ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 207
Скачиваний: 0
выражения для энергетического спектра. В качестве примера приводим частотный спектр полностью развито го волнения, по Нейману,
(5.154)
где с — некоторая константа; W — скорость ветра.
Вполне развитое волнение описывает также спектр, выведенный С. С. Стрекаловым:
(5.155)
Здесь А = 1,2- ІО-2; ß = 0,88.
Для неустановившегося волнения определение спек тра является значительно более сложной задачей, так как в этом случае необходимо учитывать не только силу ветра, но и продолжительность его действия и длину разгона.
Сказанное выше относилось к одномернрму энергети ческому спектру, который являлся функцией одной пере менной — частоты р.
Однако, как показали исследования, спектр волн за висит также и от направления их распространения Ѳ. По этому спектр является функцией двух переменных р и Ѳ. Такой спектр называют двухмерным энергетическим спектром а2 (р, Ѳ). Определение двухмерных спектров яв ляется достаточно сложной задачей.
После определения энергетического спектра возни кает задача установления количественных связей между спектром и элементами волн. В спектральной теории установлена связь энергетического спектра со средними значениями элементов волн.
Такие связи для средних значений высот h и перио дов X волн имеют следующий вид:
(5.156)
о
I а2(р-) dp
(5J57)
j’ о2 (р) p2dp
309
Значения интегралов определяются либо аналитиче ски при известном аналитическом выражении спектра волн, либо графически путем планиметрирования пло щади, ограниченной кривой энергетического спектра, когда последний задан графически кривыми, которые аналогичны кривым, изображенным на рис. 58.
Спектральная характеристика морского волнения чрезвычайно содержательна. Каждое состояние волне ния имеет свои особенности в распределении спектра энергии. Так, в случае вынужденного ветрового волне ния спектр охватывает значительно более широкий диа пазон частот по сравнению со свободными волнами зыби.
Возможности характеристики волнения на основе спектрального метода могут использоваться для прогно за морского волнения, поэтому это направление иссле дований морских ветровых волн интенсивно развивается.
Г Л А В А 6
ПОНЯТИЕ О МЕТОДАХ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ
Методы гидрологических прогнозов основаны на об щих законах физики океана и атмосферы и используют материалы статистической обработки результатов на блюдений. Процессы, протекающие в океанах и атмо сфере, взаимосвязаны и взаимообусловливают друг дру га, поэтому при разработке методов прогнозирования гидрологических элементов необходимо совместное изу чение гидросферы и атмосферы. В связи с этим гидроло
гические прогнозы |
должны |
составляться |
на основе или |
с учетом прогнозов |
погоды. |
Все методы, |
применяемые |
при составлении гидрологических прогнозов, можно под разделить на следующие виды.
1. Климатический метод. В этом случае в качестве прогнозируемой характеристики принимается среднее многолетнее значение, полученное методами математи ческой статистики из достаточно длинных рядов наблю дений над данным гидрологическим элементом. Средние значения основных гидрологических элементов приводят ся в специальных пособиях, откуда они могут быть вы браны непосредственно на самом корабле. Практически этим методом штурман всегда пользуется, когда ему не обходимо оценить наиболее вероятные значения интере сующего его элемента. При этом в каждом конкретном случае необходимо устанавливать, будут ли прогнозируе мые значения выше, ниже или около многолетнего сред него значения, которое является своеобразной «нормой» для данного гидрологического элемента (такие прогно зы часто называют фоновыми).
311
2. Метод типизации. Этот метод следует рассматри вать как дальнейшее развитие и совершенствование кли матического метода. Сущность его заключается в том, что многолетний ряд значений гидрологического элемен та объединяется в типы по количественному, географиче скому или временному принципу. Для каждого типа вы числяется многолетняя «норма» и устанавливается связь между данным элементом и другими. В практике кораблевождения методы типизации используются для предсказания непериодических течений по типовым по лям ветра или давления.
