Погода в Мурманске из Норвегии

мурманская область

 

Часть II. Гидрологический режим. 8 Ветровое волнение

 

8.1. Состояние изученности

 

Вероятностные характеристики волн в морях и океанах определяются распределением скорости ветра во времени и пространстве, морфометрией бассейна, ледовыми условиями. В определенной степени на них могут влиять морские течения, плотностная устойчивость в воде и воздухе и другие факторы, которые пока не поддаются количественному учету.

На Баренцевом море, в отличие от других морей Северного Ледовитого океана, в течение всего года сохраняются большие свободные от льда пространства, что в сочетании с активной циклонической деятельностью приводит к высокой повторяемости штормового волнения. Глубины почти везде, за исключением прибрежных районов на крайнем юго-востоке моря, превышают характерную длину штормовых волн (50—100 м), поэтому общая характеристика режима волнения может быть дана без учета влияния глубины на развитие волн.

Современные представления о режиме ветрового волнения Баренцева моря, как и других морей СССР, сложились за последние 20—30 лет. В начале-60-х годов были впервые организованы инструментальные измерения волн в открытом море. Это позволило установить законы распределения элементов волн и ввести понятие их обеспеченности (квазистационарной и режимной), что в совокупности однозначно характеризует разнообразие волн [75]. Одновременно разрабатывались методы расчета вероятностных характеристик волнения по полям ветра, среди которых наиболее распространенным и признанным стал метод ГОИНа—Союзморниипроекта [307, 315]. В результате этих исследований существенно изменились прежние представления о режиме волнения. Так, в ранее изданных справочных пособиях [220, 341] для Баренцева моря приводились максимальные значения высот волн от 4 до 8 м (без указания обеспеченности), что примерно в 2—4 раза ниже современных оценок.

Вместе с тем имеющиеся сведения о режиме волнения Баренцева моря, нельзя признать достаточными. Инструментальные наблюдения,- главным образом с использованием волнографа ГМ-16, проводились только в отдельных рейсах экспедиционных судов, и в последние годы почти полностью прекратились из-за отсутствия приборов. Единственным источником информации, поступающей постоянно и в большом количестве, являются визуальные наблюдения судовых гидрометстанций. Ежедневно по Баренцеву морю за каждый из основных синоптических сроков поступает 30—40 сводок, преимущественно от промысловых судов. Их распределение по акватории моря зависит от условий промысла, наибольшее количество наблюдений приходится на юго-западную часть моря.

Результаты обобщения данных судовых наблюдений представлены в двух пособиях по режиму волнения — справочнике [52], изданном Регистром СССР, и атласе [21], подготовленном ВНИИГМИ— МЦД с участием МФ ААНИИ. В первом из них получены режимные функции распределения высот и периодов волн по сезонам для трех крупных районов моря. Высоты волн приведены к обеспеченности 3 % на основе результатов проведенных авторами сопоставлений инструментальных и визуальных наблюдений. Описание режима волнения дано в табличном виде, различия между районами моря невелики

В атласе ВНИИГМИ—МЦД содержатся ежемесячные карты режимной обеспеченности волнения высотой более 4, 6 и 8 м, а также высот волн 1 %-ной режимной обеспеченности. Эти характеристики получены статистической обработкой данных судовых наблюдений без какого-либо их пересчета. Тем самым предполагалось, что обеспеченность указанных градаций высот волн отвечает сложившейся практике визуальных наблюдений (здесь и далее необходимо различать понятие квазистационарной обеспеченности, которое характеризует разнообразие волн в поле зрения наблюдателя, и понятие режимной обеспеченности, которая является климатической характеристикой ветрового волнения). На картах этого атласа различия между высотами волн в разных районах также невелики, положение зоны максимального волнения от месяца к месяцу несколько изменяется.

Статистика визуальных наблюдений позволяет исследовать режим волнения лишь в первом приближении. Эти наблюдения наименее надежны при штормовом волнении, особенно в период полярной ночи, т. е. именно при тех условиях, когда они имеют наибольшую прикладную значимость. Как правило, наблюдатели определяют только элементы волн преобладающей системы, что затрудняет анализ типичных для Баренцева моря полей смешанного волнения.

Если ошибки визуальных наблюдений могут быть разного знака и при осреднении в определенной степени компенсируются, то различия в оценках обеспеченности высот волн, определенных этим способом, могут привести к систематическим погрешностям при описании режима волнения. В дополнение к известным работам по достоверности визуальных определений высот волн [52, 91] была предпринята попытка получить косвенную оценку обеспеченности этих наблюдений с использованием судовых данных по Баренцеву морю [107]. Для этого были сопоставлены режимные функции распределения высот волн, полученные непосредственно по срочным картам волнения и рассчитанные по типовым полям ветра с учетом их фактической повторяемости. Установлено, что для наблюдавшихся высот волн до 4—5 м обеспеченность меняется мало и составляет около 18%, что близко к средней высоте 1/3 самых высоких волн.

Учитывая, что качество судовых наблюдений со временем едва ли повысится, можно полагать, что возможности этого подхода к описанию режима волнения в основном исчерпаны. Вместе с тем эти данные сохраняют свое значение для оценок повторяемости штормовых условий и их межгодовой изменчивости.

Сведения о ветре над морем, как правило, более полны и достоверны, чем сведения о волнении. Это позволяет исследовать режим ветрового волнения с применением расчетных методов [301, 306]. Впервые такие расчеты для Баренцева моря были выполнены в Мурманском территориальном управлении в ходе подготовки атласа волнения и ветра [18]. В качестве исходных данных задавались поля ветра, полученные в результате типизации синоптических процессов над акваторией моря. Расчеты выполнялись по методу Ю. М. Крылова [192[, который в настоящее время не используется, однако полученные характеристики волнения мало отличаются от результатов расчетов по методу ГОИНа— Союзморниипроекта. По данным о повторяемости типовых полей волнения были рассчитаны режимные функции распределения высот волн и построены карты волнения заданной режимной обеспеченности в Баренцевом, Норвежском и Гренландском моря* [302].

Для всех сезонов года рассчитанная повторяемость штормового волнения закономерно убывает с запада на восток Баренцева моря.

