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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

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

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Многие практические проблемы мореплавания, морского гидротехнического строительства, промысла, кораблестроения и т.д. связаны с учетом волновых движений. Достоверное описание характеристик поверхностных волн в Каспийском море крайне важно для обеспечения всех видов морской деятельности, таких как морское судоходство, рыболовство, разведки и добычи полезных ископаемых, строительства технических сооружений на шельфе и в открытом море. Волнение играет важную роль, иной раз даже определяющую в процессах переноса и осаждения вещества, формирования ложа дна, распространения загрязнений и их разрушения, в развитии турбулентности и др.

Современное развитие научной и практической деятельности человека на морях и океанах предъявляет серьезные требования к знанию и прогнозированию аномальных природных явлений, связанных с морским волнением.

Исследования изменчивости морской среды Каспийского моря и атмосферы над ним, особенностей их взаимодействия представляются исключительно актуальными, т.к. являются важным звеном в изучении физических основ состояния морской среды.

Оценка роли отдельных факторов в наблюдаемых возмущениях системы атмосфера-море приближает нас к решению фундаментальной проблемы и важной практической цели - прогнозу климатических изменений.

Пространственно-временная изменчивость структуры поля волнения и ветра в море являются одними из наиболее значимых компонентов этой системы, которые позволяют получить оценку прогнозов экстремальных динамических и экологических условий и возможности принятия своевременных стратегических решений.

Ветровое волнение, достигающее в Каспийском море значительной силы, во многом определяет условия формирования верхнего слоя воды, глубину термоклина, представляет собой важный рельефообразующий фактор в прибрежной зоне моря. Над районами Среднего Каспия часто устанавливаются сильные и штормовые ветры (со скоростью более 20 м/с) большой продолжительности. Наиболее устойчивые и жестокие штормы отмечаются в районах: Баку-Апшеронский полуостров, Махачкала-Дербент и Форт Шевченко - Кендерли. Самые волноопасные направления штормовых ветров - северо-западное (северо-северо-западное) и юго-восточное. Максимальные высоты волн при северо-западных штормах обычно наблюдается в районе Апшеронского архипелага, при юго-восточных - в районах Махачкалы - Дербента и Форта Шевченко - Кендерли. Максимальные волны в Каспийском море могут достигать 10-11 м высоты.

Наибольшую ценность для практического использования представляет прогноз ветрового волнения, включающий как пространственно-временные распределения основных волновых параметров, так и оценки экстремальных волн. Для повышения достоверности прогноза необходимо точное знание климатических характеристик ветрового волнения. Из существующих на сегодняшний день источников глобальной информации о ветровых волнах наиболее развитыми являются попутные судовые наблюдения, которые имеют наибольшую историю и обеспечивают изначально независимые оценки высот и периодов ветровых волн и зыби. Однако визуальные наблюдения за волнами характеризуются высоким уровнем погрешностей и неопределенностей в оценках отдельных параметров волнения, достигающих 30-50% по высотам волн, нескольким секундам по периодам и большими погрешностями при оценке длин волн. В последнее время были созданы высокоточные глобальные ветро-волновые модели (WAM, WaveWatch, SWAN, модель Гидрометцентра России и ГОИНа, модель ААНИИ и другие), которые рассчитывают волнение по полю скорости ветра. Получили развитие спутниковые методы измерения волн.

Взамен устаревших измерителей волнения, таких как струнные волнографы, были созданы новые, основанные на измерении пульсаций давления, индуцированных поверхностными волнами и доплеровские измерители, которые позволяют получать более точные характеристики волнения.

Эти приборы получили, в последнее время широкое распространение ввиду их надежности и достоверности получаемой информации. Однако, как правило, измерение характеристик волнения производится на небольших глубинах под поверхностью моря с платформ, башен или со дна, когда заглубление датчиков под поверхность моря не превышает 20-30 м. Это обстоятельство затрудняет применение приборов в открытом море. Данная проблема обуславливает актуальность темы работы, направленной на разработку методов долговременного измерения волнения в глубоком море с помощью новых измерителей, получения достоверных характеристик ветрового волнения, а также разработку методов анализа климатических параметров волнения и создание массивов статистических характеристик ветровых волн за длительный период, необходимых для выяснения условий формирования и эволюции экстремальных волн в открытом море.

Главной целью работы является разработка методов измерения волнения в открытом море с помощью приборов, измеряющих пульсации давления, индуцированные поверхностным волнением, получение и анализ массивов данных, в том числе экстремальных характеристик ветрового волнения в открытом море.

Основные задачи:

Анализ литературный источников по технической проблеме измерения волнения в открытом море.

Обоснование, разработка и адаптация методологии измерения волнения в открытом море с притопленной буйковой станции для расчета статистических характеристик ветрового волнения на различных глубоководных акваториях морей; ее применение для получения климатических полей элементов ветровых волн.

