Инструментальные наблюдения за полем волнения в Центральной части Каспийского моря с притопленных буйковых станций тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

российская академия наук

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им ПП Ширшова

На правах рукописи

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПОЛЕМ ВОЛНЕНИЯ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ С ПРИТОПЛЕННЫХ БУЙКОВЫХ СТАНЦИЙ

Специальность 01 04 01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученей степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2008

003449181

Работа выполнена в Лаборатории сейсмологии и геодинамики Института океанологии им П П Ширшова Российской Академии Наук

Научные руководители

Доктор физико-математических наук А К Амбросимов

Кандидат технических наук В Я Серых

Официальные оппоненты Доктор географических наук

Зав лабораторией ГОИН И М Кабатченко

Доктор физико-математических наук

Зав лабораторией ИОРАН С В Кузнецов

Ведущая организация

Московский Государственный университет им. М ВЛомоносова (кафедра океанологии, г. Москва)

па ' час на

Защита диссертации состоится «ОЙу> 2008 г в

заседании Диссертационного совета Д 002 231 03 при Институте радиотехники и электроники РАН (ИРЭ РАН) по адресу 125009, Москва, ул Моховая д 11, корп 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН Автореферат разослан « » сЯл-^&^рйу 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002 231 03 К ф -м н Перцовский М И

т

Общая характеристика рабо1ы

Актуачыюсть проСпемм Многие практические проблемы мореплавания, морского пиротехнического строительства, промысла, кораблестроения и т д связаны с учетом волновых движений Достоверное описание характеристик поверхностных волн в Каспийском морс крайне важно для обеспечения всех видов морской деятельности, таких как морское судоходство, рыболовство, разведки и добычи полезных ископаемых, строительства технических сооружений на шельфе и в открытом море Волнение играет важную роль, иной раз даже определяющую в процессах переноса и осаждения вещества, формирования ложа дна, распространения загрязнений и их разрушения, в развггтии турбулентности и др

Современное развитие научной и практической деятельности человека на морях и океанах предъявляет серьезные требования к знанию и прогнозированию аномальных природных явлений, связанных с морским волнением

Пространственно-временная изменчивость структуры поля волнения и ветра в море являются одними из наиболее значимых компонентов этой системы, которые позволяют получить оценку прогнозов экстремальных динамических и экологических условий и возможности принятия своевременных стратегических решений

Важнейшей характеристикой морского волнения является нерегулярность групповой структуры волн, известная мореплавателям с древнейших времен как «девятый вал», который по утверждениям моряков всегда больше, чем остальные волны в группе Механизмы возникновения нерегулярности в штормовых волнах на глубокой воде во многом обусловлены нелинейными процессами (Ти1ш, \Vaseda, 1999, Инфельд, Роуландс, 2006) и хорошо изучены в рамках модельных задач Практически все эти модели рассматривают неустойчивость двумерных поверхностных волн Динамика трехмерных поверхностных волн оказывается несоизмеримо богаче модельных постановок (ЕЫи1ш е1 а1,1995, ЗЬпга е1 а1, 1996) Однако экспериментальное изучение таких волн в глубоком море требует развития специальных методов измерения, анализа и интерпретации экспериментальных данных Было показано, что групповая структура волн на глубокой воде автомодельна (Кузнецов и др, 2004, Эаргукта, КшяеЬоу, 2005) На сегодняшний день физические закономерности формирования нерегулярности и, соответственно, групповой структуры волнения изучены недостаточно

Ветровое волнение, достигающее в Каспийском море значительной силы, во многом определяет условия формирования верхнего слоя воды, глубину термоклина,

3

представляет собой важный рельефообразующий фактор в прибрежной зоне моря Над районами Среднего Каспия часто устанавливаются сильные и штормовые ветры (со скоростью более 20 м/с) большой продолжительности Наиболее устойчивые и жестокие штормы отмечаются в районах Баку-Апшеронский полуостров, Махачкала-Дербент и Форт Шевченко - Кендерли Самые волноопасные направления штормовых ветров -северо-западное (северо-северо-западное) и юго-восточное Максимальные высоты волн при северо-западных штормах обычно наблюдается в районе Апшеронского архипелага, при юго-восточных - в районах Махачкалы - Дербента и Форта Шевченко - Кендерли Максимальные волны в Каспийском море могут достигать 10-11 м высоты

Наибольшую ценность для практического использования представляет прогноз ветрового волнения, включающий как пространственно-временные распределения основных волновых параметров, так и оценки экстремальных волн Для повышения достоверности прогноза необходимо точное знание климатических характеристик ветрового волнения Из существующих на сегодняшний день источников глобальной информации о ветровых волнах наиболее развитыми являются попутные судовые наблюдения, которые имеют наибольшую историю и обеспечивают изначально независимые оценки высот и периодов ветровых волн и зыби Однако визуальные наблюдения за волнами характеризуются высоким уровнем погрешностей и неопределенностей в оценках отдельных параметров волнения, достигающих 30-50% но высотам волн, нескольким секундам по периодам и большими погрешностями при оценке длин волн В последнее время были созданы высокоточные глобальные ветро-волновые модели (WAM, Wave Watch, SWAN, модель Гидрометцентра России и ГОИНа, модель ААНИИ и другие), которые рассчитывают волнение по полю скорости ветра Получили развитие спутниковые методы измерения волн

