УДК 551.466.31
Исследование изменчивости периода ветровых волн
C. С. Будрин*, Г. И. Долгих*, С. Г. Долгих*, Е. И. Ярощук*
Анализируются экспериментальные данные диапазона морских ветровых волн, полученные с помощью лазерного измерителя вариаций давления гидросферы. в 2007, 2010, 2011 и 2012 гг. в разных точках шельфа Японского моря. Показано, что изменение периодов ветровых волн при выходе их из зоны действия циклонов может быть связано не только с дисперсией, но и с эффектом Доплера и вариациями скорости и направления ветра в зоне действия циклонов. В ходе анализа результатов обработки синхронных экспериментальных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и мобильного лазерного измерителя вариаций давления гидросферы установлено, что при движении ветровых волн по шельфу убывающей глубины происходит их трансформация с уменьшением периода и энергии.
Введение
Закономерностям возникновения, развития и распространения ветровых волн посвящено огромное число статей и монографий. За основу первоисточника знаний по некоторым вопросам распространения ветровых морских поверхностных волн можно принять монографию К. Боудена [1], хотя некоторые исследователи могут отдать предпочтение монографиям других авторов. Но надо заметить, что суть основных познаний о динамике поверхностных ветровых волн от этого не изменится, в данном случае остановимся на некоторых отличиях классических представлений дина ми ки по вер хнос тно го вол не ния от полу чен ных экс пе ри мен таль ных данных, в частности лишь на изменении периода ветрового волнения.
Согласно классическим представлениям [1, 7], развитие ветрового волнения происходит по следующему сценарию: в начальной фазе период ветрового волнения увеличивается, абсолютное значение периода ветровых волн зависит от скорости ветра, времени его действия и величины разгона; при выходе поверхностных волн за пределы действия циклона (тайфуна) их период непродолжительное время увеличивается из-за быстрого затухания высокочастотных волновых компонентов; дальше распространение волн происходит по дисперсионному закону: волны с большими периодами движутся с большой скоростью, а волны с меньшими периодами с меньшей скоростью. То есть согласно классическим представлениям
* Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: ss_budrin@mail.ru.
можно на основе применения дисперсионного закона легко определить расстояние до места действия циклона, хотя бы приближенно. Посмотрим, так ли это просто, и только ли от дисперсии зависит изменение периода ветрового волнения. Вначале будем считать, что период ветрового волнения конкретного цуга остается постоянным на всем его продвижении от циклона до прибойной зоны, места его разрушения.
Экспериментальные исследования, обработка и анализ полученных результатов
В 2007 г. в течение трех месяцев на глубине 27 м от поверхности моря работал лазерный измеритель вариаций давления гидросферы [4] со следующими техническими характеристиками: рабочий диапазон частот от 0 до 1000 Гц, точность измерения вариаций гидросферного давления 57 мкПа, точность измерения вариаций уровня моря 5,8 нм. Применение данной установки позволяет исследовать уровень фоновых колебаний гидросферного давления и закономерности его изменения, связанные с естественными и искусственными процессами. Но в данной статье остановимся только на изучении вариаций периода ветрового волнения. В качестве простого, но характерного примера изменения периода ветрового волнения на рис. 1 приведена динамическая спектрограмма диапазона ветровых морских волн, полученная после обработки одного из участков данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.
На рисунке видно, что в начальной части записи наблюдается мощное волнение, период которого и его интенсивность со временем уменьшаются. На рис. 2 приведено изменение периода ветрового волнения, построенное по максимальным периодам участков динамической спектрограммы с полиномиальным усреднением шестой степени. В начальной части рисунка период ветрового волнения немного увеличивается со временем (частота уменьшается), что можно связать с развитием ветрового волнения в зоне действия циклона или с увеличением его периода при выходе из данной зоны. Далее период волнения уменьшается (частота увеличивается). Для каждого значения периода ветрового волнения можно рассчитать скорость распространения волн с по формуле
мГц
28 V 2 VI
2007 г.
Рис. 1. Динамическая спектрограмма участка записи лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.
- = ^. (1)
2п
где g — ускорение свободного падения; Т— период.
