Ветровые волны, структура и характеристики. Волны морские Волны как возобновляемый источник энергии

Волны – это неотъемлемая часть морской жизни яхтсмена, именно поэтому матерые мореманы всегда уделяют данному вопросу достаточно много времени. А вот почему, узнаем далее.

Все очень просто: волны в значительной мере определяют тот самый уровень комфортности нахождения в море. Большие и быстрые волны способны создать опасную ситуацию для судна и пассажиров на его борту, а маленькие и относительно безобидные волны вы можете даже и не заметить.

В данной статье мы хотели бы уделить внимание именно ветровым волнам, то есть тем, которые образуются под действием ветровых потоков (бывают еще волны, возникающие из-за повышенной сейсмической активности – цунами, влияние луны – приливы, отливы). Любая волна начинается с мелкой ряби на поверхности воды, из которой постепенно развиваются гравитационные волны, увеличивая свою длину и высоту.

Структура волны:

Ветровая волна всегда состоит из переднего и заднего склона, основное отличие их друг от друга заключается в том, что передний склон – это фронт направления волны и он всегда более крутой, а задний – наветренный и пологий. Водная масса в волне двигается практически по круговой траектории. Когда сила ветра стихает волна преобразуется в зыбь. На практике чаще всего наблюдается смешанное волнение: зыбь и ветровые волны одновременно.

Основные характеристики волн:

- Высота волн

Чаще всего под определением высота волны подразумевают именно значительную высоту ее волнения. Что это означает? Значительная высота определяется, как третья часть от самой наивысшей волны. В реальности наивысших волн будет мало, большинство волн будет иметь высоту ниже.

Крутизна волн

Данная величина может быть выражена простой формулой: отношение высоты волны к половине ее длины. Соответственно, чем выше волна, тем она круче.

Скорость волн

Кроме высоты и крутизны волны опытных яхтсменов также интересует такая величина, как скорость волны. Рассчитать ее можно по формуле длина волны / период волны. Отсюда вывод – чем длиннее волна, тем больше ее скорость.

Классификация морских волн.

План

Лекция № 4. Тема. Морские волны

УДК: 656.62.052.4:551.5 (075) Кузнецов Ю.М. к.т.н., доцент,

кафедры «Судовождение»

1. Классификация морских волн.

2. Элементы волн.

3. Наблюдение за волнами.

В результате воздействия на воды океанов и морей различных природных сил возникают колебательные и поступательные движения частиц воды.

Под морскими волнами понимают такую форму периодического, непрерывно меняющегося движения, при котором частицы воды совершают колебания около своего положения равновесия.

Морские волны классифицируются по различным признакам:

По происхождению выделяют следующие виды волн:

Ветровые, образующиеся под действием ветра,

Приливные, возникающие под действием притяжения Луны и Солнца,

Анемобарические, образующиеся при отклонении уровня поверхности моря от положения равновесия, происходящего под действием ветра и изменения атмосферного давления,

Сейсмические (цунами), возникающие в результате подводных землетрясений и извержения подводных или прибрежных вулканов,

Корабельные, образующиеся при движении судна.

По силам, стремящимся возвратить частицу воды в положение равновесия:

Капиллярные волны (рябь),

Гравитационные.

По действию силы после образования волны:

Свободные (действие силы прекратилось),

Вынужденные (действие силы не прекратилось.

По изменчивости элементов во времени:

Установившиеся (не изменяют своих элементов),

Неустановившиеся, развивающиеся, затухающие, (изменяющие свои элементы во времени).

По расположению в толще воды:

Поверхностные, возникающие на поверхности моря,

Внутренние, возникающие на глубине.

По форме:

Двухмерные, представляющие собой следующие друг за другом длинные параллельные валы,

Трехмерные, не образующие параллельных валов. Длина гребня соизмерима с длиной волны (ветровое волнение),

Уединенные (одиночные),имеющие только куполообразный гребень без подошвы волны.

По соотношению длины волны и глубины моря:

Короткие (длина волны значительно меньше глубины моря),

Длинные (длина волны значительно больше глубины моря).

По перемещению формы волны:

Поступательные, характеризующиеся видимым перемещением профиля волны Частицы воды движутся по круговым орбитам.

Стоячие (сейша), не перемещаются в пространстве. Частицы воды совершают движение только в вертикальном направлении. Сейши возникают тогда, когда уровень воды поднимается у одного края водоема и одновременно опускается у другого обычно после прекращения ветра.

В небольших бассейнах (в гавани, бухте и т. п.) сейша может возникать при прохождении судов.

Наиболее часто в морях и океанах судоводителям приходится встречаться с ветровыми волнами, которые вызывают качку судна, заливаемость палубы, уменьшают скорость хода, а при сильном шторме наносят повреждения, которые приводят к гибели судна.

Ветровое волнение подразделяется на три основных типа:

Ветровое – это волнение, которое образуется ветром, дующим в данном месте в данный момент. При ослаблении или полном прекращении ветра волнение переходит в зыбь.

