестерова

Москва

2013

УДК 551.465 Рецензент: доктор географических наук, профессор В.М.Грузинов Научно-методическое пособие посвящено проблемам теории и практики прогноза волнения в морях и океанах. Представлены сведения об истории исследования и прогнозирования волнения, методах и средствах наблюдений за ветром и волнением, использовании информации о волнении в различных областях. Даются основные понятия теории волн, обсуждаются физические механизмы формирования волнения и результаты статистической обработки измерений волн. Описаны оперативные численные прогностические модели волнения и примеры их использования. Даются сведения о режиме ветра и волнения в различных районах Мирового океана.

Для специалистов в области океанологии, преподавателей, аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

The manual is devoted to the theory and practice of wave forecast in seas and oceans.

History of research and forecasting of waves, methods and means for wind and wave survey, use of the information on swell in different areas are presented. The basic concepts of the wave theory are given, physical mechanisms of wave formation and results of statistical processing of wave measurements are discussed. Operational numerical wave forecast models and examples of their use are described. Data on regimes of wind and waves in various areas of the World Ocean are given.

For experts in oceanology, teachers, post-graduate students and students of corresponding specialities.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие….……………………………………………………..……………………… Глава 1. Прогноз морского волнения и основные термины ……….…..

1.1. Краткая история исследования и прогнозирования ветрового волнения…………………………………………………………………..…….. 1.2. Классификация морских волн, обозначения, термины, определения ………..

Глава 2. Использование информации о ветре и волнении……….....…… Глава 3. Методы и средства наблюдений за ветром и волнением..…...

3.1. Общие положения…………………………………………………………….….. 3.2. Наблюдения за ветром………………………………………………….….…….. 3.2.1. Средства и методы наблюдения за ветром……………………….….…… 3.2.2. Судовые наблюдения……………………………………………..…….….. 3.2.3. Неопределенности, связанные с измерениями параметров ветра ……… 3.3. Наблюдения за волнением…………….…………………………………………. 3.3.1. Общие положения…………………………………………………………. 3.3.2. Визуальные наблюдения…………………………………………..…..…… 3.3.3. Контактные методы измерения волн……………………………………… 3.3.4. Дистанционные методы измерения волн и ветра ………………..……… Глава 4. Общие сведения из теории ветра и гидродинамики волн….…… 4.1. Основные понятия теории ветра………………………………….………….….. 4.2. Основные понятия классической гидродинамики волн………….…………… Глава 5. Статистика ветрового волнения…….…………….………………… 5.1. Общие положения………………………………………………………..….……. 5.2. Функции распределения элементов видимых волн на интервале квазистационарности…..…………………………………………………..……… 5.3. Функции распределения элементов волн синоптического масштаба………… 5.4. Функции распределения волн сезонного и климатического масштабов……….. 5.5. Спектральная структура ветрового волнения………………………………… Глава 6. Физические механизмы, формирующие поле ветровых волн………………………………………..…………………..……………….

6.1. Механизм питания энергией ветра регулярных волн …….…………………… 6.2. Механизмы, формирующие спектр ветровых волн………….…………………. 6.2.1. Уравнение баланса спектральной энергии волн………………………….. 6.2.2. Энергоснабжение спектра волн ветром…………………..……………… 6.2.3. Слабонелинейные взаимодействия между волнами….……..…………… 6.3. Трансформация волн на мелководье…………….….………………………….

Глава 7. Оперативные численные прогностические модели волнения……………………………………………………………………..

7.2. Дискретная спектральная модель WAM…………….………………………….. 7.5. Адаптация модели WAVEWATCH к акваториям Азовского, Черного и 7.6. Адаптация моделей WAVEWATCH и SWAN к акваториям дальневосточных 7.7. Спектрально-параметрическая модель AARI-PD2 (глобальная версия)…….. 7.7.3. Адаптация моделей AARI-PD2 и SWAN к акваториям морей 7.8. Российская атмосферно-волновая модель (РАВМ) ………………………….. 7.9. Сравнительная оценка точности различных моделей волнения…………..… 7.10. Оценка точности расчета волнения по полям ветра разных реанализов…… 7.10.1. Расчет ветровых волн по полям ветра реанализов NCEP/NCAR 7.10.2. Точность расчета волн по полям ветра регионального реанализа.….. 7.11. Об усвоении данных наблюдений волновыми моделями…………..….….… Глава 8. Особенности режима ветра и волнения в Мировом океане………………………………………………………………………… 8.1. Общие сведения о режиме ветра и волнения в Мировом океане…………….. 8.2. Атлас экстремальных волн Мирового океана…………………………….……. 8.3. Атлас волнения Мирового океана по данным судовых наблюдений………… 8.4. Режим ветра и волнения в северной части Атлантического океана………….. 8.4.1 Атлас волнения северной части Атлантического океана………………… 8.4.2. Общая характеристика режима ветра и волнения в Северной Атлантике 8.4.3. Опасное ветровое волнение при разных режимах атмосферной 8.4.4. Опасное волнение в различных секторах циклона………………………….

8.5. Особенности режима ветрового волнения в арктических морях России 8.6 Особенности режима ветра и волнения в северной части Тихого океана и 8.6.4 Северная часть Тихого океана…………………………………………..……. Глава 9. Практические приемы и рекомендации по анализу и прогнозу ветра и волнения в различных физико-географических условиях……………………………………………………………… 9.1.Характеристики ветра и их использование для расчетов и прогнозов 9.1.2. Расчет полей ветра по полям атмосферного давления ………….…………. 9.1.3. Расчет прибрежных ветров………………………………………..………….. 9.2. Синоптический анализ и прогноз полей волнения…………………..…….…….. 9.3. Полуэмпирические методы расчета и прогноза волнения…………..…………… 9.3.3. Физико-статистический метод прогноза полей волнения в Северной 9.3.4. Расчет и прогноз волн на мелководье………………………….…….…….. 9.4. Ветры и волны в зонах атмосферных фронтов……………………….……..…….. 9.5. Тропические циклоны и волны, создаваемые ими………………….…………… 9.5.2. Расчет ветра и волн в тропических циклонах………………………………. 9.5.3. Правила расхождения судов с тропическими циклонами ……………….… 9.6. «Волны-убийцы» и возможность их прогнозирования……………………….….. 9.7. Подготовка и выпуск штормовых предупреждений об опасных ветрах и Заключение……………………………………………………….…………………….…..

Литература………………………………………………………………….………….…...

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ветровое волнение относится к числу важнейших параметров, характеризующих состояние поверхности морей и океанов и оказывающих сильное влияние на безопасность и экономическую эффективность операций в открытых и прибрежных водах морей и океанов.

Поэтому информация о прошлом, текущем и ожидаемом состоянии волнения затребована широким кругом потребителей, деятельность которых так или иначе связана с морем.

Традиционными потребителями являются судоходство и рыболовство, а также быстро развивающаяся отрасль морской экономики – нефтегазодобывающая индустрия.

Информация о волнении важна для расчета прочности и мореходности кораблей, расчета воздействия волн на гидротехнические сооружения, запуска ракет из подводного положения и т.д.; в прибрежных районах морей используется для обеспечения безопасности отдыха на море, каботажного плавания, прибрежного рыболовства и т.д., в научном плане – в изучении ряда физических процессов в пограничном слое океана и атмосферы, таких как ветровые течения, обмен количеством движения и энергией между морем и атмосферой, размывы берегов и т.д.

Наибольшую ценность для практического использования представляет прогноз экстремальных волн в отдельных районах Мирового океана. Данные круглосуточного мониторинга погоды и состояния поверхности океана и наличие соответствующих методов прогноза позволяют своевременно передавать на суда и другие хозяйственные объекты штормовые предупреждения и оповещения о месте и времени возникновения опасного ветра и волнения. Это дает возможность принять своевременные меры по снижению рисков встречи со штормами и, как следствие, обеспечить безопасность и эффективность проведения морских операций. Правильное использование информации о волнении позволяет сокращать расход топлива, выполнять плановые графики рейсов и снижать различного рода непроизводительные затраты. Отсюда совершенно очевидно, что в современных условиях рыночной экономики эта информация является важным фактором, определяющим стоимость морских операций.

В последние десятилетия оперативная работа в области прогнозирования ветрового волнения претерпела значительные изменения. Наряду с ранее созданными методами прогноза появились новые, технологически более совершенные схемы прогноза, основанные на современных математических моделях, учитывающих обмен энергией между ветровым потоком и волнами. Рассмотрение процесса ветрового волнения с позиций спектрального представления существенно расширило его информационное содержание. Стало возможным производить расчет и прогноз разнообразных характеристик волнения как первого уровня информативности (высота, период, длина, генеральное направление распространения волн), так и более высокого уровня (частотный и двумерный спектры, угловое распределение энергии волн), что значительно расширяет спектр потребителей этой информации. Все это вызвало необходимость создания специализированного методического пособия, отвечающего современным требованиям анализа и прогноза морского волнения.

Настоящее методическое пособие является первым изданием подобного рода, в котором сделана попытка обобщить накопленный многолетний отечественный и зарубежный опыт оперативной работы по подготовке и выпуску прогнозов волнения.

Основная задача – ознакомить специалистов, работающих в системе Росгидромета и в других ведомствах, с основными достижениями в данной области в России и за рубежом.

Пособие предназначено для специалистов, занимающихся оперативным гидрометеорологическим обеспечением морских отраслей экономики, но оно может представлять интерес для преподавателей и студентов морских вузов и техникумов, а также для широкого круга специалистов и технического персонала, связанных с морской деятельностью в открытых и прибрежных водах Мирового океана.

Методическое пособие состоит из девяти глав.

В первой главе дается краткий обзор исторического развития исследований в области моделирования волнения и разработки методов прогнозирования волн в океанах и морях, приводится классификации морских волн, основные термины и определения.

Во второй главе описано влияние ветрового волнения и зыби на различные хозяйственные объекты, находящиеся в открытых и прибрежных водах морей и океанов.

В третьей главе дано краткое описание средств и методов наблюдений параметров ветра и ветровых волн, как контактных, так и дистанционных.

В четвертой главе дано краткое изложение основных положений теории ветра и волн, необходимых для лучшего понимания физических основ методов прогнозирования волнения, изложенных в пособии.

В пятой главе описаны статистические закономерности распределения параметров волн на интервалах развития волн различной продолжительности – от нескольких минут до нескольких лет.

В шестой главе кратко изложены механизмы генерации, развития, распространения и затухания ветровых волн и зыби на глубокой воде и на мелководье под действием ветра.

В седьмой главе дано описание наиболее известных отечественных и зарубежных оперативных моделей и результатов их верификации.

