Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Моделирование ветрового волнения. Численные расчеты для исследования климата и проектирования гидротехнических сооружений
ВАК РФ 25.00.28, Океанология
Автореферат диссертации по теме "Моделирование ветрового волнения. Численные расчеты для исследования климата и проектирования гидротехнических сооружений"
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) Государственное учреждение «Государственный океанографический институт» (ГУ «ГОИН»)
На правах рукописи
ООЗОВ"7622
КАБАТЧЕНКО ИЛЬЯ МИХАИЛОВИЧ
Моделирование ветрового волнения. Численные расчеты для исследования климата и проектирования гидротехнических сооружений
Специальность: 25.00.28 - океанология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
МОСКВА 2006
003067622
Работа выполнена в Государственном Учреждении «Государственный океанографический институт» (ГУ «ГОИН») РОСГИДРОМЕТА.
Научный консультант - доктор физико-математических наук,
академик РАН В.Е. Захаров
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук К. В. Показеев Доктор физико-математических наук С. Ю. Кузнецов Доктор технических наук Г. И. Литвиненко
Ведущая организация - Московский Государственный Строительный Университет
Защита состоится «/ Y» 2007 г. в «/У » часов на заседании
Диссертационного совета Д002.239.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН по адресу: 117851, Москва, Нахимовский пр., 36.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.
Автореферат разослан« » 2007 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат географических наук
С.Г.Панфилова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация посвящена разработке компьютерной технологии расчета полей ветрового волнения и исследованию на основе полученных результатов климатических характеристик ветрового волнения морских акваторий. Входной информацией для этой технологии являются приповерхностные поля ветра. Основные требования, которые предъявляются к технологии:
• выходная информация включает в себя наиболее полный набор вероятностных характеристик ветрового волнения, в том числе и направленный спектр;
• физическая модель, используемая для разработки технологии, соответствует современной теории генерации и распространения ветровых волн;
• эксплуатационные свойства модели - прежде всего скорость вычисления -позволяют использовать ее для прогноза ветрового волнения и анализа климата ветрового волнения на современном парке вычислительной техники, включая персональные компьютеры.
Точность расчета полей ветрового волнения с использованием данной технологии подтверждена по сравнительным данным нескольких натурных экспериментов в Северной Атлантике, Черном и Балтийском морях. Современная теоретическая обоснованность используемой технологии и подтвержденная в сравнительных экспериментах точность расчетов позволили получить новые сведения о пространственно-временной изменчивости волнового климата Балтийского, Черного, Каспийского, Японского, Карского и Баренцева морей. Для всех расчетных регионов получены оценки экстремальных высот волн и выявлены тенденции в изменении волнового климата в эпоху антропогенного потепления.
Актуальность темы
Последние десятилетия характеризуются более интенсивным включением открытых и прибрежных районов морей и океанов в сферу хозяйственной деятельности человека. При этом меняется структура этой деятельности. Если традиционно моря и океаны ранее были преимущественно районами рыболовства и мореплавания, то сейчас все больше внимания привлекают и шельфовые зоны, которые превращаются в районы освоения и добычи минеральных ресурсов, в первую очередь нефти и газа. Нефтегазодобывающие платформы устанавливаются на все больших глубинах. Планируется разработка месторождений полезных ископаемых с материкового склона и даже ложа морей и океанов. Изменения в структуре хозяйственного использования морей
и океанов и введение новой технологии разведки и добычи полезных ископаемых повышают требования к объему и качеству гидрометеорологического обеспечения. При проектировании гидротехнических сооружений для открытых и прибрежных районов морей и океанов требуются сведения о «фоновых» и «экстремальных» волновых условиях. Как правило, эти сведения стремятся получить, используя наблюдения применительно к конкретному месту акватории. Однако только для редких точек Мирового океана существуют ряды инструментальных наблюдений, для большинства районов режимные характеристики волнения рассчитывают на основе численного моделирования или получают путем обобщения визуальных попутных судовых наблюдений. Несмотря на очевидные успехи в деле освещения волнового климата с использованием визуальных наблюдений (см., например, Ои1еу, Grigorieva е1 а1., 2001), по точности определения «экстремальных» характеристик ветрового волнения этот подход уступает подходу, основанному на численном моделировании параметров ветровых волн. Можно привести несколько доводов в пользу этого утверждения. Как правило, капитаны стараются не попадать в штормовые зоны, в силу этого «экстремальное» волнение фиксируется реже, чем оно наблюдается в природе. Исследование волнового климата по данным визуальных наблюдений ведется не для конкретной точки, а обобщаются наблюдения, собранные в неком районе. В случае сильной пространственной изменчивости волнового климата в данном районе результат будет зависеть от его размеров и формы.
Последние десятилетия характеризуются прогрессом в области моделирования ветрового волнения. Он связан с разработкой моделей, которые позволяют рассчитывать направленный спектр ветрового волнения. Мировое признание получила модель \УАМ (см., например Кошеп е1 а1„ 1994; Ро1шкоу й а1., 2002), в нашей стране разработана «узконаправленпая» модель ветрового волнения (Захаров, Смилга, 1981; Заславский, 1989; Кабатченко и др., 2001), которая по точности не уступает модели WAM, но качественным образом превосходит ее по быстродействию. В настоящее время разработано несколько методов вычисления режимных характеристик ветрового волнения, основанного на анализе результатов численных расчетов параметров волнения (см., например, Кабатченко, 1995; Рожков и др., 2000). Наибольшую известность получил метод РОТ (Рейаизкав, Aagaard, 1971; Ма^езеп а1., 1994; Матушевский, Кабатченко, 1999), надежность которого подтверждена множеством экспериментов, выполненных как в научных, так и в прикладных целях. Успехи в развитие численных моделей ветрового волнения и методов исследования волнового режима позволили автору на новой научной основе исследовать пространственную и временную изменчивость волнового климата на
морях России. В том числе были оценены режимный параметры волн с малыми вероятностями превышения. В полной мере это относится и к высоте волны с периодом повторяемости 100 лет - основной режимной характеристике, необходимой для проектирования нефтегазодобывающих платформ. Была исследована важная особенность волнового климата - межгодовая изменчивость. Решете всех перечисленных вопросов необходимо для обоснования проектирования и строительства гидротехнических сооружений, для безаварийного ведения работ на шельфе и экономного расходования средств и материалов. Отсюда следует, что тема данной работы является актуальной и практически значимой.
Цель исследования
Цель исследования - выяснение пространственно-временной изменчивости волнового климата морей, омывающих Россию, выяснение «экстремальных» волновых условий для этих морей, создание компьютерной технологии диагноза и прогноза волновых полей для условий глубокого и мелкого моря.
Для развития данного направления:
1. Разработана новая численная гидродинамическая модель ветрового волнения, позволяющая по исходным полям ветра рассчитывать направленные спектры ветрового волнения в узлах регулярной сетки. Она базируется на «узконаправленной» спектральной теории ветрового волнения, разработанной акад. В.Е. Захаровым;
2. Внедрен в практику оперативных работ ГМЦ метод прогноза ветрового волнения, основанный на «узконаправленной» модели ветрового волнения. Метод верифицирован по данным нескольких сравнительных натурных экспериментов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оперативным методам, и лицензирован Центральной Методической Комиссией Росгидромета;
3. Разработана система приемов для определения «экстремальных» режимных характеристик волнения на глубокой и мелкой воде, основанная на методе цензурированных выборок;
4. Исследованы режимные параметры ветрового волнения для морских акваторий с различными климатическими условиями и характером волнообразования (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);
5. Выполнены комплексные исследования режима ветрового волнения Черного моря, включающие детальный анализ пространственной и временной изменчивости режимных характеристик;
6. Разработана система численных моделей зэрогндродинзмическкх процессов у поверхности раздела атмосфера - море в осенних вторичных термических циклонах Черного моря. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов.
7. Исследованы параметры ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовых течений в шторме 9-11 ноября 1981 года, приведшего к катастрофическим разрушениям гидротехнических сооружений на акваториях, прилегающих к западному побережью Крыма.
Методы исследования
1. Проведение натурных экспериментов по измерению поверхностного волнения и применение современных методов обработки измерений с целью получения вероятностных характеристик ветрового волнепия, в том числе и спектральных;
2. Численное гидродинамическое моделирование ветрового волнения по исходным полям ветра;
3. Применение современных методов анализа климатических характеристик волнения, в том числе и с малыми вероятностями превышения.
Положения, выносимые на защиту
1. Разработана новая численная модель диагноза и прогноза направленных спектров ветрового волнения по исходным полям ветра. Модель основана на «узконаправленной» спектральной теории ветрового волнения, созданной акад. В.Е. Захаровым.
2. На базе датой численной модели разработана компьютерная технология расчета направленных спектров ветрового волнения. Технология верифицирована по данным натурных экспериментов и внедрена в практику работ Росгидромета. На Центральной Методической Комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета данная технология была рекомендована в практику оперативных работ (решение от 17.10.01). На научно-техническом совете Росгидромета 6 июля 2001 года «узконаправленной» модели был придан статус Российской Атмосферно-Волновой Модели;
3. Предложена система приемов для определения параметров ветрового волнения с большими периодами повторяемости (5 лет и более) на глубокой и мелкой воде, базирующаяся на методе цензурированных выборок. Предложены критерии выделения синоптических ситуаций, относящихся к штормовым, из всего ряда наблюдений;
4. Разработанные модель ветрового волнения и система приемов определения «экстремальных» характеристик позволили исследовать режимные характеристики ветрового волнения по специализированным запросам народнохозяйственных организаций. Исследовался волновой режим морских акваторий, в которых предполагается строительство гидротехнических сооружений. Данные акватории различались между собой климатическими условиями и характером волнообразовашга (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);
5. Проведены комплексные исследования режима ветрового волнения Черного моря. Установлено возрастание высот волн с большими периодами повторяемости с севера моря на юг. Выявлены два максимума для высот волн, возможных раз в 10 лет, в юго-восточном и юго-западном районах моря. Выделен устойчивый тренд в средней за год мощности ветрового волнения. Мощность волнения последние 15 лет на море возрастала, причем, для восточных районов она росла быстрее, чем для западных;
6. Выделен тип штормов, которые приводят к катастрофическим разрушениям для северных районов Черного моря. Эти штормы вызываются осенними вторичными термическими циклонами (ВТЦ). Построена система численных моделей аэрогидродинамических процессов у поверхности раздела в этих штормах. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов. Показано большое влияние разницы температуры вода - воздух и повышенной шероховатости взволнованной поверхности на обмен импульсом в системе атмосфера-море.
7. В шторме 9-11 ноября 1981 г. рассчитаны параметры ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовые течения. Согласно исследованиям данный шторм является наиболее полным аналогом в новейшей истории «Балаклавской бури» наиболее жестокого по историческим данным шторма, вызванного осенними ВТЦ. Показано, что параметры ветровых волн в эпицентре этих штормов решительно превосходят наблюдаемые даже самых сильных штормах на севере
Черного моря. Указанные штормы следует выделять в особый тип природных явлений, приводящих к катастрофическим последствиям.
Научная новизна работы
Новизна работы определяется как использованными подходами, в решении задачи численного моделирования ветровых волн, так и полученными результатами. Новизной подхода является применение в разработке численной технологии расчета и прогноза ветрового волнения «узконаправленной» теории ветрового волнения. Это первая в мире данного типа компьютерная технология, в которой используется альтернативное «дискретному» упрощение кинетического интеграла. Новизна полученных результатов заключается в обосновании выделения наряду с «фоновыми» и «экстремальными» волновыми условиями еще одного типа природных явлений, которые приводят к катастрофическим последствиям. Данный тип явлений возможен при совпадении целого ряда неблагоприятных гидрометеорологических условий. На основе массовых численных расчетов с помощью разработанной численной модели автором получены новые сведения о пространственно-временной изменчивости волнового климата морей, омывающих Россию, в эпоху антропогенного потепления.
Фактический материал
Для верификации компьютерной технологии расчета и прогноза ветрового волнения использованы данные 4-х научных экспериментов в Северной Атлантике, Черном и Балтийском морях, Финском заливе. В экспериментах в Финском заливе и на Черном море автор принял личное участие. При анализе волнового климата использованы базы данных гидрометеорологических параметров в штормах Балтийского, Черного, Каспийского, Японского, Карского и Баренцева морей. В создание этих баз данных принимал участие автор.
Личиый вклад автора
Структурно работа состоит из четырех блоков:
1. Разработана компьютерная технология диагноза и прогноза направленных спектров ветрового волнения по исходным полям ветра;
2. Проведены натурные эксперименты для верификации разработанной технологии;
3. Проведены численные расчеты полей ветровых волн в Черном, Балтийском, Баренцевом, Каспийском, Карском и Японском морях;
4. Обобщены результаты выполненных расчетов н получены новые сведения о
пространственно-временной изменчивости высот волн, закономерностях и
тенденциях изменения волнового климата.
В области создания компьютерной технологии автором разраоотан алгоритм численной реализации «узконаправленной» модели ветрового волнения, создана компьютерная программа, обоснована по литературным источникам и натурным экспериментам основная гипотеза, использованная при выводе «узконаправленной» теории. Численная модель была им реализована на ЭВМ и адаптирована к современным технологиям диагноза и прогноза ветрового волнения Росгидромета РФ. В области натурных исследований автор принимал непосредственной участие в планировании и проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов. Третий и четвертый блоки диссертации автором выполнены самостоятельно.
Прастическая ценность работы
Созданная численная модель диагноза и прогноза направленного спектра ветровых волн по исходным полям ветрам является наиболее эффективным способом получения информации о состояния волнения в морях н океанах. Не уступая современным дискретным спектральным моделям по точности и уротпо информативности, она решительно превосходит их по быстродействию. Полученные оценки режима ветрового волнения на Черном, Балтийском, Баренцевом, Каспийском, Карском и Японском морях и его пространственно-временной изменчивости, а также значения экстремальных высот волн, позволяют судить о закономерностях и тенденциях изменения волнового климата п эпоху антропогенного потепления.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре лаборатории ветрового волнения ГОИНа, лаборатории нелинейных волновых процессов ИОРАН и семинаре кафедры физики моря МГУ. Па 4 всесоюзных и всероссийских конференциях и на 13 международных конференциях.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, из них 12 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 13 статей в тематических сборниках и коллективных монографиях, 17 статей и тезисов в трудах научных конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы, всего 251 публикация. Работа изложена на 281 странице, включая 102 рисунка и 16 таблиц.
Благодарности
К настоящему времени наука достигла высокого уровня понимания физических процессов генерации и распространения ветрового волнения. Одной из ведущих школ в мире по изучению теории ветрового волнения является лаборатория нелинейных волновых проблем Института океанологии РАН им. П.П. Ширшова под руководством акад. В.Е. Захарова. Лично Владимиром Евгеньевичем и его сотрудниками (М.М. Заславским, В.П. Краснцким и другими) разработана замкнутая теория вегрового волнения. Использование данных теоретических достижений позволило автору выполнить настоящую работу. Также она была бы невозможной без огромного научного и практического опыта исследования ветрового волнения, накопленного в лаборатории ветрового волнения Государственного Океанографического Института. Данная лаборатория была организована в 1952 году для обеспечения работ по добыче нефти на Нефтяных Камнях в Каспийском море. За время ее существования под руководством таких ученых, как Б.Х. Глуховский, Г.В. Ржешпшский, Г.В. Матушевский были исследованы важнейшие закономерности ветрового волнения. Исключительно большой вклад в развитие науки о волнах в России и СССР внесли волновой отдел СоюзМорНИИПроекта под руководством Ю.М. Крылова и С.С. Стрекалова, а также петербургская школа волновнков И.Н. Давидана и И.В. Лавренова. Неоценима заслуга по организации численных прогнозов ветрового волнения Морского отдела ГМЦ и лично З.К. Абузярова. Автор выражает большую благодарность всем упомянутым (и не только им) ученым. Без них данная работа была бы невозможна.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введение обосновывается новизна и актуальность темы, ставятся цели и задачи исследования, обсуждаются основные методы решения проблемы. Здесь же представлены основные выводы и результаты диссертационной работы.
Первая глава посвящена моделированию ветрового волнения на глубокой воде. Входной информацией для моделей ветрового волнения являются поля ветра. В
настоящее время в мире разработаны надежные атмосферные модели, которые с достаточной точностью способны рассчитывать поля ветра над морем. Прежде всего, это относится к региональным моделям атмосферы с шагом менее четверти градуса. Поля атмосферного давления над морем, рассчитанные по этим моделям, по точности почти не уступают полям, составляемых в региональных Гидрометцентрах по данным метеостанций (кольцевые карты погоды).
Всего в мире метеорологическими службами разных стран и частными фирмами применяется несколько десятков (около 50-60) волновых моделей, часть из них - для решения оперативных задач. Если исключить из этого числа устаревшие модели прежних лет, то оставшиеся можно разделить на 2 основных больших класса - дискретные н параметрические.
Параметрические модели, обладая достаточно высокой точностью, соизмеримой с точностью дискретных спектральных моделей, сильно уступают им в уровне информативности. Результатом расчетов по этим моделям являются поля параметров волнового спектра. Прежде всего, к этим параметрам относятся нулевой и второй моменты спектра или легко из них пересчитываемые высота и период волнения. Для многих прикладных задач эта информация является достаточной. По для научных исследований и все большого числа прикладных задач требуется знание направленного спектра. Наиболее распространенным типом волнения в морях и океанах является смешанное волнение, включающее в себя ветровое волнение и зыбь, часто состоящую из нескольких систем. Только спектральные модели дают детальное описание каждой системы волнения. Все Мировые прогностические центры использует в качестве основной технологии именно дискретные спектральные модели.
