В настоящей главе рассматриваются результаты синоптических исследований условий обледенения судов.
Обледенение судов является одним из наиболее опасных гидрометеорологических явлений. Оно существенно затрудняет мореплавание, хозяйственное освоение шельфовой зоны, рыболовный промысел, а в отдельных случаях приводит даже к аварийным ситуациям и гибели судов. Поэтому изучению этого явления погоды уделяется большое внимание. Для судов, плавающих в зоне севернее 66° 30' с. ш., «Нормы устойчивости морских судов» регистра СССР предусматривают возможность обледенения до 30 кг льда на 1 м2 горизонтальной проекции палубы судна [86]. Однако результаты статистической обработки наблюдений показывают, что масса льда при обледенении рыбопромысловых судов часто превышает установленные нормы [49, 86, 268]. Обледенение судовых конструкций и палубных механизмов заметно повышает центр тяжести, парусность и кренящий момент судна, уменьшает восстанавливающий момент при качке судна в штормовых условиях погоды. Основной причиной обледенения является сильный ветер, вызывающий забрызгивание судна водой при волнении, и отрицательная температура воздуха. Второстепенная роль в расчетах интенсивности обледенения отводится обычно осадкам, туману, температуре воды, скорости и курсу следования судна относительно направления ветра.
5.1. Эмпирические исследования обледенения судов
Эмпирические исследования обледенения судов типа СРТ (серия 4000) позволили установить три условных градации для интенсивности процесса: медленное, быстрое и очень быстрое обледенение [49, 180, 248, 268]. В основу такого деления закладывается потенциал экипажа, возможности его при окалывании судна ото льда механическими средствами. Медленное обледенение характеризуется интенсивностью отложения льда не более 1,5 т/ч. Экипаж СРТ, состоящий из 25—26 человек, без посторонней помощи удаляет лед с судна. Быстрое обледенение характеризуется интенсивностью процесса нарастания 1,5—4,0 ч льда за 1 ч. В этом случае экипаж СРТ уже с большим трудом справляется с удалением льда. Очень быстрое обледенение (более 4 т/ч) сопровождается нарастанием льда на судне, когда экипаж не успевает уделять его собственными силами.
Изучение гидрометеорологических условий в момент обледенения судна типа СРТ позволяет установить соотношение между массой льда, образовавшейся на судне за единицу времени, и значениями гидрометеорологических величин (гидрометеорологических комплексов) [248, 268].
1. Медленное обледенение происходит при забрызгивании судна или при выпадении на его поверхность переохлажденных капель воды из атмосферы при условиях;
а) любая скорость ветра и температура воздуха от —1 до —3°С;
б) скорость ветра до 9 м/с и температура воздуха ниже —3 °С.
2. Быстрое обледенение происходит при скорости ветра от 9 до 15 м/с и температуре воздуха от —3 до —8°С.
3. Очень быстрое обледенение происходит в условиях:
а) скорость ветра свыше 15 м/с и температура воздуха ниже —3°С;
б) скорость ветра от 9 до 15 м/с и температура воздуха ниже —8°С.
Такие гидрометеорологические комплексы содержатся в настоящем и в других режимных и справочных пособиях и дают представление о вероятности медленного, быстрого и очень быстрого обледенения для судов типа СРТ в различных районах морей. Методологическим недостатком некоторых карт обледенения является то, что они не позволяют судить об интенсивности обледенения судов водоизмещением более 500 т. Кроме того, на картах зоны вероятного обледенения ограничиваются средним многолетним положением кромки льда. В теплые годы полоса чистой воды за пределами среднего многолетнего положения кромки не обеспечивается данными о вероятности обледенения судов.
Наглядная, но и громоздкая форма представления режимных данных в виде карт вероятности обледенения все чаще заменяется графической и табличной формами представления зависимости обледенения от гидрометеорологических величин [78, 303]. В рекомендациях [303], предназначенных для работников морских управлений Госкомгидромета, судоводителей рыбопромыслового флота и проектировщиков, при выборе оптимальных размеров конструкций надводного объекта и оценке мощности антиобледенительных систем расчет массы льда при обледенении производится по температуре воздуха и скорости ветра. Рассчитанные оценки массы льда затем исправляются поправками на температуру воды, скорость судна, курсовой угол ветровой волны, сублимацию и атмосферные осадки.