Оценка повторяемости экстремальных волновых условий для внутренних и окраинных морей России на примере Каспийского моря.

Разработка и построение базы данных натурных наблюдений волнения в Каспийском море, контроль качества исходной информации и создание унифицированного архива волновых наблюдений для дальнейших исследований.

Получение количественных оценок сезонной изменчивости в статистических параметрах ветрового волнения для центральной части Каспийского моря, включая экстремальные высоты волн и физическое описание механизмов этой изменчивости.

Выявление статистических особенностей волн в экстремальных штормах по сравнению со среднестатистическими штормами.

Автором выносится на защиту новое решение актуальной научной задачи - получение достоверных сезонных и климатических характеристик, а также экстремальных значений и изменчивости морского волнения на основе экспериментального материала, полученного с помощью установки измерителей волнения на заякоренных притопленных буйковых станциях в открытом море.

Воды морей и океанов морей находятся в постоянном движении. Одним из наиболее распространенных видов движения является волнение. Как по своей структуре, так и по характеру сил, их вызывающих, морские волны весьма разнообразны - от капиллярных до волн цунами. Высота и частота морских волн находится в диапазонах от нескольких миллиметров до 25 метров и частотой от 0,003 до 10 Гц.

Волны на поверхности моря возникают под действием ветра и сохраняются после его прекращения в виде зыби.

Волновые движения, которые охватывают всю толщу морской воды, относятся к классу длинных волн, они возбуждаются притяжением Луны, Солнца (приливные волны), подводными землетрясениями (цунами), циклонической деятельностью и т.д.

Данные о волнении необходимы для решения многих практических задач, таких как судоходство, кораблестроение, прибрежное и морское гидротехническое строительство, навигация, промысел и др., а также для развития теоретических методов прогноза ветрового волнения, усовершенствования методов расчета элементов волн.

В связи с развитием спутниковых радиолокационных методов прогноза волнения особую роль приобретают морские подспутниковые измерения по установлению взаимосвязей между ветром и волнением.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика измерения волнения с притопленных буйковых станций (ПБС) в глубоком море;

- разработана методика постановки притопленной буйковой станции на заданную глубину;

- разработана методика гидроакустической локации места посадки станции на дно, методика поиска и подъема ПБС;

- обоснована и алгоритмизирована методология восстановления характеристик поверхностных волн по данным пульсаций давления, индуцированных поверхностными волнами, позволяющая оценивать все основные характеристики волн с высокой точностью;

- впервые построена климатология параметров ветрового волнения за двухлетний период непрерывных наблюдений 2004-2006 гг. в центральной части Среднего Каспия на основе обширного массива натурных данных;

- впервые количественно описаны межсезонные изменения ветрового волнения в Каспийском море; проведен анализ механизмов климатической изменчивости ветровых волн и зыби;

- выполнены оценки экстремальных высот волн за двухлетний период;

- рассчитаны характеристики штормов и окон погоды для различных сезонов.

Фактический материал и методы исследования.

В работе использовался массив натурных данных, полученный с помощью измерителей волнения ГМУ-2, который охватывает непрерывными измерениями период с августа 2004 года по июнь 2006 года центральную часть Среднего Каспия, а также данные реанализа скорости и направления ветра для этого района, полученные с помощью гидродинамической модели [Komen et al 1994; Лавренов, 1998].

Методологическую базу работы составляли методы статистического анализа, некоторые из которых были или адаптированы, или разработаны соискателем, в сочетании с методами спектрального и вероятностного анализа.

Научная и практическая значимость работы, в первую очередь, заключается в получении массива экспериментальных данных по волнению в центральной части Каспийского моря, создании сезонной климатологии ветрового волнения поверхностных волн.

Полученные в результате наблюдений массивы волновых характеристик позволяют существенно улучшить точность расчета волновых статистик и впервые получить натурные оценки экстремальных волновых характеристик Каспийского моря. Таким образом, результаты работы имеют большую ценность для климатических исследований, обосновывая использование ветровых волн как индикатора климатических изменений.

Результаты работы существенно улучшают наши представления о режимных характеристиках ветрового волнения в Мировом океане, что крайне важно для всех видов практической деятельности, связанной с морем, и могут быть использованы в построении режимно-прогностических характеристик для различных районов, в том числе при создании статистических волновых справочников Морского Регистра России, а также для использования в спутниковой альтиметрии и для долговременных модельных прогнозов.

Апробация работы Результаты работы докладывались на семинарах ИОРАН, Междунар.конф. по прогнозированию ветрового волнения (Тартл-Бэй, США, 2004); Междунар.симпоз. «Инженерная экология» (Москва, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2007); Междунар.конф «Экологические системы и приборы и чистые технологии» (Москва, 2007); Междунар.конф. «Аридные зоны в эпоху глобального изменения климата» (Ростов-на-Дону, 2006); Междунар.конф. «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, МСОИ-2007)

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 в рецензируемых международных журналах.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения. Основная часть содержит 152 страницы, 64 рисунка и 131 таблицу. Список использованной литературы состоит из 141 наименований, из которых 80 на иностранных языках.

