Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

резке пути циклона, когда эти ветры могли длительно и на большом расстоянии вызывать рост ветровых волн. Сильное действие северозападных ветров на развитие волн объясняется также и тем, что возникновение этих ветров в циклонах северного полушария обу­ словлено прохождением холодного фронта. Обычно это вызывает резкое усиление ветра от северо-запада, появление шквалов, что в совокупности благоприятствует росту волн.

Если циклон достаточно глубок, а следовательно, и сила ветра достигает значительной величины, то при перемещении такого ци­ клона в течение достаточно долгого времени над большими вод­ ными пространствами скорость волн в передней его части может превзойти скорость перемещения самого циклона. В этом случае появившаяся зыбь при ее усилении будет являться предвестником приближения циклона.

Часто бывает и так, что сильный ветер, развивший ветровое вол­ нение, стихает. Тогда эти ветровые волны превращаются в волны зыби. Однако спустя некоторое время ветер вновь усиливается; то­ гда при наличии зыби развитие нового ветрового волнения проте­ кает гораздо быстрее и нужно значительно меньше времени, чтобы вновь появившийся ветер породил сильное ветровое волнение.

Такое явление особенно часто наблюдается в тех областях океа­ нов и морей, где штормы следуют в быстрой последовательности один за другим. Тогда море не успевает успокоиться, и каждый сле­ дующий шторм быстро разводит сильное волнение. Такие условия наблюдаются, например, в северной части Атлантического океана, в северной части Тихого океана, в таких морях, как Баренцево, Охотское и особенно часто в южных частях Атлантического, Индий­ ского и Тихого океанов, где штормы идут в частой последователь­ ности и достигают огромной силы.

Зыбь при своем распространении от циклона затухает, причем ее длина, а следовательно, и скорость распространения, изменя­ ются. В. В. Шулейкину удалось установить, что существует вполне определенное значение устойчивой длины волны луСт, зависящее от скорости ветра w, создавшего зыбь

w= 8 10 13 17 м/с. Хуст= 27 46 36 120 м.

Поэтому, если начальная длина зыби была меньше А.уст, она уве­ личивается, а если больше — уменьшается.

Образование устойчивой зыби можно объяснить следующим об­ разом. При движении зыбь испытывает тормозящее действие воз­ духа, которое пропорционально скорости ее перемещения. Из-за этого скорость, а следовательно, и длина волны зыби должны умень­ шаться. С другой стороны, при движении зыби в безвоздушном про­ странстве ее скорость оставалась бы неизменной, а длина волны увеличивалась за счет уменьшения высоты волны (оседания волн). Борьба этих двух противоположных процессов и приводит к тому, что неизбежно должна установиться такая скорость зыби, а следо­ вательно, и такая длина волны, при которой оба воздействующих

237

процесса уравновешиваются. В последующем зыбь, достигнув ус­ тойчивой длины, затухает вследствие действия сил внутреннего трения.

Наряду с зыбью от циклона распространяются волны значи­ тельно большей длины и периода, но очень малой высоты и поэтому не наблюдаемые визуально. Период таких волн, названных п р е д ­ в е с т н и к а м и з ыб и , достигает 1—2 мин, а скорость распростра­ нения 10 000—15 000 миль в сутки. Наблюдения над предвестниками зыби у побережья позволяют, при благоприятных условиях, опре­ делять положение циклонов в океане.

С циклонами связаны также пульсации давления у дна, возбу­ ждающие его колебания. Распространяясь по дну и суше, эти коле­ бания регистрируются сейсмическими станциями в виде так назы­

Возникновение микросейсм связано с возникновением стоячих волн (толчеи) в центре циклона, пульсирующими ударами воздушного потока о поверхность воды, которые бывают особенно резкими при прохождении холодных фронтов, а также с другими причинами, способными создавать пульсацию давления у дна.