В работе [78] первоначально рассчитывается интенсивность обледенения базового судна (СРТ серии 4000) по статистической зависимости, установленной ранее на большом экспериментальном материале. Для перехода от интенсивности обледенения базового судна к интенсивности обледенения другого типа судов устанавливаются поправки, учитывающие конструктивные особенности и различия параметров качки этих типов судов в процессе обледенения. Таким путем [78] получены способы расчета интенсивности обледенения для типов судов, показанных в табл. 5.1. Расчеты выполняются для условий минимальной и максимальной загрузки судна и скоростей плавания 3 и 7 уз при штормовании «носом на волну». Для определения интенсивности обледенения по таблицам необходимо знать температуру воздуха, воды и скорости ветра. При отрицательной температуре воды используется табл. 5.1, при положительной температуре воды — табл. 5.2. Обледенение судов обычно не наблюдается при температуре воды выше 6°С. Табличная и графические формы по сравнению с картографической формой содержат более богатые возможности практического применения. В зависимости от входных величин (средних многолетних, фактических или прогностических) по графикам на выходе можно получать соответственно средние значения, фактические или прогностические оценки обледенения судов. Метеорологические величины в синоптических прогнозах обычно выдаются в определенном интервале значений: например, ожидается скорость ветра 8—13 м/с, температура воздуха —10... —15°С. Для входа в табл. 5.1 рекомендуется брать значение, соответствующее середине градации или значение, вызывающее более интенсивное обледенение судов.
Пример . Определить интенсивность обледенения судна типа PC 388М, если по прогнозу ожидается скорость ветра 8— 13 м/с, температура воздуха от — 10 до —15 °С. Температура воды в районе промысла — 0,5 °С. По табл. 5.1 максимальная интенсивность обледенения, равная 2,8 т/ч, соответствует скорости ветра 10 м/с и температуре воздуха —15°С.
Решение о выводе судна из опасной зоны или выбор других мер борьбы с обледенением принимается судоводителями. Методологический подход, предложенный в работе [78], наследует опытные знания процессов обледенения, полученные ранее при эксплуатации судов СРТ серии 4000, которые в настоящее время технически устарели, и учитывает на основе экспериментальных данных влияние технических характеристик новых типов судов на обледенение.
5.2. Анализ синоптических условий обледенения судов
Обледенение, как любое явление погоды, имеет свои пространственные и временные масштабы, которые неразрывно связаны с особенностями развития атмосферного процесса над районом. Неравномерно рассеянные по акватории моря и случайные по времени попутные судовые наблюдения не дают достаточной информации о пространственных масштабах явления обледенения и его продолжительности. Поэтому пространственные границы, начало и конец явления можно установить приблизительно субъективными способами. В данном исследовании для этой цели привлекается синоптический метод. Первое оповещение об обледенении в определенном районе, хотя бы одним судном, принимается за начало явления; и по синоптическим картам погоды прослеживается промежуток времени, в течение которого сохраняется такое термобарическое поле в тропосфере, которое обусловливает текущую ориентировку перемещения барического образования у поверхности земли. Признаком окончания рассматриваемого явления (обледенения) принимается синоптическое положение, отражающее начало преобразования в пространстве формы синоптического процесса. Промежуток времени между началом и окончанием явления составляет один случай обледенения. Всего за период с 1966 по 1975 г. нами рассмотрено 704 таких случаях обледенения (табл. 5.3).
Наиболее часто обледенение судов (табл. 5.3) отмечается с ноября по февраль. Средняя температура воздуха при обледенении составила —6°С, минимальная —20 °С, максимальная — 0. Зависимость обледенения от направления и скорости ветра, а также от температуры воздуха показана в табл. 5.4. Из нее видно, что наиболее часто обледенение судов наблюдается при температуре воздуха —4 ... —9 °С и направлении ветра от северной четверти горизонта. Медленное обледенение судов в 62,1 % случаев отмечается при скорости ветра 5—9 м/с, быстрое обледенение — при скорости ветра 10—14 м/с (46,5 % случаев). Эти результаты принципиально не отличаются от данных [49, 248, 268], полученных для других районов Мирового океана, т. е. максимальная повторяемость обледенения приходится на градации метеоэлементов (температура воздуха, скорость ветра) с наибольшей природной повторяемостью, а при температуре воздуха ниже —16°С обледенение судов встречается редко. Некоторые различия имеются с данными работы [49], в которой получена максимальная повторяемость при южном ветре. Они получились вследствие применения разных способов определения числа случаев обледенения в районе.
По степени неблагоприятных воздействий на производственную деятельность обледенение подразделяют обычно на опасное и особо опасное. Медленное обледенение принято считать опасным явлением, а быстрое и очень быстрое обледенение — особо опасным явлением погоды. Из табл. 5.5, 5.6
видно, что особо опасное обледенение наиболее часто наблюдается при температуре воздуха —4... —9°С и скорости ветра 10—20 м/с. Опасное обледенение судов отмечается преимущественно при температуре воздуха от 0 до —9 °С и скорости ветра 5—9 м/с. Полученные результаты несущественно отличаются от данных работы [248]. Они могут быть использованы прогностическими органами при составлении прогнозов обледенения синоптическим методом. Однако следует отметить, что в 19,5 % случаев особо опасное обледенение может развиваться при скорости ветра 5—9 м/с и в 10,8 % случаев — при температуре воздуха —0... —3 °С, т. е. градациях, установленных для медленного обледенения судов. И наоборот, при условиях погоды, характерных для быстрого и очень быстрого обледенения судов, не всегда отмечается особо опасное обледенение (табл. 5.6). Во всех случаях, когда гидрометеорологические условия создают угрозу обледенения судов, а явление не наблюдается, в атмосфере над районом располагается очаг тепла, а температура воды значительно превышает нулевые значения.