Содержание работы

притопленный море буйковый шторм

Во введении обосновывается актуальность проблемы, рассматриваются современные источники информации о ветровом волнении, излагаются цели и задачи работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена научная новизна и практическое значение исследования, описана структура диссертации.

В первой главе подробно охарактеризованы все источники данных о ветровом волнении, доступные исследователям на сегодняшний день и используемые в работе (визуальные наблюдения, инструментальные измерения, модели прогноза ветрового волнения и спутниковые данные). Показаны сильные и слабые стороны различных типов глобальных данных о ветровом волнении. В частности, модельные прогнозы хотя и имеют продолжительность до нескольких десятилетий, являются в значительной степени зависимыми от точностных характеристик ветра, используемых в модели, и требуют независимых измерений для привязки модели к натурным данным.

Спутниковый мониторинг волнения становится все более значимым в прогнозе чрезвычайных ситуаций на морях и океанах. На сегодняшний день построены массивы данных на основе нескольких спутников (ERS, TOPEX/POSEIDON), которые имеют длительность не более 13 лет [Woolf et al. 2003]. Однако эти данные могут использоваться только как осредненные по изучаемой площади волнения и не могут использоваться для оценки экстремальных волн, индивидуальных волн и, к примеру, волн-убийц. Спутниковые альтиметрические и скатеррометрические измерения волн зависят от алгоритмов, используемых для пересчета параметров волнения из характеристик сигналов, а потому также нуждаются в альтернативном источнике информации по волнению и уровню моря для их калибровки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В частности, средняя высота волн определяется формулой

(24)

где, - нулевой момент частотного спектра.

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

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

(25)

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

Кроме этого определяются:

· период пика спектра ;

· длина волны пика спектра ;

· средняя длина волны .

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

(26)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Роза обеспеченности скоростей ветра за 2006 год

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

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

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.

h3% (м)	Период (с)	f(h), %
	2.5-3.0	3.0-3.5	3.5-4.0	4.0-4.5	4.5-5.0	5.0-5.5	5.5-6.0	6.0-6.5	6.5-7.0	7.0- 7.5
0.5 - 1.0	34.4	5.4	0	0	0	0	0	0	0	0	39.8
1.0 - 1.5	0	7.8	8.8	1	0	0	0	0	0	0	17.6
1.5 - 2.0	0	0	0.1	5.7	1.9	0	0	0	0	0	7.8
2.0 - 2.5	0	0	0	0	6.3	1.3	0	0	0	0	7.6
2.5 - 3.0	0	0	0	0	0	5.9	1.2	0	0	0	7
3.0 - 3.5	0	0	0	0	0	0.9	5.1	0.4	0	0	6.5
3.5 - 4.0	0	0	0	0	0	0	1.2	3.8	0	0	5
4.0 - 4.5	0	0	0	0	0	0	0	3.8	1.5	0	5.3
4.5 - 5.0	0	0	0	0	0	0	0	0	2.6	0.1	2.8
5.0 - 5.5	0	0	0	0	0	0	0	0	0.3	0.3	0.6
(), %	34.4	13.2	9	6.8	8.2	8.1	7.5	8.1	4.4	0.4	100

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

h3% (м)	Период (с)	f(h), %
	1.5 - 2.0	2.0 - 2.5	2.5 - 3.0	3.0 - 3.5	3.5 - 4.0	4.0 - 4.5	4.5 - 5.0	5.0 - 5.5
0.0 - 0.5	46.8	19.3	0.9	0	0	0	0	0	67
0.5 - 1.0	0	2.1	14.4	7.8	3.7	0	0	0	28
1.0 - 1.5	0	0	0	0	0.9	1.8	0.5	0	3.2
1.5 - 2.0	0	0	0	0	0	0.2	0.9	0.5	1.6
2.0 - 2.5	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.2
(), %	46.8	21.3	15.4	7.8	4.6	2.1	1.4	0.7	100

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

(м)	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
0,0-1,0	1,7	1,2	0,9	3,3	0,7	2,4	1,7	1,5	13,4	100,0
1,0-2,0	4,3	5,5	13,5	17,5	4,8	4,3	4,3	7,4	61,5	86,6
2,0-3,0	3,6	1,2	2,1	5,7	0,3	-	0,2	3,3	16,3	25,2
3,0-4,0	3,1	0,3	-	1,2	0,9	-	-	1,0	6,5	8,9
4,0-5,0	1,2	-	-	-	-	-	-	0,3	1,5	2,4
?5,0	0,5	-	-	-	-	-	-	0,3	0,9	0,9
	14,4	8,2	16,4	27,6	6,7	6,7	6,2	13,9	100,0

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;