В восьмой главе показаны особенности режима ветра и волнения на акваториях Мирового океана и морях России.

В девятой главе изложены практические методы, приемы и рекомендации по анализу и прогнозу ветра и волн в различных физико-географических условиях.

В подготовке научно-методического пособия принимал участие коллектив ведущих специалистов Росгидромета: Главы 1-6 и 9, а также разделы главы 7 (7.1-7.5) и главы 8 (8.1написаны З.К. Абузяровым (ФГБУ «Гидрометцентр России»), разделы 8.4.3 и 8.4. Е.С.Нестеровым и А.А. Лукиным (ФГБУ «Гидрометцентр России»), разделы 7.8 и подраздел 8.4.1 написаны И.М.Кабатченко (ФГБУ «ГОИН»), раздел 7.9–7.10 написан И.Н. Давиданом (ФГБУ «СПО ГОИН»), разделы 7.7, 8.5 написаны В.И. Дымовым (ФГБУ «ААНИИ»), разделы 7.6 и 8.6 написаны А.Н. Вражкиным (ФГБУ «ДВНИГМИ»). Научное редактирование выполнено доктором геогр. наук. Е.С. Нестеровым.

ГЛАВА 1. ПРОГНОЗ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

И ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ

1.1. Краткая история исследования и прогнозирования ветрового волнения Развитие методов прогноза ветрового волнения на морях и океанах тесно связано с уровнем развития теоретических и экспериментальных исследований процессов генерации, развития, распространения и затухания волн. Несмотря на то, что прогнозы волнения выпускаются в нашей стране давно, первое время они носили в основном локальный характер. Оперативные прогнозы волнения по большим акваториям океанов начали составляться в начале 60-х гг. прошлого столетия в связи с необходимостью обеспечения службы проводок судов через океаны рекомендуемыми курсами плавания. Многолетний опыт метеорологической проводки судов рекомендуемыми курсами плавания показал высокую эффективность такого вида обслуживания.

Хотя в середине прошлого столетия теория волн была достаточно хорошо разработана, работ, посвященных оперативным методам прогнозов волнения, было мало, что было обусловлено двумя основными причинами: 1) трудностью организации систематических наблюдений за волнами в штормовых условиях и 2) трудностью математического описания реального волнения.

Серьезные исследования в области разработки методов прогноза ветрового волнения и зыби были начаты относительно недавно, а точнее, после Второй мировой войны. До этого знания о ветровом волнении базировались главным образом на результатах классической гидродинамики волн и отрывочных эмпирических данных. Возрастающая научная и практическая значимость информации о ветровых волнах стала предъявлять все более высокие требования к методам исследования и прогнозирования этого природного процесса. Поэтому в этот период значительные усилия были сосредоточены на организации гидрометеорологических станций с целью накопления натурных данных для разработки эмпирических методов расчета и прогноза волн.

В 1947 году М.П. Морозов создал первый в нашей стране волнограф открытого моря (ВОМ-47). Собранные с его помощью наблюдения позволили Морозову исследовать изменчивость волнения и построить первые функции распределения высот ветровых волн [20]. К первым практическим методам, основанным на данных натурных наблюдений за волнением и позволяющим прогнозировать элементы волн, можно отнести метод, разработанный Л.Ф. Титовым [23] и содержащий эмпирические формулы и графики для определения параметров волн по заданным значениям скорости ветра и длины его разгона над морем.

Одной из отправных точек в развитии методологии исследования и прогнозирования ветрового волнения стало опубликование в 1935 г. пионерской работы В.М. Маккавеева [16, 17], который впервые дал научное обоснование роста и затухания регулярных волн на основе применения закона сохранения энергии, согласно которому изменение энергии всякой механической системы равно работе внешних сил за вычетом работы внутренних сил сопротивления и диссипации энергии. Этот закон Маккавеев записал в виде дифференциального уравнения, получившего название уравнения Маккавеева где E – энергия, заключенная в единичном объеме жидкости; U x – скорость переноса волновой энергии вдоль оси x ; M V – количество энергии, поступающей от ветра к волнам;

E – количество энергии, теряемой в результате процессов диссипации; t – время; x – координата, вдоль которой распространяются волны (ось x направлена по ходу волны).

Величины E, U x, M V и E выражаются через высоту волны и ее длину (или другой элемент волны, связанный с длиной соотношениями из классической теории волн).

Поскольку уравнение Маккавеева включает две неизвестные величины – высоту и длину волны, то оно дополняется вторым уравнением, тем или иным способом связывающим между собой эти две величины. Предложенный Маккавеевым подход оказался настолько плодотворным, что привел к появлению большого количества методов прогноза и расчета волн в зависимости от основных волнообразующих факторов: скорости и направления ветра, продолжительности его действия, разгона и глубины моря. К ним относятся методы В.В.

Шулейкина, И.С. Бровикова, Ю.М. Крылова, А.А. Иванова, А.П. Браславского и др., которые в той или иной мере нашли практическое применение.

Исходными данными для расчета и прогноза волн служат карты полей ветра над акваториями морей и океанов. Методика составления этих карт была разработана в 1958 г.

А.И. Соркиной [21]. Расчеты ветра в тропической зоне были выполнены в [22].

В.В. Шулейкин, основываясь на решении уравнения баланса энергии для регулярной волны, создал первую стройную теорию поля ветровых волн и разработал физические основы прогноза ветровых волн в океане [24]. Ю.М. Крылов объединил энергетику и статистику волн в единую статистическую теорию ветровых волн [14]. На основе этих теорий были разработаны методы расчета и прогноза волн для глубокой воды и мелководья, которые в то время нашли широкое практическое применение в нашей стране. Шулейкин и Крылов также исследовали поведение волн при их выходе с глубокой воды на мелководье и разработали приемы расчета трансформации и рефракции волн в прибрежной зоне под влиянием плавно меняющихся глубин.

За рубежом первыми, кто использовал идеи Маккавеева для прогноза волнения, были американские ученые из Скриппсовского института океанографии Свердруп и Манк [56, 57].

Они разработали способ прогноза волнения для целей обеспечения посадок гидросамолетов на воду. В 1946 г. результаты исследований этих авторов были обобщены в виде метода прогноза, который в 1952 г. был усовершенствован Бретшнайдером [25], и поэтому получил название «метод Свердрупа-Манка-Бретшнайдера» (метод СМБ). Метод основан на концепции «значительной высоты волны» h1/3, определяемой как средняя высота из одной трети наибольших наблюденных волн. Было показано, что эта наиболее значимая для судоходства высота волны статистически близко соответствует высоте преобладающих волн, определяемых визуально с судов.

В 50-х гг. прошлого века подход Маккавеева получил дальнейшее развитие на основе спектрального представления волнового процесса. В это время в работах Пирсона, ЛонгеХиггинса было сформулировано, что взволнованная поверхность моря есть случайная движущаяся поверхность и к ней применимы все выводы теории вероятности и статистики.

Данными наблюдений было установлено, что ветровое волнение, по крайней мере на глубокой воде, можно рассматривать как квазистационарный немарковский процесс гауссова типа, обладающий эргодическим свойством. Этот процесс полностью описывается функцией распределения, двумерной корреляционной функцией K ( x, y ) и двумерным спектром S,, определяющим распределение энергии по частоте и направлению распространения спектральных составляющих. Последние две функции связаны между собой преобразованием Фурье. Первые работы по развитию спектральной теории волн и ее практического применения были выполнены Пирсоном и Нейманом (1963), Кавальери (1981), К. Хассельманом (1962), Давиданом (1978), Крыловым (1956, 1958) и др.

Пирсон и Нейман в 1952 г., исходя из спектрального представления морской взволнованной поверхности, создали новую школу прогнозирования спектра волнения [54].

Они сделали попытку объединить все четыре направления в исследовании ветрового волнения – гидродинамику, энергетику, статистику и спектральный анализ – в единый метод расчета параметров волн. Новый подход к исследованию процесса ветрового волнения позволил более точно рассчитывать эволюцию двумерного спектра и сделал значительный шаг вперед на пути теоретического описания реального волнения. С математической точки зрения определение спектра волнения при таком подходе сводится к решению системы большого количества дифференциальных уравнений типа Маккавеева, включающих три основных члена, описывающих передачу энергии ветра волнам, слабонелинейные взаимодействия между спектральными составляющими и диссипацию энергии волн за счет их обрушения и трения о дно.

Одновременно с исследованием физики ветрового волнения изучались и его статистические свойства [4–8]. Этому в значительной мере способствовало внедрение инструментальных методов измерения волн, позволяющих получать непрерывные записи волновых колебаний в точке с помощью разнообразных типов самописцев волн (волнографов). Полученные записи волновых колебаний позволили установить важные статистические закономерности волн. В России большой вклад в исследование статистики ветровых волн внесли И.С. Бровиков (1954, 1960), Ю.М. Крылов (1956), Б.Х. Глуховский и Я.Г. Виленский (1953, 1960), И.Н. Давидан, В.А. Рожков, Л.И. Лопатухин (1978), Г.В. Матушевский (1977, 1980) и др., за рубежом – Путс (1952), Лонге-Хиггинс и др.(1962), Форристол (1978), Крогстад (1981) и др. Этими учеными было установлено, что, несмотря на большое разнообразие волн, их статистические характеристики, такие как средняя высота волны, средний период, дисперсия, функция распределения, корреляционная и спектральная функции являются устойчивыми на интервале квазистационарности и квазиоднородности процесса.

Значительный скачок в изучении физики взаимодействия ветра с волнами был сделан после появления в 1957 году работ Филлипса, Майлза, Хассельмана и др., объединение результатов которых дало возможность создать теорию генерации волн турбулентным ветровым потоком, объясняющую, почему ветровое волнение носит вероятностный характер [36, 37, 48, 49, 52, 53]. Основой этой теории послужило уравнение баланса спектральной энергии волн, предложенное независимо друг от друга Желси, Казале и Вассалем (1956), Хассельманом (1968) и др. Оно имеет вид:

где и – частота и направление распространения спектральной составляющей;

S (,, x, t ) – двумерный спектр энергии в точке с векторной координатой x в момент времени t ; V(, ) – групповая скорость спектральных составляющих; G (,, x,t ) – функция, описывающая изменение спектральной энергии S в результате передачи энергии от ветра к волнам и ее диссипации; – оператор, равный / x / y.

В том случае, если нелинейные взаимодействия слабы, функцию G записывают в виде где и – параметры, зависящие от скорости ветра и описывающие два различных механизма передачи энергии, в результате действия которых спектральная плотность энергии возрастает соответственно линейному (механизм Филлипса) и экспоненциальному (механизм Майлза) закону. Более подробно эти механизмы рассматриваются в главе 6.