3.Метод анализа периодичности. Этот метод приме няется для прогнозирования явлений с достаточно чет ко выраженной периодичностью. Классическим приме ром использования этого метода является метод гармо нического анализа приливов.
4.Методы эмпирических сопоставлений. Сущность ме
тода заключается в сравнении численных значений влия ющих факторов с количественной характеристикой про гнозируемого элемента. Эти сопоставления дают воз можность установить относительную связь между коле баниями прогнозируемого элемента и колебаниями влияющих факторов, вычислить степень надежности най денной связи, а также указать степень влияния каждого фактора в отдельности.
5. Метод балансовых уравнений. В этом случае прогнозируемое значение элемента получается из урав нения, балансирующего приток и отток тепла в данном районе океана или моря за определенный промежуток времени (тепловой баланс). В других случаях исполь зуется уравнение водного баланса.
Использование всех этих методов требует наличия исходных данных в виде результатов фактических на блюдений над большой акваторией моря или океана, по этому в корабельных условиях использовать их в целях прогнозирования не всегда удается. Это обстоятельство вынуждает изыскивать иные приемы, позволяющие пред видеть будущие значения гидрологических элементов в районе плавания корабля.
§28. ПРОГНОЗ ВОЛНЕНИЯ
Степень волнения оценивается по 9-балльной шкале от 0 до IX баллов, в основу которой положены диапазо
312
ны высот хорошо выраженных волн с обеспеченностью около 3%.
Волнение -оказывает очень большое влияние на пла вание корабля, прежде всего оно вызывает потерю ско рости хода. Наблюдения показывают, что при 9-балль ном встречном ветре, когда степень волнения достигает VI—VII баллов, потери в скорости хода могут достигать 50%. Кроме того, волнение предопределяет безопасностБ корабля в целом, ограничивает возможность применения оружия и технических средств. Все это придает важную роль умению прогнозировать степень волнения.
В настоящее время в океанографии нет единой обще принятой методики составления прогнозов волнения. Применяемые методы расчета параметров ветровых волн постоянно меняются по мере получения новых экспери ментальных данных. Созданию строгой теории методов прогноза волнения препятствуют, с одной стороны, труд ности физической интерпретации исходных данных, а с другой — зависимость от прогноза ветрового режима, методы которого еще пока далеки от совершенства. Из данное Министерством морского флота Руководство по расчету параметров ветровых волн применимо лишь в береговых условиях, когда в распоряжении прогнозиста имеются данные о фактическом ветровом волнении, установившемся на большой акватории океана, и специ ализированный прогноз ветрового поля.
Для корабельных условий можно рекомендовать эмпирический прием, основанный на установленной за висимости между баллом степени волнения и расстоя нием между изобарами на прогностической синоптиче ской карте, проведенными через 5 мбар.
На основании статистической обработки результатов наблюдений над волнением, выполненных на кораблях погоды Атлантического океана, получены две рабочие кривые (рис. 59), используя которые можно сделать следующие практические выводы.
1. В широтах менее 50° волнение V баллов наступает при расстояниях между изобарами 150—200 миль (около 3° широты), а в широтах 50° и более — при расстояниях 100—,150 миль (около 2° широты).
2. Волнение VII баллов наблюдается при расстояниях менее 120 миль в широтах менее 50° и при расстояниях менее 60 миль — в широтах 50° и более.
3 1 3
Используя эти установленные зависимости и распо лагая принятой прогностической синоптической картой (см. § 3 9 ), представляется возможным выделить зоны V- и ѴІІ-балльного волнения над акваторией океана по из меренному расстоянию между изобарами на прогности ческой карте, проведенными через 5 мбар. Сопоставле ние же прогностического волнового поля и фактического,
Рис. 59. Номограмма для определения степени волнения:'
/ — д л я ш и р о т 40° и б о л ь ш е ; 2 — д л я ш и р о т м е н ь ш е 40°
которое установилось к моменту составления прогноза волнения, позволит получить и дополнительные характе ристики ожидаемого волнения.