Зыбь – это волнение, распространяющееся по инерции в виде свободных волн после ослабления или прекращения ветра. Зыбь, распространяющаяся при штиле, называется мертвой. Волны зыби обычно длиннее ветровых, более пологи и имеют почти симметричную форму. Направление зыби может отличаться от направления ветра и нередко зыбь распространяется навстречу ветру или под прямым углом к нему.

Прибой – это волны, образуемые ветровыми волнами или зыбью вблизи берегов. Распространяясь с глубокой воды открытого моря в сторону берега на мелководье, волны трансформируются. Трехмерные волны превращаются в двухмерные, имеющие вид длинных гребней, параллельных друг другу, Их высота, крутизна и разрушительная сила увеличиваются Сила удара прибойной волны может достигать 90 т/м 2 . В зоне прибоя возникают опрокидывающие и переворачивающие моменты, опасные для плавсредств.

Поэтому плавание в мелководной прибрежной зоне и высадка на берег здесь очень затруднительна, опасна, а иногда и невозможна.

Предупреждениями о подводных препятствиях могут служить буруны.

Бурун – это явление, когда волны опрокидываются и разбиваются над мелями, банками, рифами и другими повышениями дна.

Одной из разновидностей волн является толчея - это встреча волн с разных направлений, в результате чего они утрачивают определенное направление движения и представляют собой беспорядочные стоячие волны.

Каждая волна характеризуется определенными элементами, такими как:

Гребень волны – часть волны, расположенная выше спокойного уровня.

Вершина волны – наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны – часть волны, расположенная ниже спокойного уровня.

Волны характеризуются следующими элементами (Рис.1):

Рис. 1 Элементы волн

Подошва - наинизшая точка ложбины волны;

Высота h - расстояние по вертикали от подошвы до вершины волны;

Длина λ - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней;

Крутизна – отношение высоты волны к ее длине ();

Период τ – промежуток времени, между прохождением двух смежных вершин через одну и ту же фиксированную точку;

Фронт – линия, проходящая вдоль гребня данной волны; линия, перпендикулярная фронту волны, называется волновым лучом;

Скорость распространения c - расстояние, проходимое определенной точкой волны в единицу времени;

Направление распространения - угол, отсчитываемый от норда в сторону движения волн (или истинный румб, откуда движутся волны).

На основании гидродинамической теории волн получены формулы, связывающие отдельные элементы волн на глубокой воде (когда глубина моря >);

с = 1,56 τ,

λ = 0,64 с 2 ,

τ = 0,64 с,

Высота волны измеряется непосредственно или определяется приближенно с помощью специальной номограммы.

Установлено, что с глубиной волнение быстро затихает и распространяется до глубин, равных длине волны. Так, на глубине, равной половине длины волны, высота волны меньше, чем на поверхности, в 23 раза, а на глубине, равной длине волны в 535 раз.

В навигации следует учитывать, что большие волны возникают при очень сильном ветре постоянного направления, дующем продолжительное время

(более суток), в значительных по размерам и глубинам бассейнах, и что в прибрежной зоне большое влияние на волнообразование, кроме глубины, оказывает конфигурация береговой черты и направление ветра относительно берега (ветер с берега или с моря).

Основной причиной возникновения волн на поверхности воды является воздействие ветра на водную поверхность. Волны возникают также от движения судов, а на водохранилищах и от пропусков через плотины.

Волны и волновые движения в океанах характеризуются чрезвычайно широким диапазоном длин волн, т. е. расстояний от гребня до гребня, и периодов, т. е. интервалов времени, необходимых для прохождения двух последовательных гребней мимо наблюдателя. Самые малые -- капиллярные поверхностные волны, имеющие длины в несколько сантиметров и периоды в доли секунды. Самые длинные волны -- приливные, расстояние между их гребнями достигает половины окружности Земли, т. е. около 20 тыс. км. Но период приливных волн не самый большой. Длинным периодом отличаются медленные внутренние волны, которым требуются месяцы, чтобы пересечь океан.

По силам, вызывающим волновое движение, т. е. по происхождению, можно выделить в океане (море) следующие типы волн:

* ветровые - вызванные ветром и находящиеся под его воздействием;
* приливные - возникающие под действием периодических сил притяжения Луны и Солнца;
* анемобарические - связанные с отклонением поверхности океана от положения равновесия под действием ветра и атмосферного давления;
* сейсмические (цунами) - возникающие в результате динамических процессов, протекающих в земной коре и, в первую очередь, подводных землетрясений, а также извержений вулканов, как подводных, так и прибрежных;
* корабельные - создающиеся при движении корабля.

Основные элементы волны.

Ш Средняя волновая линия - горизонтальная линия, пересекающая волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже этой линии равны.
Ш Гребень - часть волны, располагающаяся выше средней волновой линии.
Ш Вершина волны - самая высокая точка гребня.
Ш Впадина (ложбина) - часть волны, располагающаяся между двумя соседними гребнями ниже средней волновой линии.
Ш Подошва волны - самая низкая точка впадины.
Ш Фронт волны - линия вершин гребней в плане.
Ш Главное направления распространения волны - направление перпендикулярное фронту волны.
Ш Высота волны - превышение вершины волны над подошвой.
Ш Длина волны - расстояние между соседними вершинами или подошвами.
Ш Система волнения - ряд последовательных волн, развивающихся в определенных условиях.
Ш Крутизна волны - отношение высоты волны к длине.
Ш Период волны - промежуток времени, в течение которого частицы совершают полный оборот по всем орбитам, или промежуток времени между прохождением вершин двух соседних волн через фиксированную точку водоема.
Ш Скорость волны - скорость перемещения гребня волны в главном направлении ее движения.
Ш Возраст волны - отношение скорости волны к скорости ветра.

