ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 222
Скачиваний: 0
■фазовую скорость. Опрокидывание гребней в прибрежной зоне про исходит с глубины # кр = 1,3/і.
При переходе волн в прибрежную мелководную зону их скорость и длина уменьшаются, высота крупных волн несколько уменьша ется, а мелких увеличивается.
Перед разрушением длина убывает пропорционально У# (глу- -бине моря), скорость—-пропорционально УЯ, а период становится
больше и высота возрастает обратно пропорционально УЯ.
При уменьшении длины и одновременном увеличении высоты увеличивается крутизна, при достижении критического значения которой а Кр и происходит разрушение гребней и образование при боя (рис. 27).
При продвижении волн по мелководью трение частиц о дно за держивает их движение; скорость перемещения верхних слоев ста-
Рис. 27. Схема образования прибоя.
новится больше, чем нижних, они сдвигаются, гребень волны опро кидывается и рассыпается пеной. Так возникает прибой. При под ходе к мелководью на некотором расстоянии от берега, на полосе отмели или у рифов, это явление называют б у р у н о м . Прибой имеет различный характер в зависимости от особенностей берега. На отмелом берегу глубины уменьшаются постепенно, поэтому и прибой здесь более спокоен. У крутых приглубых берегов возникает ■обратная волна, несколько уменьшающая силу удара следующей за ней волны. При ударе волн о крутые берега образуются взбросы, достигающие у приглубых берегов высоты 50—60 м и более.
§ 57. Рефракция волн
При переходе волн на малые глубины наблюдается явление рефракции, которое состоит в том, что волны изменяют свое на правление и их фронт стремится занять положение, параллельное берегу. Это явление возникает вследствие неодинаковой фазовой скорости распространения отдельных участков гребней волн при пе реходе в прибрежную зону. На рис. 28 показаны последовательное положение фронта волн MN и векторы скорости распространения волн. Участки фронта волны, расположенные ближе к берегу, дви жутся медленнее, чем те, что еще удалены от малых глубин.
Угол а между фронтом волны и линией, параллельной берегу, в точке с глубиной Н зависит от угла ао в открытой части моря на
глубине Но и периода волны т. По Шулейкину, этот угол можно определить из выражения
|
1+ |
0,05x2 |
|
|
sin а |
Яр |
Sinа 0 . |
(63) |
|
1 + |
0,05x2 |
|||
|
|
Н |
|
|
Для открытого моря, откуда распространяется волна, если глу бина превышает ее полудлину, Но можно принять бесконечной и предыдущее выражение записать в виде
sin а,— |
Н sin otp |
(64) |
|
+ 0,05x2 |
|||
H |
|
При рефракции происходит изменение длин, высот и крутизны волн. Кроме явления рефракции, наблюдается искривление гребней
волн вследствие резких изменений очертаний береговой линии. При обходе мысов, отдельных выступов и других форм изрезанных бе регов возникают дифракционные волны. Они распространяются на закрытые участки, отделяясь от основной системы волн. Дифрак ционные волны возникают, когда длина волн соизмерима с линей ными размерами препятствия. В природных условиях иногда на блюдается сочетание явлений рефракции и дифракции волн.
§ 58. Методы наблюдения и расчета волн
Изучение волн осуществляется инструментальными методами с помощью береговых и морских волнографов. К наиболее совер шенным методам регистрации волн следует отнести стереофото съемку и аэрофотосъемку, в результате которых получают изобра жение волнового рельефа в изолиниях высот уровня. Кроме того, исследование волн осуществляется на моделях в лабораторных условиях и экспериментальными методами, как, например,
в специальном штормовом бассейне, созданном академиком
В.В. Шулейкиным.
На инструментальных методах наблюдений строится современ
ная методика расчета элементов волн. Наряду с большим числом эмпирических соотношений между элементами волн и элементами ветра (его скоростью w, направлением aw, временем действия tw, разгоном D, т. е. длиной воздушного потока над морем) и глубиной моря Н широкое распространение получили методы расчета, бази рующиеся на уравнении баланса энергии,— это так называемые энергетические методы. Большое развитие получили в последние годы статистические методы анализа и расчета ветровых волн.
Для расчета элементов волн составлены номограммы, таблицы и атласы волн для различных районов Мирового океана, которыми широко пользуются мореплаватели, портостроители и другие спе циалисты.
Наряду с существующими современными методами расчета эле ментов волн до последнего времени широко используется визуаль ный метод оценки волнения по девятибалльной системе (табл. 19).