Для изучения региональных особенностей атмосферных процессов, обусловливающих обледенение, была проведена типизация их. В настоящее время еще не имеется методов типизации процессов, в которых учитывались бы все действующие факторы в атмосфере. Поэтому существующие типизации базируются на учете лишь отдельных ведущих черт. Этим объясняется наличие большого количества субъективных типизаций, существенно отличных друг от друга как по характеру установленных типов, так и по факторам, на учете которых они основаны. В данной работе атмосферные процессы, вызывающие обледенение, типизировались синоптико-статистическим способом. В начале по календарю дат обледенения и каталогу синоптикоклиматических процессов [174], учитывающему ориентацию высотной фронтальной зоны, траектории циклонов и особенности распределения очагов тепла и холода у Земли, элементарные синоптические процессы, при которых наблюдалось обледенение судов, разделялись по группам с однородным циркуляционным фоном. Затем для каждой группы были получены совокупности полей атмосферного давления, снятые в узлах регулярной сетки с синоптических карт для начала обледенения, и проведена типизация их статистическим способом [275]. В данном способе реализован алгоритм объективной классификации метеорологических полей по критерию подобия, в качестве которого избран коэффициент
где r— коэффициент корреляции; Xi , Xj— метеорологические поля, заданные значениями метеорологического элемента в точках регулярной сетки; σXi— среднее квадратическое отклонение значений поля относительно среднего, вычисленного по пространству i точек поля.
Для классификации синоптические поля формируются в массив Xri i =1, 2... Р; r=l, 2...l (l — количество полей) и производится последовательно корреляция первого поля со всеми остальными полями. Все поля, связанные с первым полем коэффициентом корреляции г ≥ г0, где г0 — заданный порог классификации, относятся к типу I. В пределах типа I вычисляется среднее поле по формуле
где n — число полей, входящих в тип I; Xi— среднее значение метеорологического элемента в i-м узле сетки
Номера полей, входящих в первый класс, вычеркиваются и после этого первое из оставшихся полей рассматривается в качестве представителя типа II и процедура вычисления статистик (5.1) и (5.2) повторяется. Процесс типизации продолжается до исчерпания всей информации Xri (r=1) Критерий г может задаваться в интервале 0,0—1,0. При типизации синоптических положений в данной работе принято г0= 0,5, i = 20. В результате получено девять типов. Однако в процессе осреднения (5.2) произошло частичное сглаживание средних полей Xi. Поэтому в типах для зон обледенения проводилось уточнение приземных барических полей. С этой целью дополнительно снималось атмосферное давление в центрах циклонов, вызвавших обледенение, и на их перифериях с радиусами до 1000 км. Эти данные экстремальной области, осредненные в пределах типов, позволили скорректировать приземное барическое поле циклонических образований, обусловивших обледенение. На уточненные типовые карты были нанесены фронтальные разделы в соответствии с их наиболее частой географической локализацией при данном типе поля, средняя скорость и результирующее направление движения циклонов, зоны обледенения судов по материалам наблюдений с 1966 по 1975 г.
На рис. 5.1 и 5.2 показаны типовые синоптические положения у Земли и типовые барические поля на уровне 500 гПа при обледенении судов, а их повторяемости по месяцам в табл. 5.7. Анализ табл. 5.7 показывает, что повторяемости атмосферных процессов некоторых типов зависят от времени йода. Так, тип IV преобладает в декабре, тип VIII — в феврале, а тип VI — в ноябре и феврале. Для всех типов была вычислена средняя продолжительность процессов. Оказалось, что наибольшая продолжительность атмосферных процессов, вызывающих обледенение, принадлежит типу VIII. В среднем она составляет 61 ч. Наименьшую продолжительность 24 ч имеют процессы типа IX. Продолжительность атмосферных процессов с обледенением при других типах колеблется от 36 до 48 ч. Максимальная продолжительность синоптического процесса, обусловившего обледенение судов, составила 237 ч. Она отмечена при процессах типа I. Для всех атмосферных процессов, за исключением типа VIII, интенсивность обледенения судов возрастает при углублении циклонов. При типе VIII обострение атмосферных процессов над районом происходит при усилении антициклона в районе Урала, поэтому интенсивность обледенения увеличивается с ростом атмосферного давления.
Рассмотренные особенности внутригодового распределения повторяемости типов и их средняя продолжительность могут быть использованы при прогнозировании обледенения. При этом зоны обледенения судов на типовых картах включают все случаи наблюдавшихся обледенений. На конкретных синоптических картах это явление погоды обычно локализуется в отдельных районах этой зоны
