Инструментальные наблюдения за полем волнения в Центральной части Каспийского моря с притопленных буйковых станций

• Автор: Амбросимов, Сергей Альбертович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПОЛЕМ ВОЛНЕНИЯ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ С ПРИТОПЛЕННЫХ БУЙКОВЫХ СТАНЦИЙ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава I. РЕЖИМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ В КАСПИЙСКОМ МОРЕ
1.1 Ветровое волнение
1.2. Ветер
1.2.1 Оперативные характеристики ветра
1.2.2 Экстремальные характеристики ветра
1.3 Ветровое волнение
1.3.1 Оперативные (режимные) характеристики волнения
1.3.2. Экстремальные характеристики волнения
Глава И. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛНЕНИЯ В ОТКРЫТОМ МОРЕ
2.1. Общие требования к измерителям волнения
2.2. Электродные и емкостные датчики давления
2.3. Плавающий волнограф
2.4. Радиолокационный метод измерения волнения
2.5. «Доплеровские» измерители волнения
2.6. Волнограф на базе датчика гидростатического давления
2.6.1 Волнографы-мареографы ГМУ-2 и ВМ
2.6.2 Методика пересчета пульсаций давления в характеристики волнения
2.6.3 Установка и конструктивное исполнение датчиков гидростатического давления
2.6.4 Измерение характеристик ветрового волнения при помощи датчика
давления, установленного в толще воды на притопленном буе
2.6.5 Сравнительные испытания измерителей волнения различного типа
2.7. Метод измерения волнения с притопленной буйковой станции (ПБС)
2.8. Автоматическая передача информация с ПБС в береговую лабораторию по
SMS каналу, сотовой связи или через спутник
Глава III. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА НАТУРНЫХ ДАННЫХ

3.1. Теория передачи волнового давления в глубину моря
3.2. Затухание волн на мелкой и глубокой воде
3.3. Метод пересчета данных пульсаций волнового давления в частотный спектр поверхностных волн
Глава IV. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНЕНИЯ В
ГЛУБОКОВОДНОЙ ЧАСТИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ
4.1. Характеристики волнения на полигоне «Ялама»
4.1.1. Згшне-весенний сезон 2005 года
4.1.2. Весенне-летний сезон 2005 года
4.2. Характеристики волнения на полигоне «Центральный»
4.2.1. Зимне-весенний сезон 2005 года
4.2.2. Летне-осенний период 2005 года
4.2.3. Осенне-зимний сезон 2005-2006
4.2.4. Весенне-летний сезон 2005 года
4.3. Сезонная изменчивость ветрового поля в центральной части Среднего Каспия
Глава V. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
5.1. Сравнение модельных расчетов ветрового волнения с инструментальными
наблюдениями для глубоководной части моря
5.2. Совместные характеристики ветра и волнения
5.3. Оперативные статистики волнения
5.4. Экстремальные характеристики волнения
5.5. Оценка сезонной штормовой активности Каспийского моря
5.6. Климатические спектры волнения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные выводы работы
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ.
Постановка задачи и общая характеристика работы.
Достоверное описание характеристик поверхностных волн в море крайне важно для обеспечения всех видов морской деятельности, таких как, морское судоходство, рыболовство, разведки и добычи полезных ископаемых, строительства технических сооружений на шельфе и в открытом море. Наибольшую ценность для практического использования представляет