В справочнике по гидрометеорологическим условиям шельфа Баренцева моря [6 6 ] по тем же исходным данным построены карты высот- волн редкой повторяемости, а также приводятся результаты расчетов режима ветра и волнения, выполненных с использованием специализированной синоптической типизации для северо-западного и юго-восточного районов моря. В первом из них расчеты выполнены для одной точки; второй район, в котором условия волнообразования более сложны, был разделен на два подрайона, и в нем заданы пять расчетных точек. Следует отметить, что даже такая детализация недостаточна для того, чтобы выявить локальные различия в режиме волнения юго-восточной части моря. Вместе с тем рассчитанные функции распределения не противоречат сведениям о волнении в этом районе, полученным другими методами.

Рис. 6.1. Внутригодовые колебания средних месячных уровней в Баренцевом море.

Как видно из рис. 8.1, на котором в качестве примера показаны несколько режимных распределений высот волн, полученных по данным наблюдений или расчетным путем, различия между высотами одинаковой режимной обеспеченности в большинстве случаев не превышают 1,0 м, что можно считать достаточным для многих практических целей. Так, для обеспечения мореплавания и рыбного промысла в первую очередь необходима режимная и прогностическая информация о характерных высотах волн во время шторма, точность которой ограничена, поскольку высотам волн свойственна большая выборочная изменчивость.

Во многих районах Баренцева моря на волновых условиях сказываются приливные течения. Первые в отечественной практике оценки влияния течений на элементы волн были получены в результате экспериментальных работ, выполненных в Кольском заливе [125]. Показано, что наиболее значительное возрастание высот волн на встречном течении (в 1,5—2 раза) может иметь место в прибрежных узкостях и заливах при скорости течения 0,5 м/с и более и среднем периоде волн 2—3 с. Для открытого моря (скорость приливных течений 0 ,2 — 0,3 м/с, характерный период волн 5—7 с) это увеличение составляет около 5%. Близкие к этому результаты дает использование современной методики, основанной на аналитическом описании трансформации волн на горизонтально-неоднородном течении [204].

В последние годы требования к точности сведений о морском волнении резко повысились в связи с проектированием и эксплуатацией стационарных буровых установок и других технических средств, предназначенных для освоения континентального шельфа. Наиболее актуальной стала задача расчета элементов волн редкой повторяемости, вплоть до возможных 1 раз в 100 лет. Эти характеристики можно получить только путем экстраполяции режимных функций распределения, для чего необходимо, во-первых, уточнить сами эти функции для различных районов и периодов осреднения и, во вторых, обоснованно подобрать для них законы распределения. Эти вопросы рассматриваются в п. 8.3.

Недостаточно изучены и многие другие характеристики режима волнения Баренцева моря, важные в практическом отношении: продолжительность штормов и спокойных периодов, повторяемость смешанного волнения и зыби, формирование полей волнения в циклонах и при прохождении атмосферных фронтов. Имеющиеся сведения о спектральных характеристиках волнения Баренцева моря до настоящего времени не публиковались.

В последующих разделах данной главы обобщены материалы литературных источников и результаты наших работ по отдельным элементам волнового режима, выполненных в последние годы. В этих работах использованы данные инструментальных измерений волнения в открытом море, а также архив синоптических карт, хранящихся в гидрометфонде Мурманского территориального управления по гидрометеорологии.

 

8.2. Синоптические условия образования штормового волнения

 

Метеорологический режим Баренцева моря с достаточной полнотой освещен в работах [19, 2 1 , 6 6 , 181, 321], а также в части I данной монографии. Сведения о ветре, как правило, получают путем статистической обработки данных судовых метеорологических наблюдений, обычно они представлены в виде таблиц или карт повторяемости определенных градаций скорости ветра в зависимости от направления. Режим ветра отличается хорошо выраженным годовым ходом, тогда как его пространственная изменчивость значительно меньше. Можно отметить только более высокую повторяемость сильных ветров в зимний период на западе Баренцева моря по сравнению с его центральными и восточными районами.

Средняя годовая повторяемость различных направлений ветра почти одинакова, однако в годовом ходе прослеживаются заметные различия. Зимой во всех районах моря преобладают южные и юго-западные ветры, в весенне-летний период преобладающими направлениями становятся северное и северо-западное, осенью повторяемость всех направлений выравнивается.

При рассмотрении экстремальных ветро-волновых условий наряду с данными о повторяемости сильных ветров необходимы оценки продолжительности штормовых периодов. Так, например, обеспеченности некоторой максимальной скорости ветра в течение года, равной 0,04 %, можно поставить в соответствие шторм 3-часовой продолжительности с такой же скоростью ветра, отмечающийся ежегодно, или 15-часовой — 1 раз в 5 лет.

Ввиду отсутствия длительных рядов наблюдений за ветром и волнением в открытом море сведения о средней непрерывной продолжительности штормов определенной силы можно получить только косвенным путем, на основе анализа синоптических ситуаций, их обусловливающих. Перемещение и эволюция барических образований сопровождаются закономерными изменениями полей ветра и волнения, которые могут быть сведены к ограниченному числу типовых синоптических положений.

Для Баренцева моря синоптическая типизация применительно к описанию режима волнения была выполнена по меньшей мере трижды, но на несколько различающейся методической основе. В работе [18] приведены максимально схематизированные поля давления десяти типов, из которых шесть соответствуют циклоническим полям, различающимся положением центра циклона и преобладающим направлением ветра в тех или иных районах моря, два — антициклоническим и два — деформационным барическим полям. Для каждого синоптического типа подсчитана повторяемость скорости ветра по четырем градациям. Показано, что в антициклонических и деформационных полях повторяемость скорости ветра 8—15 м/с незначительна, а ветры со скоростью свыше 15 м/с практически не отмечаются. Наиболее часты и продолжительны штормы при юго-западных, южных и юго-восточных ветрах.

Данная типизация хорошо описывает разнообразие полей ветра над морем в целом, но не является исчерпывающей. Для многих районов моря выделенные синоптические типы не охватывают все возможные направления прихода волн, поэтому расчет режима волнения с их использованием требует некоторой корректировки исходных данных.