Ветровые волны.

Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности воды даже при ветре со скоростью 1 м/с, образуются маленькие волны, имеющие высоту, измеряемую в миллиметрах, и длину - в сантиметрах. Эти едва зародившиеся волны имеют вид ряби. Так как существование таких волн связано с поверхностным натяжением, их называют капиллярными. Стоя ранним утром на высоком берегу над спокойным озером, мы можем видеть, как первый слабый ветерок сменяет безветрие и на поверхности воды внезапно появляются и исчезают пятна легкой ряби, которые иногда называют «кошачьими лапками». Это и есть участки развития капиллярных волн с длиной волны всего лишь 2-5 см. Трение о воздух морщит водную гладь в череду мелких волн, а поверхностное натяжение воды все время стремится возвратить поверхности ее первоначальную гладкость, характеризующуюся минимальной энергией. Вот так и теряют капиллярные волны свою энергию движения, переходящую благодаря молекулярной вязкости воды непосредственно в тепло.

Рост волн приводит к их объединению в группы и удлинению до нескольких метров. Волны становятся гравитационными. Длина поверхностной волны увеличивается до 5 - 30 см, сила тяжести начинает оказывать все большее влияние на ее форму и движение, оставляя силе поверхностного натяжения важную роль только в круто искривленной части волн вблизи гребня. Имея период 1 с, эти волны распространяются очень медленно -- гораздо медленнее типичных поверхностных волн. Соответственно такие волны наблюдаются на склонах и гребнях более быстрых ветровых волн и зыби.

Ветровое волнение зависит от величины водного пространства, открытого для разгона волны, скорости ветра и времени действия его в одном направлении, а также глубины. С уменьшением глубины волна становится крутой. Слабый ветер, дующий длительное время на большом водном пространстве, может вызвать волнение более значительное, чем сильный кратковременный ветер на малой водной поверхности.

Ветровые волны несимметричны, наветренный склон их пологий, подветренный -- крутой. Так как ветер на верхнюю часть волны действует сильнее, чем на нижнюю, гребень волны рассыпается, образуя «барашки».

В ветровых волнах содержится больше энергии, чем в океанских волнах любого другого типа. Такая энергия, однако, распределяется по Мировому океану неравномерно. Возбудителем этих поверхностных волн служат ветры; поэтому можно ожидать, что волны с наибольшим запасом энергии возникают в тех же поясах, где дуют приповерхностные западные и восточные ветры.

Наиболее часто (практически всегда) на поверхности морей и океанов наблюдаются ветровые и приливные волны, при этом ветровые волны доставляют наибольшие неприятности мореплавателям: вызывают качку корабля, заливают палубу, уменьшают скорость хода, уклоняют его от заданного курса, могут наносить повреждения, а подчас вызывают гибель судна, разрушают берега и береговые сооружения.

В настоящее время принято делить основные направления изучения волнений на:

Гидродинамические

Энергетические

Статистические

Спектральные

2.2.1 Гидродинамические методы:

В основном относиться к безвихревым формам движения, в ходе исследования изучаются волны малой амплитуды на большой глубине. Также результаты показали, что данное направление хорошо работает при условии что высота волны бесконечно мала, по сравнению с ее длиной. В природе данное явление встречается только в приливных волнах. Данное направление преимущественно является морским и на вопрос «как из маленьких волн получаются огромные волн под действием ветра» так и не дало. Для использования данного метода лучше всего подходит теория ветровых волн Герстнера, которая позволила установить взаимосвязь между элементами короткопериодных волн. В основу расчетов волнового режима при проектировке самых первых водохранилищ положены эмпирические расчетные методы:

Способ В.Г. Андреянова. Расчетная формула получена в ходе анализа наблюдений, проведенных Беломорстроем в 1931 – 1932 гг. на озерах Выг и Онежском озере. Элементы волн определялись визуально, в дальнейшем при расчетах применялись только случаи установившегося волнения. Диапазон составил по:

· Величине разгона от 3 до 30 км

· Скорости ветра от 5 – 15 м/с

Полученные зависимости имеют следующий вид:

(2.2)

При скорости ветра больше 15 м/с формула имеет следующий вид:

Продолжительность роста волн (в часах) t определяется по формуле:

t = 0.673 W (2.4)

Максимальная длина разгона, на которой волны могут достигнуть максимальной высоты, определяется как:

Следует заметить, что формулы составлены для средневысокой волны. В результате многочисленных проверок выяснилось, что обеспеченность этой волны близка к 4%.

Способ Н.Д. Шишова. Данные получены на основе наблюдений на внутренних водоемах с разгонами от 70 до 90 км. В формулы включен учет средней глубины на профиле разгона.