Результатом расчетов по дискретной спектральной модели волнения в каждой точке сеточной области являются спектральные плотности для заданного набора дискретных направлений и частот. Наиболее часто используемые шаги сетки по углу 22,5° и 30°. Для частот задается, как правило, нерегулярная сетка из нескольких десятков частот в интервале от 0,2 до 3 рад./с. Для дискретных моделей используется два уровня детализации при описании эволюции волнового поля, характеризуемого спектром. Первый уровень основан на численном решении исходного кинетического интеграла (На8зе1тапп К., 1962). Основной недостаток данного уровня - огромная трудоемкость расчетов, которая исключает применение его при оперативных расчетах и прогнозах волнения. Данный уровень детализации, как правило, используется только при исследовании физики процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера. Второй уровень - использование аналитических упрощений исходного интеграла. К данному
уровшо относятся модели \УАМ и «узконаправленного приближения» волнового спектра. Первая модель является наиболее популярной волновой моделью в мире. Как правило, все известные в мире дискретные спектральные модели используют способ упрощения кинетического интеграла («дискретный»), впервые примененный в ^УАМ.
В 1981 г. акад. В.Е. Захаровым предложен теоретически строгий способ упрощения - «узконаправленный», основанный на известном свойстве направленного спектра -угловой узости. Группа сотрудников институтов РАН и Росгидромета, куда входил и автор работы, разработала численную модель, основанную на данной теории. Впоследствии модель была реализована как на ПК, так и на рабочих станциях и СуперЭВМ «КРЕИ». Именно высокие точностные и эксплуатационные качества данной модели позволили автору получить результаты, описанные в диссертации. Для демонстрации качеств модели достаточно привести один факт. Скорость счета главного члена любой дискретной модели (нелинейных взаимодействий) у «узконаправленной» модели в 10 раз выше, чем в \VAM- И это без потери в точности!
По аналогии с наиболее используемой в мире моделью - \УАМ запишем уравнение баланса спектральной плотности волнового действия (н) в сферических координатах для частотно-углового спектра: д д д д д оч ал а (р а а аи
где &>- угловая частота (а(к)=[^к{апЪ(кО)]1/2), к - волновое число, О - глубина места, в-иаправленне распространения волнення, и - скорость ветра, <Цсо,в) - угловое распределение энергии, <р - широта, X - долгота (сферические координаты-углы),
сов 0 К%<р 1 (, 2 кО
<■ =с„ ........, с, =с,-.......с. =-с„—-■■- , с„ = с 1+ ч - групповая
' * К " Ясон? " /? ' 2 ^ апЬ(2Ш))
скорость, С =
tanh (Ш)
к
ЭД sin в Э£>
к й, --------------cos0
IcMcOS® 0(0 , „
- фазовая скорость волн, с„, = ■-■----------------'------------------------к
" sinh(2 kD)R
радиус земли. В левой части уравнения (1): с л - составляющая групповой скорости волнення в меридиональном направлении, сф - составляющая в широтном направлении, сд - скорость отклонения волнового луча от полюсов к экватору, вызванная сферичностью Земли, с„! - скорость поворота волнового луча вследствие рефракции. Р - функция источников и стоков, включающая функцию взаимодействия волн и ветра (Р*), нелинейные взаимодействия в спектре ветровых волн (Р") и диссипацию (Я).
В рассматриваемой модели для описания нелинейных взаимодействий в (1) используется теория «узконаправленного» приближения волнового спектра (Захаров, Смилга, 1981). В рамках этой теории от двухмерного спектра волнового действия ч(охв) переходят к двум интегральным функциям - спектру модуля волновых чисел ii(kx) и параметру узконаправленностн A(kJ.
л (к) = п(й), в) КксШ(к) i dk) (2)
n(kx) = in(k)dky (3)
А(кх)= \fyfr)dky/n(kx)k2x, (4)
где ку - координата в пространстве волновых чисел перпендикулярная к„ а направление кг совпадает с генеральным направлением волнения. С учетом (2-4) функция источников и стоков может быть записана следующим образом
р„ = «./¡тПп (д~'(м)д(мс/2»3(м] + р,: - к (5)
''~ ...... „(к,) ............................. . (6'
где Р„ и Р,1 - функции источников и стоков для п(кх) и Л(кх) соответственно,
Tl(kx) = lP*{k)dky, l>~.(ks) = f P~(k)dks, p;(kt) = iklP4k)dk„ р;(к>) = 1кг,р-(к)<1ку.
Зависимость Р" в (5,6) от глубины D представлена через коэффициенты </; и яз (Заславский, Красицкий, 2001).
Для задания члена взаимодействия волн с ветром Р* используется линейная по и модель Майлса (Miles, 1957), где параметр взаимодействия /? принят в виде (Yan, 1987). Для описания диссипации была использована полуэмпирическая формула (Кошеп el al., 1984), ограничивающая рост спектральной плотности на высокочастотном участке спектра.
Численно уравнение (1) с учетом (2-6) решается методом расщепления по физическим процессам (Яненко, 1967). Для расчета функции источников и стоков использовался программный продукт «Думка» (Lebedev, 1997).
«Узконаправленная» теория ветрового волнения разработана для случая, когда преобладающее направление распространения волнения (во) совпадает с направлением ветра. В реальных нестационарных и неоднородных полях ветра наблюдается рассогласование направлений ветра и генерального направления волн. Так как теория не
описывает процесс подстройки генерального направления распространения волн к направлению ветра, в настоящей модели использована эмпирическая формула, описывающая этот процесс. Она имеет вид (Hasselmann D.E. at а!., 1980):
ЩкЛ=18{п(вво(ку))
э t т
где т(со) = \ !(Ью) - время подстройки, эмпирическая константа b- 10"4. Для определения в,) по двухмерному спектру ветровых волн применяется соотношение
jsin {8)п((0,в)с1&
ea(co) = arctg{;---------------------------------
jcos(6>)«(ry,0)i/ö
Обратное преобразование из интегральных функций в двухмерный спектр осуществляется следующим образом:
п(со,в) = Afflcos
2((<у)| в-0а(ш)
п(а>)
(7)
Нормирующий множитель при косинусоидальной аппроксимации углового спектра А,„ функционально связан с параметром узконаправленности и степенью при косинусе .ч (Заславский. 1989):
1 Г(, + 1)
Д = ......................... — 4 ' , Г - гамма-функция.
К 2 )
Форма углового спектра в модели XV АМ заранее не задана и является результатом вычислений. Формально это очевидное преимущество перед «узконаправленной» моделью, в которой вычисляется лишь интегральная характеристика углового спектра Л. При численной реализации «узконаправленной» модели приходится задаваться априорной формой углового спектра. В данном случае - косинусоидальной (7). В работе (0иапс1ао, Котеп, 1993) сравнивались угловые спектры, полученные по модели WAM при резком повороте ветра, с аппроксимацией (7). После поворота ветра на 15°, 30° и 45° рассчитывались коэффициенты корреляции между угловым спектром, полученным по модели \УАМ, и упомянутой аппроксимацией. Во всех случаях коэффициент корреляции оказался больше 0,95. С теоретической точки зрения возможность вычислять угловой спектр является бесспорным преимуществом модели \УАМ, но это преимущество практически не сказывается на прикладных свойствах модели.
«Узконалравленнм» теория ветрового волнения выведена для случая узкого по углу направленного спектра волнения. Специальные исследования буйковых и других измерений однопикивых спектров показали, что петотеза «узкшшмравленности» строго выполняется ь основном эне^гонесущем его диапазоне. Как прдвмло, результаты измерений ширины углового спектра тгриводятся в виде степени s зависимости (7). При .т=5 угловое распределение энергии может считаться узким, при s=30 угловое распределение энергии может считаться оче:п> узким. Измерения одномодапьных спектров показали, что в области максимума спектра вегровых волн (где переносится более 75% энергии) угловое распределение является узким и очень узким (см., например, Swans, 1998). Па рис. 1 приведешь результаты эксперимента, проведенного у берегов Израиля с помощью заякоренного вод но измерительно] о буя «Directional Wavcrider Buoy» (Матушевский, Кабатчешо, Герман, 2005). Па рисунке горизотггальная координата - это отношение частоты к частоте максимума в спектре ветровых воли (f/f„). Проведенный эксперимент свидетельствуют об узости углового спектра в области энергонесущих частот. Стоит оговориться, что и применимость кинетического интеграла ограничена на высокочастот ном участке спектра примерно в области %„, 100 т
0 12 3 4
/фп
Рис. !. Ежечасные буйковые измерения параметра I у побережья г. Ашдод (Израиль) в течение суток в начале я ¡шаря 1994, горизонтальная линий соответствует значению ,!=5.
В монографии (Давидан и др., 1985) утверждается, что быстрое расширение спектров ветрового волнения на высоких частотах - это не свойство направленных спектров, а результат некорректной технологии осреднения. Генеральное направление распространения волнения коротких волн практически отслеживает направление порывов ветра, оставаясь при этом достаточно узким. Так чго можно утверждать, что применимость теории «узконаправленного» приближения в целом совпадает с применимостью кинетического уравнения.
Со времени вывода кинетического уравнения Хассельмана одним из наиболее важных направлений ветроволновой науки стала проблема численного его решения. К настоящему времени разработано несколько подходов к решению данной проблемы. Одним из наиболее точных решений получено группой специалистов, возглавляемых В.Е. Захаровым. Было произведено сравнение результатов численных решений, полученных данной группой (ВасШп е! а1., 2001), со спектрами, рассчитанными по «узконаправлешюй» модели. Сравнение выполнено для направленных спектров ветрового волнения на направлении, совпадающем с направлением ветра. Расчеты проводились для трех интервалов реального времени: 1, 2 и 4 часа (рис. 2). Можно утверждать о хорошем соответствии между расчетами по исходному интегралу и «узконаправленной» модели. Практически полностью совпадают высокочастотные интервалы, рассчитанные по обеим моделям. Также хорошее согласие получено в форме овершута. Различие наблюдается лишь для низкочастотного участка спектра. Его можно объяснить тем, что «узкопаправленное» приближение обнаруживает значимость лишь локальных взаимодействий в направленном спектре ветрового волнения (т.е. для волн с близкими волновыми числами). В силу этого наблюдается некоторое запаздывание при смещении максимума в спектре ветрового волнения в низкочастотную область спектра.
с)
а)
■2
10
Ь) 1{т,в\в~ 0 ■2 to
Рис. 2. Сравнение результатов расчетов безразмерных спектральных плотностей
, 8>=wUi0/g) на направлении, совпадающем с направлением ветра, по исходному кинетическому интегралу (сплошная линия) и по «узконаправленной» модели ветрового волнения (пунктирная линия) для разных времен интегрирования (а - 1 час, b -2 часа, с - 4 часа).
«Узконаправленная» модель была тестирована в рамках нескольких натурных волновых экспериментов и показала свою высокую надежность. Для условий Черного моря модель верифицирована по данным измерений, выполненных с помощью заякоренного волноизмерительного буя «Directional Waverider Buoy» в районе Голубой
бухты вблизи Геленджика специалистами Южного отделения ИОРАН. Координаты точки
установки: 44°30'40 N. 37°58'70 Е, глубина места - 85 м. Численные расчеты и измерения
выполнялись для серии штормовых ситуаций, продолжавшейся с 4 по 14 апреля 1997
года. Результаты сравнения приведены на рис. 3. Средняя высота волнения, ход которой
приведен на рисунке, определялась по формуле
| -У* £ = \я{со,в)11ах10,
V 0 0
где 5(6}, в) - энергетический спектр волн. Результаты сравнения следует признать удачными. Коэффициент разброса (51, скаттер-индекс) в данном случае составляет менее 0,1, а коэффициент корреляции равен приблизительно 0,9, что считается весьма хорошим значением для волновых моделей в расчетном варианте. Тг
t
Рис. 3. Ход рассчитанных (пунктирная линия) и измерешилх (сплошная линия) средних высот волн (Л, м) во время (г, часы) шторма 04.04.97-14.04.97 в районе Геленджика на Черном море, t= 0 соответствует 03 часам 04.04.97.
В начале 2002 года модель «узконаправленного» приближения ветрового волнения бьиа внедрена в практику оперативных прогнозов ВЦ ГМЦ. Для сравнения с результатами прогнозов по модели использовались данные буйковых наблюдений в Северной Атлантике. Оценка качества модели, выполненная сотрудниками ГМЦ, производилась в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оперативным моделям. Результаты тестирования приведены в табл. 1. Они свидетельствуют о высоком качестве модели.
Таблица 1.
Тяблов» «фдедаяытаста пропт«* ъъкт лояя ряивгпюИ нЕдшврямкншв Северной Атлгатпкг
и -Л- М*1а НмЗч, сроч (ч.) 12 ~ 36 ч. 48 ч
N <г N <3 N <5 N 5
1 30 12 99 12 10 90 10 70 13 85 10 60
г 18.01.00 12 1? 85 19 76 _12_| 83 и 55
ч 26.01 ОС 12 22 77 21 77 21 81 21 71
1 27.01.00 12 1? 71 1*> 81 ? т 1« а
ч ?1.01.00 1? И 71 1? 77 11 т> И «9
(< 03.0?.00 12 ?1 V го Ъ а т И
7 14.02.00 )? 21 М р 77 г? 7? гг ¡9
8 23.03.00 12 12 75 13 73 10 70 12 75
9 19.04.ОД 12 17 ?я 17 82 14 яг 1? 77
1<> 21.04.00 12 18 67 17 М 18 83 18 89
11 24.04.00 12 21 «1 12 ?2 17 17 15 73
и, 26.04.00 12 16 <7 18 84 14 Ж 14 79
Н 27.04.00 12 17 (ГС 1« 71 74 1? 78
И 28.04.00 12 15 9Я II! 75 14 86 17 82
15 вреднее 245 80 259 79 231 77 237 72
Условяыв обозкпеявя: N - число жсюмидовамшЕ буйуоталс яшеремд. О-ироцехг оЕревдмяп**с* проиоаоя
Высокие научные и эксплуатационные свойства модели были признаны в России и на научно-техническом совете Росгидромета 6 шоля 2001 года ей был придан статус Российской Атмосферно-Волновой Модели (РАВМ). В настоящее время метод расчета ветрового волнения в Северной Атлантике, основанный на РАВМ, работает в оперативном режиме в Гидрометцентре РФ. На Центральной Методической Комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета данный метод прогноза был рекомендован в практику оперативных работ (решение от 17.10.01).
Вторая глава посвящена проблемам моделирования ветрового волнения для условий мелкого моря. Основная часть Мирового океана по характеру волнообразования представляет собой глубоководную акваторию. Мелководными с практической точки зрения считаются районы моря, в которых глубина меньше половины длины волны. Так как наибольшие длины волн равняются сотням метров, то весь материковый склон и ложе океана представляют собой глубоководные районы. Это составляет подавляющую часть поверхности Мирового океана. Однако, для хозяйственного использования значение мелководных районов соизмеримо (если не превосходит) значение глубоководных районов. Почти все гидротехническое строительство происходит в мелководной зоне. Морской транспорт проводит в этих районах значительную часть своего времени: разгрузочно-погрузочные работы, ремонт судов и т.д. В силу этого особенностям генерации и распространения воли в мелководных акваториях отводится столь пристальное внимание.
При разработке мелководной версии «узконаправленной» модели были учтены основные эффекты, вызванные конечностью глубины. Кинетическое уравнение выведено для так называемого «слаботурбулентного» спектра. Различия между «наблюдаемым» и «слаботурбулентным» спектрами на глубокой воде пренебрежимо малы, но в условиях прибрежного мелководья они существенны (рнс. 4). Пересчет нз «слаботурбулентного» спектра в «наблюдаемый» осуществлен по зависимостям (Заславский, Краснцкий, 1995).
о> рад>'с
Рис. 4. Сравнение «наблюдаемого» (пунктирная линия) и «слаботурбулснтного» (сплошная линия) спектров при глубине места - 9 м.
Хассельманом (На55е1тапп К. « а1., 1968) был предложен член донного трения для использования в дискретных спектральных моделях. В мелководной версии модели используется модификация этого члена, выведенная Тодмаиом (ТЫтап, 1991), которая учитывает характерный размер неровностей донной поверхности (Лг). Разброс Л,, по натурным данным составляет от 1С)"5 до 10"' м. На рнс. 5 приведена зависимость безразмерной средней высоты волны от безразмерного разгона, рассчитанная по «узконаправленной» модели для разных /;г. При /?г = 2x10'2 расчеты по «узконаправленноп» модели хорошо согласуются с зависимостью, приведенной в СНИП 2.06.04.-82*.
Г 5"
Рис. 5. Зависимость безразмерной средней высоты волны (и = тт^г) от безразмерного
*Ло
разгона (% = у,у), рассчитанная по «узконаправленной» модели при разных значениях Лг (от 2x10"* до 2x10"', пунктирные линии) и зависимость из СНИПа 2.06.04-82* (сплошная
лиши) при безразмерной глубине ( D = ) Д =0,25
"10
Использование спектральных моделей в зоне обрушения с теоретической точки зрения не является корректным. Однако при исследовании ветрового волнения в мелководных акваториях трудно построить сеточную область таким образом, чтобы ни одна точка не попала в зону обрушения. Поэтому для акваторий, где встречаются зоны обрушения, но не они являются объектом исследования, предлагается феноменологически задавать «бурунный» член. Он в описываемой модели записывается в виде, предложенном в модели SWAN.