Для расчетов режимных характеристик волнения на шельфе Баренцева моря по методике, изложенной в [301], была выполнена специализированная синоптическая типизация, учитывающая все возможные сочетания скорости и ветра в рассматриваемом районе. В качестве типовых использованы срочные карты из синоптического архива, соответствующие наиболее часто повторяющимся ситуациям, при которых наблюдался ветер заданной скорости и направления. Результаты этой типизации, оформленные в виде атласа полей давления и ветра, использовались в качестве справочного материала, а также для расчетов уровенного режима и дрейфа льда в шельфовых районах, однако для описания синоптических процессов в целом над Баренцевым морем они недостаточны.

Наиболее полная характеристика синоптических условий, сопутствующих штормовому волнению и другим опасным гидрометеорологическим явлениям на северных морях, содержится в работе [321]. Выделенные синоптические типы представлены здесь картами приземного поля с указанием положения атмосферных фронтов, зон штормового волнения и скоростей и направлений перемещения циклонов, а также типовыми картами АТ500. Все количественные характеристики штормовых циклонов (координаты центров, давление в центрах, максимальные градиенты давления) получены путем осреднения данных, снятых с карт, которые были отнесены к соответствующему типу. Рассмотрим основные закономерности возникновения штормового волнения, основываясь на результатах этой работы.

В подавляющем большинстве случаев зоны штормового волнения образуются при выходе на Баренцево море глубоких циклонов с Норвежского моря или Скандинавского полуострова. Траектории этих циклонов близки к показанным на рис. 6.9 (см. гл. 6 ). Они хорошо группируются по направлениям перемещения циклонов, но их широтное положение очень изменчиво, и в пределах Баренцева моря нельзя выделить области сгущения траекторий.

Штормовое волнение обычно возникает в окклюдированных циклонах, хорошо выраженных в поле АТ500, со скоростями перемещения 30—40 км/ч в холодное полугодие (октябрь—март) и 25— 35 км/ч в теплое (апрель—сентябрь). Основным критерием выделения синоптических типов является положение центра циклона, чем определяется положение штормовой зоны и направление ветра и волнения. Всего для Баренцева, Норвежского и Гренландского морей установлено 14 типовых синоптических положений, из которых только 7 (получивших в работе [321] порядковые номера с 8 -го по 14-й) вызывают возникновение штормового волнения в Баренцевом море. Они могут быть кратко охарактеризованы следующим образом (рис. 8 .2 ):

Тип. 1. Циклон над Гренландским или северозападной частью Баренцева моря. Штормовое волнение от юго-запада в передней части или теплом секторе циклона может отмечаться во всех районах моря, но менее вероятно на юго-востоке.

Тип. 2. Циклон над северной частью Баренцева моря (центр, как правило, севернее 75° с. ш.). Волнение от запада, северо-запада в теплом секторе или тылу циклона, преимущественно на юге и западе моря.

Тип. 3. Центр циклона над Новой Землей или Карским морем. Волнение от севера, северо-запада в тылу циклона главным образом в восточной части моря.

Тип 4. Циклон над Норвежским или над западной частью Баренцева моря. Волнение в передней части циклона либо от юго-востока, либо от юга, юго-запада (в зависимости от положения оси ложбины и фронтов), преимущественно в юго-западной части моря.

Тип 5. Циклон над Кольским полуостровом, Скандинавией или южной частью Баренцева моря. Волнение на северной периферии циклона от востока, юго-востока, реже северо-востока, может отмечаться в разных районах моря.

Тип 6 . Циклон над центральной или восточной частью Баренцева моря. Волнение в тылу циклона от северо-запада, реже севера, северо-востока главным образом в западной половине моря; может быть также в передней части циклона от юга, юго-запада.

Тип 7. Центр циклона над Печорским морем или новоземельскими проливами. Волнение в тылу циклона от севера, северо-востока, преимущественно на юге и юго-востоке моря.

Циклоны, отнесенные к разным типам, сходны по своим количественным характеристикам. Давление в центре штормового циклона в среднем составляет 975—980 гПа в холодном и 980—9?5 гПа в теплом полугодии. При перемещении циклона возможен переход синоптической ситуации из одного типа в другой.

Опасные значения скорости ветра (15 м/с) и высоты волн (4,0 м по визуальным судовым наблюдениям) отмечаются при возрастании градиента приземного давления до 3,5—4,0 гПа/100 км. В наиболее глубоких циклонах градиент достигает 5,0 гПа/100 км, но в среднем баренцевоморские циклоны несколько уступают по интенсивности циклонам Норвежского моря, что проявляется и в различиях ветро-волнового режима этих морей.

Если понимать под штормом промежуток времени, в течение которого в каждый из синоптических сроков хотя бы в одной точке наблюдений отмечалась высота волн 4,0 м и более при сохранении синоптического положения, соответствующего определенному типу, то среднее количество штормов за теплое полугодие в Баренцевом море составляет 13, за холодное — 28. Продолжительность штормов также увеличивается от теплого полугодия к холодному. Ее средние значения соответственно составляют 21 и 26 ч, максимальные — 66 и 138 ч.

Формирование полей волнения в реальных условиях не сводится к ограниченному набору типовых ситуаций. В зависимости от траектории циклона, скорости его перемещения и положения зоны максимальных градиентов возможны переход ветрового волнения в зыбь и образование смешанного волнения с различными сочетаниями высот, периодов и направлений распространения волновых систем. Как указывается в работе [52], повторяемость волн зыби в западной части моря в отдельные годы достигает 70—80 %.

Режимные характеристики смешанного волнения и зыби по многим причинам изучены слабо. Разделение волновых систем по волнографным записям неосуществимо, а визуальные наблюдения в этом отношении еще менее достоверны, чем при определении высот и периодов волн. По нашим подсчетам, только 10—15% судовых телеграмм содержат группу зыби, что в несколько раз ниже ее фактической повторяемости. По визуальным наблюдениям, сопровождавшим волнографные измерения в Баренцевом и Норвежском морях (следовательно, выполненным более целенаправленно), наличие зыби или смешанного волнения установлено в 46 % случаев.