Большинство современных спектральных моделей учитывают вклад ветра, как сумму членов линейного развития Филлипса и экспоненциального развития Майлза. Для глубокой воды большинство оперативных моделей используют экспоненциальный член Майлза.

Диссипация энергии волн определяется совместным эффектом механизмов обрушения гребней волн и трения о дно. Диссипативный член является наиболее трудным для описания из-за отсутствия надежных данных наблюдений за диссипацией энергии. На основе уравнения (1.2) было разработано много версий волновых моделей, среди которых принято выделять четыре основные группы прогностических моделей: дискретные спектральные, интегральные параметрические, гибридные и прочие. К прочим моделям относятся так называемые ручные методы, использующие эмпирические или полуэмпирические соотношения между параметрами волн и волнообразующими факторами. Они описаны в соответствующих руководствах по анализу и прогнозированию волнения.

В 60-х гг. прошлого столетия с появлением ЭВМ начало развиваться математическое моделирование эволюции волнения на основе уравнения баланса спектральной энергии волн. Такие модели разрабатывались в СССР, Франции, США, Англии, Норвегии, Японии, Исландии и других странах. Достаточно полный обзор состояния и перспектив исследований морского волнения в тот период был сделан Ю.М. Крыловым [13], И.Н. Давиданом [7] и Г.В. Матушевским [19].

Одна из ранних дискретных моделей была разработана в 1957 г. Джелси и др. – так называемая модель DSA (Density spectra-angular model). Позже, в 1960 г., модель DSA была усовершенствована и реализована на ЭВМ Джелси и др. (1964) и Джелси и Чеви (1978).

Следует отметить, что в то время, когда разрабатывался метод DSA, о теориях генерации и развития волн Филлипса и Майлза было известно мало, так же как было мало информации о таких членах уравнения баланса, как приток энергии ветра и диссипация энергии. В США первые спектральные модели прогноза волн были разработаны Пирсоном и Нейманом [54].

В 1953 г. Нейман вывел форму спектра для ветровых волн и построил кумулятивную спектральную кривую по данным визуальных наблюдений и волнографных записей. На основе этих результатов Пирсон, Нейман и Джеймс разработали новый метод прогноза волнения, который назвали «метод ПНД». Методы СМБ и ПНД послужили основой для всех последующих работ за рубежом в области прогнозирования волн.

Одна из первых оперативных спектральных моделей, в которой были использованы теории Филлипса и Майлза и теория слабонелинейнх взаимодействий Хассельмана, была разработана Пирсоном, Тиком и Баером (1966) – так называемый метод ПТВ. В модели в качестве фактора, ограничивающего развитие волн, был использован спектр ПирсонаМосковица для полностью развитого волнения. Оперативная спектральная модель волн SOWM (США) является усовершенствованной моделью ПТВ.

Примерно в это же время в Англии появилась дискретная численная модель Дарбишайра и Симпсона [33, 34], которая была разработана применительно к акватории Северной Атлантики специально для целей расчета рекомендуемых курсов. В основу модели был положен частотный спектр и функция углового распространения энергии в форме, предложенной Дарбишайром (1952, 1961). В Японии Исозаки и Уджи [42] разработали спектральную модель, в основу которой было положено уравнение (1.2) с учетом механизмов Филлипса-Майлза, при этом параметры и записывались в форме, предложенной Иноуэ [41]. Для расчета распространения спектральной энергии была применена процедура, представляющая комбинацию конечно-разностной схемы и искусственного приема «скачков» энергии волн в пределах пространственного шага расчета.

В модели Исозаки и Уджи не учитывались нелинейные взаимодействия между спектральными составляющими, но учитывалось влияние встречных ветров. Затем появилось несколько версий дискретных моделей, разработанных Бантингом и др. [26], Кавальери [27, 28], Эвингом [35], Хабертом [40], Зобелем и Диксоном [64], КорвинКруковским [45] и др.

Более углубленное понимание развития спектра волн было достигнуто после проведения полевого эксперимента JONSWAP в Северном море [37], в результате которого были получены наиболее полные измерения роста волн. Анализ этих данных показал, что на коротких разгонах приблизительно 80±20 % энергии в поле волн поступает от ветра. Однако практически вся эта энергия тратится непосредственно на создание течений через механизм нелинейного взаимодействия волновых компонент и диссипацию волновой энергии, т.е. рост волн быстрее идет не за счет поступления энергии от ветра, а за счет перераспределения энергии внутри поля волн. Это привело к созданию параметрических моделей прогноза волн [9, 15, 31, 36–39].

К. Хассельман с соавторами на основе обобщения данных наблюдений за ветром и волнением в эксперименте JONSWAP предложили параметрический метод расчета спектра развивающегося волнения [39], который послужил основой для создания других моделей этого направления. Позже на основе дискретной и параметрической моделей были созданы гибридные модели волнения, представляющие собой комбинацию дискретного и параметрического подхода.

На основе накопленных данных наблюдений и теоретических исследований методы прогноза волн постоянно совершенствуются. Особенно большое внимание уделялось исследованиям физики обмена между ветром и волнами в пограничных слоях атмосферы и океана. В этой области были выполнены многочисленные исследования Филлипсом и Майлзом (1957), Дарбишайром (1953), Джелси и Девиллазом (1957), В.И. Маковой (1977), В.К. Макиным (1980); В.К. Макиным и Д.В. Чаликовым (1986), М.М. Заславским, И.М.

Кабатченко и Г.В. Матушевским (1995) и др., но до настоящего времени соотношения, описывающие обмен энергией между ветром и волнами, остаются в значительной степени эмпирическими.

Большинство исследований проводилось применительно к условиям глубокой воды.

При распространении волн на мелководье их скорость уменьшается, спектр волн трансформируется под влиянием топографии дна и рефракции волн. Влияние этих факторов учитывалось, как правило, раздельно. Эти исследования относились в основном к рефракции монохроматической волны: Манк и Артур (1952); Харрисон и Вильсон (1964); Вильсон (1966); Шулейкин (1959); Крылов (1958).

Спектральные дискретные модели наиболее теоретически обоснованы и отличаются друг от друга в основном степенью подробности описания члена слабонелинейных взаимодействий спектральных составляющих в уравнении баланса спектральной энергии волн. Они позволяют в каждой точке сеточной области рассчитать характеристики двумерного спектра для заданного набора дискретных направлений и частот. Основой для дискретных спектральных моделей служит уравнение (1.2), которое решается стандартными методами конечных разностей шагами по времени на сетке, покрывающей интересующую акваторию океана.

Упомянутые выше модели развития волн применялись в течение многих лет, а некоторые из них используются в оперативной работе и до сих пор, например модель GSOWM (Global Spectral Ocean Wave Model) США. Примерами дискретных моделей являются модель Ресио (1981, 1987), модель Голдинга (1983) и модель Гринвуда и др. (1985).

Дискретная волновая модель, разработанная Голдингом в Метеослужбе Великобритании в 1983 г. для моря произвольной глубины, известна как модель ВМО.

Одновременно с дискретными моделями разрабатывались интегральнопараметрические модели волн [3, 18]. В интегральных параметрических моделях вместо уравнения баланса спектральной энергии используется его параметрический аналог, основывающийся на переходе от уравнения баланса для каждой спектральной составляющей к уравнению для параметров спектра. Принципиальная возможность такой замены обусловлена тем, что спектр ветровых волн сохраняет по мере развития и распространения волн универсальную форму под влиянием слабонелинейного взаимодействия спектральных составляющих. Интегрально-параметрические модели представляли собой шаг вперед в области моделирования волн, так как они позволяли учитывать нелинейные взаимодействия между волнами без прямого решения многократного интеграла Больцмана, описывающего нелинейные взаимодействия между волнами. Вместе с тем параметрические модели, предложенные Хассельманом и др., имеют ограниченную применимость. Интегральные параметрические модели, обладая достаточно высокой точностью, соизмеримой с точностью дискретных спектральных моделей, существенно уступают им по уровню информативности.

Результатом расчетов по этим моделям являются поля параметров волнового спектра:

первый и второй моменты спектра или легко из них пересчитываемые средние высота и период ветровых волн. В дальнейшем эволюция спектра зыби рассчитывается в рамках спектральной дискретной модели для определенных частот и направлений распространения спектральных составляющих. Для многих практических задач этой информации бывает достаточно, но для научных и инженерных целей требуются результаты более высокого уровня информативности, которые дает только дискретная модель. Она позволяет выполнить детальные расчеты параметров всех систем ветрового волнения и зыби.

На следующем этапе развития моделирования волн появились комбинированные или гибридные модели, объединяющие параметрическую и дискретную модели [29, 31, 43].

Такие модели были разработаны Гюнтером и др. (1979) и Янссеном и др. (1984). Так, например, в параметрической модели NorsWAM используется спектр JONSWAP.

Модифицированной версией ее для условий мелкой воды является модель HYPAS (Hybrid Parametrical Shallow). Примером гибридной модели является также модель GONO (Golven Nordzee), разработанная в Королевском метеорологическом институте в Нидерландах. Эта модель использует конечно-разностную схему для расчета параметров ветровых волн и лучевой метод для расчета распространения зыби.

Упомянутые выше модели относятся к моделям второго поколения, поскольку они используют параметризованную версию процесса взаимодействия между волнами, отсутствовавшую в спектральных моделях первого поколения (например, метод DSA).

Дальнейшее развитие шло по пути создания моделей третьего поколения, основанных на работах К. Хассельмана (1985), в которых был предложен новый, более эффективный способ расчета точного интеграла нелинейного переноса энергии. К классу моделей третьего поколения относится, например, модель EXACT-NL, разработанная К. Хассельманом и С. Хассельманом (1985), включающая точное описание формы члена нелинейного переноса энергии; член притока энергии из атмосферы принимался по Снайдеру и др. (1981), а диссипативный член был выведен эмпирически.

Несмотря на недостаточную теоретическую изученность процесса развития ветрового волнения, практическая необходимость постоянно инициировала создание все новых прогностических моделей. Сегодня в мировой гидрометеорологической практике для расчета и прогноза волн применяются несколько десятков моделей, только в России их насчитывается более 20.

В 1984 г. была создана международная рабочая группа в рамках проекта SWAMP (Sea Wave Modeling Project), которая выполнила детальное сравнение 10 различных моделей [51].

Оказалось, что между моделями наблюдаются серьезные расхождения, обусловленные недостаточно глубоким пониманием механизмов, управляющих поведением волн в океане.