где коэффициенты a и b зависят от средней глубины водоема; а изменяется в пределах от 0.021 при глубинах 2 – 4 м до 0.046 – при глубинах 30 – 35 м; b от 0.18 до 0.71.

Способ Е.А. Дьяковой. Данные получены по материалам наблюдений на Северном Каспии:

h max (15%) = 1.61 h ср (2.9)

где Н – глубина в расчетной точке. Способ является не точным так как на формирование волн гораздо большее значение оказывает смена глубин по всему профилю разгона.

2.2.2 Энергетические методы:

В основе данного метода лежит уравнение В.М. Маккавеева, который рассмотрел вопрос роста волн под действием ветра с энергетической точки зрения. Согласно энергетическому принципу, изменение энергии всякой механической системы равно работе внешних сил за исключением внутренних сил и диссипации энергии. Применение данного принципа позволило создать уравнение:

(2.10)

где Е – количество волновой энергии на единицу площади взволнованной поверхности, Ve – скорость переноса волновой энергии, Mv - волновая энергия, Eμ - диссипация волновой энергии, х - расстояние по направлению действия ветра. Данный метод позволил изучить свойства изменения параметров волн под влиянием ветра, рельефа дна. В процессе развития плотно взаимодействуя с гидродинамическим методом дал резкий скачок в процессе познания ветрового волнения.

Способ А.П. Браславского (1952). Зависимость получена в ходе интегрирования уравнения Маккавеева в пределах участка длиной от х н до х н+1 и получил уравнение баланса волновой энергии для установившегося волнового состояния водоема.

где Υ – объемные вес воды, х – расстояние по направлению движения волн, U – групповая скорость волн или скорость передачи энергии вдоль разгона, R 1 - осредненное во времени количество энергии, подводимое за единицу времени извне к объему dx*H (Н – глубина водоема в данном пункте), R 2 – осредненное во времени количество энергии, теряемое за единицу времени в том же объеме воды dx*Н.

R 2 =R 2д + R 2в + R 2г (2.12)

где R 2д диссипация энергии волнующейся поверхности, R 2в – потери энергии внутри водной массы, R 2г – потери энергии внутри грунта дна. Обеспеченность высоты волны в системе волнения равна 1%. Скорость ветра принималась на высоте 10 м. В конечно счете расчетная формула имеет вид:

Решение уравнения производиться подбором. Данный способ нашел широкое применение в инженерных расчетах водохранилищ. Методически расчет ведется по отдельным участкам расчетного профиля и начинается от подветренного берега. Участки определяются однородными характеристиками (i, h, e).

Способ Н.А. Лабзовского. В его основе лежит теоретические положения метода Маккавеева. Рассматривается установившееся волнение и пренебрегается рассеиванием энергии. При этом первый и последний члены уравнения баланса волновой энергии становятся равны нулю. В результате получены следующие формулы:

(2.14)

(2.15)

(2.16)

(2.17)

где h, c, λ, τ – соответствующие элементы ветровых волн, а ε – крутизна. Автором выведены эмпирические формулы для определения предельного разгона и крутизны волны:

(2.18)

(2.19)

Так же, в формулу для расчета h введен коэффициент k отражающий более интенсивное развитие волн в начале разгона:

(2.20)

И в конечном счете формула для подсчёта высоты волны принимает вид:

(2.21)

Высота волн, по данному способу, имеет обеспеченность близкую к 1% в системе волнения, а длины – к 50%.

Способы Лабзовского и Браславского используются и поныне. Метод Браславского дает несколько заниженные результаты (до 15%), а метод Лабзовского завышает результаты. Возможно это связанно с тем, что эмпирические коэффициенты получены в основном на мелководном Рыбинском водохранилище.

2.2.3 Статистические методы:

В связи с активным применением инструментальных методов измерения волн – стереофотосъемки волн и волнографных записей, удалось получить непрерывную регистрацию элементов волн в фиксированной точке водоема в течение определенного времени. Благодаря этому стало возможным применение методов математической статистики. Данный метод позволил установить связь между значениями элементов волн и вероятностью появления этих значений при определенных условиях волнообразования. Данные связи называются функциями распределения элементов ветрового волнения. Одни функции характеризуют вероятность появления – статистические, другие- функции распределения элементов волн во времени – режимные. Современные расчеты данным методом позволили установить, что для установившегося, развивающегося и затухающего волнения при одних и тех же условиях эти параметры различны. Большой вклад развитие данного метода внесли Л.Ф. Титов, И.Н. Давидан, Г.В. Ржеплинский. Метод является основой для других расчетных методов.

2.2.4 Спектральные методы:

В основном исследуют особенности внутренней структуры волнения. Широкое развитие данный метод получил после открытия взаимоотношения между энергетическим спектром волнения элементарных волн и видимой высоты. Большой вклад в развитие этого метода внесли Ю.М. Крылов, И.Н Давидан, Г.В. Матушевский. Наибольшее значение играет при расчетах для водоемов сложной конфигурации и замкнутых акваторий. Связанно это прежде всего с тем, что данный метод позволяет точно определять контуры береговой линии.