Описание режима зыби и смешанного волнения с использованием расчетных методов также затруднено. Затухание зыби редко удается проследить по данным наблюдений, оно изучено недостаточно, и применяемые методы его расчета обоснованы значительно хуже, чем для развивающегося и установившегося ветрового волнения. Повторяемость зыби зависит главным образом от изменений полей ветра в пространстве и времени. Можно различать приходящие волны зыби, обусловленные существованием зоны шторма за пределами рассматриваемого района, и местные, вызванные изменением направления ветра в точке наблюдений.

Рис. 8.2. Типовые синоптические положения, вызывающие штормовое
волнение в Баренцевом море (холодное полугодие)..

Рис. 8.2. Типовые синоптические положения, вызывающие штормовое
волнение в Баренцевом море (холодное полугодие)..

По предложенной в МФ ДАНИИ методике [104] были выполнены расчеты повторяемости зыби различных направлений для нескольких районов Баренцева моря с использованием синоптической типизации из работы [18]. Их результаты представлены на рис. 8.3. Следует отметить, что сумма по всем направлениям может превысить общую повторяемость зыби и смешанного волнения в данном районе, так как расчетный метод допускает суперпозицию систем зыби от разных направлений. Результаты расчетов подтверждают, что наибольшей повторяемостью зыби отличаются западные районы моря, где особенно велик вклад волнения от юго-запада. Повторяемость зыби со стороны берега или кромки льда, как правило, незначительна. 

Штормы на Баренцевом море отличаются значительной межгодовой изменчивостью, однако выявить долгопериодные изменения штормовой активности можно только косвенным путем, по данным береговых станций с продолжительными рядами наблюдений. В работе [23] для Баренцева моря установлены периоды повышенной штормовой активности в 1922—1930, 1944—1956, 1968—1977 гг. и пониженной — в 1931—1943, 1957—1967 гг. Сведения о многолетнем ходе средних годовых и средних месячных скоростей ветра приведены в части I «Метеорологический режим» данной работы.

Материалы наблюдений по открытому морю не обнаруживают заметных изменений повторяемости или интенсивности штормовых условий (по крайней мере, за последние 30 лет). В работе [18] описаны, как наиболее сильные за 50-е и начало 60-х годов, штормы в Баренцевом море, наблюдавшиеся 30 декабря 1955 г., 10 февраля 1960 г. и 22—23 февраля 1962 г. Максимальная рассчитанная высота волн (1 %-ной обеспеченности) достигала в этих случаях 9—И м.

Рис. 8.3. Средняя годовая повторяемость волн зыби по направлениям, %.

В табл. 8.1 представлены сведения об экстремальных штормах за 1955—1984 гг., полученные по материалам синоптического архива. Начиная с 1969 г. данные визуальных определений высот волн наносятся на синоптические карты, что позволяет считать выборку за этот период более объективной. Расчеты полей волнения во время шторма, выполненные по методу ГОИНа — Союзморниипроекта, (с учетом фактической продолжительности штормового ветра) дают результаты, близкие к полученным в работе [18] (максимальная высота волн 3 %-ной обеспеченности около 10 м). При этом следует учитывать, что зоны максимальной скорости ветра и высот волн обычно невелики и часто не освещены судовыми наблюдениями.

Установив соответствие между полями приземного давления, относящимися к рассматриваемому шторму, и типовыми синоптическими картами [18, 321], можно приближенно установить положение зоны штормового волнения и максимальные высоты волн в ее пределах. Однако синоптическая типизация не позволяет в полной мере описать разнообразие реальных полей ветра и волнения. На Баренцевом море развитие шторма обычно сопровождается быстрым перемещением вызвавшего его циклона, при этом происходит непрерывная перестройка полей волн, часто возникает смешанное волнение. Наибольшей высоты волны достигают в тылу циклонов, движущихся над центральной или северной частью моря преимущественно в юго-восточном направлении. Два характерных примера таких циклонов показаны на рис. 8.4, 8.5. Шторм 3—4 января 1974 г., кроме того, подробно описан в работе [106].

Как видно из табл. 8.1, между максимальной скоростью ветра, высотой волн и градиентами давления в области шторма нет полного согласования, что объясняется недостаточной репрезентативностью судовых наблюдений и невысокой точностью построения карт барического поля над морем. Поэтому не исключено, что за рассмотренный 30-летний период могли быть и другие, не менее сильные штормы.

Рис. 8.4. Синоптическая карта за 18 ч (по Гринвичу)24 февраля 1972 г.

Таблица 8.1 Сведения о наиболее сильных штормах в Баренцевом море за 1955—1985 гг.

Таблица 8.2 Некоторые характеристики штормового ветра и волнения в Баренцевом море за 1969—1983 гг.

Обзор сведений о максимальной высоте волн в Баренцевом море, полученных как по данным измерений, так и расчетным путем, содержится в работе [105]. Показано, что измеренные в разных морях высоты волн до 10—12 м не следует считать предельно возможными, так как волнообразующие факторы при этом не были экстремальными (дополнительные сведения о результатах инструментальных наблюдений последних лет приведены в п. 8.3).

Максимальные высоты волн, отмеченные по данным визуальных судовых наблюдений, достигают значений 10 м и более лишь в исключительных случаях. В табл. 8.2 приведены результаты выборки сезонных максимумов ветра и волнения за 15-летний период, полученной на основе этих данных. Если учесть, что сведения табл. 8.2 относятся не к определенным точкам или районам моря, а ко всей его акватории, то высоты волн с вероятностью появления 1 раз в год, по-видимому, не превышают 8 м. Соответствующая этому значению средняя высота составляет от 4 м для обеспеченности визуальных определений 3—5 % до 5,5 м для обеспеченности 16,7% (1/3 самых высоких волн). Этот результат не противоречит расчетным максимумам, показанным на картах справочника [66], однако по другим оценкам такие максимумы могут быть значительно выше (см. п. 8.3). Отметим также, что абсолютный максимум, равный 13 м, был зафиксирован 2 января 1975 г. в 15 ч (мск) в точке с координатами 71° 30' с. ш., 48° 00' в. д. при северо-западном ветре 22,5 м/с. Он недостаточно достоверен, так как других наблюдений в юго-восточной части моря за этот срок не было, а в последующие сроки, при изменении направления штормового ветра (южный, 20 м/с), отмечалась высота волн 6—7 м.