Для верификации мелководного варианта «узконаправленной» модели бьии использованы результаты измерений, полученные в рамках совместного Финско-Эсгонско-Российского эксперимента FINEX - 2004 в Финском заливе. Силами сотрудников Эстонского Морского Института Тартуского Университета, Государственного Океанографического Института Росгидромета и Института Океанологии им. П.П.Ширшова РАН была организована установка оборудования с НИС «Vares». У побережья Эстонии был поставлен донный волнограф-мареограф разработки Института Океанологии РАН. Волнограф-мареограф после установки на глубине 10 м работал в автономном режиме более 2-х месяцев в точке с координатами 24,98°в.д. и 59,55°с.ш. Сравнение результатов расчета волн с данными измерений приведено на рис. 6.
Обращает на себя внимание хорошее совпадение между измерениями и результатами расчетов для больших высот волн. Расхождение для малых высот волн вызвано конструктивными особенностями прибора, который не фиксирует волны менее полуметра. Молено утверждать, что модель применима для расчетов в столь сложной акватории, как прибрежные районы Эстонии в Финском заливе, изобилующих островами и отмелями.
О 10 20 40 60
Дни
Рис. 6. Характерные высоты волн м) в заливе Мууга в Балтийском море в августе сентябре 2004 г., первый день 1 августа (----результаты моделирования,_- измерения).
В ситуации отсутствия пли малого числа портов (характерной для морей Северного Ледовитого океана) встает вопрос о сохранении морских судов в условиях штормов. Естественные бухты и заливы в этих районах обычно мелководны и малопригодны для этих целей. Таким образом, сохранение судов за подветренными берегами островов во время штормов может стать важным элементом безопасности эксплуатации морского транспорта.
К ослаблению ветрового волнения у подветренного побережья островов приводит три эффекта: собственно экранирование (уменьшение разгонов для направлений, пересекающих острова), трение о дно и рефракция. Традиционно под термином экранирование понимается только фильтрация волн по направлениям. «Узконаиравленная» модель позволяет рассматривать вопрос шире, учитывая все процессы, способствующие ослаблению (и не только) волнения у подветренных берегов. Экранирование ветрового волнения островом было рассмотрено на примере о. Колгуев в юго-восточной части Баренцева моря. Были выполнены расчеты для двух северо-западных штормов. Первый - модельный и соответствует гипотетической ситуации наиболее сильного шторма, возможного в этом районе раз в 100 лет. Второй расчет выполнен для реально случившегося в конце сентября 2000 года шторма. В результате расчетов
установлено, что в том и другом шторме высоты волн в центральной части Поморского пролива в два раза ниже, чем на подходе к острову Колгуев со стороны глубоководной части моря, показано большое влияние рефракции на волновую обстановку в проливе.
Для списания ветроволновых прсцессси в прибойной зоне использовался энергетический метод, предложенный В.М. Маккавеевым в 1937 году. Исследовалось соотношение эффектов донного трения и обрушения волн в прибойной зоне. Формы «бурунного» члена и донного трения были приняты в виде (Thornton , Guza , 1982). Учитывалось число обрушивающихся волн (Матушевский, Кабатченко, 1995). В результате удалось показать, что если уклон дна т больше Ш2, то влияние фрикционных процессов не существенно, но если т меньше 70"', то вклад этих процессов может и превышать вклад «бурунного» члена, соответственно при уклонах 10'3<т<10'2 вклад обоих этих членов соизмерим по величине.
Третья глава посвящена исследованию климата ветровых волн. Режимные характеристики ветрового волнения являются важной составляющей общей климатологии океана. В настоящее время установлено, что режим ветровых волн не является постоянным ни по пространству, ни по времени. «Парниковый» эффект и другие сложные процессы, влияющие на климат Земли, оказывают свое воздействие на шторм-треки циклонов, уменьшая повторяемость сильного волнения в одних районах и увеличивая в других. В свою очередь ветровые волны оказывают существенное влияние на газообмен в системе океан-атмосфера, в том числе и таких важных для развития «парникового» эффекта газов, как углекислый газ.
Без знания режимных характеристик ветрового волнения в принципе невозможна никакая хозяйственная деятельность человека в море. Нагрузка создаваемая волнами на гидротехнические сооружения, как правило, значительно превышает нагрузки вызываемые другими гидрометеорологическими процессами. При этом деятельность человека, особенно в прибрежных районах моря, становится все более интенсивной и разнообразной. Это строительство портов, молов и волноотбойных стенок, прокладка подводных трубопроводов и кабелей, строительство нефте и газодобывающих платформ, насыпка искусственных островов и т.д.
При исследовании ветрового волнения в климатическом масштабе все искомые характеристики были разделены на 2 группы: частой повторяемости ("нормальные", "фоновые", "эксплуатационные") и редкой повторяемости ("экстремальные", "расчетные"), возможные 1 раз в 5, 10,..., 100 лет и более. Существует несколько доводов в пользу такого деления. Часто «фоновые» и «экстремальные» характеристики реализуются в разных анемо-барических ситуациях. Так, к примеру, в тропической зоне
Тихого океана «фоновые» характеристики ассоциируются с пассатами, скорость ветра в которых редко превышает 20 м/с (соответственно и средние высоты волн редко превышают 5 м), а «экстремальные» с тайфунами, в которых скорость по определению не может иш ю менее 20 м/с, плаче сип называются депрессиями.
Физика взаимодействия в системе океан-атмосфера при сильных и слабых скоростях ветра заметно различается. При штормовых ветрах, часто наблюдается режим сильной шероховатости морской поверхности, волновая ситуация, как правило, нестационарная - нет однозначного соответствия между силой ветра и высотой волн. При слабых ветрах характер шероховатости морской поверхности близок к режиму гладкого обтекания, время приспособления ветрового волнения к силе ветра невелико, поэтому наблюдается хорошая корреляция между силой ветра и параметрами волн.
Технологии расчетов «фоновых» и «экстремальных» характеристик также отличаются. При расчете «фоновых» характеристик для исследования используются все измерения, но за относительно небольшой интервал времени, как правило, год. При расчете «экстремальных» используется способ цензурируемых выборок, когда из всего ряда наблюдений выбираются случаи, соответствующие штормам. Эта выборка осуществляется для большого периода наблюдений, не менее 30 лет.
«Фоновые» характеристики волнения для морей России достаточно хорошо изучены. По каждому морю существует несколько справочных пособий, изданных за разные годы. Для наиболее важных с практической точки зрения Балтийского и Черного морей, такие справочники в послевоенные годы выпускались чаще, чем раз в 10 лет.
«Экстремальные» характеристики исследовались, как правило, по специализировшшым запросам народнохозяйственных организаций для конкретных акваторий моря. Оценки «экстремальных» характеристик, которые приведены в справочниках, получены путем экстраполяции режимных функций распределения в область малых обеспеченностей. Понятно, что данный подход приводил к большим погрешностям.
При исследовании режимных характеристик волнения в настоящей работе основное внимание уделено именно «экстремальным». При исследовании был использован метод, именуемый Peak-Over-Threshold method (РОТ) или в русском переводе ПВП-метод (Пики-Выше-Порога). В 1990 г. он был рекомендован как наиболее приемлемый в инженерной практике Рабочей группой МАГИ (Международная Ассоциация Гидравлических Исследований) по статистике экстремальных волн. Узким местом, осложняющим применение ПВП-метода для конкретных акваторий, является способ выделения наиболее сильных штормов из всего ряда. Как правило, в архивах
хранятся лишь исторические поля приземного давления, по которым при поверхностном осмотре трудно определить соответствуют ли они экстремальным штормам или нет. В работе предложен способ выборки таких штормов. Отбор ведется ис для ясен акватории, а для конкретной точки. В терминах теории выбросов штормом называется учзстйс записи волн, в пределах которого их высоты превышают некоторый заданный уровень. Выбор этого уровня определяется в результате компромисса между тремя требованиями (Матушевскнй, ¡Сабатченко, 1999): I) суммарное число штормов должно быть статистически значимым; 2) они должны удовлетворять условию их статистической независимости; 3) высоты волн должны принадлежать верхней части функции распределения. Реально отбор штормов осуществляется ггутем анализа прибрежных И судовых наблюдений эа ветром и волнами, а также исторических синоптических Карт. В последнее время для этих целей все чаще используются поля атмосферного реаизлиза. Согласно большому опыту использования IIBI1-метода, в лаборатории ветрового волнения ГОИНа можно утверждать, что оптимальным числом штормов, по которому проводится расчет, является значение порядка 30-40. Соответствующим образом подбирается порог, чтобы получить требуемое число наибольших штормов.
В рамках создания раздела "Ветровое волнение" справочника по Японскому морю был произведен расчет высот волн с 5-летним периодом повторяемости во внетропнческкх циклонах для севера Японского моря. Для этого были выполнены расчеты полей ветрового волнения в наиболее сильных штормах этого типа за 1943 - 1991 гг. Отбор штормов производился сотрудником ДВНИИГМИ Н.Г. Алисимчик. Всего расчетами охвачено I2K штормов. Полученные для всех точек сеточной области высоты волн анализировались ПВ1 [-методом. Результаты расчета средней высоты волн с периодом повторяемости 5 лет приведены на рис, 7.
Рис.7, Поле средних высот волн в штормах северной части Японского моря с периодом
повторяемости 5 лет.
126 128 130 132 134 136 138 140 142 144
50 49
45 47
46 45 44 43 42 41-
Следует оговориться, что волновой климат Японского моря суровее представленного на рис. 7, так как наиболее опасные анемо-барические образования в этом районе - тайфуны ' В раСЧСТ 116 принимались.
В отличие от глубоководных акваторий на мелкой воде использование ПВП-мегода встречает большие трудности. Дело в том, что предельные распределения высот волн, которые используются в данном методе, не имеют ограничений по высоте волны. Для мелководных акваторий с плоским дном существует ограничение на рост высот волн, вызванный физическими причинами. Это показано в (Заславский, Красицкий, 2001) теоретически. Для общего случая наклонного дна существование предела для роста волн подтверждается эмпирически (Методические указания ГОИН, вып. 42). Иными словами, функции распределения высот волн на мелководье являются усеченными, причем сама точка усечения в общем случае пологого дна неизвестна.
Особенностью мелководных районов является также и то, что сама глубина моря в гаи не является постоянной величиной. Как правило, мелководные акватории - это районы интенсивных сгонно-нагонных процессов. В свою очередь, глубина моря оказывает влияние на все процессы генерации и адвекции ветрового волнения. В силу выше описанных обстоятельств был предложен метод определения "экстремальных" характеристик ветрового волнения в мелководных акваториях с геометрическими размерами порядка 100 км и менее. В основу метода положен принцип оценки "сверху". При моделировании шторма с заданным периодом повторяемости все волноопределяющие факторы задаются с тем же периодом повторяемости. Под этими факторами мы понимаем: направленный спектр ветрового волнения на границе мелководной области и подъем уровня. Обоснование такого подхода заключается в существовании предельного по величине волнения, которое может существовать в данной точке мелководья. Совпадение по времени подъема уровня и волновых условий на входе с заданными периодами повторяемости - явление маловероятное. Но совмещение их на мелководье не приводит к сильному завышению рассчитываемых высот воли из-за существования ограничений на рост высоты волны.
Применение данной методики проиллюстрируем на модельном шторме у молов Балтийского пролива с периодом повторяемости 100 лет. Исследование "экстремальных" волн у молов Балтийского пролива осуществлялось в несколько этапов. На первом этапе ПВП-методом в глубоководной части Гданьского залива определялся спектр, возможный раз в 100 лет. На втором этапе рассчитывались волны на подходах к молу. Граничные
условия брались по данным модели для Гланьекого залива, а подъем уровня по измерениям в г. Балтийск, Поле волнения на подходах к молам приведено на рис. 8,
Рис. 8, Поле волнения в 100-летнем шторме на подходах к входным молам Балтийского
пролива (изолинии - средине высоты колн (м). стрелочки - генеральное направление
волнения).
Четвертая пава посвящена исследованию ветрового волнения для проектирования гидротехнических сооружений. «Узконаправленная» модель ветрового волнения и ПВ11 метод были применены при расчете режимных характеристик вефопого волнения, как на акваториях морей России, так и зарубежных «ран. Они легли в основу расчетов при проектировании следующих объектов:
- дамба, защищающая г. Лагань от наводнений. СЗ побережье Каспийского моря (1994-1995, заказчик Совивгервод);
- Берегозащитные сооружения на северо-восточном побережье Черною моря (1996, заказчик Краснодарберегозащига);
- Штокмаиское Шокондесатное месторождение в Баренцевом море (1995, заказчик ВНИПИморефтегаз);
трубопровод по дну Байдара! [кой губы (заказчик Petergaz, The Netherlands, 1991 -1995):
- Нефтяное месторождение Приразломное (заказчик ВНР, UK, 1992- 1997); Нефтяные месторождения Луньекое и Пяльтун-Летах скос на шельфе Сахалина (заказчик Marathon Oil Company, USA, 1990 - 1991);
- Нефтяной терминал на побережье Грузии (заказчик Exxon Production Research
Company, USA, 1996);
- трубопровод по дну Балтийского моря (North Trans Gas Project - заказчик Kvaerner
/Tníersheif, 1998);
- трубопровод через залив Чайво, Сахалин (заказчик Sakhalin Energy, 2005).
Условия волнообразования для указанных акваторий были крайне разнообразны.
Некоторые из них расположены в открытом море с большими глубинами, некоторые в прибрежной мелководной зоне, часть в, глубоко вдающихся в берег, заливах.
Расчет волнения для глубоководной акватории
При проектировании нефтегазодобывающих платформ в открытом море крайне важной характеристикой является вероятность появление катастрофических по своим размерам волн, так называемых волн «убийц». Исследование режима ветрового волнения для открытых глубоководных акваторий был проведен на примере Штокмаповского газоконденсатного месторождения. Оно расположено в центральной части Баренцева моря на глубинах 280-360 м на расстоянии 550 км к северо-востоку от Кольского полуострова. Фон глубин позволяет рассматривать данную акваторию с точки зрения генерации и распространения ветрового волнения как глубоководную.
Расчет «экстремальных» характеристик ветрового волнения выполнялся в 2 этапа. На первом этапе были построены поля волнения в 32 «экстремальных» штормах за 1955 -2004 гг. На втором этапе выполнен вероятностный анализ этих данных ПВП-методом. Функция распределения наибольших средних высот волн в штормах приведена на рис. 9. Эмпирические значения обеспеченностей аппроксимированы распределением Вейбулла. Рассчитанная ПВП-методом средняя высота волнения с периодом повторяемости 100 лет оказалась равной 7 м.
На фоне сильных штормов выделяется шторм конца 1974 - начала 1975 г. В ночь с 3 на 4 января средняя высота волнения в этом шторме достигла 7,8 м, что существенно выше полученных в других штормах. Согласно нашим оценкам, период повторяемости данного шторма составил примерно 400 лет. Можно привести, по крайней мере, две причины, приведшие к столь большим волнам. Шторм продолжался исключительно долго - порядка 5 суток. Тогда как обычно эта величина для Баренцева моря составляет около 2 суток. Столь большая продолжительность вызвана тем, что шторм был вызван обширным малоподвижным циклоном (с давление в центре - 930 гПа), смещающимся со стороны Северной Атлантики на Баренцево море, который на востоке был блокирован антициклоном.
^ %
-А •
/
/г, л/
Рис. 9. Эмпирическая функция распределения С/7,, %) наибольших средних высот волн ( /г, л<, точки) в штормах Баренцева моря в районе Штокмановското газоконденсатного месторождения, аппроксимированная распределением Вейбулла (прямая).
Расчет волнения в заливе
При проектировании трубопроводов важнейшим режимным параметром является придонная орбитальная скорость вдоль всей трассы трубопровода. На полуострове Ямал находятся большие запасы природного газа. Относительно мелководная Байдарацкая губа, отделяющая данный полуостров от материка, рассматривается как один из возможных путей по транспортировке газа из Ямальских месторождений в Европу.
Были выполнены расчеты трансформации волн на акватории губы в штормах с периодом повторяемости 5, 10, 25, 50 и 100 лет. Для расчетов была использована «узконаправленная» модель, учитывающая адвекщпо, передачу энергии от ветра волнам на пути их распространения от входа по акватории губы, рефракцию, трение о дно и другие придонные эффекты. Для расчета придонных орбитальных скоростей использованы частотные спектры ветрового волнения Ща)) в штормах с заданным периодом повторяемости. Формула для расчета среднеквадратичной величины модуля придонной орбитальной скорости имеет вид: 1 п1'3
и,. -
Среднеквадратичные значения горизонтальной составляющей орбитальной скорости у дна у ямальского берега приведет табл. 2,
Таблица 2
Среднеквадратичные значения орбитальной волновой скорости вблизи дна для разных глубин (О, м) с периодом повторяемости один раз в 100,50,25,10 и 5 лег (ямальский
берег)
£> ПЕРИОДЫ ПОВТОРЯЕМОСТИ
100 50 25 10 5
21. 0.49 0.46 0.41 0.38 0.36
19. 0.53 0.51 0.46 0.43 0.41
17. 0.51 0.49 0.48 0.47 0.45
15. 0.45 0.44 0.41 0.40 0.37
13. 0.49 0.48 0.45 0.42 0.38
11. 0.47 0.46 0.42 0.39 0.36
9. 0.47 0.46 0.41 0.39 0.36
7. 0.47 0.46 0.41 0.40 0.36
5. 0.52 0.50 0.43 0.41 0.38
Обращает на себя внимание тот факт, что вдоль всего перехода значения придонных орбитальных скоростей меняются незначительно (для уральского берега картина схожая). Практически они лежат в пределах точности подобных расчетов. Объяснением этому факту может служить то, что дно залива в районе перехода сложено из легкоразмываемых грунтов: мелких песков и глин. На протяжении столетий профиль дна формировался под воздействием придонных течений, которые являются результатом суммирования приливных, сгонно-нагонных и орбитальных волновых составляющих. В результате сформировался устойчивый к размыву профиль, вдоль которого орбитальные волновые скорости в штормах меняются незначительно.