Волны в циклонах определяют и решение такой важной практи­ ческой задачи, как выбор оптимальных курсов плавания судов в океане. В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом, основным критерием является потеря скорости хода на волне с уче­ том безопасности плавания. В климатическом аспекте выбор пути осуществляется по специальным пособиям типа «Океанские пути мира» (Издание УГС ВМФ, 1962), «Атласы гидрометеорологиче­ ских условий плавания судов морского флота» (Издания УГС ВМФ, 1966, 1968) и другим. При необходимости решения задачи в кон­ кретных синоптических условиях руководствуются указаниями спе­ циальных прогностических групп по обслуживанию судов рекомен­ дуемыми курсами, создаваемых в крупных прогностических центрах. При отсутствии связи с такими центрами могут быть про­ изведены расчеты непосредственно на корабле по факсимильным

§ 37. Разнообразие ветровых волн

Как отмечено выше, реальные ветровые волны обладают весьма большим разнообразием. Каждая последующая волна отличается от предыдущей. Поэтому исследование разнообразия волн является весьма существенной задачей. Наиболее плодотворным при ее ре­ шении оказался подход с позиций теории вероятностей. При таком подходе волнение рассматривается как случайный процесс, к кото­ рому приложимы законы этой теории.

238

Основной задачей в данном случае является решение вопроса об определении основных характеристик случайного процесса, к ко­ торым в первую очередь относятся закон распределения, плотность распределения (повторяемость) и функция распределения (обеспе­ ченность) .

Многие исследователи принимают, что закон распределения эле­ ментов волн является нормальным. К сожалению, это положение не может считаться полностью доказанным, так как в значительном числе случаев он оказывается ближе к релеевскому. Поэтому при решении прикладных задач, связанных с учетом волнения, не сле­ дует об этом забывать. Ниже рассматриваются характеристики эле­ ментов волн, полученные при условии, что закон распределения волн близок к нормальному.

Функции распределения элементов ветровых волн были вначале получены эмпирически А. П. Морозовым, Я- Г. Виленским, Б. X. Глуховским и др., а затем были обоснованы теоретически Ю. М. Кры­ ловым.

При изучении статистических характеристик ветрового волнения рассматривают два вида функций распределения элементов волн. Одни функции описывают разнообразие элементов волн при опре­ деленной силе волнения. Их называют ф у н к ц и я м и р а с п р е д е ­

разнообразие элементов волн в заданном районе моря за длитель­ ные промежутки времени, исчисляемые годами. Такие функции на­

пределения.

Функции распределения высот волн в точке. Вследствие трех­ мерного характера ветрового волнения высота волн вдоль гребня изменяется. Наибольшую высоту волны вдоль гребня называют вы­ сотой трехмерной волны или просто высотой волны. Если произво­ дить регистрацию волн прибором, установленным в определенной точке моря, то очевидно, что через такую точку гребень волны мо­ жет проходить различными участками. Поэтому записанная прибо­ ром совокупность высот волн не будет совпадать с совокупностью высот трехмерных волн.

Высоты волн, регистрируемые прибором, находящимся в опре­ деленной точке моря, называют высотами волн в точке. Если бы волны были двухмерными, никакого различия между высотой волны, зарегистрированной в точке или определенной другим мето­ дом (например, методом стереофотосъемки волн), не было бы, так как высота волны в этом случае остается неизменной вдоль гребня волны.

Наблюдения и теоретические исследования совокупности высот волн в точке показывают, что для случая установившегося волнения их распределение близко к двухмерному нормальному закону рас­ пределения случайных величин — закону Гаусса и не зависит от силы (степени) волнения.

239

Величина k2 может быть выражена через среднюю высоту волны

h (математическое ожидание) на основе известного из теории веро­ ятности соотношения

. h = \ hf(h) dh.

о

После подстановки f(h) из (7.32) и интегрирования получим

У

2k

откуда

Подставляя найденное значение k2 в (7.32), получим функцию повторяемости высот волн в точке, выраженную через среднюю вы­ соту волны

Функция распределения высот волн в точке, называемая функ­ цией обеспеченности F(h), является интегральной по отношению к функции повторяемости и определяется из соотношения

00

F ( h j = \ f ( h ) d h .

6

После подстановки f(h) из (7.33) и интегрирования получим

Выражение (7.33') определяет безразмерную функцию распре­ деления высот волн в точке, отнесенных к средней высоте. Она представлена на рис. 7.17 кривой 1. По оси абсцисс отложена

240