Данные табл. 8.1 и 8.2 свидетельствуют о том, что режим ветра и волнения Баренцева моря в последние десятилетия был сравнительно устойчив, и усиление штормовой деятельности, отмеченное на некоторых морях [157], его не затронуло. Это не исключает его возможных будущих изменений, особенно в связи с прогнозируемыми тенденциями изменений климата и ледовых условий.

 

8.3. Режимные функции распределения элементов волн

 

Для описания режима волнения обычно используются режимные (или климатические) функции распределения элементов волн. Разработан ряд методов, позволяющих получать эти данные на основе расчетов по синоптическим картам или анализа многолетних рядов судовых наблюдений.

В первом случае [301] рассматриваются все синоптические карты за промежуток времени, составляющий rte менее 10 лет. Расчет ветра и волн проводится для однородных в синоптическом отношении районов, в пределах каждого из которых направление и скорость ветра изменяются в небольших пределах. Для выделенных районов выполняется типизация полей ветра, учитывающая все сочетания направления (по восьми основным румбам) и скорости (с интервалом 5 м/с). Далее для каждого синоптического типа рассматривают соответствующие ему элементы волн в заданных точках, определяют повторяемость типовых синоптических положений, и по этим данным находят функции распределения высот и периодов волн. Особенностью этой методики является то, что разнообразие скоростей и направлений ветра, возможных в реальных условиях, сводится к ограниченному набору типовых полей с постоянными скоростями ветра над всей акваторией моря или в рассматриваемом его районе (расчет проводится по «замороженной карте»). Для районов, плохо освещенных судовыми наблюдениями, этот способ дает наиболее достоверные результаты.

Другая методика расчета основывается на выборке наиболее сильных штормов из всего доступного синоптического архива (обычно за 30—40 лет). В качестве порогового уровня скорости ветра можно принять значение 15 м/с. Расчет проводится по срочным синоптическим картам, с учетом нестационарности полей ветра. Этот способ менее трудоемок, позволяет легко продлевать ряды исходных данных. Вместе с тем значительная пространственно-временная изменчивость скорости ветра и неравномерное распределение судовых гидрометеорологических станций по акватории моря приводят к тому, что определенная часть информации о штормовых условиях может не попасть на синоптические карты. Применительно к Баренцеву морю расчет режимных характеристик волнения по данным о наиболее сильных штормах обычно дает высоты волн редкой повторяемости, меньшие по сравнению с результатами расчетов по другим методам.

В качестве самостоятельного или дополнительного к первым двум методам используется способ получения режимных характеристик путем обобщения данных систематических визуальных наблюдений элементов волн, выполняемых на судовых гидрометеорологических станциях. Расчеты режимных характеристик проводятся при определенной пространственной группировке данных с использованием зависимостей, связывающих визуальные оценки высот волн с их истинными значениями. Вопросы использования судовых наблюдений для описания режима волнения подробно рассмотрены в работе [91].

Следует иметь в виду, что результаты расчета, полученные любым из перечисленных методов, можно использовать только для освещения основных черт ветро-волнового режима морей. При определений характеристик ветра и волн для проектирования гидротехнических сооружений и средств океанотехники, особенно в районах моря со сложной морфометрией дна, необходимо выполнение специальных исследований, включающих инструментальные измерения морского волнения.

В данной работе расчеты режимных характеристик волнения Баренцева моря выполнены с использованием методики ГОИНа [301]. Ранее на ее основе были получены детализированные сведения о режиме волнения двух шельфовых районов моря, представленные в работе [66]. Для остальной акватории моря, на которую приходится около 90 % его площади, специализированная синоптическая типизация не проводилась, поэтому мы воспользовались результатами более ранней работы [18]. Сведения о повторяемости типовых полей ветра были уточнены по данным о режиме ветра над морем, содержащимся в метеорологическом выпуске справочника [66].

Рис. 8.6. Высота Лз% (У) и средний период (2) волн 1 %-ной режимной обеспеченности по сезонам..

Для расчетов были заданы 15 точек, которые в открытой глубоководной части моря образуют равномерную сетку, а на юго-востоке выбраны таким образом, чтобы лучше отразить пространственную изменчивость режима волнения (рис. 8.6). В данном случае задача районирования Баренцева моря по условиям волнообразования не ставилась.

В наиболее штормовые месяцы года свободная ото льда часть моря представляет собой своего рода залив, граница которого на севере и на востоке образована кромкой льда с присущей ей межгодовой и короткопериодной изменчивостью (рис. 8.6, см. гл. 9). Режим волнения этой акватории довольно однороден. При его рассмотрении необходимо учитывать, что кромка льда несопоставима с твердой границей, так как наличие языков дрейфующего льда, разводий, зон льда различной сплоченности создает разнообразие условий волнообразования, не поддающееся количественному учету при описании волнового режима.

Отметим также, что районирование моря, представленное в некоторых справочных пособиях (в частности, три крупных района в справочнике [52] и одиннадцать— в работе [302]), недостаточно согласуется с реальной пространственной изменчивостью режима волнения. Так, по данным работы [52], южная часть Баренцева моря (район I) от сезона к сезону оказывается то более, то менее штормовой, чем центральная часть (район II), но в целом различия между ними невелики. В то же время режим волнения другой смежной акватории, Воронки Белого моря, по данным того же справочника, резко отличается от района I, хотя по режиму скорости ветра эти районы сходны.

При расчетах задавалось положение кромки льда, соответствующее минимальному распространению ледяного покрова, осредненному за 3 мес рассматриваемого сезона. Это позволяет более полно охарактеризовать режим волнения в годы с легкими ледовыми условиями, так как разность между средней и минимальной ледовитостью моря составляет в отдельные месяцы от 15 до 30 % его площади (200—400 тыс. км2). При этом возрастают разгоны волн по сравнению с их средними многолетними значениями, что приводит к увеличению расчетных высот волн, составляющему по нашим оценкам, около 5 %. Для периодов это увеличение несколько меньше.