Высота во лны ,
м
Волнение, баллы
Шкала степени волнения
Характеристика |
Высота волны, |
волнения |
м |
Волнение, баллы
Таблица 19
Характеристика
волнения
0 |
0 |
Волнение отсут- |
2,0—3,5 |
V |
Сильное |
|
0—0,25 |
I |
ствует |
3,5 |
—6,0 |
VI |
Очень сильное |
Слабое |
6,0—8,5 |
VII |
Очень сильное |
|||
0,25—0,75 |
и |
Умеренное |
8,5 |
—11,0 |
VIII |
Очень сильное |
0,75—1,25 |
і и |
Значительное |
11,0 |
и более |
IX |
Исключительное |
1,25—2,0 |
IV |
Значительное |
|
|
|
|
В основу ее положены высоты заметных крупных волн (обеспечен ностью около 3%).
На современном этапе исследования морского волнения основ ная задача состоит в разработке единой теории волн, на основе которой можно осуществлять расчет и предсказание их характе ристик. В решении этой задачи определилось несколько направле ний, в частности изучение функциональной связи между средними значениями элементов волн и факторами волнообразования с ис пользованием уравнения среднего энергетического баланса волн и уравнения связи между элементами волн. Это направление бази руется на работах В. В. Шулейкина. Второе направление связано
сизучением закономерностей распределения волн в волновом поле.
Взадачу этого направления входит математическое описание слож ной волновой поверхности и количественная вероятностно-статисти ческая характеристика различных волн. Работами многих отечест
венных и зарубежных исследователей (Ю. М. Крылов, И. Н. Да-
видан, М. Лонгет-Хштинс, Г. Нейман и др.) определены функции распределения отдельных элементов волн (высот, длин, периодов) и их взаимосвязь.
Для удовлетворения потребностей мореплавания, кораблестрое ния и гидротехнического строительства предложены различные эм пирические формулы, номограммы и кривые, полученные на основе теоретических (расчетных) и эмпирических данных. При исследо вании многолетнего режима волнения производится расчет волн по полям ветра с использованием соотношений между элементами волн и параметрами ветра. Кроме того, используются вероятностные ха рактеристики волн и ветра и многолетнее распределение их соот ношений. По типовым полям ветра, полученным на основе типиза ции атмосферных процессов над акваторией океана, моря, озера или водохранилища, составляются атласы полей волн. Для более точных расчетов волнения в отдельных районах моря Г. В. Ржеплинским разработаны кривые распределения волн относительно
наблюдаемой скорости ветра, режимные |
кривые распределения |
|
волн, интегральной |
повторяемости волн |
относительно разгонов |
(Л. Ф. Титов, М. Зубова и др.). |
|
|
§ 59. |
Ветровые волны в океанах и морях |
Ветровые волны и зыбь изменяются во времени и в пространстве в зависимости от физико-географических, синоптических и гидроме теорологических условий.
Ветровые волны высотой 18 м отмечены в северной части Тихого океана во время'продолжительного шторма ураганной силы. В ант арктических водах с д/э «Обь» в 1958 г. была зарегистрирована волна высотой 24,5 м. Наибольшая длина океанических волн может достигать 400 м. Обычные штормовые волны имеют высоту до 8 м, длину до 150 м, период до 8 секунд, скорость до 18 м/с, крутизну не больше Ѵіо (обычная до Ѵго—Ѵзо).
По данным многочисленных судовых наблюдений, наибольшую повторяемость во всех частях Мирового океана имеют волны высо той менее 2,1 м (66%). Повторяемость волн высотой 6 м и более невелика и в среднем составляет всего лишь 8%. Распространение высоких волн на поверхности Мирового океана связано с распро странением штормов. Штормовыми областями являются северные части Антарктического и Тихого океанов, а также все пространство Мирового океана к югу от 40° ю. ш. Тропические ураганы наблю даются у южной и северной границ экваториальной области. В большинстве районов Мирового океана высокие волны отмеча ются преимущественно в определенные сезоны года, и только в юж ном сплошном водном кольце Мирового океана (в особенности в Индийском океане) в течение всего года высота волн превышает 3 м. В северной части Атлантического океана наибольшая повто ряемость таких волн приходится на февраль, в центральной, откры той части Индийского океана и в наиболее северных частях Атлан тического и Тихого океанов — на август.
В морях размеры волн меньше. Высота их обычно не превосхо дит 9 м, длина— до 150 м. Крутизна же волн больше — до Ѵв и на мелководье до і/і . Меньшие размеры волн в морях связаны с мень шими размерами морей по сравнению с океанами и меньшей устой чивостью ветров. По этой же причине вероятность появления значи тельной зыби на морях меньше, чем в океанах. Большое влияние на волновой режим морей, оказывают расчлененность бассейна, рельеф дна, условия проникновения волн из открытого океана или' из соседних морей, развитие ледяного покрова, особенности ветро вого режима. Так, зимой Красное море принадлежит к одному из самых «тихих» морей, так как оно узкое и вытянуто в направлении, не совпадающем с направлением господствующих ветров. Барен цево море, наоборот, одно из самых бурных. Это море на западе непосредственно переходит в открытые пространства Норвежского* моря, откуда приходят высокие волны. Кроме того, над Баренцевым морем часто проходят обширные и интенсивные циклоны.