На основании этого вывода участники группы SWAMP в 1985 г. создали новую международную рабочую группу WAMDI (Wave Modeling Group), в задачу которой входило создание новой модели, отвечающей современным требованиям [61]. Так появилась модель WAM, детальное описание которой дано в [59].

Плодотворная идея решения проблем ветрового волнения большими группами высококвалифицированных специалистов нашла свое продолжение. После окончания работы международной группы WAMDI появился новый международный проект WISE (Waves In Shallow Environmental), который поставил своей целью продолжить исследования и создать более совершенную модель ветрового волнения применительно к мелководным акваториям. Такая модель была создана и получила название SWAN (Simulating Waves Nearshore) [55, 58]. Модель SWAN относится к моделям третьего поколения, в которой помимо параметризации физических механизмов, формирующих спектр волн на глубокой воде, включаются такие эффекты, как рефракция, трехволновые взаимодействия и диссипация волновой энергии, связанная с обрушением волн на мелководье.

Учитывая большое количество появившихся разнообразных моделей, в 1985 г. группа SWAMP классифицировала их по способу представления функции источника в уравнении баланса спектральной энергии, главным образом по способу учета члена слабонелинейного взаимодействия спектральных составляющих волнового поля, которое, как было показано, оказывает сильное влияние на форму и эволюцию спектра. По этому признаку все дискретные модели принято подразделять на поколения. Различия в поколениях заключаются в степени подробности описания механизма нелинейного взаимодействия. В первых трех поколениях используются теоретически нестрогие процедуры упрощения интеграла взаимодействий. Так, к моделям первого поколения были отнесены модели, основанные на упрощенных квазилинейных подходах к проблеме моделирования волнения.

Сведения о них можно найти в [1, 2]. К моделям второго поколения относят параметрические модели. В них член нелинейного резонансного взаимодействия между волнами параметризован спектром типа спектра JONSWAP. К моделям третьего поколения относят модели волнения, в которых член слабонелинейного обмена энергией решается непосредственно, путем применения процедур DIA или FDIA, упрощающих решение точного интеграла переноса [29–32].

Наметившаяся в последние десятилетия тенденция в исследовании этого вопроса ориентирована на решение системы уравнений статистической гидродинамики, описывающей взаимодействие волнения с ветровым потоком в пограничном слое атмосферы. Решение данной задачи встречает определенные трудности, в связи с чем обычно рассматривают упрощенную постановку задачи, основанную на кинетическом уравнении в приближении слабой турбулентности, описывающем эволюцию спектральной плотности волнового действия [10, 11, 62, 63]. Успех решения этого уравнения во многом зависит от знания физических механизмов, формирующих спектр ветрового волнения. К таким механизмам обычно относят механизм передачи энергии от ветра к волнам, нелинейное перераспределение энергии между спектральными компонентами, диссипацию, взаимодействие волн с неоднородными течениями и дном и т.д. В последнее время в этом направлении достигнуты значительные успехи. Однако остаются нерешенными целый ряд задач, касающихся механизма диссипации энергии волн, самосогласованного движения двухслойной среды океан-атмосфера и т.д. Состояние теоретических исследований волнения таково, что из-за сложности изучаемого процесса оно не дает возможности выполнить расчеты ветрового волнения, основанные только на теоретических представлениях. Это, с одной стороны, свидетельствует о недостаточной изученности процесса волнения, а с другой – вынуждает использовать эмпирические зависимости в математических моделях ветрового волнения.

В последние годы появились модели, которые по принятой классификации группой SWAMP можно отнести к моделям 4-го поколения (с более точным описанием механизма нелинейного взаимодействия). К ним можно отнести модель EXACT-NL, предложенную К. Хассельманом и С. Хассельманом [38], и модель узконаправленного приближения, созданную в Институте океанологии РАН под руководством академика В.Е. Захарова [10, 62, 63]. Последняя была преобразована в численную версию и получила статус российской атмосферно-волновой модели (РАВМ).

Отличительной особенностью пограничных слоев атмосферы и океана является наличие подвижной взволнованной поверхности океана, через которую происходит передача механической и тепловой энергии. Передача количества движения и энергии от ветра волнам, так же как и обратное влияние волн на ветер, приводит к ряду особенностей взаимодействия ветра и волн в нижнем слое атмосферы и в верхнем слое океана на расстояниях, соизмеримых с размерами поверхностных волн. В последние годы интерес к исследованию этих вопросов значительно усилился, в результате чего было получено ряд новых экспериментальных и теоретических данных [10, 12, 19–21, 44, 47, 50].

В первую очередь это относится к возмущениям, которые возникают в погранслое при движении волн. Это проявляется, в частности, в том, что в приводном слое атмосферы профиль средней скорости ветра существенно отличается от логарифмического профиля.

Другой интересной особенностью погранслоя является то, что вносимые волнами в обе пограничные среды (воздух и воду) возмущения имеют много общего, хотя между ними существуют и большие различия, возникающие из-за гораздо больших величин градиента средней скорости ветра по сравнению с градиентом скорости морских течений. Новые данные дали возможность включать в современные модели блок, учитывающий взаимоадаптацию полей ветра и полей волн, хотя в практике оперативных расчетов используются, как правило, раздельные модели ветра и волн.

Практика показала, что модели с более развитой физической постановкой и более совершенным математическим описанием учитываемых факторов обеспечивают получение более точного прогноза по сравнению с упрощенными моделями. В то же время эти модели предъявляют более высокие требования к качеству и полноте исходной информации и к быстродействию ЭВМ. Если эти требования не выполняются, то преимущество в точности прогнозов за счет применения более совершенных моделей не реализуется. Поэтому в последнее время для оперативных целей наряду со сложными моделями используются более простые, но эффективные модели (например параметрические модели или гибридные модели).

В настоящее время большинство зарубежных метеорологических центров разрабатывают новые или развивают наиболее успешные прогностические модели ветрового волнения, включающие те или другие элементы описания механизмов развития, распространения и затухания волн. Наиболее известными из зарубежных моделей являются спектральная дискретная модель WAM, оперативно применяемая в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП) [59, 61] и модель WAVEWATCH [60], по которой даются прогнозы волнения Национальной службой погоды США; в России – это спектрально-параметрическая модель AARI-PD2 [9, 46] и модель узконаправленного приближения углового спектра (РАВМ) [63], реализованные как оперативные в ФГБУ «Гидрометцентр России».

Все упомянутые выше модели можно применять для решения задач различного уровня сложности: параметрическую модель для решения более простых задач, дискретную спектральную модель – как для простых, так и для более сложных задач. Как правило, в инженерной и оперативной практике требуется знание трех базовых вероятностных характеристик ветрового волнения: средней (или значительной) высоты волн, среднего периода (или периода, соответствующего максимуму спектра) и генерального направления распространения для всех систем волн (ветрового волнения и зыби). Для решения специальных инженерных задач рассчитываются также частотные и двумерные спектры, достоверность определения которых в большой степени зависит от поколения модели.

Таким образом, исторически сложились два пути прогнозирования ветровых волн и зыби: метод прогноза так называемых «главных волн» заданной обеспеченности и спектральный метод. Основное различие между этими двумя методами заключается в том, что метод прогноза «главных волн» позволяет давать прогноз элементов единичных волн, в то время как спектральный метод позволяет рассчитывать двумерный спектр. Метод «главных волн» основан на зависимостях между высотой (периодом) волн и метеорологическими параметрами, такими как скорость ветра, продолжительность его действия и разгон. Спектральный метод позволяет рассчитывать компоненты волн по мере того как они развиваются при определенных метеорологических условиях и распространяются через океан.

В настоящее время спектральные гидродинамические модели ветрового волнения достигли достаточно высокого уровня, как по полноте учета различных физических факторов, так и в отношении численной реализации. Они используются не только для выполнения диагностических и прогностических расчетов, но и для пополнения данных о волновом климате за продолжительные исторические промежутки времени. Существующие волновые модели по своей точности в большинстве своем отвечают требованиям практики.

Они являются достаточно надежными для обеспечения большинства нужд хозяйственного и оборонного назначения. Вместе с тем не утрачивают своей значимости и упрощенные эмпирические и полуэмпирические модели волнения, позволяющие выявлять и анализировать особенности волновых процессов. Такой анализ может служить отправной точкой для более детального исследования ветрового волнения с использованием более сложных моделей.

Точность результатов волновых моделей различных уровней сложности, как отмечалось выше, сильно зависит от ветра. Это накладывает определенные требования на метеорологические модели. Требования к метеорологическим моделям становятся еще более жесткими для закрытых прибрежных вод или замкнутых бассейнов, где поля ветра сильно зависят от локальных условий, которые не описываются глобальными метеорологическими моделями. Вблизи берега возникают многочисленные дополнительные явления и подсеточные эффекты (влияние особенностей рельефа дна, изрезанности береговой линии и др.), которые должны учитываться при составлении прогнозов волнения.

приповерхностного ветра. Оценки показывают, что ошибки 10–20 % в прогнозе скорости ветра могут приводить к ошибкам в прогнозе высоты волн до 40 %. Ошибки становится еще более критическими для закрытых прибрежных вод или замкнутых бассейнов.

В метеорологических моделях важен учет уровня турбулентности в нижних слоях атмосферы. Турбулентность приповерхностного поля ветра ведет к усилению развития волновых процессов с увеличением до 20–80 % по высоте волны. Оценка шероховатости поверхности моря зависит от условий устойчивости на границе вода-воздух, но точный учет уровня турбулентности представляется достаточно сложной задачей. Наиболее подробно эта проблема исследована в [20].

В ФГБУ «Гидрометцентр России» эксплуатируется несколько оперативных технологий выпуска гидродинамических прогнозов глобальных метеорологических полей, включая поля ветра, с заблаговременностью 12–240 ч на основе глобальных моделей атмосферы с различным пространственным разрешением. В частности, упомянутая выше волновая модель AARI-PD2 использует выходную продукцию глобальной спектральной модели T85L31 с горизонтальным разрешением 1,25°. Прогнозы по этой модели выпускаются дважды в сутки по исходным срокам 00.00 и 12.00 ч ВСВ в оперативном режиме в рамках общей технологии автоматизированной обработки информации (АСООИ) ФГБУ «Гидрометцентр России». Прогнозы по «утреннему сеансу» вычисляются на срок до 84 ч.

Прогнозы по «вечернему сеансу» – на срок до 240 ч.

Выходная продукция доступна внутренним пользователям через базы данных Гидрометцентра России, на файл-серверах ГИС-МЕТЕО. Внешним пользователям прогнозы распространяются в кодах GRID и GRIB по каналам Глобальной системы телесвязи ВМО (ГСТ) и через сеть Интернет. Прогностическая информация доводится до капитанов судов, портов, буровых платформ по различным каналам связи: ГСТ, через СМИ, через системы связи МЕКОМ, Интернет, мобильные средства связи, а также через подсистемы НАВТЕКС и SafetyNET в рамках Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ) и в рамках Единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО) [11].