Расчет ветрового волнения для условий обширной отмели Штормы 1952 и 1995 годов на Северном Каспии приводили к сильным разрушениям в городе Лагань и стали причиной многочисленных человеческих жертв. Особенностью данных штормов было то, что они сопровождались катастрофическими нагонами, которые затапливали город. Во время штормов морские волны распространялись в город, разрушая его. Для проектирования земляной берегозащитной
дамбы, чтобы не допустить ее размыва, необходимо было знать волновую энергию, воздействующую на нее во время шторма.
В качестве прообраза расчетного шторма взят шторм 12-14 марта 1995 г. Данный
шторм был вторым по »пггснспиности гидромстсорологпчсскил процессов и но вызванным
разрушениям за послевоенный период времени. Он приблизительно соответствует периоду повторяемости 50 лет. Период повторяемости, который задается при проектировании, определяется типом гидротехнического сооружения. Наиболее сильный пгторм за этот период времени, случившийся в 1952 г, относится к классу катастрофических явлений, и его период повторяемости, согласно оценкам H.A. Скриптунова, составляет 400 лет, поэтому не может быть прообразом 50-летнего шторма
Высота нагона в шторме 12-14 марта 1995 г. рассчитана и любезно предоставлена Ю.Г. Филипповым. В результате моделирования ветрового волнения были получены поля направленных спектров волнения. Мощность (поток энергии) волнения, представляющая собой количество энергии, переносимое в направлении распространения волн (к берегу) в секунду через поперечное сечение шириной 1 м, находилась по соотношению:
где С,. - групповая скорость ветровых волн. Суммарная энергия, перенесенная волнами через единичное сечение за время шторма, получается путем интегрирования потока энергии по времени за все время шторма.
где /,п и - время начало и конца шторма соответственно. Согласно расчетам суммарные значения энергии в районе Лагани, перенесенной волнами через 1 м поверхности в «расчетном» шторме, оказались равными 800 Мдж/м.
В пятой главе вышеописанные модели и методы расчетов параметров ветровых волн в синоптическом и климатическом масштабах времени были применены при комплексном исследовании волнового режима Черного моря. Исследованию волнового климата Черного моря автор посвятил более 20 лет. Им в соавторстве с Раскиным Л.Г. был написан раздел «Ветровое волнение» в справочнике - Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, том 4. Черное море, Гидрометеоиздаг, Л., 1991 и с Кудрявцевой Г.Ф. раздел «Ветер» в справочнике - Гидродинамические условия шельфовой зоны морей СССР, том 4, Черное море, Гидрометеоиздат, Л., 1986.
Р(Ватт/м) = J JS{(o,0) Cf dmW,
(8)
о о
(дж/м),
Были исследованы как «фоновые», так н «'экстремальные» характеристики Черного моря. Показано, что «фоновые» характеристики имеют невысокую пространственную изменчивость, меж годовая изменчивость «фоновых» характеристик также невелика. Про стран сТвенное распределение «экстремальных» характ ерисгак более неоднородно. К примеру, высота волны, возможная раз в 10 лег, растет с севера на юг. Преобладающие, над морем северные ветра увеличивают свои разгоны при продвижении на юг. При этом имеются два максимума на юго-востоке и юго-западе моря, где средняя высота волны с 10-летним периодом повторяемости может достигать 4,5 м (рис. 10).
м
■15-
ж да Ь ч ч Уо
Рис. 10. Поле средних высот волн (м), возможных раз в 10 лет на Черном море.
Исследования за последние 15 лет показали, что среднегодовая мощность волнения (8) на Черном море возрастала; Для восточных районов этот рост был более быстрым, чем для западных (рис.П). Обращает на себя внимание тог факт, что все изменения в мощности ветровою волнения имеют преимущественно зональный характер (изменения в направлении запад-восток превалируют над изменениями север-юг). То, ЧТО эта тенденция на самом деле имеет место, подтверждает то, что отклонения среднегодовых температур в эпоху современного потепления (1980-1999 гг.) но сравнению с периодом (19111930 гг.) также имели зональный характер. Причем климат Балканского побережья моря имел в целом тенденцию к похолоданию, а Кавказского - к потеплению.
Pire. 11. Ежегодное приращение среднегодовой мощности вегрйвогр волнения (Ветг/мхгод) за 1990-2004 гг.
i.
Одно из самых опасных природных явлений на Черном море - осенние штормы, вызываемые вторичными термическими циклонами (ВТЦ). J lo интенсивности штормовых процессов ВТЦ на Черном морс уступают только зимнему норд-осту. В силу того, что побережья России и СНГ являются подветренными для норд-оста, именно ВТЦ вызывают1 наибольшие волны и приводят к наиболее сильным разрушениям на указанных побережьях. Наиболее известным штормом, вызванным ВТЦ, является «Балаклавская буря», случившаяся в середине 19 века и Оказавшая большое влияние на ход Крымской войны. Был найден аналог данному шторму в новейшей истории - шторм 9-11 ноября ¡98! года, также приведший к исключительным разрушениям. Ш горм-трек ВТЦ проходил из Мраморного моря на Черное н далее вдоль Балканского побережья в район Одессы. За 12 часов (с 12 часок 9 ноября до 0 часов 10 ноябри) давление в центре уменьшилось на Ю гПа (рис. 12).
Рис, 12. Положение центра ВТЦ (звездочки) над Черным морем в различные моменты в шторме 9-11 ноября 198! года. День и чае через точку указаны выше звездочки, давление (гПа) приведено ниже звездочки.
Данное развитие ВТЦ проходило в условиях, котла температура поды была значительно теплее температуры воздуха. Выла построена система численных моделей аэрогндродннамнческлх процессов у поверхности раздела в ВТ11 (Кабэтченко и ;др , 2001). ! !рн описании планетарного пограничного слоя атмосферы и деятельного слоя моря был использован г ео строфический закон сопротивления Кязанского-Монина, а при расчете ветрового волнения - «узконаправленная» модель. Суммарное касательное напряжение трения т„ у поверхности записывается как сумма потока импульса в отсутствии волн г, и к волнам V Поток импульса т, предполагает обтекание турбулентным потоком воздуха жесткой гладкой подстилающей поверхности. Параметр шероховатости при таком обтекании известен (Моннн, Яглом, 1965). Поток импульса г;.- определяется через направленный спектр волнения 5(сав) и коэффициент взаимодействия воле! с ветром ¡3 (Заславский, 1995). При опенке скорости дрейфового течения на поверхности был использовано равенство в иоле и воздухе касательного напряжения у поверхности раздела,
В результате расчетов установлено, что на протяжении всего шторма в ого ядре поддерживался режим развивающегося волнения. Отношение фазовой скорости спектрального максимума к динамической скорости было порядка 15 (рис. 13).
А Ь
Рис. 13. Поле периода максимума (с) в систре (А) я возраста волнения (Б) в 9 часов 10
ноября 1981 гола.
При относительно небольшой высоте волны в тгом случае имеют большую крутизну. Такой тип волнения создает относительно большую Шероховатость для обтекающего ветрового потока (рис, 14). По нашим оценкам, она сравнима с шероховатостью мелкого кустарника, что заметно больше шероховатости развитого волнения, которая близка к режиму гладкого обтекания.
?В зг 14 16 18 7П 10 1? М 14 18 40
Рис. 14. Поле динамической скорости (м/с) (Л) и параметра шероховатости (мм) (В) в 9 часов Ш. ноября 1981 года.
Основной причиной, которая приводит к поддержанию режима развивающегося волнения в этих штормах, является постоянное уменьшение давления в центре ВТЦ. При этом сгущаются изобары и растет скорость ветра, причем часто быстрее, чем фазовая скорость волн. Большая разность температуры воды и воздуха приводит к сильной неустойчивости приводного слоя атмосферы. В силу этого увеличивается динамическая скорость вегра, усиливается турбулентность воздушною потока. Все это приводит к увеличению порывистости ветра. Усиливается обмен импульсом между морем и атмосферой. Ветровой коэффициент (отношение скорости дрейфового течения (рис. (ЭЬ) к скорости ветра) увеличивается в 1,5 раза. Известно, что гибель а игл о - французского флота (всего 34 корабля) во время «Балаклавской бури» была вызвана тем, что корабли сорвало с якорных цепей и разбило о скалы Крыма.
Л Б
Рис. 15. Поле средней высоты волны (м). стрелочками показано генеральное направление волнения (А) и поле скорости дрейфового течения (ом/с) (Б) в 9 часов 10 ноября 1981 года.
Подтверждением этому является поле волнение (рие. 15А) на момент наибольшего усиления шторма, который мы считаем аналогом «Балаклавской бури». Такие волновые
условия El Северной Атлантике случаются ежегодно и только волны не могли быть причиной гибели флота,
Кинематический коэффициент (он характеризует вклад продольной орбитальной скоростной составляющей в суммарную волновую нагрузку) в центре шторма превышал 0,9, для развитого волнения он составляет порядка O.S. Направление ветра и волн практически совпадали. Таким образом, только суммарный эффект всех приведенных явлений (негра, волн и течений) мог быть причиной трагедии «Балаклавской бури».
На рис, 16А приведено поле наибольших за все время действия шторма 9-10 ноября средних высот волн. На карте выделяются две зоны со средними высотами, превышающими 4„S м. Обращает на себя внимание, что наибольшие высоты поли на этих акваториях превосходят средние вы со™ волн, возможные раз в 10 лет (рис.10). На рис. 16Б нанесено отношение наибольших средних высот волн, наблюдающихся 9-10 ноября, к средним высотам волнам, Возможным раз в 10 лет.
Рис. 16. Ноле наибольших за 9-10 ноября 1981 гола средних высот волн (¡и) (А) и отношение этих высот золи к средним высотам волн, возможном на Черном море раз в Ш
лет (Б).
У западного побережья Крыма это отношение превышает полтора раза. Столь разительное различие между волновыми условиями, складывающимися в штормах Черного моря, которые дли краткости будем называть обычными, (пусть к очень сильными), и в штормах, вызываемых ВИД. не может быть объяснено выборочной изменчивостью. Штормы ВТЦ представляют собой класс событий, которые надо исследовать отдельно. Из-за редкости этого явления оно не оказывает большого влияния на среднестатистические характеристики ветрового волнения в штормах. Зона сильных ветров, ваян, подъемов уровня и дрейфовых течений в этих штормах невелика и составляет порядка сотни километров. Шторм-треки ВТЦ не постоянны. «Балаклавская буря» прошла в северном направлении на пару сотен километров восточнее. В силу
вышесказанного данное событие каждый раз оказывается неожиданным («как гром посреди ясного неба»). Предложенное в главе 3 деление климатических характеристик на две группы: «фоновые» н «экстремальные» должно быть для Черного моря дополнено третьей группой - явления, приводящие к катастрофическим последствиям,
На рис. 17 приведено поле вертикального потока суммарного тепла /Д в ВТЦ, В момент наибольшего усиления шторма в ядре он достигал значения 1 КВт/м'1. Согласно оценкам (Гидрометеорология н гидрохимия морен СССР. Черное море, 1981) в ноябре 1981 г. в среднем по всей акватории миря поток Н$ составил 130 Вт/ы2. 'Это значит, что вклад рассматриваемого здесь шторма в вертикальный поток тепла чуть ли не на порядок больше, чем в среднем за месян. Выполненные расчеты еще раз подтверждают существующее мнение и роли штормов в динамическом и термическом взаимодействии океана и атмосферы (Марчук, 1976).
Рис. 17, Лоле вертикального потока суммарного тепла (Вт/м3) на Черном море в 9 часов 10
ноября 1981 г.
В Заключении диссертаций сформулированы выводы, в которых подчеркнуто, что теоретической основой разработанной технологии диагноза и прогноза ветрового волнения является «узконаправлен ная» модель вол не имя, созданная акал. В,Г. Захаровым, Модель верифицирована в рачках нескольких натурных экспериментов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оперативным моделям в ГМЦ РФ, Разработанная технология нашла свое применение при исследовании пространственно-временной изменчивости волнового климата морей, омывающих Россию.
Работа швершена при поддержке (грантов РФФИ -офи-и- 05-05-08027, 05-05-64160 и ФЦП «Мировой Океан»)
Всего по теме диссертации опубликовано 45 научных работ.
1. Абузяров З.К., Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Прогноз волнения в океане на основе параметрической интегральной модели. - Труды Гидрометцентра СССР, 1991 вь!П. 314 с. 60-68.
2. Абузяров З.К., Заславский М.М., Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Интерактивная модель ветра и волн INDAM и ее применение к расчету и прогнозу полей этих элементов морской среды в экстраординарных штормах. -Всероссийская научная конференция «Проблемы и перспективы гидрометеорологических прогнозов», посвященная 70-летию ГМЦ РФ, 17-20 января 2000 г. Москва.
3. Алисимчик Н.Г., Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Ветровое волнение Гидрометеорология и гидрохимия морей. Японское море. Т. 8, вып. 1, СПб. Гидрометеоиздат, 2003. с. 327-346.
4. Заславский М.М., Кабатченко И.М., Матушевский Г.В. Совместная адаптивная модель приводного ветра и ветрового волнения.- Проблемы исследования и математического моделирования ветрового волнения. СПб.: Гидрометеоиздат. 1995, с. 136- 155.
5. Заславский М.М.. Залесный В.Б., Кабатченко И.М., Тамсалу Р. О самосогласованном описании приводного слоя атмосферы, ветровых волн и верхнего слоя моря. - Океанология, 2006 т. 46, №2. с. 178-188
6. Захаров В.Е., Заславский М.М., Кабатченко И.М., Матушевский Г.В., Абузяров З.К. Российская Атмосферно-Волновая Модель. - Научно-практическая конференция «Гидрометеорологические прогнозы и гидрометеорологическая безопасность», посвященная 170-летаю образования Гидрометеорологической службы России, 27 - 29 апреля 2004 г., Москва.
7. Кабатченко И.М. Многолетняя цикличность ветра и ветровых волн Черного моря. -М„ Деп. во ВНИИГМИ-МЦД № 159, гм-Д82,1982, 22 с.
8. Кабатченко И.М. Опыт освещения климатических особенностей ветровых волн на примере Черного моря. - Деп. во ВНИИГМИ МЦЦ, №161, гм - Д82, 1982,12 с.
9. Кабатченко И.М., Макова В.И. и др. Экспериментальное исследование ветровых волн и зыби в тропической зоне северо-восточной части Тихого океана. -Исследование океанографических процессов в тропической зоне Тихого океана. М. Гидрометеоиздат, 1989. с. 57-66.
10. Кабатченко И.М. Исследование режима штормовых ветров и волн на примере Черного моря. - Автореферат диссертации на соискание уч.ст. канд.геогр. наук. М. 1985. 18 с.
11. Кабатченко И.М. Исследование режима морского штормового волнения. -Исследование океанов и морей, СПб. Гидрометеоиздат, 1995 г. с. 146-209.
12. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В. Ветровое волнение. - Природные условия Байдарацкой губы, ГЕОС, 1997, с. 2.2.14-2.2.16
13. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В. Проклятие одиннадцатого месяца на Чёрном море. - Море, 1998, № 1, с.29 - 30.
14. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В., Резников М.В., Заславский М.М. Моделирование ветра и волн при вторичных термических циклонах на Черном море. - Метеорология и гидрология, 2001, N 5, с. 61-71.
15. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В., Заславский М.М., Косьян Р.Д. Исследование гидродинамических процессов вблизи поверхности раздела атмосфера-море в штормах на Черном море. - Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы. Материалы юбилейной Всероссийской научной конференции, посвященной 250-летию МГУ и 10-летию РФФИ 2002, с. 27.
16. Кабатченко И.М., Косьян Р.Д., Красицкий В.П., Серых В.Я., Шехватов Б.В. Опыт разработки и эксплуатации волнографа-мареографа в ИОРАН - Океанология, № 1, 2007 (в печати)
17. Кудрявцева Г.Ф., Кабатченко И.М. Ветер. - Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР, Черное море, т. 4, Гидрометеоиздат, Л., 1986. с. 7887.
18. Макова В.И., Кабатченко И.М. и др. Экспериментальное исследование структуры ветрового потока в тропической зоне Тихого океана. - Исследование океанографических процессов в тропической зоне Тихого океана. М. Гидрометеоиздат, 1989. с.39-48.
19. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Модель прибойных волн, распространяющихся в произвольном направлении относительно изобат. -Океанология. 1993, т. 33, № 1, с. 27-31.
20. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Объединенная параметрическая интегральная модель ветрового волнения и ее примените. - Метеорология и гидрология, 1991, N5, с. 45-50.
21. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Параметрическая интегральная модель ветрового волнения, согласованная со всесоюзным волновым СНИПом. - Морской гидрофизический журнал, 1989, № 1-2, с. 24-29.
22. к.4зту1пеЕсккк Г.В., Кабатченко И М, Унификация параметрической интегральной модели для прибрежного мелководья (зон трансформации и прибоя). -Океанология. 1994. т. 34, № 4, с. 542-545.
23. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. и др. Комплекс расчета синоптических и климатических характеристик ветрового волнения. - Метеорология и гидрология, 1994, № 3, с. 68-75.
24. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Эвристическая модель ветровых волн в прибойной зоне. - Проблемы исследования и математического моделирования ветрового волнения, СПб. Гидрометеоиздат. 1995, с. 326-334.
25. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Модели нерегулярных ветровых волн в прибрежной зоне - состояние проблемы и предлагаемое решение. - Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 1998, т.34, N 3, с. 422-429.
26. Матушевский Г. В., Кабатченко И. М. Современная концепция определения экстремальных характеристик ветровых волн и связанных с ним процессов (ветер, течения, уровень) путем анализа штормовых выборок. - Метеорология и гидрология, 1999, № 1, с. 64-72.
27. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М., Теоретические и прикладные аспекты применения спектральных моделей ветрового волнения. - Метеорология и гидрология, 2003, № 1, с. 47-54.
28. Матушевский Г. В., Кабатченко И. М. Энергетические характеристики ветрового потока над взволнованной поверхностью океана. - Метеорология и гидрология, 2006, № 9 с. 59-65.
29. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М., Герман В.Х. Угловое распределение энергии в спектре ветрового волнения - аппроксимации и оценка его ширины. - Труды ГОИН, вып. 209, 2005, с.90-108.
30. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Методика определения экстремальных характеристик основных аэрогидродинамических процессов в шельфовой зоне морей. - IV Международная конференция. Освоение шельфа Арктических морей России. RAO - 99. Санкт-Петербург. Россия. 6-9 июля 1999 года с. 34.
31. Раскин Л.Г., Кабатченко И.М. Ветровое волнение. - Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, том 4, Черное море, выпуск 1. Л., Гидрометеоиздат, 1991, с. 354-367.
32. Kabatchenko I.M. Russian Wind Wave Model. - The Second HIIUMAA (DAG0) Marine Hydrodynamic and Ecosystem Modeling Symposium (Summer school) July 2228, Estonia, 2002
33. Kabatchenko I.M., Zasiavskii M.M. Numerical investigations of a wind wave spectrum on the basis of four-wave kinetic equation in narrow directional approach. - Annales Geophisicae, Sapplement 2, thesis of EGS. XXI General Assembly. The Hague, 6-10 May, 1996, Springer Verlag.
34. Matushevsky G.V., Glazunov A.V., Kabatchenko I.M., Korobov V.B., Strekalov S.S., Zasiavskii M.M. A system for hindcasting wind and wind waves parameters in deep/shallow seas and nearshore regions. - International conference "Dynamics of ocean and atmosphere" Moscow, Russia, 1995
35. Matushevsky G.V., Kabatchenko I.M. Up-to-date concept of estimating design meteocean criteria (wind, wind waves, currents, sea level). - NATO Advanced Research Workshop (ARW) «Stochastic models of hydrological processes and their applications to problems of environmental preservation», Moscow, Russia, November 23 - 27,1998, p. 57-58.
36. Matushevsky G.V. Kabatchenko I.M. An heuristic-hydrodynamical model of wind waves in surf zone. - International conference "Dynamics of ocean and atmosphere" Moscow, Russia, 1995
37. Matushevsky G. V., Kabatchenko I. M. A nearshore block of wind wave model of 3rd generation for pragmatic use. - Second international conference on air-sea interaction and on meteorology and oceanography of the coastal zone. September 22-27, 1994 in Lisbon, Portugal
38. Matushevsky G.V., Kabatchenko I.M., Korobov V.B., Monachov A.V., NadeevV.V., Strekalov S.S. The commplex for hindcasting of wind and wind-generated waves in open sea and nearshore zone. - International Conference "Physical processes on the ocean shelf', Светлогорск, 1996, Ризограф Института Проблем механики РАН, Москва, с.56.
39. Povilanskas R., Chubarenko B.V., Kabatchenko I.M., Matushevsky G.V. Application of Numerical Models in Shoreline Management of the Curonian Lagoon, South-East Baltic. - Proceedings of the 6th EUCC Conference Coastlines '97, Napels, Italy. Publ: EUCC, 1999
40. Tamsalu R., Zakharov V., Zalesny V., Zasiavskii M., Room R., Kuosa H., Hongisto M., Kabatchenko I., Ansper L., Aps R., Mannik A., Luhamaa A. Atmosphere-Sea-
Hydrodynamic-Ecological modelling in the Baltic Sea. - IMEMS 2005. 8lh International Marine Environmental Modelling Seminar. Helsinki Finland 23-25 August, 2005
41. Tamsalu R., Zalesny V.B., Zaslavskii M.M., Kabatchenko I.M. The influence of the wind waves io ihe sea boundary layer dynamics. - European Ivieieoroiogical Socieiy, 5ih Annual Meeting of the European Meteorological Society (EMS), 7th European Conference on Applications of Meteorology (ECAM) Utrecht, Netherlands 12-16 September, 2005, Copernicus Gesellschaft e.V.
42. Zakharov V.E., Zaslavskii M.M., Kabatchenko I.M., Matushevsky G.V., Polnikov V.G. Conceptually new wind-wave model. In: «The wind-driven air-sea interface electromagnetic and acoustic sensing, wave dynamics and turbulent fluxes», Sydney, Australia, 1999. p. 159-164.
43. Zaslavskii M.M., Glazunov A.V., Kabatchenko I.M. The connection of momentum flux through the air-water division surface with the geostrophical wind and the surface wave spectrum. - Third international symposium on air-water gas transfer 24-27 July 1995 Heidelberg, Germany
44. Zaslavskii M.M., Kabattchenko I.M. Hindcasting of nearsurface wind speed and two-dimensional wind wave spectrum by synoptical data. - Annates Geophisicae, Sapplement 2, thesis of EGS. XXI General Assembly. The Hague, 6-10 May 1996 Springer Verlag
45. Zaslavskii M.M., Krasitskii V.P., Matushevsky G.V., Kabatchenko I.M. Self-consistent model for prediction of wind and waves using synoptic data. - The second workshop of NATO TU-WAVES / Black sea, 1994.
Работа напечатана в типографии ООО «Альянс ДокументЦентр» Тираж 120 экз. Заказ № 577
Содержание диссертации, доктора географических наук, Кабатченко, Илья Михайлович
Введение
Глава 1. Моделирование ветрового волнения в синоптическом 17 масштабе времени
1.1. Модели, основанные на теории размерностей
1.2. Спектральная модель ветрового волнения
1.3. Интегральные модели ветрового волнения
1.4. Модель «узконаправленного приближения» спектра ветрового 29 волнения
1.5. Региональный прогноз ветрового волнения в Северной 63 Атлантике
1.6. Примеры применения спектральных моделей ветрового 71 волнения в прикладных целях
Глава 2. Мелководные акватории и учет мелководных эффектов при 79 расчете параметров ветрового волнения
2.1. Способы учета донных эффектов
2.2. Учет донных эффектов в спектральных моделях
2.3. «Сеточная» модель рефракции ветрового волнения и эффект 103 экранирования ветрового волнения островами
2.4. Модель волнения в прибойной зоне
Глава 3. Методы исследования ветрового волнения в климатическом 117 масштабе времени
3.1. Методы исследования «фоновых» характеристик ветрового 118 волнения
3.2. Методы определения «экстремальных» характеристик 138 ветрового волнения
Глава 4. Исследование ветрового волнения для проектирования гидротехнических сооружений
4.1. Расчет волнения для глубоководной акватории
4.2. Расчет волнения в заливе
4.3. Расчет ветрового волнения для условий обширной отмели
Глава 5. Волновой режим Черного моря
5.1. Изученность волнового режима Черного моря
5.2. Исследование режима ветрового волнения Черного моря
5.3. Исследование гидрометеорологических процессов у 228 поверхности раздела атмосфера - море во вторичных термических циклонах
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование ветрового волнения. Численные расчеты для исследования климата и проектирования гидротехнических сооружений"
Проблема исследования ветрового волнения в синоптическом и климатическом масштабах времени представляет большой не только научный, но и практический интерес. Синоптический цикл, вызванный, как правило, прохождением циклона через данную точку земной поверхности, продолжается обычно несколько суток. В открытом океане высота волн во время данного цикла может меняться от нуля до десятков метров. Синоптические ситуации, когда наблюдаются сильный ветер и вызываемые им большие волны, называются штормами.
Характер синоптической изменчивости параметров ветрового волнения оказывает серьезное воздействие на многие океанологические процессы. Перемешивание деятельного слоя моря, вызванное наиболее сильными штормами, соизмеримо с глубиной перемешивания во время осенне-зимней конвекции, но в отличие от последнего явления может наблюдаться в любое время года. Вклад ветровых волн в литодинамические процессы прибрежной зоны моря трудно переоценить. Энергия, накапливаемая ветровыми волнами на огромных просторах морей и океанов, в одночасье диссипируется, вступая в сложные процессы взаимодействия с верхними слоями литосферы в зоне прибрежного мелководья.
Также велико влияние ветровых волн на нижние слои атмосферы. Ветровые волны являются естественной шероховатостью для обдувающих их ветровых потоков. В настоящее время показано, что характер этой шероховатости зависит от стадии развития ветрового волнения. Также велика роль ветровых волн в процессах обмена теплом и массой в системе океан-атмосфера. Образующиеся при обрушении ветровых волн брызги и капли в разы увеличивают эффективную площадь испарения, что в свою очередь оказывает большое влияние на процессы обмена.
Трудно переоценить роль ветрового волнения и в практической деятельности человека. Сильные штормы могут значительно затруднить судоходство в открытом море и даже привести к гибели судов и людей. Современные модели ветрового волнения позволяют с высокой точностью предсказать волновую обстановку в море. В результате этих прогнозов суда могут избежать встречи с наиболее разрушительными штормами.
Для решения всех этих важных научных и практических задач необходимо знание полей ветрового волнения в открытой части морей и океанов. Основная трудность, которую приходится преодолевать при решении проблем исследования волнового режима и прогнозирования ветрового волнения, заключается в том, что инструментальными измерениями ветрового волнения освещена лишь малая часть Мирового океана. К примеру, в наиболее изученной его части, Северной Атлантике, расположено всего порядка 40 английских, американских и канадских волноизмерительных буев и три "корабля погоды", на которых также измеряются параметры волнения. Учитывая относительно высокую пространственную изменчивость параметров ветрового волнения, этого явно недостаточно. Альтернативными инструментальным буйковым и судовым измерениям являются визуальные наблюдения с попутных кораблей и неконтактные измерения со спутников. Оба эти источника информации обладают специфическими недостатками. Визуальные наблюдения сильно разняться по точности, потому что существенно зависят от подготовленности штурманов, которые, как правило, и ведут эти наблюдения. Обобщения этих наблюдений используются только для оценок «фоновых» характеристик волнового режима. Спутниковые наблюдения характеризуются относительно большим временем опроса (периодом, через который они пролетают над конкретной точкой земной поверхности) - от 20 до 40 суток. В целом, обладая достаточной точностью, эти измерения не могут быть использованы для изучения такого важного масштаба изменчивости, как синоптический (характерные периоды синоптической изменчивости меньше периода опроса спутников). Все вышесказанное подтверждает тот факт, что основным методом исследования ветрового волнения, который и будет использован в работе, является расчет его параметров с использованием численных гидродинамических моделей.
Входной информацией для моделей ветрового волнения являются поля ветра. В настоящее время в мире разработаны надежные атмосферные модели, которые с достаточной точностью способны рассчитывать поля ветра над морем. Прежде всего, это относится к региональным моделям атмосферы с шагом менее четверти градуса. Поля атмосферного давления над морем, рассчитанные по этим моделям, по точности почти не уступают полям, составляемым в региональных Гидрометцентрах по данным с метеостанций (кольцевые карты погоды).
Всего в мире метеорологическими службами разных стран и частными фирмами применяется несколько десятков (около 50-60) волновых моделей, часть из них - для решения оперативных задач. Если исключить из этого числа устаревшие модели прежних лет, то оставшиеся можно разделить на 2 основных больших класса - дискретные и параметрические.
Параметрические модели, обладая достаточно высокой точностью, соизмеримой с точностью спектральных моделей, сильно уступают им в уровне информативности. Результатом расчетов по этим моделям являются поля параметров волнового спектра. Прежде всего, к этим параметрам относится нулевой и второй моменты спектра или легко из них пересчитываемые средние высота и период волнения. Для многих прикладных задач эта информация является достаточной. Но для научных исследований и все большого числа прикладных задач требуется знание направленного спектра. Наиболее распространенным типом волнения в морях и океанах является смешанное волнение, включающее в себя ветровое волнение и зыбь, часто состоящую из нескольких систем. Только спектральные модели дают детальное описание каждой системы волнения. Все Мировые прогностические центры используют в качестве основной технологии именно дискретные спектральные модели.
Результатом расчетов по дискретной спектральной модели волнения в каждой точке сеточной области являются спектральные плотности для заданного набора дискретных направлений и частот. Наиболее часто используемые шаги сетки по углу 22,5° и 30°. Для частот задается, как правило, нерегулярная сетка из нескольких десятков частот в интервале от 0,2 до 3 рад./с. Для дискретных моделей используется два уровня детализации при описании эволюции волнового поля, характеризуемого спектром. Первый уровень основан на численном решении исходного кинетического интеграла. Основной недостаток данного уровня - огромная трудоемкость расчетов, которая исключает применение его при оперативных расчетах и прогнозах волнения. Данный уровень детализации, как правило, используется только при исследовании физики процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера. Второй уровень - использование аналитических упрощений исходного интеграла. К данному уровню относятся модели \УАМ [230] и «узконаправленного приближения» волнового спектра. Первая модель является наиболее известной волновой моделью в мире. Как правило, все известные в мире спектральные модели используют способ упрощения кинетического интеграла («дискретный»), впервые примененный в \^АМ.
В 1981 г. акад. В.Е. Захаровым предложен теоретически строгий способ упрощения - «узконаправленного приближения» [51] (для краткости -«узконаправленная» модель), основанный на известном свойстве направленного спектра - угловой узости. Группа сотрудников институтов РАН и Росгидромета, куда входил и автор работы, разработала численную модель, основанную на данной теории. Впоследствии модель была реализована как на ПК, так и на рабочих станциях и СуперЭВМ «КРЕЙ». Именно высокие точностные и эксплуатационные качества данной модели позволили автору получить результаты, описанные в диссертации. Для демонстрации качеств модели достаточно привести один факт. Скорость счета главного члена любой дискретной модели (нелинейных взаимодействий) у «узконаправленной» модели в 10 раз выше, чем в WAM. И это без потери в точности!
Узконаправленная» модель была тестирована в рамках нескольких натурных волновых экспериментов и показала свою высокую надежность. Эти свойства модели были признаны в России, и на научно-техническом совете Росгидромета 6 июля 2001 года ей был придан статус Российской Атмосферно-Волновой Модели (РАВМ). В настоящее время метод расчета ветрового волнения в Северной Атлантике, основанный на РАВМ, работает в оперативном режиме в Гидрометцентре РФ. На Центральной Методической Комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета данный метод прогноза был рекомендован з практику оперативных работ (решение от 17.10.01).
Режимные характеристики ветрового волнения являются важной составляющей общей климатологии океана. В настоящее время установлено, что режим ветровых волн не является постоянным ни по пространству, ни по времени. «Парниковый» эффект и другие сложные процессы, влияющие на климат Земли, оказывают свое воздействие на шторм-треки циклонов, уменьшая повторяемость сильного волнения в одних районах и увеличивая в других. В свою очередь, ветровые волны оказывают существенное влияние на газообмен в системе океан-атмосфера, в том числе и таких важных для развития «парникового» эффекта газов, как углекислый газ.
Без знания режимных характеристик ветрового волнения в принципе невозможна никакая хозяйственная деятельность человека в море. Нагрузка, создаваемая волнами на гидротехнические сооружения, как правило, значительно превышает нагрузки, вызываемые другими гидрометеорологическими процессами. При этом деятельность человека, особенно в прибрежных районах моря, становится все более интенсивной и разнообразной. Это строительство портов, молов и волноотбойных стенок, прокладка подводных трубопроводов и кабелей, строительство нефте- и газодобывающих платформ, насыпка искусственных островов и т.д.
При исследовании ветрового волнения в климатическом масштабе все искомые характеристики были разделены на 2 группы [100]: частой повторяемости ("нормальные", "фоновые", "эксплуатационные") и редкой повторяемости ("экстремальные", "расчетные"), возможные 1 раз в 5, 10, ., 100 лет и более. Существует несколько доводов в пользу такого деления. Часто «фоновые» и «экстремальные» характеристики реализуются в разных анемо-барических ситуациях. Так, к примеру, в тропической зоне Тихого океана «фоновые» характеристики ассоциируются с пассатами, скорость ветра в которых редко превышает 20 м/с (соответственно и средние высоты волн редко превышают 5 м), а «экстремальные» с тайфунами, в которых скорость, по определению, не может быть менее 20 м/с, иначе они называются тропическими депрессиями.