Результаты проведенных нами расчетов представлены на рис. 8.6 в виде карт высот и периодов волн 1 %-ной режимной обеспеченности по календарным сезонам и в табл. 8.3, где высоты волн даны для нескольких значений режимной обеспеченности. В целом они хорошо согласуются с данными работ [52] и [66]. Повторяемость штормового волнения возрастает с востока на запад, что в основном определяется более высокой повторяемостью сильного ветра и в меньшей степени — увеличением разгонов со стороны открытого моря.

Таблица 8.3 Сезонные значения высот волн различной режимной обеспеченности.

В связи с проектированием стационарных шельфовых сооружений возникла необходимость в расчетах высоты волн, возможной 1 раз в заданное число лет. Эту характеристику определяют путем подбора закона многолетнего распределения высот волн и его экстраполяции в область малых обеспеченностей. Как показал опыт освоения шельфа, в некоторых районах Мирового океана (Северном море, Мексиканском заливе) измеренные высоты волн уже в первые годы эксплуатации стационарных сооружений значительно превысили расчетные максимумы [91]. Для Баренцева моря сопоставимых натурных данных пока нет, поэтому к оценкам, полученным расчетным путем, необходимо относиться критически. В нашей стране используются две методики получения таких оценок.

Методика ГОИНа [301] основывается на задании распределения высот волн законом Вейбулла

.

 

Величина F (h ) связана с заданным числом лет q соотношением

.

Это соотношение соответствует 4-срочным наблюдениям, выполняемым с дискретностью 6 ч. Для сезонных максимумов N=90, и, следовательно, высота волн, возможная 1 раз в год, имеет режимную обеспеченность 0,28%. При учащении наблюдений F (А) соответственно уменьшается. Учитывая инерционность ветрового волнения, можно полагать, что 6-часовой интервал достаточен для выявления максимальных высот волн.

В работах ЛОГОИНа [89, 91] показано, что для малых режимных обеспеченностей многолетнее распределение высот волн отклоняется от закона Вейбулла и подчиняется логарнфмически-нормальному закону в виде

.

Высоты волн, возможные 1 раз в заданное число лет, рассчитываются, как и в предыдущем случае, с учетом выражения (8.2).

Использование формулы (8.3) приводит к увеличению расчетных максимумов высот волн по сравнению с расчетами по (8.1), которое для Аз% и повторяемости 1 раз в 100 лет достигает 4 м [89]. Вместе с тем возможны и другие причины расхождений результатов расчетов, выполненных разными методами. Логарифмически-нормальное распределение очень чувствительно к изменениям параметра s, которые не всегда носят закономерный характер Гак, по данным, приведенным в гл. 8 монографии [91]. этот параметр на разных морях от зимы к лету может либо возрастать, либо убывать, либо оставаться неизменным, тогда как годовой ход высот волн везде выражен достаточно хорошо. Если многолетняя изменчивость параметра s лежит в пределах от 1,6 до 2,0, то верхнему пределу соответствует значение сезонного максимума высот волн, возможного 1 раз в 100 лет, равное 7,5 h 0.5, нижнему— 12,4 h 0.5.

Интегральные функции распределения (8.1), (8.3) строят на соответствующих функциональных сетках, позволяющих представить функции F (h ) в виде прямых линий. При спрямлении нередко трудно отличить случайные отклонения отдельных точек, неизбежно возникающие при статистической обработке данных о повторяемости высот волн, от систематических отклонений, требующих пересмотра аналитического выражения закона распределения или уточнения его параметров. Как показал опыт наших расчетов по методике ГОИНа, полученные функции распределения удовлетворительно спрямляются на билогарифмической сетке закона Вейбулла и несколько хуже — на сетке логарифмически-нормального закона

Расхождения в аппроксимации режимных распределений элементов волн можно объяснить тем, что закон Вейбулла применяют к результатам расчетов по полям ветра, а логарифмически-нормальный — к статистике визуальных судовых наблюдений. В первом случае учитывается только ветровое волнение, во втором — суммарные характеристики смешанного волнения, что должно особенно заметно сказываться на виде функции распределения в области больших обеспеченностей  F(h) ≥50% . Результаты приведенных здесь расчетов (см. табл. 8.3) в целом неплохо согласуются с данными справочника [52], полученными по массиву судовых наблюдений, но в области больших обеспеченностей систематически отклоняются от них в сторону занижения. Вместе с тем при оценке максимальных высот волн можно с полным основанием ограничиться рассмотрением ветрового волнения, так как при переходе ветровых волн в зыбь их высота не возрастает, а при смешанном волнении высота волн в шторме близка к высоте преобладающей волновой системы.

Основываясь на методике ГОИНа, нетрудно получить максимумы заданной повторяемости по исходным данным, содержащимся в табл. 8.3 (ежегодные максимумы высот волн близки к средним между значениями с обеспеченностями 1 % и 0,1 %, столетние превышают 0,1 %-ные в 1,3—1,4 раза). Результаты расчетов здесь не приводятся, так как, во-первых, они почти не отличаются от аналогичных данных, содержащихся в работе [66], и, во-вторых, при современном состоянии изученности режима волнения точность таких оценок не может быть высокой.

Для того чтобы получить представление о возможных пределах названных характеристик, приведем здесь оценки расчетных максимумов высот волн (h 3% ) которые были получены в ЛО ГОИНе (И. Н. Давидан и др., 1985) путем статистической обработки данных судовых наблюдений. Для наиболее штормового зимнего сезона на крайнем западе моря ежегодные максимумы достигают 11 (10—12), а столетние — 23 (19—27) м (в скобках указан 95%-ный доверительный интервал). В более восточных районах интенсивность штормового волнения ниже. В центральной части моря соответствующие значения составляют 8 (7—9) и 16 (13— 19) м, восточнее о. Колгуев — 6 (5—7) и 12 (10— 14) м. Сопоставляя эти оценки с результатами наших расчетов, можно убедиться, что ежегодные максимумы хорошо согласуются, тогда как столетние, найденные с использованием закона Вейбулла, лежат примерно на нижней границе доверительного интервала, полученного по методике ЛО ГОИНа.

