ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 2, с. 242-250
УДК 551.46
ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ У ЮГО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ О. САХАЛИН ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ПРИДОННОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2014 г. К. И. Кузнецов1-4, А. А. Куркин2, Е. Н. Пелиновский2*3*5, П. Д. Ковалев1
Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН 693022 Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1б
E-mail: kost.kuznetsov@gmail.com 2Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева 603950Нижний Новгород, ул. Минина, 24 E-mail: aakurkin@gmail.com 3Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН
693023 Южно-Сахалинск, ул. Горького, 25 4Дальневосточный федеральный университет 693020 Южно-Сахалинск, ул. Горького, 30 5Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46
E-mail: pelinovsky@gmail.com Поступила в редакцию 14.11.2012 г., после доработки 30.04.2013 г.
Обсуждаются результаты измерений ветрового волнения в юго-восточной части о. Сахалин в 2006— 2009 гг. с помощью датчиков придонного давления. Отмечаются проблемы пересчета данных, полученных с помощью донных станций, на смещение уровня воды, в рамках линейной теории. Получено 20 записей продолжительностью от 2 недель до 3 месяцев, содержащих от 150 тысяч до 1.2 млн. волн для трех различных пунктов наблюдений вблизи острова Сахалин (п. Взморье, о. Изменчивое и м. Острый). Выполнены оценки распределений высот волн, аппроксимируемые распределением Вэйбулла. Они сопоставлены с теоретическими распределениями: Рэлея, Форристола, Вэйбулла и Глуховского. Как и следовало ожидать, в области малых высот все распределения оказываются близкими, а для больших — распределение Вэйбулла является предпочтительным.
Ключевые слова: натурные наблюдения, волнение, датчик, придонное давление, поверхностное волнение, волны, Охотское море.
Б01: 10.7868/80002351514020060
1. ВВЕДЕНИЕ
В связи с расширением разведки и добычи нефти и газа в шельфовой зоне океанов и морей
большую важность приобрела информация об экстремальных значениях ветра и волн, поскольку буровые установки и платформы должны эксплуатироваться при любых погодных условиях, включая экстремальные. Занижение расчетных значений волнения уменьшает без-
опасность сооружений, а завышение увеличива-
ет их стоимость. Практика показывает, что максимальные значения высот волн, оцениваемых как возможный один случай в 50 или 100 лет, отмечались уже в первые 10—20 лет эксплуатации сооружения [4]. Для повышения точности прогнозов необходимо иметь длительные записи волнения.
Основным источником данных о ветровом волнении вблизи побережья о. Сахалин долгое время являлись данные попутных судовых наблюдений, а также визуальные наблюдения ветрового волнения, получаемые на береговых гидрометеорологических станциях [1]. В настоящее время используется также спутниковая информация о силе ветра и так называемой значительной высоте волн; она содержатся, например, на сайте AVISO [2]. Естественно, что такая информация недостаточно подробна; так, в AVISO пространственное разрешение составляет 90 км. Измерений же, полученных с использованием высокочастотных волнографов, на шельфе Сахалина до последнего времени было крайне мало [3]. Имеются также первые данные об наблюдении экстремально больших волнах (волнах-убийцах) на шельфе Сахалина [4]. Немногочисленные данные наблю-
дении и результаты расчетов по гидродинамическим моделям послужили основой для издания Регистром России справочных данных по режимным характеристикам ветра и волнения в Охотском море [5]. Для верификации результатов расчетов были использованы данные о ветре и волнении, полученные на севере острова, вблизи залива Одопту (58°06' N 143°28' Е) с 1975 по 1981 гг. Режимные характеристики представлены для пяти районов Охотского моря и могут служить основой для более точных предсказаний ветрового волнения в отдельных пунктах. Естественно, что получение долговременных инструментальных данных о ветровом волнении на различных участках моря поможет уточнить прогностические характеристики волн. В данной работе изучаются статистические характеристики ветрового волнения на юго-восточном побережье о. Сахалин по инструментальным измерениям 2006—2009 гг.
2. ОРГАНИЗАЦИЯ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Институтом морской геологии и геофизики ДВО РАН (ИМГиГ ДВО РАН) совместно с Нижегородским государственным техническим университетом им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), начиная с 2006 г., проводятся обширные экспериментальные исследования волновых движений в прибрежной зоне юго-востока о. Сахалин. К настоящему времени накоплена обширная база цифровых данных по колебаниям поверхности моря с дискретностью 1 с. Основным инструментом измерений стал автономный регистратор волнения (АРВ-К12), измеряющий пульсации придонного давления, индуцированного поверхностными волнами. Данный регистратор давления проводит измерения с достаточно высокой частотой — 1 Гц и высокой точностью — абсолютная погрешность при измерении гидростатического давления составляет 1 мм водного столба, относительная погрешность — 0.06%. Первые результаты измерений поверхностного волнения с помощью этого датчика описаны в [6].
В настоящей работе приведены экспериментальные данные, полученные на открытых акваториях или бухтах в районе пос. Взморье, мыса Острый, устья озера Изменчивое острова Сахалин (рис. 1а).