Зная временной интервал изменения периода ветрового волнения и значения периодов в начальный (Г1) и конечный (Г2) моменты данного интервала, можно вычислить расстояние от источника волнения (циклона) до точки регистрации этих волн, используя выражения (1) и Ь = М (Ь — расстояние; t — время распространения ветровых волн, движущихся со скоростью с, от источника до приемника). Рассчитаем расстояние до циклона для двух групп волн с периодами Т и Т2 10,4 и 6,9 с при временном промежутке между ними 32,5 ч и волн с периодами 9,4 и 6,9 с при временном промежутке между ними 16,4 ч. В первом случае расчетное расстояние от зоны циклона до точки проведения измерений составляет 3791 км, во втором случае — 2402 км. Можно заметить, что Японское море имеет существенно меньшие линейные размеры, и волны от циклона, расположенного на та ком рас стоя нии, не мо гут доходить до точ ки про веде ния изме ре ний, так как волны, приходящие из Тихого океана, практически не достигают побережья Приморского края (место расположения приборов). Кроме того, согласно данной формуле, изменение периода ветрового волнения должно быть линейным, что не наблюдается на рис. 2. То есть только дисперсией данное изменение периодов ветрового волнения объяснить невозможно. Возможными дополнительными причинами изменений периодов ветровых волн могут быть следующие: изменение периода ветрового волнения, регистрируемого на значительном удалении от движущегося циклона, связано не только с дисперсией, но и с эффектом Доплера [5] и с вариациями скорости ветра в зоне шторма. Во втором случае при временном усилении ветра образующиеся волны с большими периодами, обладающие большей скоростью распространения, могут догнать и перегнать ранее образованные волны с меньшим периодом, вследствие чего в точке их регистрации можно будет наблюдать изменение периодов ветрового волнения, которое невозможно объяснить только выражением (1).
Далее проанализируем данные лазерного измерителя вариаций давления гидросферы за период измерений с 15 июля по 20 сентября 2010 г. В
Рис. 2. Изменение частоты V ветрового волнения. Пояснения в тексте.
Результаты обработки данных об изменениях периода ветровых волн в 2010 г.
Участок At, c T1— T2, с L, км Участок At, c T1— T2, с L, км
1 70285 6,68—4,32 670 12 32800 4,82—4,19 820
2 21636 4,21—4,10 1372 13 85800 9,60—6,40 1285
3 70227 7,31—5,57 1282 14 25582 6,51—5,71 927
4 277619 5,96—4,57 4242 15 159600 8,79—6,64 3379
5 38000 5,49—4,87 1278 16 120000 5,93—4,85 2492
6 38227 6,21—5,49 1412 17 52000 6,90—4,75 618
7 198780 8,50—5,51 2429 18 19200 4,82—4,40 756
8 131100 6,51—4,49 1480 19 74250 5,73—4,53 1253
9 53200 6,42—5,60 1819 20 140800 8,26—5,13 1487
10 79419 5,04—3,80 957 21 70300 14,92—9,52 1442
11 196900 7,76—4,94 2088 22 140000 7,60—6,37 8596
Примечание. Дг — длительность участка; Т—Т2 — изменение периода ветрового волнения; Ь —
расстояние от регистратора до предполагаемого первоисточника.
указанный период при анализе динамических спектрограмм было выделено 22 участка явного изменения периода ветрового волнения. В таблице приведены значения периодов ветрового волнения в начальной и конечной фазах уменьшения периодов ветрового волнения на выделенных участках, а также вычисленное расстояние до предполагаемого источника ветровых волн на основе использования выражений (1) и L = ct.
В результате проведенных расчетов получаем, что источник всех волн для участков 2—9, 11, 13, 15, 16, 19—22 оказался за пределами Японского моря, что невозможно, так как Японское море является практически закрытым для внешнего волнения. Рассмотрим другие возможные причины изменения периодов ветрового волнения.
Оценим изменение периода ветрового волнения, связанное с эффектом Доплера. Классический эффект Доплера можно описать формулой
v =-V-, (2)
V
1 - — cos 9 c
где v — наблюдаемая частота колебания волны на приемнике; vo — частота на источнике; V — скорость движения источника; с — скорость распространения волны; 9 — угол между направлением распространения источника и направлением на приемник. Средняя скорость передвижения тайфунов меньше скорости передвижения циклонов, может составлять величину ~25 км/ч, причем она изменяется от 10 км/ч в приэкваториальных широтах до 50 км/ч в умеренных широтах. Рассчитаем изменение периодов ветровых волн при движении циклона в сторону точки приема и от нее. Возьмем среднюю скорость движения циклона, равную 25 км/ч. При периоде ветрового волнения 10 с изменения периодов волн могут находиться в пределах от 14,5 до 5,5 с. О подобных изменениях периодов ветровых волн, связанных с эффектом Доплера, было указано ранее в работе [5]. К сожалению, нет данных о перемещениях циклонов (тайфунов), которые привели к возбуждению ветровых волн, регистрируемых лазерным измерителем вариа-
ций давления гидросферы, некоторая информация о которых приведена в таблице. Данные под номерами 2, 12 и 18 можно не рассматривать, так как они могут быть связаны с региональным ветровым волнением, возникающим на ограниченной акватории, а все остальные данные связаны, по-видимому, с ветровым волнением, возникающим в открытой части Японского моря.
Данных о вариациях скорости ветра внутри циклонов, к сожалению, также нет. Но хорошо известно, что такие вариации в течение одних-двух суток происходят довольно часто. Если источник ветра практически не движется, а скорость ветра начинает увеличиваться, то во
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.