Мониторинг и прогноз ветра и волнения являются взаимозависимыми процессами, поэтому развитие полностью интегрированной системы прогноза волн требует взаимоувязанного мониторинга морской окружающей среды, современных технологий и разработки прогностических моделей, которые также играют важную роль в количественной оценке явлений в морях и океанах, недостаточно освещенных современной системой наблюдений.

Важным требованием для оценки модели волнения является наличие надежных измерений параметров волнения и ветра. В настоящее время существует достаточно обширная сеть наблюдений за волнением и ветром, включающая спутниковую альтиметрию, океанские стационарные буи, суда добровольных наблюдений (СДН) и др. Данные о волнении с недавнего времени (с 1992 г.) также стали использоваться для инициализации моделей. Показано, что ассимиляция данных о волнении в модели на каждом временном шаге может улучшить результат, и в настоящее время ведется активная деятельность по разработке методов усвоения этих данных волновыми моделями. Прогресс в этом направлении исследований стимулирован тем, что в последние годы появились спутниковые данные с их глобальным охватом. Сегодня уже доступны на оперативной основе спутниковые данные о ветре и волнении, которые обеспечивают возможность создания глобальных карт, необходимых для удовлетворения широкого спектра запросов потребителей. В то же время быстрое развитие системы ИНМАРСАТ для связи судно-берег и систем сбора данных, основанных на использовании геостационарных спутников, или системы АРГОС уже обеспечили существенный прогресс в методах сбора морских данных и распространения морской информационной продукции.

В последние годы ситуация с инструментальными наблюдениями за волнением непрерывно улучшается. Спутниковые наблюдения позволяют существенно улучшить глобальную плотность наблюдений, а волноизмерительные инструменты, установленные на буях, позволяют выполнить спектральный анализ записей и избежать субъективного разделения ветровых волн и зыби. Информация других наземных и размещенных на самолетах систем дистанционного зондирования метеорологических и океанографических параметров также используется в оперативной практике. Эти системы, как правило, включают датчики для измерения параметров ветра, видимых параметров волн, спектральных характеристик волнения и др. В последние годы также произошли серьезные сдвиги в плане развития автоматизированных систем наблюдений за параметрами ветра и волн, размещенных на судах, морских буях и других наблюдательных платформах.

Несмотря на то, что в последние годы в области методологии и технологии прогнозирования ветрового волнения достигнуты значительные успехи, по-прежнему сохраняются проблемы, связанные с недостаточной освещенностью Мирового океана данными наблюдений, особенно в Южном полушарии. Существенно выросли потребности к качеству, полноте и форматам представления информационной продукции о волнении, ориентированной на специализированное обслуживание потребителей. Решение этих задач требует развития и совершенствования методов наблюдений за ветром и волнением и методов их прогнозирования. Помимо прогнозов волнения, выпускаемых оперативно, для многих потребителей является важным получение данных о режиме ветра и волнения и статистической оценке максимальных величин ветровых волн (высоты и периода), наблюдающихся в том или ином районе Мирового океана за тот или иной интервал времени.

Во многих случаях единственным путем получения таких данных является ретроспективный расчет параметров волн за достаточно большой период времени с использованием атмосферных и волновых моделей.

1.2. Классификация морских волн, обозначения, термины, определения Классификация волн Волны, которые мы привыкли видеть на поверхности моря, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут возникать и по другим причинам. Так, например, приливные волны образуются под действием приливообразующих сил Луны и Солнца, волны цунами – в результате землетрясений или извержения вулканов, корабельные волны – при движении судна и т.д. Таким образом, с физической точки зрения, существует широкий спектр волновых колебаний: от капиллярных волн до волн планетарного масштаба (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация морских волн по периоду (по Манку, 1951).

Некоторые из волн являются неустойчивыми, например капиллярные волны, которые при стихании ветра тут же исчезают. Развитые гравитационные волны могут сохраняться продолжительное время и распространяться на большие расстояния без значительной потери энергии. Волны приливные, барические, сейсмические и корабельные существенного влияния на судоходство в открытых водах океанов не оказывают, поэтому они здесь не рассматриваются.

Морские ветровые волны являются преобладающим видом волн в океанах и морях.

Они относятся к классу поверхностных поступательных и короткопериодных волн. Их в свою очередь можно классифицировать по следующим признакам:

- капиллярные волны, зависящие от сил поверхностного натяжения;

- гравитационные волны, обусловленные силой тяжести;

- вынужденные волны, находящиеся под воздействием возбуждающих сил;

- свободные волны, возникающие после прекращения действия вынуждающей силы (примером свободной волны может служить мертвая зыбь);

- установившиеся и неустановившиеся волны, находящиеся в стадии развития или затухания, двумерные и трехмерные волны;

- волны глубокого моря и волны мелкого моря.

Ветровые волны – волны, которые возникают на поверхности воды под действием ветра, при этом они делятся на вынужденные, свободные и смешанные.

Вынужденные волны – волны, находящиеся под действием ветра.

Свободные волны (зыбь) – волны, распространяющиеся после прекращения ветра или вышедшие из зоны его воздействия.

Смешанные волны – волны, представляющие собой результат сложения вынужденных и свободных волн, они относятся к трехмерным волнам.

Существует также класс итерферированных волн, образующихся от сложения частично отраженных волн с подходящими волнами, и класс стоячих волн, являющихся частным случаем интерферированных волн.

Обозначения параметров волн В тексте даны стандартные определения параметров простой синусоидальной «длинногребневой» формы волны (рис. 1.2), математическое описание которой имеет вид:

где – колебания поверхности воды относительно среднего уровня моря; a – амплитуда;

волновое число; – угловая частота; – фазовый сдвиг; x – горизонтальная координата; t – время.

Рис. 1.2. Профиль синусоидальной волны с различными параметрами.

Синусоидальность означает, что волна повторяет себя и имеет синусоидальную форму, а термин «длинногребневая» говорит о том, что волна представляет собой серию длинных и параллельных гладких волновых гребней, равных по высоте и равноудаленных друг от друга. Ниже даны обозначения характеристик волн, связанных с их формой:

k – волновое число, равное 2 / L ;

T – период волны;

c – фазовая скорость волны, равная L / T ;

f – частота волны, равная 1 / T ;

– круговая частота, равная 2 / T ;

d – глубина воды, измеряемая от среднего уровня моря;

– возраст волны, равный c / W, где W – скорость ветра;

E – энергия волны на единицу площади моря;

r – радиус орбитальных путей частиц воды на глубине z ;

U – групповая скорость волн.

Определения характеристик ветровых волн Статический уровень – уровень моря при отсутствии колебаний поверхности воды.

Гребень – часть волны, расположенная выше статического уровня.

Вершина – наивысшая точка гребня волны.

Подошва – наинизшая точка впадины волнового профиля.

Высота – вертикальное расстояние между вершиной и подошвой волны.

Высота гребня – превышение вершины волны над статическим уровнем.

Длина – горизонтальное расстояние между двумя соседними вершинами (или подошвами).

Период – промежуток времени между прохождением через фиксированную точку пространства двух следующих друг за другом вершин (или подошв).

Фазовая скорость – скорость продвижения вершины (или подошвы) одной и той же волны.

Крутизна волны – отношение высоты волны к ее длине ( = h/L ).

Волновой луч – линия, перпендикулярная фронту волны и направленная в сторону распространения волн.

Средняя волновая линия – горизонтальная линия, делящая высоту волны пополам.

Склон волны – часть волновой поверхности от гребня до ложбины (наветренный – в случае обращения навстречу действия ветра, и подветренный – в противоположном случае).

Гравитационная волна – разновидность волны, при которой сила, возвращающая деформированную поверхность воды к состоянию равновесия, есть просто сила тяжести.

Ветровое волнение – сложное колебательное движение поверхностного слоя моря, вызванное ветром (второе определение: ветровое волнение – волнение моря, вызванное ветром и продолжающееся под его воздействием).

Трехмерное волнение – когда гребни и подошвы волн не имеют большой длины по фронту распространения волнения, располагаясь в шахматном порядке.

Зыбь – затухающее волнение, возникающее при стихании ветрового волнения.

Мертвая зыбь – свободные волны правильной формы, длинные и пологие, при полном безветрии. Мертвая зыбь возникает в результате выхода ветровых волн из области действия ветра или после прекращения ветра.

Смешанное волнение – развивающиеся новые ветровые волны на фоне старой зыби.

Рябь – начальная форма развития волнения.

Амплитуда волны – величина максимального отклонения от среднего уровня моря, обычно указывается в метрах.

Частота волны – количество гребней, проходящих через фиксированную точку за 1 с;

обычно измеряется в герцах.

Фронт волны – линия, проходящая вдоль гребня волны, перпендикулярная к направлению перемещения волн.

Длина гребня волны (для трехмерных волн) – протяженность гребня волны в направлении ее фронта.

Крутизна волны вдоль гребня – отношение высоты волны к длине гребня.

Показатель трехмерности волны – отношение длины волны к длине гребня.

Прибой – явление обрушения гребней волн вблизи берега или над отдельно расположенными вдали от берега отмелями и банками (явление «забурунивания» гребней, которое служит признаком разрушения волн).

Накат волн – явление, при котором прибойная волна окончательно разрушается или «забурунивается» в последний раз, после чего вода устремляется на берег, заливая его, а затем снова откатывается.

Толчея (хаотическое волнение) – особая форма волнения, образованная двумя или несколькими системами волн (ветровых и зыби), распространяющимися в разных направлениях. При толчее волны очень крутые, с короткими конусообразными гребнями, не имеющими определенного видимого направления и как бы «танцующими» на одном месте.

Состояние моря – старый морской термин, который обозначает состояние поверхности моря (океана), т.е. степень его волнения. Первоначально этот термин появился в судовых журналах в эпоху парусного флота. Термин «состояние моря» в общем смысле относится ко всему внешнему виду поверхности моря (океана) и, следовательно, включает волнение и зыбь, которые обычно существуют вместе. В строгом смысле термин «состояние моря»

относится только к морским волнам.

Штиль – безветрие (затишье) или слабый ветер, скорость которого не превышает 0, м/с.

Шторм – длительный сильный ветер, обычно при прохождении циклона, сопровождающийся сильным волнением на море.

Штормовая волна – морская волна большой высоты, обусловленная штормом.

Штормовой ветер – ветер в 9 баллов по шкале Бофорта (21–24 м/с).