Физика взаимодействия в системе океан-атмосфера при сильных и слабых скоростях ветра сильно отличается. При штормовых ветрах часто наблюдается режим сильной шероховатости морской поверхности, волновая ситуация, как правило, нестационарная - нет однозначного соответствия между силой ветра и высотой волн. При слабых ветрах характер шероховатости морской поверхности близок к режиму гладкого обтекания, время приспособления ветрового волнения к силе ветра невелико, поэтому наблюдается хорошая корреляция между силой ветра и параметрами волн.
Технологии расчетов «фоновых» и «экстремальных» характеристик также отличаются. При расчете «фоновых» характеристик для исследования используются все измерения, но за относительно небольшой интервал времени, как правило, год. При расчете «экстремальных» используется способ цензурируемых выборок, когда из всего ряда наблюдений выбираются случаи, соответствующие штормам. Эта выборка осуществляется для большого периода наблюдений, не менее 30 лет.
Фоновые» характеристики волнения для морей России достаточно хорошо изучены. По каждому морю существует несколько справочных пособий, изданных за разные годы. Для наиболее важных с практической точки зрения Балтийского и Черного морей такие справочники в послевоенные годы выпускались чаще, чем раз в 10 лет.
Экстремальные» характеристики исследовались, как правило, по специализированному запросу народнохозяйственных организаций для конкретных акваторий моря. Оценки «экстремальных» характеристик, которые приведены в справочниках, получены путем экстраполяции режимных функций распределения в область малых обеспеченностей. Понятно, что данный подход приводил к большим погрешностям.
При исследовании режимных характеристик волнения в настоящей работе основное внимание уделено именно «экстремальным». При исследовании был использован метод, именуемый Peak-Over-Threshold method (РОТ), или в русском переводе ПВП-метод (Пики-Выше-Порога). В 1990 г. он был рекомендован как наиболее приемлемый в инженерной практике Рабочей группой МАГИ (Международная Ассоциация Гидравлических Исследований) по статистике экстремальных волн [205]. Узким местом, осложняющим применение метода РОТ для конкретных акваторий, является способ выделения наиболее сильных штормов из всего ряда. Как правило, в архивах хранятся лишь исторические поля приземного давления, по которым при поверхностном осмотре трудно определить, соответствуют ли они экстремальным штормам или нет. В работе предложен способ выборки таких штормов.
Узконаправленная» модель ветрового волнения и метод РОТ были применены при расчете режимных характеристик ветрового волнения как на акваториях морей России, так и зарубежных стран. Они легли в основу расчетов при проектировании следующих объектов: дамба, защищающая г. Лагань от наводнений, СЗ побережье Каспийского моря (1994-1995, заказчик Совинтервод);
Берегозащитные сооружения на северо-восточном побережье Черного моря (1996, заказчик Краснодарберегозащита);
Штокманское газокондесатное месторождение в Баренцевом море (1995, заказчик ВНИПИморефтегаз); трубопровод по дну Байдарацкой губы (заказчик Petergaz, The Netherlands, 1991 - 1995);
Нефтяное месторождение Приразломное (заказчик ВНР, UK, 1992
1997);
Нефтяные месторождения Луньское и Пильтун-Астохское на шельфе Сахалина (заказчик Marathon Oil Company, USA, 1990 - 1991);
Нефтяной терминал на Черноморском побережье в районе г. Супса (заказчик Exxon Production Research Company, USA, 1996); трубопровод по дну Балтийского моря (North Trans Gas Project -заказчик Kvaerner /Intershelf, 1998); трубопровод через залив Чайво, Сахалин (заказчик Sakhalin Energy,
2005).
Условия волнообразования для указанных акваторий были крайне разнообразны. Некоторые из них расположены в открытом море с большими глубинами, некоторые - в прибрежной мелководной зоне, часть - в глубоко вдающихся в берег заливах.
При конкретных запросах практики заказчику в каждом отдельном случае интересен относительно небольшой набор режимных волновых параметров. Так, при проектировании нефте- и газодобывающих платформ в открытом море крайне важной характеристикой является вероятность появления катастрофических по своим размерам волн, так называемых волн убийц». При проектировании трубопроводов важнейшим режимным параметром является придонная орбитальная скорость вдоль всей трассы трубопровода. При разработке берегозащитных мероприятий необходимо знать скорость размыва волнами пляжей и дамб.
Вышеописанные модели и методы расчетов параметров ветровых волн в синоптическом и климатическом масштабах времени были применены при комплексном исследовании волнового режима Черного моря. В соавторстве с Л.Г. Раскиным был написан раздел «Ветровое волнение» в справочнике [122] и с Г.Ф. Кудрявцевой раздел «Ветер» в справочнике [72].
Были исследованы как «фоновые», так и «экстремальные» характеристики Черного моря. Показано, что «фоновые» характеристики имеют невысокую пространственную изменчивость, межгодовая изменчивость «фоновых» характеристик также невелика. Пространственное распределение «экстремальных» характеристик более неоднородно. К примеру, высота волны, возможная раз в 10 лет, растет с севера на юг. Преобладающие над морем северные ветра увеличивают свои разгоны при продвижении на юг. При этом имеются два максимума на юго-востоке и юго-западе моря, где средняя высота волны с 10-летним периодом повторяемости может достигать 4,5 м. Исследования за последние 15 лет показали, что среднегодовая мощность волнения на Черном море возрастала. Для восточных районов этот рост был более быстрым, чем для западных.
Одно из самых опасных штормовых явлений на Черном море - осенние штормы, вызываемые вторичными термическими циклонами (ВТЦ). По интенсивности штормовых процессов ВТЦ на Черном море уступают только зимнему норд-осту. В силу того, что побережья России и СНГ являются подветренными для норд-оста, именно ВТЦ вызывают наибольшие волны и приводят к наиболее сильным разрушениям на указанных побережьях. Наиболее известным штормом, вызванным ВТЦ, является «Балаклавская буря», случившаяся в середине 19 века и оказавшая большое влияние на ход
Крымской войны. Был найден аналог данному шторму в новейшей истории -шторм 9-11 ноября 1981 года, также приведший к исключительным разрушениям. На примере этого шторма показана большая роль разности температуры воды и воздуха в процессе ужесточения этих штормов над Черным морем. В течение всего шторма наблюдался режим развивающегося волнения, который характеризуется сильной шероховатостью для ветрового потока, что привело к усилению обмена импульсом в системе атмосфера-море. Рассчитанные высоты волн и скорости дрейфовых течений в этом шторме оказались существенно выше, чем в «ординарных» штормах на севере Черного моря.
В настоящей работе решены три крупные, связанные между собой задачи:
1. Разработана компьютерная технология расчета (прогноза) полей ветрового волнения. Основой данной технологии является «узконаправленная» модель ветрового волнения, созданная акад. В.Е. Захаровым. Технология позволяет по полям ветра в узлах сеточной области рассчитывать (прогнозировать) спектры ветрового волнения, важнейшие интегральные характеристики ветрового волнения (высоту, период, длину волны), а также и другие более тонкие характеристики (наклоны и кривизну взволнованной поверхности, орбитальные скорости, превышения вершины волны над расчетным уровнем);
2. Предложена универсальная система вероятностного описания «экстремальных» характеристик ветрового волнения, основанная на методе цензурированных выборок. На конкретных примерах показана применимость этой системы для разнообразных морских акваторий (открытое море, прибрежное мелководье, заливы);
3. Проведено комплексное исследование волнового режима Черного моря. Детально исследованы его «фоновые» и «экстремальные» характеристики. Изучена пространственная и временная изменчивость режимных характеристик. Выделен тип штормов, вызываемых осенними ВТЦ, приводящий к катастрофическим последствиям на акваториях, прилегающих к северному побережью Черного моря. Дано объяснение причин усиления обменных процессов в системе атмосфера-море в этих штормах. Даны предикторные признаки появления этих штормов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Новая численная гидродинамическая модель ветрового волнения, позволяющая по исходным полям ветра рассчитывать направленные спектры ветрового волнения в узлах регулярной сетки. Новизна модели заключается в том, что член нелинейного взаимодействия задан в соответствии с «узконаправленной» теорией ветрового волнения, разработанной акад. В.Е. Захаровым. Это единственная в мире оперативная спектральная модель, в которой используется альтернативное «дискретному» упрощение кинетического интеграла;
2. Внедренный в практику оперативных работ ГМЦ метод прогноза ветрового волнения, основанный на «узконаправленной» модели ветрового волнения. Метод верифицирован по данным нескольких натурных экспериментов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оперативным методам, и лицензирован Центральной Методической Комиссией Росгидромета;
3. Система приемов для определения «экстремальных» режимных характеристик волнения на глубокой и мелкой воде, основанная на методе цензурированных выборок;
4. Результаты исследований режимных параметров ветрового волнения для морских акваторий с различными климатическими условиями и характером волнообразования (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);
5. Результаты комплексного исследования режима ветрового волнения Черного моря, включающие детальный анализ пространственной и временной изменчивости режимных характеристик;
6. Система численных моделей аэрогидродинамических процессов у поверхности раздела атмосфера - море в осенних вторичных термических циклонах Черного моря. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов.
7. Результаты исследования параметров ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовых течений в шторме 9-11 ноября 1981 года, приведшего к катастрофическим разрушениям гидротехнических сооружений на акваториях, прилегающих к западному побережью Крыма.
К настоящему времени наука достигла высокого уровня понимания физических процессов генерации и распространения ветрового волнения. Одной из ведущих школ в мире по изучению теории ветрового волнения является лаборатория нелинейных волновых проблем Института океанологии РАН им. П.П. Ширшова под руководством В.Е.Захарова. Лично Владимиром Евгеньевичем и его сотрудниками (М.М. Заславским, В.П. Красицким и другими) разработана замкнутая теория ветрового волнения. Использование данных теоретических достижений позволило автору выполнить настоящую работу. Также она была бы невозможной без огромного практического опыта исследования ветрового волнения, накопленного в лаборатории ветрового волнения Государственного Океанографического Института. Данная лаборатория была организована в 1952 году для обеспечения работ по добыче нефти на Нефтяных Камнях в Каспийском море. За время ее существования под руководством таких ученых, как Б.Х. Глуховский, Г.В. Ржеплинский, Г.В. Матушевский были исследованы важнейшие закономерности ветрового волнения. Исключительно большой вклад в
Заключение Диссертация по теме "Океанология", Кабатченко, Илья Михайлович
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сформулируем в заключение основные результаты работы, имеющие характер новизны и ценности для научных исследований и решения прикладных задач, связанных с необходимостью учета ветрового волнения.
1. Разработана новая численная модель диагноза и прогноза направленных спектров ветрового волнения по исходным полям ветра. Модель основана на «узконаправленной» спектральной теории ветрового волнения, созданной акад. В.Е. Захаровым.
2. На базе данной численной модели разработана компьютерная технология расчета направленных спектров ветрового волнения. Технология верифицирована по данным натурных экспериментов и внедрена в практику работ Росгидромета. На Центральной Методической Комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета данная технология была рекомендована в практику оперативных работ (решение от 17.10.01). На научно-техническом совете Росгидромета 6 июля 2001 года «узконаправленной» модели был придан статус Российской Атмосферно-Волновой Модели;
3. Предложена система приемов для определения параметров ветрового волнения с большими периодами повторяемости (5 лет и более) на глубокой и мелкой воде, базирующаяся на методе цензурированных выборок. Предложены критерии выделения синоптических ситуаций, относящихся к штормовым, из всего ряда наблюдений;
4. Разработанные модель ветрового волнения и система приемов определения «экстремальных» характеристик позволили исследовать режимные характеристики ветрового волнения по специализированным запросам народнохозяйственных организаций. Исследовался волновой режим морских акваторий, в которых предполагается строительство гидротехнических сооружений. Данные акватории различались между собой климатическими условиями и характером волнообразования (глубокое море, прибрежная мелководная зона, залив);
5. Проведены комплексные исследования режима ветрового волнения Черного моря. Установлено возрастание высот волн с большими периодами повторяемости с севера моря на юг. Выявлены два максимума для высот волн, возможных раз в 10 лет, в юго-восточном и юго-западном районах моря. Выделен устойчивый тренд в средней за год мощности ветрового волнения. Мощность волнения последние 15 лет на море возрастала, причем, для восточных районов она росла быстрее, чем для западных;
6. Выделен тип штормов, которые приводят к катастрофическим разрушениям для северных районов Черного моря. Эти штормы вызываются осенними вторичными термическими циклонами (ВТЦ). Построена система численных моделей аэрогидродинамических процессов у поверхности раздела в этих штормах. Система представляет собой замкнутое самосогласованное описание приводного слоя атмосферы, спектра ветровых волн и приповерхностного слоя моря, которое учитывает взаимную подстройку всех этих процессов. Показано большое влияние разницы температуры вода - воздух и повышенной шероховатости взволнованной поверхности на обмен импульсом в системе атмосфера-море.
7. В шторме 9-11 ноября 1981 г. рассчитаны параметры ветрового волнения, приводного слоя моря и дрейфовые течения. Согласно исследованиям данный шторм является наиболее полным аналогом в новейшей истории «Балаклавской бури» наиболее жестокого по историческим данным шторма, вызванного осенними ВТЦ. Показано, что параметры ветровых волн в эпицентре этих штормов решительно превосходят наблюдаемые даже самых сильных штормах на севере
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Кабатченко, Илья Михайлович, Москва
1. Абузяров З.К. Морское волнение и его прогнозирование. Л. Гидрометеоиздат, 1981,166 с.
2. Абузяров З.К., Давидан И.Н., Пасечник Т.А. и др. Численные эксперименты со спектральной моделью расчета полей волнения. Труды Гидрометцентра СССР, 1978. №200, с.103-119.
3. Абузяров З.К., Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Прогноз волнения в океане на основе параметрической интегральной модели. — Труды Гидрометцентра СССР, 1991, вып. 314, с. 60-68.
4. Алисимчик Н.Г., Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Ветровое волнение.- Гидрометеорология и гидрохимия морей. Японское море. Т. 8, вып. 1, СПб. Гидрометеоиздат, 2003. с. 327-346.
5. Атлас волнения и ветра Балтийского моря. Таллинн, 1965 г. 88 с.
6. Атлас волнения и ветра Финского залива. Гидрометеорологическое издательство, Л., 1967 г.48 с.
7. Атлас волнения и ветра Черного моря. Л., Гидрометеоиздат, 1969, 111 с.
8. Бабанин A.B., Соловьев Ю.П. Параметризация ширины углового распределение энергии ветровых волн при ограниченных разгонах. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1987, 23, №8, с. 868-876.
9. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М., Мир, 1974
10. Бортковский P.C., Новак В.А. Аэродинамические свойства морской поверхности в зависимости от стадии развития ветрового волнения
11. Проблемы исследования и математического моделирования ветрового волнения. СПб. Гидрометеоиздат, 1995, с.98-119.
12. Бреббиа К., Уокер С. Динамика морских сооружений. Л. Судостроение, 1988,229 с.
13. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М. Наука, 1986, 544 с.
14. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные. Л. Транспорт, 1974,359 с.
15. Волков Ю.А., Елагина Л.Б., Копров Б.М. Исследование тепловых потоков в приводном слое атмосферы по программе Атлантического тропического эксперимента. Метеорология и гидрология, 1981, № 8, с. 102-109.
16. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР, Каспийское море. Гидрометеоиздат, Л. 1986.
17. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Балтийское море. Справочник. Т. 1, вып. 1. Л. Гидрометеоиздат, 1983, 173 с.
18. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Т 7. Карское море. Л. Гидрометеоиздат, 1986, 278 с.
19. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР., Баренцево море. Гидрометеоиздат, Л. 1985.
20. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, том 1 Баренцево море, выпуск 1. Л. Гидрометеоиздат, 1990.
21. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, том 6 Каспийское море, выпуск 1. Л. Гидрометеоиздат, 1992.
22. Глазунов A.B., Заславский М.М. Расчет параметров приводного слоя атмосферы по численной модели планетарного пограничного слоя атмосферы и спектру ветровых волн. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1997, т. 33, №2, с. 163-171.
23. Глуховский Б.Х. Исследование морского ветрового волнения. Л. Гидрометеоиздат, 1966.
24. Гулев C.K. Взаимодействие океана и атмосферы на различных масштабах. Автореферат диссертации на соискание уч.ст. докт. физ.-мат. наук. М. 1997.41 с.
25. Гулев С.К., Колинко A.B., Лаппо С.С. Синоптическое взаимодействие океана и атмосферы в средних широтах. Спб. Гидрометеиздат, 1994, 320 с.
26. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. М., Мир, 1965.
27. Давидан И.Н. Волны на глубокой воде. Проблемы исследования и математического моделирования ветрового волнения. - Гидрометеоиздат. СПб. 1995, с. 231-254.
28. Давидан И.Н., Лавренов И.В., Пасечник Т.А. и др. Спектральная -параметрическая модель ветрового волнения. Морской гидрофизический журнал. 1988. № 5, с. 21-27.
29. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение в Мировом океане. Гидрометеоиздат, Л. 1985,256 с.
30. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Гидрометеоиздат, Л. 1978, 287 с.
31. Дивинский Б.В., Косьян Р.Д., Подымов И.С., Пушкарев О.В. Экстремальное волнение в северо-восточной части Черного моря в феврале 2003 года. Океанология, 2003, том. 43, № 5.