Спектральный метод расчета волн позволяет произвести анализ физической сущности процесса. Сложение отдельных элементарных колебаний, формирующих сложный вид взволнованной поверхности, происходит со случайным сдвигом фаз и направлений, что придает явлению вероятностный характер и позволяет рассматривать его с позиции теории случайных процессов. Модель взволнованной поверхности полностью определяется двумерным спектром (Крылов и др. 1969) и является внутренней характеристикой волнового процесса. Мы его не видим непосредственно, а лишь наблюдаем результат взаимодействия всех спектральных составляющих, поэтому наблюдаемые волны являются случайными величинами. Угловой энергетический спектр дает подробную информацию о распределении энергии элементарных волн в зависимости от направления их распространения и равен интегралу от двумерного спектра по всем частотам. Впервые аналитическая функция углового распределения энергии волн выявлена В. Пирсом и Р. Артуром и имеет вид cos 2 Θ, где Θ направление распространения элементарной плоской волны. Эта функция была подтверждена эмпирическими исследованиями углового спектра волнения и использована при разработке метода расчета ветрового волнения на водоемах со сложной конфигураций береговой линии. При этом в качестве критерия сложности берегового контура принято соотношение d/D: контур береговой линии может

считаться простым, если d/D> 1/2, где D самый длинный, а d самый короткий луч, проведенный из расчетной точки в секторе ±45 о от основного направления ветра до пересечения с подветренным берегом, при условии, что в этом секторе на расстоянии, меньшем d, отсутствуют препятствия с суммарным угловым размером больше 22.5 о. (см. рисунок 2.2.4.1) .

При рассмотрении приложения А видим, что в точку Р приходят спектральные составляющие с направлениями от –(π/2) до +(π/2) относительно основного направления ветра. Если луч какой-либо элементарной волны встречает на своем пути береговую линию, то ее энергия в зоне прибоя полностью гасится. Энергия элементарной волны определяется только проекцией луча волны на направление ветра. Формирование волнового поля происходит по законам геометрической оптики. А связь между высотой волны и угловым спектром выражается соотношением:

где h 0 - высота волны при ветре скоростью W м/с и разгоне х * i =r(Θ) cos Θ от берега, r (Θ) – расстояние от подветренного берега до расчетной точки по направлению Θ, Θ i – угол между направлением ветра и данной спектральной составляющей, ΔЕ – доля энергии, которой обладают спектральные составляющие, имеющие направление и расстояние от Θ i – (½)ΔΘ до Θ i + (½)ΔΘ, где ΔΘ – принятая угловая ширина сектора в зависимости от числа спектральных составляющих. Величина ΔЕ определяется как разность Е по таблице каждого из направлений в секторе от +π/2 до –π/2, на основе функции (2/π) *сos 2 Θ и меняется в пределах от 0 при Θ=+(π/2) до 0.5 при Θ=0. В основном удовлетворительные результаты получаются при учете семи секторов с угловой шириной 22.5 о каждый. Тогда расчетная формула примет вид:

где h n (при n=0,±1,±2,±3) высоты волн, которые должны приниматься по расчетной скорости ветра и разгону D n , равном проекции лучей на направление главного луча, совпадающего с направлением ветра. Лучи проводятся из расчетной точки до пересечения с линией берега в направлениях Θ=22,5 о n от главного луча. Расчет ведется по каждой угловой составляющей по тому или иному расчетному методу. Анализ многолетних наблюдений за ветровыми волнениями на внутренних водоемах, выполненный Г.Г. Карасевой на основе учета сложности берегового контура и дифференциации условий глубокой и мелкой воды, позволил установить зависимость высот волн от волнообразующих факторов на глубокой воде для внутренних водоемов:

где h 1% - высота волны обеспеченностью 1 %, D – разгон в м, W – скорость ветра, м/с. На современном этапе развития в ходе анализа и обобщения данных исследований ветрового волнения различных авторов получена номограмма для расчета характеристик ветровых волн. Верхняя огибающая номограммы, приведенная к обеспеченности 1% в системе, близка к результатам расчетов по зависимости Карасевой (расхождение не более 10%). При переходе от средней высоты волны в системе к высоте волн любой обеспеченности нужно среднюю высоту волны с номограммы умножить на коэффициент k i , который показывает изменение функции распределения высот волн в зависимости от безразмерного разгона. Величина коэффициента k определяется для и и берется меньшее значение. Для условий водохранилищ и озер со сравнительно небольшими разгонами для расчета волн на мелкой воде может быть использована величина средневзвешенной глубины на профиле разгона, при этом принимается соответствующей значению . Определение высоты волны в прибрежной зоне осуществляется с учетом трансформации и рефракции волн. Явление трансформации связанно с тем, что на мелководье с большими уклонами дна происходит процесс торможения подошвы волны и перераспределения орбитальной скорости движения частиц и энергии волны. В ходе чего гребень приобретает большую скорость и после прохождения критической глубины происходит опрокидывание волны. Данный процесс можно рассчитать приближенно для откосов с уклоном меньше 45 о и глубинами меньше критических по формуле Н.Н Джунковского, которая дает результаты близкие к наблюдаемым.