Более полные сопоставления многолетних распределений элементов волн, рассчитанных разными методами, также позволяют прийти к выводу, что для режимных обеспеченностей не менее 1 % эти распределения установлены достаточно достоверно, тогда как в области малых обеспеченностей сохраняется значительная неопределенность. Чтобы ее уменьшить, необходимо организовать многолетние систематические инструментальные наблюдения на сооружениях морской нефтегазодобычи. В настоящее время такие работы на Баренцевом море начаты силами Арктической морской инженерно-геологической экспедиции (Мурманск) с использованием струнных волнографов ГМ-61. В 1985—1987 гг. получены серии измерений в открытых районах моря продолжительностью от нескольких суток до 2 мес, сопровождавшиеся метеорологическими наблюдениями по программе судовой гидрометеорологической станции (в том числе визуальными определениями элементов волн в синоптические сроки). По сведениям, содержащимся в отчетах экспедиции (В. В. Галушко, В. А. Павлов и др.) за первые 2 года работ, ветро-волновые условия были близки к расчетным средним многолетним, тогда как в 1987 г. в районе к северу от п-ва Канин дважды отмечены исключительно сильные штормы: 29—30 октября и 2—4 декабря со средней высотой волн 5,0 и 5,2 м соответственно. Во втором случае максимальная высота единичной волны составила 13,6 м, что превышает все известные нам прежние измеренные максимумы. Основываясь на данных работы [66], декабрьский шторм можно оценить как возможный 1 раз в 10 лет.

На Баренцевом море пока нет стационарных шельфовых сооружений, а буровые суда и установки не обеспечивают непрерывность наблюдений в определенном районе. Поэтому задача получения многолетних распределений по натурным данным еще далека от решения. Кроме того, появление нового вида наблюдений требует совершенствования системы сбора информации и создания банк

 

8.4. Спектральные характеристики ветрового волнения

 

Понятия высоты и периода волн, важные в практическом отношении, не позволяют однозначно описать процесс ветрового волнения, который не является периодическим. Наиболее полной характеристикой волновых колебаний является двумерный энергетический спектр Sj?(co, 0), где SE— спектральная плотность энергии, приходящаяся на колебания с круговой частотой со и направлением распространения 0. Средние высота и период видимых волн связаны со спектральной плотностью следующими соотношениями:

.

Волнографные измерения, представляющие собой запись колебаний водной поверхности в фиксированной точке, не позволяют выявить распределение волновой энергии по направлениям, и по ним можно рассчитать только частотный спектр SE(со). Для перехода от частотного спектра к двумерному вводится безразмерная величина DE — функция углового распределения энергии, по определению

.

Представление о двумерном спектре позволяет описать процесс развития, распространения и затухания ветрового волнения на основе уравнения баланса волновой энергии в спектральной форме

.

функция источников и стоков энергии, важнейшими из которых являются поступление энергии от ветра, ее потери вследствие обрушения гребней волн и турбулентной диссипации, перенос энергии, обусловленный нелинейными взаимодействиями в спектре.

Уравнение (8.7) записано для условий глубокой воды, при которых скорость распространения спектральных составляющих зависит только от частоты:

.

что аналогично известному соотношению, связывающему период и фазовую скорость видимых волн

 В двух частных случаях можно получить простые аналитические решения уравнения (8.7), имеющие наглядный физический смысл. При отсутствии поступления и потерь энергии, т. е. при6’ = 0, уравнение описывает распространение волн мертвой зыби в линейном приближении и без учета сил вязкости. В этом случае локальные изменения спектральной плотности полностью уравновешиваются ее адвекцией, и спектральная плотность, рассматриваемая в лагранжевых координатах, остается постоянной. Вместе с тем спектр волн зыби при их распространении претерпевает ряд изменений, обусловленных частотной и угловой дисперсией (зависимостью скорости переноса энергии от частоты и направления движения спектральной составляющей) .

Наличие дисперсии скоростей приводит к тому, что в точку, находящуюся за пределами области генерации волн, первыми приходят волновые колебания с наибольшими периодами, и спектральный максимум в начальные моменты времени приходится на область низких частот. По мере подхода все более короткопериодных составляющих происходит смещение максимума в сторону высокочастотного участка спектра. Дисперсия направлений в спектре волн связана с наличием составляющих, движущихся под углом к направлению ветра, и при распространении зыби проявляется в расширении фронта волновой энергии.

Сужение частотного и углового спектра, обусловленное дисперсией, приводит к уменьшению энергии и, следовательно, высот волн зыби при их распространении. На основе этих представлений разработаны методы расчета и прогноза зыби в океанах [198, 272]. Для Баренцева моря возможности использования этих методов ограничены, так как случаи распространения зыби из удаленной области шторма при отсутствии местного ветра сравнительно редки. Здесь, как правило, наблюдаются системы волн зыби в смешанном волнении при изменениях направления ветра во время прохождения циклонов.

Начальная стадия развития ветрового волнения, когда нелинейными взаимодействиями и потерями энергии можно пренебречь по сравнению с ее поступлением от ветра, описывается уравнением баланса энергии в виде

.

Решение уравнения (8.9) при постоянной скорости ветра определяет две области — развивающегося ветрового волнения, спектральная плотность которого зависит только от времени, и установившегося, спектральная плотность которого изменяется только вдоль разгона. Это аналогично решению уравнения баланса энергии регулярного двумерного волнения, полученному В. В. Шулейкиным [401], а также эмпирическим зависимостям метода ГОИНа — Союзморниипроекта [315].

В общем случае, когда необходимо учитывать все основные составляющие баланса энергии, аналитическое решение уравнения (8.7) можно получить лишь при ряде упрощающих допущений, что рассмотрено в работе [88]. При расчете реальных полей волнения с учетом изменений скорости и направления ветра и начального распределения спектральной плотности должны использоваться конечно-разностные методы или численные алгоритмы, реализующие аналитическое решение шагами по времени [92, 103].

 Решение уравнения баланса энергии является наиболее общим подходом, позволяющим описать двумерный спектр ветрового волнения с учетом всех влияющих факторов. Однако закономерности формирования спектров волн изучены еще недостаточно, и, кроме того, в реальных условиях такие расчеты слабо обеспечены исходными данными. Поэтому для решения ряда прикладных задач, требующих задания спектра волн (например, при расчетах качки судов) используются те или иные эмпирические соотношения. Как правило, при этом рассматривается в соответствии с формулой (9.6) произведение частотного спектра и функции углового распределения. Обзоры эмпирических зависимостей, полученных разными авторами для S E (ω ) и D E (ω , θ), приведены в работах [1, 90].