В 2007 г. в районе пос. Взморье для изучения ветрового волнения в прибрежной зоне и особенностей гидродинамических условий на взморье в летне-осенний период, способствующих абразии, был организован натурный эксперимент, который включал постановку 18 регистраторов придонного давления (АРВ-К12). Донные станции
были установлены на различных глубинах: одна группа приборов располагалась ближе к берегу, на глубинах от 5 до 7 м, вторая мористее, на глубинах 10—15 м (рис. 1б). Датчики были установлены 14 июля, а подняты 16 октября 2007 г. Значительная часть приборов оказалась замыта, поэтому поднять удалось только пять измерителей. С учетом этого в 2009 г. датчики устанавливались на большем расстоянии от берега (1.6—1.8 км) двумя парами — на глубинах 9—10 и 14—15 м, период измерений был с 20 июля по 29 сентября 2009 г.
Натурные наблюдения в районе оз. Изменчивое (рис. 1в) проводились в период с 2 июля по 3 октября 2007 г. Здесь было задействовано три регистратора, которые установили на глубинах 12—15 метров в 400, 700 и 900 м от берега.
Аналогичный натурный эксперимент с использованием тех же датчиков проводился в период с 14июля по 4 августа 2006 г., в районе м. Острый (рис. 1г). В этом эксперименте было установлено 16 регистраторов на глубинах от 7 до 30 метров в двухкилометровой прибрежной зоне, поднять не удалось лишь два из них.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ МОРЯ ПО ДАННЫМ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ НА ДНЕ
Датчик придонного давления регистрирует колебания давления, которые в общем случае не совпадают с колебаниями уровня моря. Как известно, поверхностные волны затухают с глубиной, поэтому если использовать только гидростатические соотношения, то донный датчик давления будет занижать амплитуду волн. Эта проблема специально изучалась в [7, 8]. В рамках линейной потенциальной теории легко получить выражение для спектрального коэффициента ослабления поверхностных волн при измерениях в толще воды
Я(ю) =
еЪ(Ы) сЦкВ)'
(1)
где Б — глубина моря, ё — высота постановки датчиков над дном (в наших измерениях ё = 0.3 м), к — волновое число, связанное с частотой волны ю дисперсионным соотношением
ю(к) = 4^£\ЫкВ),
(2)
и g — ускорение силы тяжести. Разрешить дисперсионное соотношение (2) относительно волнового числа невозможно, поэтому удобнее использовать следующее приближенное решение [9]:
к2 =
ю
ю
8ПО(а) g1
(3)
(а)
47.856
47.839 -
47.822
142.525 142.542
(в)
46.90 -
46.89
47.252 -
47.244 -
47.237
143.12 143.13 143.14 143.15
143.013 143.028 143.043
Рис. 1. а — Места проведения натурных наблюдений в южной части о. Сахалин. б — Схема постановки приборов в районе п. Взморье (47°50' К, 142°31' Е). в — Схема постановки в районе оз. Изменчивое (46°9' К, 143°13' Е). г — Схема постановки в районе м. Острый (47°14' К, 143°1' Е).
где 0=1 + 0.6522а + 0.4622а2 + 0.0864а4 + + 0.0675а5 и а = u>2D/g.
Представление функции 0(а) в виде полинома было сделано Хантом [9] для всей области частот. В случае мелкой и глубокой воды "полиномное" дисперсионное соотношение совпадает с точным. В промежуточной зоне его точность составляет доли процентов. Именно поэтому оно стало широко использоваться в инженерной практике для нахождения волнового числа по заданной частоте волны.
Фактически соотношение (1) определяет связь спектральных компонент давления (при условии пересчета его в смещение поверхности при использовании гидростатического соотношения) и смещения водной поверхности в Фурье-спектрах волновых полей.
Рассчитанное с помощью (1) и (3) оно представлено на рис. 2 для интересующего нас диапазона глубин постановки приборов и периодов волн.
10'
10-
н е л б а
сла
о нт
е и а и
Ф О
-е 10
т
о Ко
8 с
г \ \ 4.^6 с
- \ Т = 2 с \ | 4 с
|
10 20 Глубина, м
30
40
Рис. 2. Затухание волн различного периода на различных глубинах.
0
Я
о ч
о ^
н я
о Я
я
Я
о ^ 2 ф
т
20
10 6 Период, с
Рис. 3. Пример передаточной функции для глубины 16 м и усредненные спектры рассчитанного уровня моря по формуле (1) и в гидростатическом приближении.
Как видно, негидростатические эффекты в поле ветровых волн являются принципиальными и могут кардинально влиять на оценки высот волн.
Точность используемого датчика составляет 0.06%, т.е. при ослаблении сигнала более чем в 0.0006 раз шум датчика начинает маскировать реальный сигнал. Это надо учитывать при коррекции сигнала, чтобы не усилить шум прибора, который существенно более высокочастотный, чем ветровое волнение. Поэтому имеет смысл вводить поправочный коэффициент частот ниже 0.25 Гц при постановке датчика на глубину более 40 м. В нашем случае глубины постановки составляют менее 30 метров, поэтому ограничения на поправки становятся более слабые.
На рис. 3 п
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.