Установившееся волнение – волнение, при котором статистические характеристики волн не изменяются во времени; в противном случае волнение называется развивающимся, если характеристики волн (высота и др.) увеличиваются, или затухающим, если характеристики волн уменьшаются.

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

О ВЕТРЕ И ВОЛНЕНИИ

Морские объекты различного назначения, расположенные в открытых и прибрежных районах морей и океанов (суда, буровые платформы, различного рода гидротехнические сооружения и т.д.), очень чувствительны к гидрометеорологическим условиям, и в особенности к ветру и ветровому волнению. Поэтому потребители предъявляют к качеству и полноте этой информации повышенные требования [23, 27, 29, 30, 34, 35]. Очевидно, что и в будущем требования к качеству обслуживания будут возрастать и, следовательно, будут возрастать и задачи, направленные на максимальное удовлетворение этих требований.

Реальный опыт мореплавания свидетельствует о том, что экстремальные значения ветра и волн увеличивают риск для судов. Менее экстремальные хотя и не содержат прямой угрозы судну и экипажу, однако снижают экономические показатели работы флота.

Статистика показывает, что почти половину эксплуатационного времени суда работают в условиях морского волнения, снижающего скорость хода на 10–15 %. Так, по данным английской компании Ллойд, около 30 % всех аварий судов мирового флота напрямую связаны со штормовой погодой и волнением. К этому следует добавить и косвенное влияние погоды и волнения, когда многие аварии, вызванные другими причинами, происходили при неблагоприятных условиях погоды и волнения.

Основными объектами, для которых необходима информация о волнении, являются:

– судоходство, включая поисково-спасательные и судоподъемные операции;

– морское рыболовство и морское рыбное хозяйство;

– морская индустрия (разведка и добыча полезных ископаемых в зонах континентального шельфа и за их пределами);

– проектирование и строительство морских судов и морских гидротехнических сооружений;

– контроль загрязнения морской среды и обеспечение мероприятий по ликвидации последствий ее загрязнения;

– защита берегов от волновой эрозии;

– морской туризм и спорт, отдых на море;

– научные исследования океана и атмосферы в целях моделирования физических процессов в океане, разработка методов и технологий прогноза.

Что может произойти с судном при волнении?

заливаемость судна;

повреждаются суда;

– срываются палубные механизмы, различные устройства и надстройки;

– создается значительная опасность при переправах, нарушается устойчивость и плавучесть судна, возникает дифферент судна;

– суда могут быть выброшены на мель, рифы или берег;

– происходит нарушение прочности судов, возникает слеминг (удары волн о днище судна, которые вызывают вибрацию и негативно действуют на механизмы);

– в конструкции судна появляются дополнительные напряжения, которые увеличивают опасность разлома судна в момент нахождения его на вершине волны, возникает общий изгиб судна;

– оказывается отрицательное влияние на работу команды при погрузочноразгрузочных работах;

– уменьшается скорость движения судна и т.д.

Ниже дается более подробное описание влияния ветра и ветрового волнения на указанные выше морские объекты.

Судоходство Характеристики ветрового волнения и зыби являются одними из основных характеристик, используемых при гидрометеорологическом обеспечении судоходства [1, 2, 6, 14, 16, 20–24, 28]. Сильная бортовая качка создает опасный крен, затрудняет определение места судна, может привести к подвижке сыпучего груза в трюмах и смещению контейнеров, размещенных на палубе. Кроме того, сильное волнение приводит к значительным динамическим нагрузкам на корпус и механизмы судна. Степень воздействия волн на судно зависит от размеров волн, тактико-технических данных судна, характера груза и его размещения.

Другим важным фактором, влияющим на поведение судна в море, является ветер. Его влияние может быть как прямым, так и косвенным. Прямое действие ветра на судно приводит к смещению судна с курса, разворачиванию и крену. Косвенное влияние ветра на судно осуществляется посредством образования под его действием волн и течений. Следует отметить, что современные суда с мощными двигателями довольно успешно преодолевают зоны сильных ветров и волнения, но при этом потери скорости хода судна могут достигать 50 % и более. Особенно сильно снижается скорость хода при встречном ветре, а боковой сносит его с курса.

Сильный порыв ветра – шквал – может выбросить судно на мель или на скалы, сорвать с якоря, навалить на причал. Но и попутный ветер не всегда благоприятствует условиям плавания. При сильном попутном ветре судно начинает «рыскать», что приводит к зигзагообразному движению и потере времени. Судно испытывает продольную качку, его винт обнажается и работает рывками, что ведет к перерасходу топлива.

В океане наблюдаются большие волны и при отсутствии ветра, называемые «мертвой»

зыбью, которая является отголоском ветрового волнения в удаленных районах. При ослаблении ветра в зоне шторма ветровые волны переходят в волны зыби, которые называются «штормовой» зыбью. В Мировом океане есть районы, где сильное волнение наблюдается практически постоянно. Это известные «ревущие сороковые» широты Южного полушария.

В последнее время большой интерес возрос к так называемым «волнам-убийцам», относящимся к аномально высоким волнам с большой крутизной. «Волна-убийца»

характеризуется как внезапное явление, т.е. периоды ее возникновения и существования настолько малы, что заранее принять какие-либо меры предосторожности практически невозможно. Поэтому эти волны классифицируются как весьма опасное стихийное явление.

Для судов, находящихся в открытых и прибрежных водах низких широт, серьезную опасность представляют тропические циклоны (ураганы в Атлантике и тайфуны в Тихом океане). Прохождение тропического циклона сопровождается, как правило, обильными осадками, сильным ветром и штормовым волнением. Последние два явления представляют наибольшую угрозу безопасности мореплавания и морского промысла. Если иметь в виду, что в тропических ураганах скорость ветра нередко превышает 50 м/с, (например, максимально зарегистрированная скорость ветра в урагане «Камилла» в 1969 г. составила почти 90 м/c), то становится ясным, насколько важна для безопасности судна прогностическая информация о возможных размерах области штормового волнения, вызванного прохождением тропического циклона.

В морской практике используются хорошо известные морякам правила по расхождению судна с тропическим циклоном. Эти правила помещены в справочниках по навигационной гидрометеорологии. При расхождении судна с тропическим циклоном капитанам большую помощь оказывает прогностическая информация о местоположении и направлении перемещения тропического циклона. Такая информация дает капитану возможность предпринять своевременные предупредительные меры, чтобы избежать встречи со штормом и сделать в связи с этим соответствующую оценку ожидаемого времени прибытия судна в порт назначения.

Для того чтобы снизить риск встречи судна со штормом, во многих странах, в том числе и в России, функционируют службы рекомендуемых курсов [1, 2, 20–22, 28, 33]. При этом перед выходом в рейс обычно определяется наиболее важный критерий, обеспечивающий экономически наиболее эффективные и благоприятные условия выполнения поставленной перед капитаном задачи. Это может быть минимальное время перехода, обход зон штормового волнения, сокращение расхода топлива, сохранность груза и т.д. Кроме того, часто приходится проводить операции по перегону (буксировке) плавсредств с ограниченной мореходностью (плавучие доки, краны, мастерские, буровые установки, аварийные суда и пр.). Специально созданные для этой цели группы специалистов осуществляют метеорологическую проводку судна на протяжении всего рейса от порта выхода до порта назначения с учетом фактических и прогнозируемых гидрометеорологических условий на всем переходе. Порядок гидрометеорологического обеспечения переходов, перегонов и буксировок судов и плавсредств с ограниченной мореходностью изложен в [14].

Поисково-спасательные и другие операции Важным аспектом применения информации о ветре и ветровом волнении является гидрометеорологическая поддержка морских операций по поиску и спасению (ОПС), осуществляемых Координационным центром России по спасению (КЦС) в соответствии с национальными процедурами координации ОПС и с учетом действующих международных рекомендаций и требований в рамках международной системы ГМССБ [24].

Когда ведется поиск людей, дрейфующих на спасательном плавсредстве, прежде всего запрашивается информация о параметрах ветра, ветрового волнения и зыби. Успех поисковых и спасательных операций в значительной степени зависит от точности и подробности гидрометеорологической информации, поступившей в КЦС. При этом передача этой информации в КЦС должна осуществляться с высоким приоритетом.

Большую роль информация о ветре и волнении играет при обеспечении работ по ликвидации аварийных ситуаций, связанных с выбросом различных загрязнителей в море. В открытом море загрязнение чаще всего связано с авариями танкеров и последующим разливом нефти, на шельфе и в прибрежных водах – с работой буровых и нефтегазодобывающих платформ, а также выбросами в море хозяйственных и промышленных отходов.

Рыболовство Океаническое и прибрежное рыболовство, охватывающее весь Мировой океан, как никакой другой вид морской деятельности нуждается в морском гидрометеорологическом обеспечении информацией о ветре и волнении [3, 4, 9, 10, 19, 29, 31]. На промысле в удаленных от берега районах Мирового океана работают суда рыбной промышленности с неограниченным (океанским) районом плавания. В прибрежной зоне используются суда с ограниченным районом плавания, которые в большей степени зависят от погоды и состояния поверхности моря. Несмотря на то, что в последние годы существенно улучшились конструктивные особенности судов и навигационное оборудование, средства связи и орудия лова, тем не менее в мире все еще много судов ежегодно гибнет из-за сильного волнения, штормов и обледенения.

гидрометеорологических бюллетеней, факсимильных прогностических карт волнения, штормовых предупреждений и др. в соответствии с уточненным в 2009 г. «Атласом районирования морей и океанов для гидрометеорологического обеспечения морской деятельности», а также путем метеорологической проводки каждого конкретного судна рекомендуемым курсом. Такое обслуживание существенно снижает риски попадания судов в шторма или зоны обледенения.

Морская индустрия В последние годы в связи с интенсивным освоением полезных ископаемых на континентальном шельфе морей возникла необходимость в предоставлении специализированной детальной гидрометеорологической информации для обеспечения работ, связанных с разработкой и освоением нефтегазовых месторождений; планированием и строительством инженерных конструкций и установок; буксировкой буровых платформ и т.д. Все эти виды современной морской деятельности быстро развиваются, и поэтому тесная связь между потребителями и соответствующими метеорологическими службами стала неотъемлемой частью морского метеорологического обслуживания [15, 18, 26, 32, 34, 35].

Учет волнения и ветра важен на различных этапах буровых работ:

– бурение с установки, специально сконструированной для этой цели;

– сооружение морских платформ;

– эксплуатация этих платформ.