(2.25)

где h в высота вкатывания волны от спокойного горизонта, k – коэффициент, зависящий от шероховатости стенок (для каменной наброски k=0,77, для каменной стенки k=1.0), h – высота волны, м, у стенки, α – угол наклона стенки от 14 до 45 о. Если необходимо определить более точно высоту наката волны на берег откосного типа используются также специальные руководства, но расчет по формуле Джунковского близко по значению и практически не уступает по точности.

Следует отметить, что кроме поверхностных волн существуют и внутренние волны, амплитуда которых может превышать амплитуду поверхностных волн в десятки раз. Значение внутренних волн важно и его следует учитывать при расчетах, однако точно рассчитать его пока не удается, но существует гипотеза о воздействии внутренних волн на берег высказанная Н.Н Зубовым, а формулу расчета предоставил В.В. Шулейкин.

Ветровые волны важный элемент, который необходимо учитывать при проектировании и создании водохранилищ, плотин, водных и туристических путей. Если же данный параметр будет определен некорректно или же будет опущен, вследствие халатных действий это может привести к большим человеческим и материальным жертвам.

В настоящее время в связи с ежедневным развитием технологий и накопленных знаний, данные методы развиваются и преобразуются, позволяя исследователям открывать, описывать, рассчитывать и находить все новые и новые закономерности в природе ветровых волн. Что непременно ведет к новым глобальным открытиям и скачкам вперед к познанию окружающей среды.

Волны, которые мы привыкли видеть на поверхности моря, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут возникать и по другим причинам, тогда они называются;

Приливные, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;

Барические, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;

Сейсмические (цунами), образующиеся в результате землетрясения или извержения вулканов;

Корабельные, возникающие при движении судна.

Ветровые волны являются преобладающими на поверхности морей и океанов. Волны приливные, сейсмические, барические и корабельные существенного влияния на плавание судов в открытом океане не оказывают, поэтому на их описании мы останавливаться не будем. Ветровое волнение - один из основных гидрометеорологических факторов, определяющих безопасность и экономическую эффективность мореплавания, так как волна, набегая на судно, обрушивается на него, раскачивает, бьет в борт, заливает палубы и надстройки, уменьшает скорость хода. Качка создает опасные крены, затрудняет определение места судна и сильно изнуряет команду. Кроме потери скорости, волнение вызывает рыскание и уклонение судна с заданного курса, и для удержания его требуется постоянная перекладка руля.

Ветровым волнением называется процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн на поверхности моря. Ветровому волнению присущи две основные черты. Первая черта - нерегулярность: неупорядоченность размеров и форм волн. Одна волна не повторяет другую, за большой может следовать малая, а может и еще большая; каждая отдельная волна непрерывно меняет свою форму. Гребни волн перемещаются не только в направлении ветра, но и в других направлениях. Такая сложная структура возмущенной поверхности моря объясняется вихревым, турбулентным характером ветра, образующего волны. Вторая черта волнения заключается в быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана также с ветром. Однако размеры волн зависят не только от скорости ветра, существенное значение имеет продолжительность его действия, площадь и конфигурация водной поверхности. С точки зрения практики нет необходимости знать элементы каждой отдельно взятой волны или каждого волнового колебания. Поэтому изучение волнения сводится в конечном итоге к выявлению статистических закономерностей, которые численно выражаются зависимостями между элементами волн и определяющими их факторами.

3.1.1. Элементы волн

Каждая волна характеризуется определенными элементами,

Общими элементами для волн являются (рис. 25):

Вершина - наивысшая точка гребня волны;

Подошва - наинизшая точка ложбины волны;

Высота (h) - превышение вершины волны;

Длина (Л)-горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн;

Период (т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине;

Крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением:

Рис. 25. Основные элементы волн.

Для практики важное значение имеет наибольший уклон, который приближенно равен отношению высоты волны h к ее полудлине λ/2

- скорость волны с - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода волны;

Фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по множеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространения волн.

Для мореплавания наибольшее значение имеют такие элементы волн, как высота, период, длина, крутизна и генеральное направление перемещения волн. Все они зависят от параметров ветрового потока (скорости и направления ветра), его протяженности (разгона) над морем и продолжительности его действия.

В зависимости от условий образования и распространения ветровые волны можно подразделить на четыре типа.

Ветровые - система волн, находящаяся в момент наблюдения под воздействием ветра, которым она вызвана. Направления распространения ветровых волн и ветра на глубокой воде обычно совпадают или же различаются не более чем на четыре румба (45°).

Ветровые волны характерны тем, что подветренный склон их круче, чем наветренный, поэтому верхушки гребней обычно заваливаются, образуя пену, или даже срываются сильным ветром. При выходе волн на мелководье и подходе их к берегу направления распространения волн и ветра могут различаться более чем на 45°.

Зыбь - вызванные ветром волны, распространяющиеся в области волнообразования после ослабления ветра и/или изменения его направления, или вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где дует ветер с другой скоростью и/или другим направлением. Частный случай зыби, распространяющейся при отсутствии ветра носит название мертвой зыби.

Смешанные - волнение, образующееся в результате взаимодействия ветровых волн и зыби.