 Все эмпирические зависимости сходным образом описывают основную особенность частотного спектра ветрового волнения — наличие максимума энергии, соответствующего периоду, на 20—25 % превышающему средний период видимых волн. От этого максимума спектральная плотность энергии резко убывает в сторону низких частот и более плавно — в сторону высоких. В ряде случаев на более высоких частотах отмечаются вторичные максимумы, которые объясняются либо одновременным развитием двух систем ветровых волн [193], либо различиями в балансе энергии отдельных областей частотного спектра [91]. Наиболее устойчивой характеристикой спектра ветрового волнения является так называемый равновесный участок на высоких частотах, где поступление энергии уравновешено ее потерями, обусловленными неустойчивостью волнового движения (что выражается в разрушении гребней волн). В этой частотной области [91] функция спектральной плотности имеет вид

.

Необходимо отметить, что эмпирические формулы применимы только при простых условиях волнообразования, когда ветер устойчив по скорости и направлению. В смешанном волнении двумерный спектр содержит два или более максимумов спектральной плотности, которые на частотном спектре могут полностью или частично перекрываться, а развитие волн при переменном ветре приводит к тому, что спектральный максимум становится менее выраженным. С этим может быть связано и появление вторичных максимумов.

Частотные спектры, рассчитанные по волнограммам, полученным в Баренцевом море, для вывода эмпирических соотношений не использовались. В целом они подтверждают известные закономерности, однако их зависимость от условий волнообразования не поддается количественной оценке. Для смешанного волнения такая задача вообще не ставится. Системы волн могут быть разделены в частотном спектре только при условии, что они заметно различаются по частоте. Такой тип волнения часто наблюдается в районах океанов с высокой повторяемостью длиннопериодной зыби, но в Баренцевом море крайне редок, и практически ни в одном случае по частотным спектрам не удалось достоверно выделить отдельные волновые системы.

По данным визуальных наблюдений, сопутствовавших записям волнения, с учетом синоптических ситуаций и с использованием известного соотношения между скоростью ветра и высотой предельно развитых ветровых волн были отобраны случаи чисто ветрового волнения при простых условиях волнообразования. Несколько характерных частотных спектров показано на рис. 8.7 (дополнительные сведения к рис. 8.7, 8.9 и 8.10 приведены в табл. 8.4). Эти примеры свидетельствуют, что в спектрах ветрового волнения возможны как хорошо выраженные вторичные максимумы, так и полное их отсутствие при незначительных нарушениях монотонности графика спектральной плотности.

Продолжительные записи волнения разбивались на несколько участков, каждый из которых подвергался спектральному анализу. При этом амплитудные характеристики оказались более изменчивы, чем частотные, но вторичные максимумы' сохранялись на всех участках рассмотренных волнограмм. Можно предположить, что изменчивость поля ветра в реальных условиях приводит к разнообразию спектров волн, которое удовлетворяет любым аппроксимациям лишь в первом приближении

Выражение (8.10) для равновесного участка спектра также выполняется точно лишь при осреднении большого числа спектров. В каждом отдельном случае спектральная плотность может существенно отклоняться от равновесного значения, что подтверждается данными, представленными на рис. 8.8.

Для спектров волн зыби характерны концентрация энергии в узкой полосе частот и отсутствие вторичных максимумов. Этот тип волнения в Баренцевом море в чистом виде наблюдается редко, хотя повторяемость зыби в смешанном волнении высока (см. рис. 8.4). Даже при скорости ветра менее 5 м/с на частотных спектрах прослеживаются вторичные максимумы, не носящие закономерного характера и не связанные с местным ветром (рис. 8.9).

В некоторых случаях записи волнения, выполненные в одной точке, позволяют проследить изменения частотного спектра во времени. Сопоставляя спектры, полученные по натурным данным и рас считанные по уравнению баланса волновой энергии, можно оценить вклад тех или иных составляющих баланса в развитие спектра [92]. Однако из-за недостатка данных о поле ветра над морем такие оценки могут быть только приближенными. Записи развивающегося волнения сравнительно многочисленны, но развитие волн, как правило, происходит при переменном ветре, что не позволяет выявить общие закономерности изменений спектра. Более просты и наглядны случаи перехода ветрового волнения в зыбь. Если ветер ослабел за короткое время, вкладом адвективных составляющих в первом приближении можно пренебречь и считать, что перестройка спектра вызвана только изменениями составляющих правой части уравнения (8.7).

Рис. 8.7. Примеры частотных спектров ветрового волнения при простых условиях волнообразования с отсутствующим (а—в) и хорошо выраженным (г—е) вторичным максимумом.

Рис. 8.7. Примеры частотных спектров ветрового волнения при простых условиях волнообразования с отсутствующим (а—в) и хорошо выраженным (г—е) вторичным максимумом.

На рис. 8.10 показаны три пары спектров ветрового волнения и зыби, полученных с разницей во времени от 3 до 8 ч (см. табл. 8.4). Во всех случаях изменения спектра сходны. Прекращение действия ветра сопровождается потерями энергии на всех частотах, причем частота спектрального максимума при переходе ветровых волн в зыбь остается прежней. Не установлено преобладающего ослабления в области высоких частот и притока энергии к низким частотам, что свидетельствует о слабом влиянии турбулентной вязкости и переноса энергии нелинейными взаимодействиями на формирование спектра зыби.

Рассмотренные случаи характерны именно для Баренцева моря, где при прохождении глубоких циклонов происходит быстрая перестройка полей ветра и волнения. Распространение и затухание зыби в океанах происходит в более крупных пространственно-временных масштабах, и для океанской зыби соотношение между влияющими факторами может быть другим.

Рис. 8.8. Высокочастотные участки спектров ветрового волнения в Баренцевом море.

Рис. 8.9. Примеры частотных спектров волн зыби.

>

Рис. 8.10. Изменения частотного спектра при переходе ветрового волнения в зыбь.Сведения о волнограммах см. в табл. 8.4.

Таблица 8.4 Сведения о волнограммах к рис. 8.7, 8.9, 8.10.