Морские буровые платформы, в отличие от других категорий гидротехнических сооружений, строятся на незащищенных акваториях, удаленных от берегов на десятки километров. При этом выбор места строительства связан в основном только с наличием залежей нефти или газа под дном моря. Во время буровых операций воздействие зыби и ветровых волн может быть очень существенным, а в некоторых случаях может потребоваться прекращение работ и эвакуация персонала.

Некоторое оборудование оказывается особенно уязвимым во время перемещения его к месту бурения. Например, самоподъемная буровая платформа доставляется на плаву. В месте производства работ опоры опускаются на дно, и сооружение поднимается до уровня прямого воздействия волн. Однако при транспортировке платформы волны, высотой от двух до трех метров и выше, в зависимости от конструкции буровой платформы, вынуждают опустить опоры или отклониться от маршрута, чтобы зайти в укрытие. В этих случаях необходимо получить предупреждение о состоянии погоды и волнения с заблаговременностью по меньшей мере 2 часа, чтобы опустить опоры вовремя.

Предупреждения с заблаговременностью 24 ч и более необходимы для принятия оперативных решений, включая отклонение от маршрута.

Плавучие сооружения испытывают горизонтальные и вертикальные движения, величина допустимых отклонений которых настолько мала, что для их определения нужна точная информация о скорости ветра, высоте и периоде волны. Период вертикальных колебаний и вращений бурового судна является критическим фактором, и волны с периодом, близким к ним, могут привести к опасной вертикальной и горизонтальной качке. Ветер вносит в эти колебания дополнительный вклад, а очень сильные ветры вообще делают невозможным производство работ. Направление ветра также является важным элементом, воздействующим на платформу, так как его изменение может вызвать необходимость регулирования якорных цепей. Поэтому при проектировании и строительстве платформ необходимо располагать точными сведениями о режиме ветра и волнения и о волновых нагрузках на сооружения в районе строительства. Ветер оказывает дополнительное влияние на килевую и бортовую качку, а сильные ветры могут затруднить ведение работ. Для стационарных платформ ветер является не столь критическим, как прямое воздействие волн.

Другим важным аспектом, связанным с обеспечением буровых работ, является транспортировка, буксировка и установка платформ, доставка оборудования и персонала катерами и вертолетами. Эти виды операций требуют особенно тщательного анализа и изучения состояния поверхности моря. Пренебрежение этим фактором может привести к трагическим последствиям. Так, например, в 18.12.2011 г. в условиях сильного ветра и волнения в Охотском море затонула буровая платформа «Кольская».

В некоторых районах наполнение нефтью танкеров осуществляется с терминалов, находящихся на берегу. Эти устройства очень чувствительны к высотам волн, превосходящим пороговые значения. Поэтому для их нормальной эксплуатации необходима надежная текущая и прогностическая информация о волнении.

Планирование и эксплуатация гидротехнических сооружений При проектировании того или иного объекта океанотехники выделяется приоритетный гидрометеорологический элемент. Критерием для этого служит вклад каждого из них в воздействие (волновая и ветровая нагрузка, опрокидывающий момент и т.д.) на сооружения различных типов (жесткие, сквозные, гибкие). Так, для сквозных сооружений (платформ, пирсов и др.) типичные значения вклада ветра, волн и течений в силовое воздействие на глубине, например 25 м, составляют примерно 10, 70, 20 %, а в опрокидывающий момент – 35, 50, 15 % соответственно [5, 7, 11, 12, 17, 25, 32]. Для сооружений других типов соотношение может быть иным, но главную роль в подавляющем большинстве случаев играет ветровое волнение в сочетании с ветром. Поэтому ветровое волнение обычно принимают в качестве ведущего гидрометеорологического элемента, а ветер – в качестве вторичного. После выделения приоритетного элемента – ветрового волнения определяют его параметры (высоту, период и др.), возможные один раз в 50–100 лет.

Всестороннее знание режима ветра и волнения в прибрежной зоне важно для развития инженерной индустрии на берегу, в удалении от берега и в морских устьях рек. Прибрежная индустрия состоит в проектировании и строительстве различных гидротехнических сооружений и в разработке мероприятий по их защите. Ветровые волны оказывают отрицательное воздействие на подводную и надводную части гидротехнических сооружений; степень этого воздействия пропорциональна высоте и периоду волны. Поэтому для планирования и строительства гидротехнических сооружений необходима климатическая информация о волнении, основанная на статистической обработке длинных (многолетних) рядов наблюдений, а для обеспечения повседневной эксплуатации этих сооружений необходима текущая информация, поступающая в реальном масштабе времени.

Знание преимуществ, получаемых от использования климатической информации о волнении, помогает экономистам при подготовке технико-экономического обоснования оценить наиболее удобное время и место строительства гидротехнического сооружения, а также полезную стоимость проекта. Стоимость проекта в значительной степени зависит от того, какие прогнозируемые экстремальные значения высот волн, при которых эти сооружения могут выстоять, заложены в проект. При определении устойчивости и прочности гидротехнических сооружений и их элементов расчетную обеспеченность высот волн определяют согласно СНиП [17].

Операции в портах и гаванях Эффективность производственной деятельности в портах и гаванях в значительной степени определяется характером погоды и состояния поверхности моря [8, 10, 13, 36].

Ветер и ветровое волнение оказывают негативное воздействие на многие технологические процессы, выполняемые в порту и в гаванях. При сильном ветре и волнении затруднены или даже могут быть прекращены погрузочно-разгрузочные работы. Для их оптимизации необходимо учитывать гидрометеорологическую информацию, предоставляемую прогностическими органами Росгидромета.

Также необходим учет режима ветрового волнения при проектировании, строительстве и эксплуатации морских портов. При неправильном учете возможных размеров волн портовые оградительные сооружения могут оказаться непрочными к волновым нагрузкам, что может повлечь за собой их разрушение во время сильных штормов.

Судостроение Конструкция современных морских судов обеспечивает большую прочность, надежную работу судовых механизмов и хорошие мореходные качества. Однако плавание и управление судном в штормовых условиях по-прежнему остается сложной задачей. Ветер и волнение оказывают влияние в зависимости от конструктивных особенностей судна. При развитых надстройках, избыточном надводном борте, небольшой осадке увеличивается крен и дрейф судна, ухудшается его устойчивость и мореходность. Знание режима волнения в различных районах Мирового океана необходимо кораблестроителям для расчета запаса прочности корпуса судов, их плавучести. Для специализированных судов, оснащенных комплексами гидроакустической и радиоэлектронной аппаратуры, стабилизация корпуса на волнении становится ключевым требованием, обусловливающим маневренность судна.

Защита побережий от воздействия волн Климатическая информация о волнении важна для борьбы с абразией, т.е. с разрушением берегов волнами и прибоем. Влияние волн на берега двоякое: с одной стороны, они разрушают морские берега, а с другой – участвуют в формировании морских берегов, способствуя переносу продуктов разрушения вдоль побережья. Разрушительная деятельность волнения проявляется как путем непосредственного удара волн о берег, так и путем размывания менее твердых пород берега и последующих оползней. Удары волн, действуя в продолжение длительного времени, разрушают берега, состоящих из самых крепких пород. Круглые и угловатые обломки горных пород постепенно измельчаются и окатываются волнами и прибоем, перемалывая их в гальку, а затем в песок. Течениями эти измельченные материалы переносятся с одного места на другое и идут на построение отмелей, кос и пляжей. Так под действием волн и течений происходит переформирование берегов.

Отдых на воде и водный спорт Отдых на воде особенно нуждается в оперативной информации о погоде и состоянии поверхности моря. Используемые для отдыха лодки и маломерные суда особенно чувствительны к ветру и волнению. Вблизи побережья, где обычно используются эти суда, ветровые волны зависят от силы ветра, направления ветра относительно береговой линии, изрезанности береговой линии, глубины места и т.д. Несмотря на то, что эти суда курсируют в сравнительно мелководных закрытых районах моря, таких как заливы и бухты, не исключено их попадание в зону сильного ветра или шквала. Эти явления чрезвычайно опасны в силу быстроты их развития и перемещения над зоной отдыха. Критические значения скорости ветра и высоты волн для этих судов намного ниже, чем для обычных. Во время проведения парусных регат экипажам требуется точный прогноз ветра и волнения.

Научные исследования Взаимодействие океана и атмосферы, определяющее в конечном итоге погоду и климат на Земле, происходит в сравнительно тонком пограничном слое у поверхности раздела водавоздух, а ветровое волнение при этом является наглядным индикатором этого взаимодействия. Морское ветровое волнение является важной характеристикой физического состояния океанов и морей, оказывающей большое влияние на процессы, протекающие на границе раздела вода-воздух, способствует перемешиванию верхних слоев океана, теплообмену между океаном и атмосферой и горизонтальному переносу тепла в океане.

Ветровые волны оказывающее существенное влияние на многие физические и химические процессы, протекающие в морях и океанах. Они воздействуют на обмен теплом, влагой и энергией между атмосферой и океаном, на турбулентное перемешивание водных масс, на стратификацию температуры и плотности, динамику взвешенных частиц и вдольбереговых наносов и т.д. Поэтому задача прогноза ветрового волнения также является задачей о динамическом взаимодействии турбулентных пограничных слоев в окрестности поверхности разрыва плотности и, как следствие, частью общей проблемы взаимодействия океана и атмосферы.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЙ

ЗА ВЕТРОМ И ВОЛНЕНИЕМ

3.1. Общие положения Безопасность мореплавания может быть обеспечена только при наличии надежной и подробной информации о погоде и состоянии моря в районе проведения морских операций.

При решении вопросов развития гидрометеорологических наблюдений на судах существует тесное взаимодействие между структурами Росгидромета и Департамента морского флота.

При этом в функции Росгидромета входит:

– обеспечение судов необходимыми приборами и аппаратурой для производства наблюдений и передачи их на берег с помощью наземных и космических средств связи;

– организация там, где это необходимо, обучения и инструктажа капитанов и штурманов по производству гидрометеорологических наблюдений, привлекая для этого портовых метеорологов;

– осуществление инспектирования работы судовых наблюдателей силами портовых метеорологов;

– поощрения капитанов и штурманов, добросовестно выполняющих гидрометеорологические наблюдения.

В функции Департамента морского флота входит:

– слежение за тем, чтобы на судах велись гидрометеорологические наблюдения и результаты оперативно передавались в органы гидрометеслужбы;

– стимулирование судоходных компаний по привлечению как можно большего количества судов к проведению наблюдений.

Систематические наблюдения за ветром и волнением ведутся давно. В настоящее время источниками наблюдений за ветром и волнением являются обширная сеть морских прибрежных, островных и устьевых гидрометеорологических станций, большое количество судов добровольных наблюдений, выполняющих наблюдения по программе ВМО, океанские стационарные автоматические буи, спутники и другие наблюдательные платформы наземного и дистанционного базирования. Современные технологии позволяют получить необходимую информацию о волнах различными способами без риска для людей и судов.