32. Дубиков Г.И. Типы мерзлых толщ грунтов. Природные условия Байдарацкой губы, ГЕОС, 1997, с. 2.4.10-2.4.18
33. Ефимов В.В., Полников В.Г. Численное моделирование ветрового волнения. «Наукова думка». Киев. 1991, с. 240.
34. Ефимов В.А., Тимофеев H.A., Сычев E.H., Куржевский И.В. Оценка коэффициентов тепло- и влагообмена между океаном и атмосферой.- Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985. № 7, с. 735-743.
35. Заславский М.М. О параметрическом описании приводного слояатмосферы. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1995, т. 31, №5, с. 607-615.
36. Заславский М.М. Об узконаправленном приближении кинетического уравнения для спектра ветровых волн. Изв. РАН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989 т.25, N4.
37. Заславский М.М. Прогноз ветровых волн как проблема теории слабой турбулентности. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. М. ИОАН, 1984. 33 с.
38. Заславский М.М. Соотношение узконаправленного, узкополосного и диффузионного приближений для интеграла нелинейных взаимодействий поверхностных гравитационных волн. Океанология. 1997, т.37, с.ЗЗ 1 -337.
39. Заславский М.М., Захаров В.Е. К теории прогноза ветровых волн. Докл. АН СССР, 1982, т. 265, № 3.
40. Заславский М.М., Красицкий В.П. О пересчете данных волнографа сдатчиком давления на спектр поверхностных волн. Океанология, 2001, т. 41, №1, с.1-6.
41. Заславский М.М., Красицкий В.П. О спектрах полностью развитого волнения в море конечной глубины. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2001. Т 37. № 4, с. 557-565.
42. Захаров В.Е., Заславский М.М. Кинетическое уравнение и колмогоровские спектры в слаботурбулентной теории ветровых волн. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. 18, №9, с. 970-979.
43. Захаров В.Е., Смилга А. О квазиоднородных спектрах слабойтурбулентности. Журн. эксп. и теор. физ., 1981, т.81, вып.4(10), с.318-326.
44. Ивашинцев Н. Исследование шторма, бывшего на Чёрном море 14 ноября 1854 г. Морской сборник, 1855, Т.27, №7, с.5 - 35.
45. Иконникова Л.Н. Синоптические условия наиболее опасных морских штормов.- Труды ГОИНД977, вып. 138, с. 105 120.
46. Иконникова Л.Н. Ураганы на морях в средних широтах и их последствия. Метеорология и гидрология. 1980. № 2.
47. Инженерно-геологические и гидрометеорологические изыскания в Байдарацкой губе Карского моря. М. ИПО «Эко-система», 1992.
48. Кабатченко И.М. Многолетняя цикличность ветра и ветровых волн Черного моря. -М., Деп. во ВНИИГМИ-МЦД № 159, гм-Д82, 1982, 22 с.
49. Кабатченко И.М. Опыт освещения климатических особенностей ветровых волн на примере Черного моря Деп. во ВНИИГМИ МЦД, № 161, гм -Д82, 1982, 12 с.
50. Кабатченко И.М., Макова В.И. и др. Экспериментальное исследование ветровых волн и зыби в тропической зоне северо-восточной части Тихого океана. Исследование океанографических процессов в тропической зоне Тихого океана. М. Гидрометеоиздат, 1989.
51. Кабатченко И.М. Исследование режима штормовых ветров и волн на примере Черного моря. Автореферат диссертации на соискание уч.ст. канд.геогр. наук. М. 1985. 18 с.
52. Кабатченко И.М. Исследование режима морского штормового волнения. -Исследование океанов и морей, СПб. Гидрометеоиздат, 1995 г.
53. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В. Ветровое волнение. Природные условия Байдарацкой губы, ГЕОС, 1997, с. 2.2.14-2.2.16
54. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В. Проклятие одиннадцатого месяца на Чёрном море. Море, 1998, №1, с.29 - 30.
55. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В., Резников М.В., Заславский М.М. Моделирование ветра и волн при вторичных термических циклонах на Черном море. Метеорология и гидрология, 2001, N 5, с. 61-71.
56. Казанский А.Б.,Монин A.C. О динамическом взаимодействии между атмосферой и поверхностью земли. Изв. АН СССР, серия геофиз., 1961, N5, с.786-788
57. Китайгородский С.А. Аэродинамическая шероховатость морской поверхности сверху и снизу. Издательский центр «Метеорология и гидрология», М, 2002, 16 с.
58. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. Л. Гидрометеоиздат. 1970. 284 с.
59. Косьян Р.Д. (под. редакцией). Динамические процессы береговой зоны моря. Научный мир, М. 2003
60. Красицкий В.П. К теории трансформации спектра при рефракции ветровых волн. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1974. т. 10, № 1, с. 72-82.
61. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования ветровых волн. Л. Гидрометеоиздат. 1966. 254 с.
62. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. Л, Гидрометеоиздат, 1976. 254 с.
63. Кудрявцева Г.Ф., Кабатченко И.М. Ветер. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР, Черное море, т. 4, Гидрометеоиздат, Л., 1986.
64. Лавренов И.В. Математическое моделирование ветрового волнения в мировом океане в условиях его пространственной неоднородности. -Автореферат дис. на соискан.учен. степ, д-ра физ.-мат. наук. СПб, Репрогр. ААНИИ, 1992. 28 с.
65. Лавренов И.В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. Гидрометеоиздат. СПб. 1998. 500 с.
66. Лавренов И.В., Полников В.Г. Исследование свойств нестационарных решений кинетического уравнения Хассельманна. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2001. 37, №5, с.712-722 .
67. Лейкин И.А., Показеев К.В., Розенберг А.Д. Об эффекте превышения в спектре развивающихся ветровых волн. Доклады АН СССР. 1983. 270, №6, с. 1474-1478.
68. Леотньев И.О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов. -ГЕОС, 2001,272 с.
69. Литвиненко Г.И., Стрекалов С.С. Модели гидрофизических процессов применительно к расчету экстремальных воздействий на сооружения морских портов. Изд. ЦДМУ МГАВТ, 2002, 185 с.
70. Лопатухин Л.И. Оценка максимально возможных высот волн. Судостроение, 1982, № 10, с. 5-7.
71. Лопатухин Л.И. Анализ распределений элементов волн. Труды ВНИИГМИ, 1974, вып. 1,cl 16-142.
72. Лопатухин Л.И., Микулинская С.М., Рожков В.А. Максимальные высоты волн и их достоверность. Судостроение, 1991, №9, с.3-9.
73. Лопатухин Л.И., Рожков В.А., Трапезников Ю.А. Спектральная структура волнения. Результаты океанологических исследований в восточной части тропической зоны Тихого океана, Л. Гидрометеоиздат., 1990, с. 128-135.
74. Макин В.К. Численные исследования взаимодействия ветра с морским волнением. Океанология. 1982. 22, №5, с.947-950.
75. Макин В.К. Трехмерная численная модель ветроволнового взаимодействия. Докл. АН СССР. 1983. 269, №4. с. 947-950.
76. Макин В.К., Чаликов Д.В. Расчет притока энергии к реальным волнам. -Докл. АН СССР. 1980.253, №6. с. 1458-1462.
77. Маккавеев В.М. О процессах возрастания и затухания волн малой длины и о зависимости их от расстояния по наветренному направлению. Труды ГГИ, 1937, вып.5, с 3-15
78. Макова В .И., Кабатченко И.М. и др. Экспериментальное исследование структуры ветрового потока в тропической зоне Тихого океана. -Исследование океанографических процессов в тропической зоне Тихого океана. М. Гидрометеоиздат, 1989.
79. Марчук Г.И. Физика атмосферы и океана и проблемы прогноза погоды. -Метеорология и гидрология. 1976. № 10, с. 3-14.
80. Матушевский Г.В. Расчет ветрового волнения вблизи островов, полуостровов, в проливах и заливах. Методические указания ГОИН, 1964, вып. 25, 30с.
81. Матушевский Г.В. Расчет максимальных высот ветровых волн в океанах и морях. Метеорология и гидрология, 1978, № 5, с. 63-69.
82. Матушевский Г.В. Энергетический подход к оценке волнового климата Северной Атлантики. Метеорология и гидрология, 2001, N 7, с. 53-60
83. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Модель прибойных волн, распространяющихся в произвольном направлении относительно изобат. -Океанология. 1993. № 1, с. 27-31.
84. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Объединенная параметрическая интегральная модель ветрового волнения и ее применение. -Метеорология и гидрология, 1991, N 5.
85. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Параметрическая интегральная модель ветрового волнения, согласованная со всесоюзным волновым СНИПом. Морской гидрофизический журнал, № 1, 1989.
86. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Унификация параметрической интегральной модели для прибрежного мелководья (зон трансформации и прибоя). Океанология. 1994. № 4, с. 542-545.
87. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. и др. Комплекс расчета синоптических и климатических характеристик ветрового волнения. -Метеорология и гидрология, № 3, 1994.
88. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Эвристическая модель ветровых волн в прибойной зоне. Проблемы исследования и математическогомоделирования ветрового волнения, СПб. Гидрометеоиздат. 1995, с. 326334.
89. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Модели нерегулярных ветровых волн в прибрежной зоне состояние проблемы и предлагаемое решение. -Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 1998, N 3.
90. Матушевский Г. В., Кабатченко И. М. Современная концепция определения экстремальных характеристик ветровых волн и связанных с ним процессов (ветер, течения, уровень) путем анализа штормовых выборок. Метеорология и гидрология, 1999, № 1.
91. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М. Теоретические и прикладные аспекты применения спектральных моделей ветрового волнения. -Метеорология и гидрология. 2003, № 1
92. Матушевский Г. В., Кабатченко И. М. Энергетические характеристики ветрового потока над взволнованной поверхностью океана. -Метеорология и гидрология, 2006, (в печати).
93. Матушевский Г.В., Кабатченко И.М., Герман В.Х. Угловое распределение энергии в спектре ветрового волнения аппроксимации и оценка его ширины. - Труды ГОИН, вып. 209, 2005. с.90-108.
94. Матушевский Г.В., Трубкин И.П. Исследование и расчет орбитальных скоростей нерегулярного трехмерного волнения. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1981, т. 17, № 8 с. 834-843.
95. Матушевский Г.В., Трубкин И.П. Определение орбитальных скоростей, ускорений и смещений частиц воды при ветровом волнении. Труды ГОИН, 1981, вып. 151, с. 101-107.
96. Методические указания ГОИН, вып. 42. Расчет режима морского ветрового волнения. М., 1979
97. Монин A.C. Гидродинамика атмосферы, океана и земных недр.-Гидрометеоиздат, СПб, 1999, 524 с.
98. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М. Наука. 1965. Т.1.720с.
99. Монин С.А, Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л. Гидрометеоиздат. 1985. 375с.
100. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 1, Часть 3, Гидрометеорологическое издательство, Л., 1956, 167 с.
101. Новый метод анализа и расчета элементов ветровых волн Труды ГОИН, 1968, вып. 93, с. 5—52. Авт.: Ржеплинский Г.В., Крылов Ю.М., Матушевский Г.В., Стрекалов С.С, Назаретский Л.Н.
102. Панин Г.Н., Кривицкий C.B. Аэрогидродинамическая шероховатость поверхности водоема. М. Наука. 1992. 135 с.
103. Показеев К.В. Фам Нгок Тхань. Изменчивость ветро-волновых условий в Японском море по данным буйковых измерений. Труды ГОИН, вып. 188, 1989, с. 122-124.
104. Полников В.Г. Метод расчета интеграла нелинейного переноса интеграла по спектру поверхностных волн. Севастополь. 1987 9с. Деп. в ВИНИТИ 6.02.87, № 874-В87.
105. Полников В.Г. Расчет нелинейного переноса энергии по спектру поверхностных гравитационных волн. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989, с.1214-1225.
106. Полников В.Г. Численное решение кинетического уравнения для поверхностных гравитационных волн. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. 26, №2, с. 168- 176.
107. Полников В.Г. Анализ особенностей нелинейного переноса энергии по спектру поверхностных гравитационных волн и его параметризация. -Севастополь,1988. 16с. Деп. в ВИНИТИ 18.10.88, №7510-В88.
108. Полников В.Г. Исследование нелинейного механизма эволюции ветровых волн. Препринт МГИ НАНУ. Севастополь. 1994. 52 с.
109. Полников В.Г. Численное моделирование формирования потоковых спектров. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1994. 27, №8, с. 867878.
110. Полников В.Г. Исследование нелинейных взаимодействий в спектре ветровых волн. Автореферат докторской диссертации. МГИ НАНУ. Севастополь. 1995.
111. Р.31.3.07-01 Указания по расчету нагрузок и воздействий от волн, судов и льда на морские гидротехнические сооружения. Дополнения и уточнения к СНИП 2.06-04-82*. М. 2001.
112. Раскин Л.Г. Кабатченко И.М. Ветровое волнение. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, том 4, Черное море, выпуск 1. Л., Гидрометеоиздат, 1991, с. 354-367.
113. Резников М.В. Некоторые методы расчета течений, используемые в автоматизированной реляционной гидрофизической оперативной системе (АРГОС). Труды ГОИН, вып. 191, 1988.
114. Ржеплинский Г.В. Исследование режима ветрового волнения океанов и расчеты параметров волн. Труды ГОИН. 1972. Вып. 111, 184 с.
115. Ржеплинский Г.В. Уточненная методика расчета высот волн по полям ветра. Труды ГОИН, вып. 126, 1975, с. 132-141.
116. Ржеплинский Г.В., Назаретский Л.Н. Расчет режима волнения шельфовых акваторий на примере Черного моря. Метеорология и гидрология, 1974, № 1, с. 63-68.
117. Рожков В.А., Лопатухин Л.И., Бухановский Л.И., Лавренов И.В., Дымов В.И. Моделирование штормового волнения. Известия РАН Физика Атмосферы и океана, 2000, том 36, № 5.
118. Скриптунов H.A. Изменение солености воды в западной части взморья Волги после зарегулирования стока реки. Труды ГОИН, 1971, вып. 104, с. 96-108.
119. Скриптунов H.A. К расчету максимальных сгонно-нагонных колебаний уровня Каспийского моря. Труды ГОИН, 1967, вып. 80, с. 46-61.
120. СНИП 2.06.04.-82 . Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М. Стройиздат, 1986.
121. Соскин И.М. Эмпирические зависимости для расчета ветровых течений. Труды ГОИН. Вып. 70, 1962, с. 3-27.
122. Справочник по климату Черного моря. М. Гидрометеоиздат, 1974, 406 с.
123. Стрекалов С.С. Приводный пограничный слой атмосферы (Гл.1). Анализ характеристик ветрового потока в приводном слое атмосферы (Гл.2) с. 6-43. В книге «Ветер, волны и морские порты». JI. Гидрометеиздат. 1986.
124. Типовые поля ветра и волнения Черного моря. Под ред. Э.Н.Альтмана и Г.В.Матушевского. Севастополь, СОГОИН, 1987, 116 с.
125. Титов Л.Ф. Ветровые волны на океанах и морях. Л. Гидрометеоиздат, 1952, 128 с.
126. Филиппов Ю.Г. Численное исследование колебаний уровня и течений северной части Каспийского моря при различных значениях его фонового уровня. Водные ресурсы. 1997, т.24, №4, с.424-429.
127. Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л. Гидрометеоиздат. 1980. 320 с.
128. Халфин И.Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. М., Недра, 1990
129. Холодилин Д.И., Шмырев А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении. Судостроение, 1976, 328 с.
130. Хромов С.П. Синоптическая метеорология. Л. Гидрометеоиздат. 1974. 568 с.
131. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. -Гидрометеорологическое издательство, Л. 1955, 455 с.
132. Юэн Г., Лэйк Б. Нелинейная динамика гравитационных волн на глубокой воде. М. Мир, 1982. 180 с.
133. Яненко H.H. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск, Наука (Сиб. отделение), 1967.
134. Ященко А.В. Климатообразующие факторы. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. IY. Черное море. Вып.1. «Гидрометеорологические условия», 1981. Гидрометеоиздат. с. 22-28.
135. Aagaard Т. Infragravity waves and nearshore bars in protected, storm-dominated coastal environments. Marine Geology. 1990. V. 94. P. 181-203.
136. Abernethy C.L., Lawson N.Y. Statistical distribution of wave parameters of Botany bay. "1st Austral. Conf. Coast. Eng. Eng. Dyn. Coast. Zone, Sydney, 1973", S. P. 52-58.
137. Anderson, C.W., Carter D.J.T., Cotton P.D. Wave climate variability and impact on offshore design estimates. Shell International and the Organization of Oil and Gas Producers Rep., 2001, 99 pp.
138. Badulin S., Pushkarev A., Resio D., Zakharov V. Direct and inverse cascade of energy, momentum and wave action in wind-driven sea. 7th International workshop on wave hindcasting and forecasting. Banff, October 2002, p. 92-103
139. Bales S., Gummins W., Comstock T. Potential impact of twenty year hindcast wind and wave climatology on ship design. Mar. Technol., 1982, v. 19, №2, p. 111-139.
140. Battjes J. Long-term wave height distribution at seven station around the British isles. Dent. Hydr. Zeit. 1972, J. 25. H. 4, p. 178-189.
141. Battjes J., Stive M. Calibration and verification of a dissipation model of random breaking waves. J.Geophys.Res. 1985. V. 90. No C5, P. 9159-9167.
