Определение характеристик взволнованной морской поверхности дистанционными и контактными методами Кориненко А.Е., Юровский Ю.Ю
Волнение — это колебательное движение воды. Благодаря большой подвижности частицы воды под действием разного рода сил легко выходят из состояния равновесия и совершают колебательные движения Оно воспринимается наблюдателем как движение волн по поверхности воды. На самом же деле водная поверхность совершает колебания вверх-вниз от среднего уровня положения равновесия.
Ветровые волны – волны вызванные ветром и находящиеся под его воздействием
Генерация волн ветром
Взаимодействие океана и атмосферы Морской транспорт Гидротехническое строительство Освоение природных ресурсов Формирование радиолокационных изображений Ветровое волнение
Волновой профиль - кривая, получаемая в результате сечения взволнованной поверхности моря вертикальной плоскостью в заданном направлении (обычно в направлении распространения волн). Гребень волны - часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня. Вершина волны - наивысшая точка гребня волны. Ложбина волны - часть волны, расположенная ниже среднего волнового уровня.
Подошва волны - наинизшая точка ложбины волны. Высота волны h - превышение высоты волны под соседней подошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн. Высота волны равно удвоенной амплитуде. Длина волны - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн. Период волны T - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль
Фазовая скорость – скорость распространения гребня Элементы волн
Полная энергия волны состоит из кинетической энергии, обусловленной движением ее частиц, и из потенциальной энергии, обусловленной отклонением частиц от положения равновесия
Шкала Бофорта На основе большого опыта наблюдения за поверхностью моря во время шторма английский адмирал ( военный гидрограф и картограф ) Френсис Бофорт обнаружил, что при определенной скорости ветра появляются характерные для нее высоты и периоды волн, т. е. ветер определенной силы вызывает волнение моря с характерными элементами. Шкала Бофорта - условная шкала для визуальной оценки силы (скорости) ветра в баллах по его действию на наземные предметы или по волнению на море. В 1874 году Постоянный комитет Первого метеорологического конгресса принял шкалу Бофорта для использования в международной синоптической практике. В последующие годы шкала менялась и уточнялась. Шкалой Бофорта широко пользуются в морской навигации.
Шкала состояния поверхности моря Характеристика состояния поверхности моря, баллы Признаки для определения состояния поверхности моря 0 Зеркально-гладкая поверхность 1 Рябь, появляются небольшие гребни волн 2 Небольшие гребни волн начинают опрокидываться, но пена, не белая, а стекловидная 3 Хорошо заметны небольшие волны, гребни некоторых из них опрокидываются, образуя местами белую клубящуюся пену — «барашки» 4 Волны принимают хорошо выраженную форму, повсюду образуются «барашки» 5 Появляются гребни большой высоты, их пенящиеся вершины: занимают большие площади, ветер начинает срывать пену с гребней волн 6 Гребни очерчивают длинные валы ветровых волн, пена, срываемая с гребней ветром, начинает вытягиваться полосами, по склонам волн 7 Длинные полосы пены, срываемой ветром, покрывают склоны: волн и местами, сливаясь, достигают подошв 8 Пена широкими, плотными сливающимися полосами покрывает склоны волн, отчего поверхность становится белой,, только местами во впадинах волн видны свободные от пены участки 9 Вся поверхность покрыта плотным слоем пены, воздух наполнен водяной пылью и брызгами, видимость значительно' уменьшена Степени ветрового волнения. Всемирная Метеорологическая организация Методы исследования ветровых волн
Волнение (баллы) Характеристика морских волн Размеры волн Высота, м Длина, м Период, с 0 Полный штиль 0 0 0 1 Спокойное До 0,25 5,0 2 2 Слабое 0,25 - 0,75 5 - 15 2 - 3 3 Легкое 0,75 - 1,25 15 - 25 3 - 4 4 Умеренное 1,25 - 2,0 25 - 40 4 - 5 5 Неспокойное 2,0 - 3,5 40 - 75 5 - 7 6 Крупное 3,5 - 6,0 75 - 125 7 - 9 7 Сильное 6,0 - 8,5 125 - 170 9 - 11 8 Жестокое 8,5 - 11,0 170 - 220 11 - 12 9 Исключительное более 11,0 более 220 более 12 Степени ветрового волнения. Всемирная Метеорологическая организация Методы исследования ветровых волн