прогноз ветрового волнения, включающий как пространственно-временные распределения основных волновых параметров, так и оценки экстремальных волн, представляющие опасность для мореплавания, разрушение морских платформ и прибрежных сооружений и т.д. Для повышения достоверности прогноза необходимо точное знание климатических характеристик ветрового волнения, которые в свое время развивались в работах [89,103,121,132,140]. Из существующих на сегодняшний день источников информации о ветровых волнах, наиболее развитыми являются попутные судовые наблюдения, которые имеют наибольшую длительность и обеспечивают изначально независимые оценки высот и периодов ветровых волн и зыби. Эти наблюдения подробно исследовались в работах [84,102,106,107,124,139]. Однако визуальные наблюдения за волнами характеризуются высоким уровнем погрешностей и неопределенностей в оценках отдельных параметров волнения, достигающих 30-50% по высотам волн и нескольким секундам по периодам. В последнее время были созданы высокоточные глобальные ветро-волновые модели (WAM, WaveWatch, SWAN, модель Гидрометцентра России и ГОИНа, модель ААНИИ и другие), которые рассчитывают волнение по полю скорости ветра.
В последнее время широкое развитие получили спутниковые методы измерения волнения, которые имеют большие перспективы для оценок ветрового волнения. Однако, несмотря на явные успехи науки в области прогнозирования волнения с помощью математических моделей и наблюдением из космоса, прямые инструментальные измерения являются наиболее точными и позволяют получать статистические характеристики волнения, в том числе экстремальных волн.
Современное развитие научной и практической деятельности человека на морях и океанах предъявляет серьезные требования к знанию и прогнозированию аномальных природных явлений, в основном, связанных с жестокими морскими штормами.
Пространственно-временная изменчивость поля волнения и ветра в море являются одними из наиболее значимых компонентов этой системы, которые позволяют получить оценку прогнозов экстремальных динамических и экологических условий и возможности принятия своевременных практических решений для безопасного мореплавания, прибрежного хозяйствования, строительства и эксплуатации нефтегазовых месторождений в море и др.
Ветровое волнение высотой 7-8 метров, которое в течение двух лет наблюдений фиксировалось нами в центральной части Среднего Каспия, во многом определяет условия формирования верхнего слоя воды в море, глубину залегания термоклина, представляет собой важный рельефообразующий фактор в прибрежной зоне моря. Над районами Среднего Каспия часто устанавливаются сильные и штормовые ветры со скоростью более 20 м/с и

• - резисторного типа, когда перемещение мембраны под действием волнового давления вызывает изменение сопротивление резистора, а, следовательно, и протекающего через него тока;
• - тензометрического, когда под действием волнового давления изгибается тензодатчик, изменяя свое сопротивление, а, следовательно, и ток в цепи;
• - кварцевого датчика, у которого под действием давления изменяется частота собственных колебаний.
Судовые волнографы применяются с дрейфующих или заякоренных судов. Датчик волнового давления связан тросиком с поплавком плавающим на поверхности. Давление волн, которое передается вглубь воды, давит на мембрану или на тензодатчик или кварцевую пластину, которые преобразуют изменение давления в электрический или частотный сигнал. Судовые волнографы регистрируют волны любых размеров во время слабых и средних штормов. Во время сильных штормов судно, связанное с волнографом тонкой линией связи, сильно дрейфует по ветру, таща за собой поплавок волнографа, тем самым вносит сильные искажения в измеряемое волнение. К тому же, свободноплавающие волнографы, с внутренней регистрацией, во время шторма может просто унести в море.
Существовали разработки и радиоизмерителей волн, которые предназначались для измерения характеристик волнения в глубоководных районах морей и океанов с помощью плавающих волнографов и передачей информации по радиоканалу на борт обеспечивающей лаборатории. Эта аппаратура, например ГМ-32, должна обеспечивать дистанционное измерение высот волновых колебаний в диапазоне от 0,2 до 20 м и периодически регистрировать элементы волн в течение примерно нескольких суток сеансами продолжительностью по 25 мин с интервалами между ними 25 мин или непрерывно в течение трех суток на расстоянии до нескольких км. Т.е. в открытом море эти измерения должно контролировать обеспечивающее судно [96].
2.4. Радиолокационный метод измерения волнения.
Радиолокационный метод измерения высот волн, реализуемый с помощью волноизмерительной приставки к судовой радиолокационной станции, обеспечивает измерение колебаний морской поверхности по площади, размеры которой определяются длительностью излучаемого импульса, шириной диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и временем задержки строба, которым задается расстояние до площадки, на которой ведется измерение. Т.е. радиолокационный метод измерения как бы эквивалентен методу измерения с помощью множества волнографов, размещенных по