142. Bitner-Gregersen E., Gramer E. Accuracy of Global Wave Statistics Data -Proc.of the 4-th Int. Offshore and Polar Eng. Conf. Osaka, Japan, 1984, p. 5867.
143. Boukhanovsky A.V., Divinsky B.V., Kos'yan R.D., Lopatoukhin L.I. Some results of wave measurement from the buoy near Gelendzhik. The Eighth
144. Workshop of NATO TU-WAVES/Black Sea, METU, Ankara, Turkey. 1998. P. 7-8.
145. Burgers G., Makin V. Boundary-layer model results for wind-sea growth. -J. Phys. Ocean. 1993. v. 23. №2. P.287 303.
146. Carter D J.T., Challenor P.G. Return wave heights estimated from monthly maximum values. "Climatol. Mar. Conf. Int. Paris, 3-4 Oct. 1979", Paris, 1980, p.271-294.
147. Cavaleri L., Rizzoli P.M. Wind wave prediction in shallow water: theory and applications. J. Geophys. Res. 1982. 86, NC 77, p. 10961-10973.
148. Charnock H. Wind stress on water surface. Q. Roy. Met. Soc. 1955, 81,3.
149. Copeiro E. Regimentes de oleaje y temporales a partir de registros. Rev. Obras. Publ. 1979, 126, N3171, p. 555-574.
150. Cox D.T., Kobayashi N., Ocayasu A. Bottom shear stress in the surf zone. -Journal of Geophysical Research, 1996, 101, p. 14337-14348.
151. Crawford et al. Evolution of random inhamogeneous field of nonlinear deep-water gravity waves. J. Wave Motion., 1980. v. 2, N 1, p. 1-16
152. Dette H.H., Fohrboter A. Wave climate analysis for engineering purposes. -"Proc. 15th Coast. Eng. Conf. Honolulu, Haw. 1976, vol. 1", New York, 1977, p. 10-22.
153. Donelan, M.A., F.W. Dobson, S.D. Smith et al. On the dependence of sea surface roughness on wave development. J. Phys. Oceanogr. 1993. 23, N7, p. 2143-2149.
154. Donelan M.A, Hamilton J., Hui W.H. Directional spectra of wind generated waves. Phil. Trans. R. Soc. London. 1992. A315. p. 509-562.
155. Draper L. A note on the wave climatology of UK waters. Ocean climate, 1979, vol.8, New York, p.39-60.
156. Earl M.D. practical determination of design wave conditions. Ocean wave climate, 1979, vol. 8, New York, p. 39-60.
157. Eldeberky Y., Battjes J. A. Spectral Modeling of Wave Breaking: Application to Boussinesq Equation. J. Gephys. Res. 1996, CI01, N1, p. 1253-1264.
158. Ewans K. Observation of the directional spectrum of fetsh-limited waves. -J. Phys. Ocean., 1998, V.28, P.495-512.
159. Forristal G. et al The directional spectra and kinematics of surface gravity waves in tropical storm Delia. J. Phys. Ocean., 1978, No 5, p. 889-909.
160. Geernaert G., Katsaros K., Richter K. Variation of the drag coefficient and its dependence on sea state.- J. Geoph. Res.1986. v.91. NC6. P.7667 7679.
161. Goda Y. A review on statistical interpretation of wave data. Rept. Port, and Harbor Res. Inst., 1979, 18, No 1, p. 5-32.
162. Graham Ch. Specialist metocean data requirements for oil industry exploration and production activities offshore East Malaysy. Proc. Int. Workshop on Marine Meteorology, 1994, Rep. N 31
163. Gulev, S.K., SHIPMET pilot questionnaire for VOS officers. -Release 1. P.P.Shirshov Inst, of Oceanol., RAS, Internal note, Moscow, 43 pp., 1996.
164. Gulev, S.K., Cotton P.D., Sterl A. Intercomparison of the North Atlantic waveclimatology from in-situ, voluntary observing, satellite data and modelling. -Physics andChemistry of the Earth, 23, 5-6, 587-592,1998.
165. Gulev, S.K., Grigorieva V., Selemenov K., Zolina O. Ocean winds and waves from the VOS data: ways for evaluation. WMO Guide for Marine Climatology, Part II, World Meteorological Organization, Geneva, Switserland, 2001.
166. Gunter H., Rosenthal W. Shallow water surface wave model bases on the Texel-Marsen- Arsloe (TMA) wave spectrum. Pros. 20 congress of the Intern. Assoc. of Hydroulic Res. (IAHR). - Moscow, 1983.
167. Gunther H., Rosenthal W. Weare T., Wortington B., Hasselman K., Ewing J. A hybrid parametrical wave prediction model. J.Geoph. Res., 1979, vol. 84, N C9.
168. Hasselmann D.E., Dunkel M., Ewing J.A. Directional wave spectra observed during JONS WAP 1973. J. Phys. Oceanogr. 1980. 10, N 8. P. 1264-1280.
169. Hasselamann K. a.o. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONS WAP). Ezganzungsh. Deutche Hydrogr. ZS, 1973, Bd A12, 95 s.
170. Hasselman K. On the spectral dissipation of ocean waves due white capping. Bound.Layer Met., 1974, vol.6, N 1.
171. Hasselmann, K. On the nonlinear energy transfer in a gravity wave spectrum. Pt.l. General theory. Journal of Fluid Mechanics, 12, 1962, p. 481500.
172. Hasselmann K., Collins J.I. Spectral dissipation of finite depth gravity waves due to turbulent bottom friction. J. Mar. Res. 1968. vol. 26, N 1. P. 112.
173. Hasselmann K., Ross D.B., Muller P., Sell W. A parametric wave prediction model. J. Phys. Oceanogr. 1976. 6, N 2. p. 200-228.
174. Hasselmann S., Hasselmann K. The wave model Exact-NL. Ocean Wave Modeling. 1984.
175. Heideman J., Santala M., and Cuellar. Uncertainty and bias in metocean design criteria. E. and P. Forum Workshop, London, 1995.
176. Henderson G., Webber N.B. Waves in severe storm in the Central English Channel. Coast. Eng. 2, 1978, p.95-110.
177. Holthuijsen L., Kuik A., Mosselman E. The response of wave directions to changing wind directions. J.Phys.Ocean., 1987, vol.17, N 7.
178. Houmb O.G., Mo K. Extreme waves estimated from visual wave date. -"POAC 77 4th Int. Conf. Port and Ocean Eng. Arctic. Condit. Newfoundland, 1977, Proc. Vol. 2", Newfoundland, 1978, p. 995-1006.
179. Janssen P., Komen G., De Voogt W. An operational coupled hybrid wave prediction model. J.Geoph. Res., 1984, vol. 89, N C3.
180. Kahma K. On prediction of the fetch-limited wave spectrum in a steady wind. Finish Marine Research, N 253, 1986
181. Karlson T. Refraction of continuous ocean wave spectra. Journal of the Waterway and Harbors Division, ASCE, vol. 95, No WW4, 1969, p. 437-448.
182. Kitaigorodski S.A., Krasitski V.P., Zaslavski M.M. On Phillip's theory of equilibrium range in the spectra of wind-generated gravity waves. J. of Phys. Ocean. 1975, v. 5 p. 410-420
183. Komen G., Hasselman S., HasselmanK. On the existence of a fully developed wind-sea spectrum. J.Phys. Ocean., 1984, vol.14, N 8. p. 12711285.
184. Komen G., Cavaleri L., M. Donelan, et al. Dynamics and Modelling of Ocean Waves. Cambridge University Press. 1994. 532 p.
185. Kos'yan R. D., Divinsky B.V., Pushkarev O.V. Measurements of Parameters of Wave Processes in the Open Sea near Gelendzhik. The Eight Workshop of NATO TU-Waves/Black Sea. April 17-18. METU, Ankara, Turkey. 1998.
186. Large W., Morzel S., Crawford G. Accounting for surface wave distortion of the marine wind profile in low-level ocean storms wind measurements.- J. Phys. Ocean. 1995. v.25. P.2959 2971.
187. Lebedev V.I. An introduction to functional analysis and computational mathematics. Birkhauser. 1997.
188. Lowson N.V. Youl P.H. Storm duration and return interval for waves of the Central N.S.W. coast. "3rd Austral. Conf. Coast. And Ocean Eng.: Coast. Ocean and Man, Melbourn, 1977", Barton, 1977, p. 123-130.
189. Luo. W., Monbaliu J. Effects of the bottom friction formulation on the energy balance for gravity waves in shallow water. Journal of Geophysical Research, 1994, 99, p. 18501-18511.
190. Makin V.K., Kudryavtzev V.N. Coupled sea surface-atmosphere model. 1. Wind over waves coupling. Journal Geophysical Research. 1999. CI04, N4, p. 7613-7623.
191. Makin V.K., and Stam M. New drag formulation in NEDWAM. Technical report # 250, KNMI, Netherlands. 2003. 16 p.
192. Mastenbrock C., Burgers G., Jansen P. The dynamical coupling of a wave model and storm surge model through the atmospheric boundary layer.- J. Phys. Ocean. 1993. V. 23. №8 P.1856 1866.
193. Masuda A. Nonlinear energy transfer between wind waves. J. Phys. Oceanogr., vol. 15, 1980, p. 1369-1377.
194. Mathiesen M., Goda Y., Hawkes P., Mansard E., Martin M., Peltier E., Thompson E., Van Vledder G. Recommended practice for extreme wave analysis. J. of Hydraulic Res., 1994, vol. 32, N 6
195. Meitus M., von Storch H. Reconstruction of the wave climate in the Proper Baltic Basin, April 1947 March 1988. - GKSS Report, N E28, 1997.
196. Miles J.W. On the generation of surface waves by shear flows. J. Fluid Mech., 1957, v.3,N2, p. 185-204.
197. Mitsuyasu H., Mizuno S. Directional spectra of ocean surface waves. Proc. 15th Int. Coast. Eng. Conf. Honolulu, Haw. 1976. V.I., New York, N.J., 1977. P.329-348.
198. Mollison D., Buneman O., Salter S. Wave power ability in the NE Atlantic. -Nature, v.263, 1976.
199. Panicker N. Energy from ocean surface waves. «Ocean Energy Resour. Energy» Techn. Conf., New York, 1977.
200. Pedersen B. Prediction of long-term wave conditions with special emphasis on the North sea. "Proc. 1st Int. Conf. Port and Ocean Eng. Arctic. Condit. Vol. 2", Trondheim, 1971, p. 979-992.
201. Perrie W., Wang L. A coupling mechanism for wind and waves.- J. Phys. Ocean. 1995. V. 25. P. 615 630.
202. Petrauskas C., Aagaard P. Extrapolation of historical storm data for estimating design-wave heights. J. Soc. Petroleum Eng., 1971, vol. 11, N 1
203. Plant W. A relationship between wind stress and wave slope.- J. Geoph. Res. 1982. V.57. p.1961 1967.
204. Polnikov V.G. Nonlinear energy transfer through the spectrum of gravity waves for the finite depth case. J. Phys. Oceanogr. 1997. 27, N8, p. 14811491.
205. Polnikov V.G. Numerical modeling of the constant flux spectra formation for surface gravity waves in a case of angular anisotropy. Wave Motion.-2001. 33, p. 271-282.
206. Polnikov V. G., Farina L. On the problem of optimal approximation of the four-wave kinetic integral. Nonlinear Processes in Geophysics N 9, 2002, p. 497-512
207. Polnikov, V. G.: Numerical modeling of flux spectra formation for surface gravity waves, J. Fluid Mech., 278, 1994, p. 289-296.
208. Quandao G., Komen G. Directional response of ocean waves to changing wind direction. J.Phys. Ocean., 1993, vol.23, N 7. p. 1561-1566.
209. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms. Working Stress Design. American National Standard, American Petroleum Institute (ANSI/API RP 2-AWSD-93), Washington (D.C.). 1994.
210. Resio D., Perry W. A numerical study of nonlinear energy fluxes due to wave-wave interactions. J. Fluid Mech., 223, 1991, p. 603-629.
211. Ris R.S. Spectral modelling of wind waves in coastal areas. Communications on Hydraulic and Geotechnical Engineering. Report N 97-4. Delft University of Technology. Delft. 1997.
212. Sakai T., Hirosue F., Iwagaki Y. Wave directional spectra change due to underwater topography and current. "Proc. 5th Int. Offshore Mech. and Arct. Eng. (OMAE) Symp., Tokyo, Apr. 1986, vol. 1", New York (N.Y.), 1986.
213. Snyder R.L., Dodson F. W., Elliott J.A., Long R.B. Array measurements of atmosphere pressure fluctuations above surface gravity waves. J. Fluid Mech., 1981, v.102, p.1-59.
214. Strekalov S., Kantardgi I. Estimation of the wind characteristics using the synoptic charts data.-Int. Conf. On Coastal and Port Eng. In Developing Countries. 1995., Sept. Rio-de-Janeiro. Brazil.
215. Suhayda J., Pettigrew N. Observation of wave height and wave celerity in the surf zone. J.Geoph.Res. 1977. V. 82. № 9, p. 1419-1424.
216. Teh-fu L., Feng-shi M. Prediction of extreme wave heights and wind velocities. J. of Waterway, Port, Coast, and Ocean Eng., 1980, vol. 104, N 4
217. The WAM Model a third generation ocean wave prediction model. The WAMDI Group. - J.Phys.Ocean., 1988, vol. 18.
218. The WASA Group. Changing waves and storms in the Northeast Atlantic. Bull. Amer. Meterol Soc., 1998, 79, p. 741-760.
219. Thom H.C.S. Asymptotic extreme-value distributions of wave heights in the open ocean. J. Mar. Res. 1971, vol. 29, No 1, p. 19-27.
220. Thom H.C.S., Asce M. Extreme wave height distributions over ocean. J. Wat. Harbors and Coast. Eng. Div. Amer. Soc. Civ. Eng. 1973, vol. 99, No 3, p. 355-374.
221. Thornton E., Guza R. Energy saturation and phase speeds measured on natural beach. J.Geoph.Res. 1982. V. 87. No C12, p. 9499-9508.
222. Thornton E., Guza R. Transformation of wave height distribution. -J.Geoph.Res. 1983. V. 88. No CIO. P. 5925-5938.
223. Tolman H.L. A Third-generation model for wind waves on slowly varying, unsteady, and inhomogeneous depth and current. Journal of Physical Oceanography, 1991, 21, p. 782-791.
224. Tucker M. Directional wave data: the interpretation of the spread factors -Deep-sea Res. 1987. V.3, N 4. P.633-636.
225. WaldenH., HogbenN., Burkhart M.D., Dorrestein R., Warnsink W.H., Yamanouchi Y. Longterm variability. 4th International ship structure Congress, Tokio, Report of Committee 1, 1970, p. 49-59.
226. Wang, X. L. Swail V. R. Trends of Atlantic Wave Extremes as Simulated in a 40-Yr Wave Hindcast Using Kmematically Reanalyzed Wind Fields. Journal of Climate, 2002,15, p. 1020-1035.
227. Wang, X. L., Zwiers F. W. Swail V. R. North Atlantic Ocean Wave Climate Change Scenarios for the Twenty-First Century. Journal of Climate, 2004, 17, p. 2368-2383.
228. Wang, X.L., Swail V.R. Changes of extreme wave heights in Northern Hemisphere oceans and related atmospheric circulation regimes. J.Climate, 2001, 14, p. 2204-2201.
229. Webb D. J. Non-linear transfer between sea waves. Deep Sea Res., v.25, 1978, p. 279-298.
230. Weber B.L., Barrick D.E. On the nonlinear theory for gravity waves on the ocean's surface, Pt. 1. J. Phys. Oceanogr., 1977, 7, p. 203-224.
231. Weber S. Statistics of the air-sea fluxes of momentum and mechanical energy in a coupled wave-atmosphere model.- J. Phys. Ocean. 1994. V.24. P. 1388- 1398.
232. Wiegel R. L. Oceanographical engineering. New Jersey, Prentice-Hall, 1964. 532 p.
233. WoolfD. K., Challenor P. G., Cotton P. D. Variability and predictability of the North Atlantic wave climate. J. Geophys. Res., 2002, 107 (CIO), 3145, doi: 10.1029/2001JC001124.
234. Yan L. An improved wind input source term for third generation ocean wave modelling. Rep. No. 87-8. 1987: Royal Dutch Meteor. Inst. 20pp.
235. Zakharov V.E. Weakly nonlinear waves on the surface of an ideal finite depth fluid Amer. Math. Soc. Transl. 1998. V. 182. N 2. P. 167-197.
236. Zaslavskii M.M., Krasitskii V.P., Matushevsky G.V., Kabatchenko I.M. Self-consistent model for prediction of wind and waves using synoptic data. -The second workshop of NATO TU-WAVES / Black sea, 1994.
237. Zilitinkevich S.S. (ed.). Modelling air-lake interaction. Physical Background, Springer Verlag, Berlin, 1991, 129 pp.
-
Кабатченко, Илья Михайлович
-
доктора географических наук
-
Москва, 2006
-
ВАК 25.00.28
- Взаимосвязи вероятностных характеристик ветрового волнения
- Численный анализ и схема автоматизированного прогноза ветра и волн в Японском море
- Моделирование и анализ пространственно-временной изменчивости полей ветра и волнения в Индийском океане
- Исследование режима штормовых ветров и волн на примере Черного моря
- Глобальный анализ ветрового волнения по данным попутных судовых наблюдений