§ 29. ПРОГНОЗ ТЕЧЕНИЙ
Прогнозы течений имеют важное значение, особенно при ведении прокладки пути корабля, поэтому практи ческая необходимость их совершенно очевидна, между тем методы составления их разработаны очень слабо.
С навигационной точки зрения всякое течение, кото рое сносит корабль с линии заданного пути, является
314
суммарным, т. е. состоит из отдельных составляю щих:
|
|
= і=і |
(б-1) |
|
где v t — вектор |
суммарного |
течения, которое |
учиты- |
|
_ |
вается |
при ведении |
прокладки; |
|
rotІ — векторы отдельных составляющих.
Если ограничить точность определения элементов те чения по направлению ±15°, а по скорости ±0,2 уз, то формулу (6 .1 ) можно ограничить пятью составляющими:
vt = vti+ v u+ ... + V |
(6.2) |
где v ti — вектор квазипостоянного течения;
—вектор приливо-отливного течения;
vt — вектор ветрового течения;
vt — вектор остаточного течения;
vt — вектор бароградиентного течения.
При плавании в узкостях и у берегов иногда следует учитывать еще и сгонно-нагонную составляющую.
1. Квазипостоянное течение. Эта составляющая ха рактеризуется постоянством по направлению и скорости при осреднении за достаточно большой период времени, хотя на каждый отдельный момент времени в данной точке течение может существенно отличаться от его среднего значения. Квазипостоянные течения могут на блюдаться на глубинах и обычно достигают значитель ных скоростей в узкостях и проливах. Благодаря их по стоянству сведения об этой составляющей легко карти руются. При составлении прогноза суммарного течения эта составляющая входит в виде постоянного члена, эле менты снимаются с карты, соответствующей району пла вания.
2. Приливо-отливное течение. Теоретические исследо вания возникновения приливо-отливных течений дают возможность установить следующие их особенности:
— носят вращательный характер, вследствие чего направление и скорость их постоянно меняются. Каждая частица, участвующая в приливо-отливном течении, за
315
приливной цикл описывает замкнутую траекторию и возвращается в исходное положение;
—у берегов и особенно в узкостях приобретают ре версивный характер, приливное течение при этом идет в одном направлении, а отливное — в противоположном;
—наибольшие скорости наблюдаются в дни сизигий ных приливов, а наименьшие — в дни квадратурных при ливов. Только в некоторых районах Тихого океана макси мальные скорости течений наблюдаются в дни с тропи ческими приливами. В узких проливах максимальные скорости бывают обычно в часы, близкие к наступлению полной или малой воды. В широких же, таких, как про лив Лаперуза, горло Белого моря и др., а также у побе
режий — в средние моменты между |
наступлением |
пол |
ной или малой воды; |
|
|
— приливо-отливные течения с |
глубиной не |
зату |
хают. Эти течения можно рассматривать как длинные и большепериодные волны, а за скорость течения принять путь, проходимый частицами воды за приливный цикл. В длинных поступательных волнах вертикальные орбиты частиц воды представляются эллипсами, вытянутыми в горизонтальном направлении. Элементы этих эллиптиче ских орбит определяются соотношением
(6.3)
где ß — вертикальная полуось, равная половине вели чины прилива;
а— горизонтальная полуось;
т— период волны;
Н— глубина океана;
z — глубина залегания частицы воды от поверх ности;
g — ускорение свободного падения.
Если для простоты рассуждений считать, что прилив
обусловливается только главной |
лунной |
полусуточной |
||
волной М2 с периодом т= 12 ч 25 |
мин = 44700 |
с, |
а вели |
|
чину прилива jB = 2 ß принять равной 1 м, |
g = |
1 0 |
м/с2 и |
глубину океана /7=10 0 0 0 м, то, подставляя эти значения в (6.3), получим
= 118-0,99» 117 м.
316