Полуинструментальные средства наблюдения за волнением состоят в использовании специальных измерительных приспособлений разного типа. Несмотря на их примитивность, при тщательном выполнении они дают отличные результаты. Волномерные рейки используются на небольших глубинах и представляют собой обычно шест круглого диаметра с целью наименьшего сопротивления их ударам волн, с яркими делениями через 10 см. Длина реек выбирается с расчетом возможности измерения наиболее высокой волны при наивысшем уровне. Волномерные вехи ( веха Фруда ) используются в более глубоких местах, где нельзя ставить рейки. Они состоят из собственно рейки с поплавком, на которой нанесены деления, жестко закрепленную на якоре или даже на трех якорях. В открытом море применяются плавучие волномерные вехи. Визуальные наблюдения
Визуальные наблюдения Береговой волномер- перспектометр ВБ-49 конструкции Иванова предназначен для измерения следующих элементов волн: высоты, длины, периода, скорости и направления распространения, а также дня измерения расстояний до предметов на море.
Акселерометры - это датчики вертикального ускорения. Они устанавливаются на свободно плавающий на поверхности воды буй, движение которого предполагается точно совпадающим с волновым движением. Вся измерительная аппаратура находится внутри буя и изолирована от контакта с внешней средой, что увеличивает надежность работы прибора. Такие буи имеют автономность работы вплоть до года, автоматически передавая с заданной дискретностью во времени сведения о волновых колебаниях водной поверхности. Буи могут быть дрейфующие, теряющиеся, привязные, заякоренные. Волнографические буи
Сущность метода заключается в том, что участок взволнованной поверхности моря одновременно фотографируется двумя аппаратами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга таким образом, что оптические оси их объективов параллельны. Полученные пары фотографий при специальной обработке дают объемное изображение поверхности моря. Стереосъёмка
Методы исследования ветровых волн
Значительная высота волны H S или H 1/3 По реализации видно, что волны различаются между собой по форме, высоте, периоду и, конечно, совсем не похожи на правильную синусоидальную волну, рассматриваемую в классической гидродинамике. Ветровое волнение имеет неупорядоченный, хаотичный характер. Поведение каждой индивидуальной волны невозможно проследить, оно подвержено случайным колебаниям, не поддающимся точному учету. С одной стороны это обусловлено турбулентным характером ветра, а с другой — тем, что в силу дисперсионного соотношения, волны, распространяясь с различной скоростью, то усиливают, то ослабляют друг друга, создавая тем самым сложный профиль волнового движения. Методы исследования ветровых волн Струнный волнограф
Корреляционная функция Связь между корреляционной функцией и энергетическим спектром осуществляется с помощью преобразования Фурье Дисперсия случайной величины Элементы случайного процесса
1. Нерегулярность: неупорядоченность размеров и форм волн. Гребни волн перемещаются не только в направлении ветра, но и в других направлениях. 2. Вторая черта волнения заключается в быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана также с ветром.
Основные волнообразующие факторы - скорость и направление ветра, продолжительность его действия и расстояние от берега или наветренной границы шторм до точки наблюдения, называемое разгоном, и глубина моря. По стадии развития ветровое волнение делят на следующие три вида : развивающееся, установившееся, затухающее характеризующиеся нарастанием, неизменностью или убыванием средних значений элементов волн во времени
Развивающееся волнение: < 1 Развитое волнение: =1 -1.2 Затухающее волнение (волны зыби): > 1.2 Частотные спектры
Решетка струнных волнографов Метеорологическая станция Радиолокационная станция X- диапазона Оптическая система для определения пространственного спектра коротких волн Оборудование, используемое на платформе
Спасибо за внимание!