Трансформация ветровых волн - изменение структуры ветровых волн при изменении глубины. В этом случае форма волн искажается, они становятся круче и короче и при небольшой глубине, не превышающей высоты волны, гребни последних опрокидываются, и волны разрушаются.

По своему внешнему виду ветровые волны характеризуются разными формами.

Рябь - начальная форма развития ветрового волнения, возникающая под действием слабого ветра; гребни волн при ряби напоминают чешую.

Трехмерное волнение - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает среднюю длину волны.

Регулярное волнение - волнение, в котором форма и элементы всех волн одинаковы.

Толчея - беспорядочное волнение, возникающее вследствие взаимодействия волн, бегущих в разных направлениях.

Волны, разбивающиеся над банками, рифами или камнями, носят название бурунов. Волны, обрушивающиеся в прибрежной зоне, называются прибоем. У крутых берегов и у портовых сооружений прибой имеет форму взброса.

Волны на поверхности моря подразделяются на свободные, когда сила, вызвавшая их, прекращает действовать и волны свободно перемещаются, и вынужденные, когда действие силы, вызвавшей образование волн, не прекращается.

По изменчивости элементов волн во времени их разделяют на установившиеся, т. е, ветровое волнение, в котором статистические характеристики волн не изменяются во времени, и развивающиеся или затухающие - изменяющие свои элементы во времени.

По форме волны делятся на двухмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых во много раз больше средней длины волн, трехмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает длину волн, и уединенные, имеющие только куполообразный гребень без подошвы.

В зависимости от отношения длины волны к глубине моря волны подразделяются на короткие, длина которых значительно меньше глубины моря, и длинные, длина которых больше глубины моря.

По характеру перемещения формы волны они бывают поступательные, у которых наблюдается видимое перемещение формы волны, и стоячие - не имеющие перемещения. По тому, как располагаются волны, их делят на поверхностные и внутренние. Внутренние волны образуются на той или иной глубине на поверхности раздела между слоями воды разной плотности.

3.1.2. Методы расчета элементов волн

При изучении морского волнения используются некоторые теоретические положения, объясняющие те или иные стороны этого явления. Общие законы строения волн и характера движения их отдельных частиц рассматриваются трохоидальной теорией волн. Согласно этой теории, отдельные частицы воды в поверхностных волнах движутся по замкнутым эллипсоидным орбитам, совершая полный оборот за время, равное периоду волны т.

Вращательное движение последовательно расположенных частиц воды, сдвинутых на фазовый угол в начальный момент движения, создает видимость поступательного движения: отдельные частицы движутся по замкнутым орбитам, в то время как профиль волны перемещается поступательно в направлении ветра. Трохоидальная теория волн позволила математически обосновать строение отдельных волн и связать между собой их элементы. Были получены формулы, позволяющие рассчитать отдельные элементы волн

где g -ускорение свободного падения, Длина волны К скорость ее распространения С и период t связаны между собой зависимостью К=Сх.

Следует отметить, что трохоидальная теория волн справедлива только для правильных двухмерных волн, которые наблюдаются в случае свободных ветровых волн - зыби. При трехмерном ветровом волнении орбитальные пути частиц не являются замкнутыми круговыми орбитами, так как под воздействием ветра возникает горизонтальный перенос вод на поверхности моря в направлении распространения волны.

Трохоидальная теория морских волн не вскрывает процесса их развития и затухания, а также механизма передачи энергии от ветра к волне. Между тем, решение именно этих вопросов необходимо с целью получения надежных зависимостей для расчета элементов ветровых волн.

Поэтому развитие теории морских волн пошло по пути разработки теоретических и эмпирических связей между ветром и волнением с учетом разнообразия реальных морских ветровых волн и нестационарности явления, т. е. с учетом их развития и затухания.

В общем виде формулы для расчета элементов ветровых волн могут быть выражены в виде функции от нескольких переменных

H, t, Л,C=f(W , D t, H),

Где W - скорость ветра; D - разгон , t - продолжительность действия ветра; Н - глубина моря.

Для мелководных районов морей для расчета высоты и длины волн можно использовать зависимости

Коэффициенты а и z переменны и зависят от глубины моря

А = 0,0151H 0,342 ; z = 0,104H 0,573 .

Для открытых районов морей элементы волн, обеспеченность высот которых составляет 5%, и средние значения длины волн рассчитываются по зависимостям:

H = 0,45 W 0,56 D 0,54 A,

Л = 0,3lW 0,66 D 0,64 A.

Коэффициент А вычисляется по формуле

Для открытых районов океана элементы волн рассчитываются по следующим формулам:

где е - крутизна волны при малых разгонах, D ПР - предельный разгон, км. Максимальную высоту штормовых волн можно рассчитать по формуле

где hmax - максимальная высота волн, м, D - длина разгона, мили.

В Государственном океанографическом институте на основании спектральной статистической теории волнения были получены графические связи между элементами волн и скоростью ветра, продолжительностью его действия и длиной разгона. Эти зависимости следует считать наиболее надежными, дающими приемлемые результаты, на основе которых в Гидрометцентре СССР (В. С. Красюк) были построены номограммы для расчета высоты волн. Номограмма (рис. 26) разделена на четыре квадранта (I-IV) и состоит из серии графиков, расположенных в определенной последовательности.