В последние годы, наряду с использованием разного рода контактной волноизмерительной аппаратуры, для получения информации о волнах стали широко применяться дистанционные способы измерения волн с помощью микроволновых радиолокаторов, устанавливаемых на различных наблюдательных платформах (судах, самолетах, спутниках и береговых станциях). При этом одной из проблем дистанционного способа измерений волн является правильная интерпретация и валидация данных дистанционного зондирования. Для этой цели используются, как правило, результаты прямых инструментальных измерений волн.

В настоящее время самым массовым видом наблюдений за волнением остаются визуальные наблюдения, выполняемые штурманским составом судов по программе ВМО.

Данные наблюдений передаются по Глобальной системе телесвязи (ГСТ) в форме сводок погоды в кодах ВМО за основные синоптические сроки: 00, 06, 12 и 18 ч ВСВ. Для передачи данных наблюдений с прибрежных гидрометеорологических станций используется международный код FM 12 SYNOP; данных наблюдений с судов в открытом море – код FM 13 SHIP; данных с буев – код FM 18 BUOY; данных наблюдений вдоль маршрутов судов – код FM 62 ТRACKOB.

3.2. Наблюдения за ветром 3.2.1. Средства и методы наблюдения за ветром Ветер является атмосферным параметром, используемым в волновых моделях, а диагностические и прогностические карты полей ветра являются основным исходным материалом для составления прогнозов волнения. Основными характеристиками ветра являются его скорость и направление. Направление ветра указывается в градусах или румбах той части горизонта, откуда дует ветер. Градусы отсчитываются от северного направления географического меридиана по часовой стрелке от 0° до 360. Скорость ветра указывается в м/с или км/ч. В морской практике скорость ветра принято выражать в условных единицах – баллах, определяемых по шкале Бофорта [25]. Характеристики ветра измеряются с помощью различных устройств и приборов, к которым относятся флюгер, анеморумбометр М-63 или его модификации М-63М и др. [43]. Разработаны различные варианты датчиков, основанные на различных принципах работы; например, cбалансированный оптоэлектронный датчик ветра WAV151 (анемометр) с малым порогом чувствительности измеряет скорость ветра до 75 м/с.

Комбинированный датчик ветра WMS302 измеряет направление ветра с помощью осевого симметричного вращающегося потенциометра с двумя направлениями, обеспечивающими полный диапазон от 0 до 360°, скорость преобразуется в импульсы при помощи герметизированного реле. Прибор работает в любых условиях погоды. Датчики ветра обычно крепятся на кронштейне, устанавливаемом на макушке мачты, и оборудованы термостатным переключателем для включения подогрева при низких температурах.

Анеморумбометр осредняет скорость ветра за 10 мин. В настоящее время во многих международных нормах и правилах используются оценки скорости ветра с часовым осреднением. Погрешность измерения скорости ветра в диапазоне от 2 до 40 м/с может быть рассчитана по формуле где W – измеренное значение скорости ветра.

Наблюдения за скоростью ветра по флюгеру выполняют в течение 2 мин. Точность отсчетов по флюгеру уменьшается с ростом скорости ветра. Так, для скорости ветра до м/с точность отсчета составляет 1 м/с, от 11 до 20 м/с – 2 м/с, от 20 до 31 м/с – 4 м/с, от 32 до 40 м/с – 6 м/с.

3.2.2. Судовые наблюдения Наблюдения за ветром на судах производятся визуально или с помощью анемометров [43]. Основная задача при наблюдении за ветром на борту движущегося судна состоит в определении истинного направления и истинной скорости ветра. Эти характеристики определяются либо косвенным способом по визуальной оценке состояния моря, или непосредственно с помощью анемометра, или по приборам судовой дистанционной станции.

При наблюдениях по анеморумбометру должны быть записаны максимальная скорость (порыв) в срок наблюдения (за 10-минутный интервал осреднения) и максимальная скорость ветра между сроками, а также направление ветра в градусах. Наиболее сложно определить скорость ветра во время движения судна.

Значения ветра, измеренные с помощью анемометров на борту судна, отражают совокупное влияние ветра, дующего над океаном, и движения самого судна. Поэтому для получения наиболее точного значения характеристик ветра, измеренные значения должны быть скорректированы для исключения влияния самого судна. Это осуществляется с помощью векторной диаграммы, как это показано на рис. 3.1а.

Рис. 3.1. Диаграмма расчета истинного ветра (3) на основе встречного ветра (1) и измеренных относительных значений скорости и направления ветра (2) (а) и диаграмма оценки погрешностей вектора измеренного (относительного) ветра (б).

При измерении параметров ветра на борту судна возникают ошибки, обусловленные местом установки анемометра на судне, которое не всегда доступно для воздействия ветров, дующих со всех сторон, а также тем, что на крупных морских судах анемометры, как правило, устанавливаются на большой высоте, при этом на каждом судне определяется своя высота установки. Скорость ветра обычно увеличивается с высотой, при этом темпы этого увеличения зависят от устойчивости атмосферы. Однако данные регулярных наблюдений не корректируются по высоте. Все это является источником ошибок наблюдений. Эти ошибки приводят к понижению качества сводок о ветре, что и показано на рис. 3.1б в виде эллипса погрешностей.

На движущихся судах определяется кажущийся ветер, который является векторной суммой истинного и курсового ветров. Курсовой ветер по направлению противоположен курсу судна, а его скорость равна скорости судна. В чистом виде ветер на движущемся судне можно наблюдать при штиле на море, когда кажущийся ветер совпадает с курсовым ветром.

Отсутствие ветра на движущемся судне наблюдается в том случае, когда судно идет по ветру со скоростью, равной скорости ветра. Определение направления кажущегося ветра на судне осуществляется по направлению вытягивания вымпела, флагов на мачтах и т.п., по этим признакам устанавливается среднее направление – откуда дует ветер (в компас).

Направление ветра определяется по компасу с точностью до 10. Вектор истинного ветра W определяется по формуле где U – вектор кажущегося ветра, V – вектор скорости корабля. Математическую зависимость между параметрами векторов W, U, V можно получить, если спроектировать векторы прямоугольного треугольника O, V,U на оси прямоугольной системы координат.

Если одна из осей координат совмещена с вектором W, эта зависимость выражается системой уравнений где W – скорость истинного ветра, м/с;. V – скорость корабля, м/с; U – скорость кажущегося ветра, град; qи – курсовой угол истинного ветра, град; K и – направление истинного ветра, град; q w – курсовой угол кажущегося ветра, град; K – курс корабля, град.

Во всех случаях истинный ветер отклоняется от курса больше, чем кажущийся ветер, и дует по тому же борту, что и кажущийся ветер. При отсутствии на судне приборов силу ветра можно определить визуально в баллах по шкале Бофорта [25], в которой той или иной силе ветра соответствует определенный номер (балл). Шкала основана на видимом состоянии волнения, для оценки которого требуется определенное время, так как волны непрерывно меняются. Точность определения силы ветра по шкале Бофорта лежит в пределах половины одного интервала шкалы. Следует отметить, что высота волны не используется в качестве критерия при оценке силы ветра, так как она зависит от других факторов, таких как продолжительность действия ветра и длина разгона.

В целях определения значений скорости ветра, эквивалентных делениям шкалы Бофорта, ВМО рекомендует использовать следующую таблицу (таблица 3.1).

Стандартное отклонение отдельного наблюдения за направлением ветра составляет 10° и не зависит от скорости ветра. Визуальные оценки характеристик ветра и измеренные анемометром сильно различаются друг от друга. Установлено, что в Тихом океане превалируют данные о ветре, полученные с помощью анемометров, в то время как в Атлантическом океане большая часть данных наблюдений основана на визуальных оценках.

Т а б л и ц а 3. 1 – Переводные шкалы для значений силы ветра по шкале Бофорта Бофорта Определение максимальной скорости ветра Как известно, ветер редко бывает устойчивым во времени и в пространстве и, как правило, состоит из серии порывов, сменяющих друг друга через очень короткие интервалы.

Одной из главных причин порывистости является турбулентность. Для оценки порывистости должны применяться безинерционные чувствительные приборы.

анеморумбометра М-63 в таблицу ТМ-1 заносится любой порыв ветра между сроками наблюдений. Коэффициент порывистости при различных значениях скорости ветра представляет собой отношение максимальной скорости порыва продолжительностью t за данный интервал времени наблюдения T к средней скорости ветра за тот же интервал где Wmax – значение максимального порыва ветра, выбираемого из того интервала времени Т, за который осредняется средняя скорость ветра W (обычно 10 мин).

На ленте самописца анеморумбографа оценка величины порыва производится простым измерением величины отклонения значения скорости по ленте самописца.

Шквал представляет собой значительное повышение средней скорости ветра, которое может продолжаться, по крайней мере, несколько минут, прежде чем средняя скорость возвратится к значению, близкому к первоначальному. Шквал может содержать много отдельных порывов.

По коэффициенту порывистости рассчитывается коэффициент пульсации скоростного напора ветра Pпу, используемый при оценке динамического компонента ветровой нагрузки атмосферы, средней скорости ветра поверхности z0, удаления от подстилающей поверхности. Порывы ветра Iw на высоте z рассчитываются по формуле где W0 – измеренная скорость ветра.

3.2.3. Неопределенности, связанные с измерениями параметров ветра Существует большое количество неопределенностей, связанных с измерениями ветра.

Точность измерений зависит как от метеорологических условий, в которых производятся наблюдения (завихренность воздушного потока вокруг судна, порывистость ветра, шквалистость и др.), так и от способов и методов, с помощью которых эти наблюдения получаются. Большое значение при этом имеет опыт и образование наблюдателей. Все вышеназванные факторы вносят вклад в общий смысл термина «неопределенность» при определении истинного ветра над морем. Можно назвать четыре основных источника ошибок наблюдений за ветром:

1) ошибки, обусловленные высотой и местом на судне, где измеряется ветер;

2) ошибки, обусловленные приведением наблюденного ветра к стандартной высоте 3) ошибки, обусловленные турбулентностью воздушного потока вокруг судна;

4) ошибки, обусловленные неопределенностью интервала осреднения.

Высота наблюдения над ветром Часть неопределенностей связана с высотой, на которой установлен анемометр. В море наблюдения за ветром ведутся в широком диапазоне высот. На многих судах высота установки анемометра зависит от размеров судна и составляет обычно 15–20 м. На буровых установках эти высоты варьируют в еще более широком диапазоне от 50 до 120 м.