§ 60. Внутренние волны
Внутренние волны — это волны, возникающие в толще воды оке анов, морей и озер на поверхности раздела слоев воды с различ ной плотностью. Внутренние волны, так же как и поверхностные, могут возникать под действием внешних импульсов, таких, как продолжительные сильные ветры, изменения поля давления атмо сферы, приливообразующие силы Луны и Солнца, сейсмические факторы, движение судов в резко стратифицированном море.
Современные исследования внутренних волн показывают, что внутренние волны, возбуждаемые короткопериодными метеорологи ческими процессами, эпизодически появляются и исчезают; круп номасштабные изменения поля давления атмосферы и приливооб разующие силы создают длинные внутренние волны, оказывающие большое влияние на режим океанов и морей. Оно проявляется в вер тикальных и горизонтальных смещениях водных масс, периодиче ских колебаниях океанологических характеристик (температуры, солености, содержания кислорода и др.). Поэтому сведения об эле ментах этих волн можно получить из анализа колебаний гидроло гических характеристик по данным долговременных наблюдений. Эти данные можно использовать для расчета фаз и амплитуд коле баний каждой характеристики на различных горизонтах в связи с прохождением внутренних волн и вычислять по ним элементы волн. Например, амплитуда внутренней волны может быть опреде лена по следующему выражению:
Ав = ^ . |
(65) |
dz |
|
где А в — амплитуда внутренней волны; At — амплитуда колебаний температуры на данном горизонте; дѲ— средний суточный верти
кальный градиент температуры внутри слоя.
Вторая возможность выявления внутренних волн — это построе ние изолиний изменения во времени глубины залегания данной тем пературы или солености, называемых изоплетами. При этом пред полагается, что очертание изоплет характеризует профиль внутрен ней волны, проходящей в данном месте.
Основными элементами, характеризующими внутренние волны для двухслойного моря, служат скорость распространения, пе
риод, |
амплитуда |
и |
длина |
|
||
(рис. 29). |
|
|
верхнего |
|
||
Если толщина |
|
|||||
слоя hi с плотностью рі ма |
|
|||||
ла по сравнению с нижним |
|
|||||
слоем с плотностью рг, тол |
|
|||||
щина |
которого |
h2 |
велика |
|
||
по сравнению с длиной вол |
|
|||||
ны, то скорость распростра |
|
|||||
нения |
волн |
|
для |
верхнего |
|
|
слоя |
имеет |
выражение |
|
|||
|
с2г- |
2к |
|
(66) |
t A A A / V |
|
|
|
|
|
|
||
а для нижнего, т. е. внут |
||||||
ренних волн, |
|
|
|
|||
|
2 |
|
Р2 — Рі |
(67) 4 ? |
||
|
С2-- |
|
2 |
|
||
|
|
|
P2 |
|
|
|
Если длина волны боль ше толщины слоев, т. е. имеют место длинные по ступательные волны, то ско рость таких волн без учета
вращения Земли |
получена |
||
в таком |
виде: |
слоя |
|
для |
верхнего |
|
|
--Ѵg (hi + h2) |
(68) |
||
для нижнего слоя |
|
С2=
4 8 0 4 6 0 4 8 0 4 8 0 4 8 |
Очас. |
|||||||||
|
Рис. |
29. |
Внутренняя |
волна. |
|
|
|
|||
А — теоретическая |
схема; |
|
Б — внутренние |
пр и |
||||||
ливны е волны на 385-й станц ии «М етеора» |
|
(ф = |
||||||||
~16с48,3' |
с. іи ., |
Х =46°17,Г |
з. |
д „ |
12— 14/11 |
1935 |
г .): |
|||
а — откл онения |
тем пературы |
слоя |
70— 120 |
м |
от |
|||||
среднего |
значения, |
6 — отклонение |
солености |
от |
||||||
средней величины на гл уб ине 80 м, |
в — о ткл оне |
|||||||||
ние северной составляю щ ей |
скорости течения |
на |
||||||||
гл уб ине |
50 м |
от среднего |
значения |
(по |
А . |
|
Д е - |
|||
|
|
ф анту, 1952 |
г .) . |
|
|
|
|
|
gh\h2 Е , |
(69) |
h \ + h-2
г. |
P i --- р2 .. |
где Е = |
---------- . |
Рі Первое выражение представляет собой известное значение ско
рости распространения свободных длинных волн Лагранжа—Эри для однородного моря, второе — для внутренней волны. Сопостав ление этих выражений показывает, что сі^>сг, так как величина Е, характеризующая вертикальную устойчивость в реальных условиях, имеет наибольший порядок ІО-3—ІО-4. Следовательно, внутренние