В квадранте I (отсчет ведется из нижнего правого угла) номограммы дана градусная сетка, каждое деление которой (по горизонтали) соответствует 1° меридиана на данной широте (от 70 до 20° с. ш.) для карт масштаба 1:15 000000 полярной стереографической проекции. Градусная сетка необходима для перевода расстояния между изобарами п и радиуса кривизны изобар R, измеренных на картах другого масштаба, в масштаб 1:15 000000. В этом случае мы определяем расстояние между изобарами п и радиус кривизны изобар R в градусах меридиана на данной широте. Радиус кривизны изобар R - радиус Окружности, с которой участок изобары, проходящей через точку, для которой ведется расчет, или вблизи нее имеет наибольшее соприкосновение. Определяется он с помощью измерителя путем подбора таким образом, чтобы дуга, проведенная из найденного центра, совпадала с данным участком изобары. Затем на градусной сетке откладываем измеренные величины на данной широте, выраженные в градусах меридиана, и раствором циркуля определяем радиус кривизны изобар и расстояние между изобарами, соответствующее масштабу 1:15000 000.

В квадранте II номограммы приведены кривые, выражающие зависимость скорости ветра от барического градиента и географической широты места (каждая кривая соответствует определенной широте- от 70 до 20° с. ш.). Для перехода от рассчитанного градиентного ветра к ветру, дующему вблизи поверхности моря (на высоте 10 м), была выведена поправка, учитывающая стратификацию приводного слоя атмосферы. При расчетах для холодной части года (устойчивая стратификация t w 2°С)-коэффициент 0,6.

Рис. 26. Номограмма для расчета элементов волн и скорости ветра по картам приземного поля давления, где изобары проведены с интервалом 5 мбар (а) и 8 мбар (б). 1 - зима, 2 - лето.

В квадранте III производится учет влияния кривизны изобар на скорость геострофического ветра. Кривые, соответствующие различным значениям радиуса кривизны (1, 2, 5 и т. д.), даны сплошными (зима) и штриховыми (лето) линиями. Знак оо означает, что изобары прямолинейны. Обычно при радиусе кривизны, превышающей 15°, учета кривизны при расчетах не требуется. По оси абсцисс, разделяющей кйадранты III и IV, определяется скорость ветра W для данной точки.

В квадранте IV расположены кривые, позволяющие по скорости ветра, разгону или продолжительности действия ветра определять высоту так называемых значительных волн (h 3H), имеющих обеспеченность 12,5%.

Если имеется возможность при определении высоты волн использовать не только данные о скорости ветра, но и о разгоне и продолжительности действия ветра, расчет выполняется по разгону и продолжительности действия ветра (в часах). Для этого из квадранта III номограммы опускаем перпендикуляр не до кривой разгона, а до кривой продолжительности действия ветра (6 или 12 ч). Из полученных результатов (по разгону и продолжительности) берется меньшее значение высоты волны.

Расчет с помощью предлагаемой номограммы можно производить лишь для районов «глубокого моря», т. е. для районов, где глубина моря не меньше половины длины волны. При разгоне, превышающем 500 км, или продолжительности действия ветра больше 12 ч используется зависимость высот волн от ветра, соответствующая океанским условиям (утолщенная кривая в квадранте IV).

Таким образом, для определения высоты волн в данной точке необходимо выполнить следующие операции:

А) найти радиус кривизны изобары R, проходящий через данную точку или вблизи нее (с помощью циркуля путем подбора). Радиус кривизны изобар определяется только в случае циклонической кривизны (в циклонах и ложбинах) и выражается в градусах меридиана;

Б) определить разность давления п путем измерения расстояния между соседними изобарами в районе выбранной точки;

В) по найденным значениям R и п в зависимости от времени года находим скорость ветра W;

Г) зная скорость ветра W и разгон D или продолжительность действия ветра (6 или 12 ч), находим высоту значительных волн (h 3H).

Разгон находится следующим образом. От каждой точки, для которой ведется расчет высоты волн, в направлении против ветра проводится линия тока до тех пор, пока ее направление не изменится по отношению к начальному на угол 45° или не достигнет берега, или кромки льда. Приблизительно это и будет разгон или путь ветра, на протяжении которого должны формироваться (волны, приходящие в данную точку.

Продолжительность действия ветра определяется как время, в течение которого направление ветра неизменно или отклоняется от первоначального не более чем на ±22,5°.

По номограмме на рис. 26 а можно определить высоту волны по карте приземного поля давления, на которой изобары проведены через 5 мбар. Если изобары проведены через 8 мбар, то следует использовать номограмму, приведенную на рис. 26 б.

Период и длину волны можно рассчитать по данным о скорости ветра и высоте волны. Приближенный расчет периода волн может быть произведен по графику (рис. 27), на котором представлена зависимость между периодами и высотой ветровых волн при различных скоростях ветра (W). Длина волн определяется по ее периоду и глубине моря в данной точке по графику (рис. 28).