Взамен устаревших измерителей волнения, таких как струнные волнографы, были созданы новые, основанные на измерении пульсаций давления, индуцированных поверхностными волнами и доплеровские измерители, которые позволяют получать более точные характеристики Эти приборы получили, в последнее время широкое распространение ввиду их надежности и достоверности получаемой информации Однако как правило, измерение характеристик волнения приборами производится с небольших глубин под поверхностью моря или с платформ, когда заглубление датчиков под поверхность моря не превышает 20-30 м Это обстоятельство затрудняет применение приборов в открытом море Данная проблема обуславливает актуальность темы работы, направленной на разработку методов долговременного измерения волнения в глубоком

4

море с помощью новых измерителей, получения достоверных характеристик ветрового волнения, а также разработку методов анализа климатических параметров волнения и создание массивов статистических характеристик ветровых волн за длительный период, необходимых для вьиснения условий формирования и эволюции экстремальных волн в открыюм море

Цель работы

1 Разработка методов и устройств для автономного измерения волнения в открытом глубоком море

2 Проведение долговремишых наблюдений за полем волнения в глубоководной части Каспийского моря с помощью притошенпых буйковых станций (ПБС)

3 Получение и анализ сезонной изменчивости характеристик волнения

Основные задачи

• Анализ литературный источников по технической проблеме измерения волнения в открытом море

• Обоснование, разработка и адаптация методологии измерения волнения в открытом море с притопленной буйковой станции для расчета статистических характеристик ветрового волнения на различных глубоководных акваториях морей, ее применение для получения климатических полей элементов ветровых волн

• Оценка повторяемости экстремальных волновых условий для внутренних и окраинных морей России на примере Каспийского моря

• Разработка и построение базы данных натурных наблюдений волнения в Каспийском море, контроль качества исходной информации и создание унифицированного архива волновых наблюдений для дальнейших исследований

• Получение количественных оценок сезонной изменчивости в статистических параметрах ветрового волнения для центральной части Каспийского моря, включая экстремальные высоты волн и физическое описание механизмов этой изменчивости

• Выявление статистических особенностей волн в экстремальных штормах по сравнению со среднестатистическими штормами

Автором выносится на защиту новое решение актуальной иаучной задачи -

получение достоверных сезонных и климатических характеристик, а также экстремальных

значений и изменчивости морского волнения на основе экспериментального материала,

полученного им с помощью установки измерителей волнения на заякоренных

5

притопленных буйковых станциях в открытом море

Воды морей и океанов морей находятся в постоянном движении Одним из наиболее распространенных видов движения является волнение Как по своей структуре, так и по характеру сил, их вызывающих, морские волны весьма разнообразны - от капиллярных до волн цунами Высота и частота морских волн находится в диапазонах от нескольких миллиметров до 25 метров и частотой от 0,003 до 10 Гц

Волны на поверхности моря возникают под действием ветра и сохраняются после его прекращения в виде зь'би

Волновые движения, которые охватывают всю толщу морской воды, относятся к классу длинных волн, они возбуждаются притяжением Луны, Солнца (приливные волны), подводными землетрясениями (цунами), циклонической деятельностью и т д

Данные о волнении необходимы для решения многих практических задач, таких как судоходство, кораблестроение, прибрежное и морское гидротехническое строительство, навигация, промысел и др, а также для развития теоретических методов прогноза ветрового волнения, усовершенствования методов расчета элементов волн

В связи с развитием спутниковых радиолокационных методов прогноза волнения особую роль приобретают морские подспутниковые измерения по установлению взаимосвязей между ветром и волнением

Научная новизна работы заключается в следующем

- разработана методика измерения волнения с притопленных буйковых станций (ПБС) в глубоком море,

- разработана методика постановки притоплешюй буйковой станции на заданную глубину,

- разработана методика гидроакустической локации места посадки станции на дно, методика поиска и подъема ПБС,

- обоснована и алгоритмизирована методология восстановления характеристик поверхностных волн по данным пульсаций датчика гидростатического давления, индуцированных поверхностными волнами, позволяющая оценивать все основные характеристики волн с высокой точностью,

- впервые построена климатология параметров ветрового волнения за двухлетний период непрерывных наблюдений 2004-2006 гг в центральной части Среднего Каспия на основе обширного массива натурных данных,

6

- впервые количественно описаны межсезонные изменения ветрового волнения в Каспийском море, проведен анализ механизмов климатической изменчивости ветровых волн и зыби,

- выполнены оценки экстремальных высот волн за двухлетний период,

- рассчитаны характеристики штормов и окон погоды для различных сезонов

Фактический материал и методы исследования

В работе использовался массив натурных данных, полученный автором с помощью измерителей волнения ГМУ-2, который охватывает непрерывными измерениями период с августа 2004 года по июнь 2006 года центральную часть Среднею Каспия, а также дашше реанализа скорости и направления ветра для этого района, полученные с помощью гидродинамической модели (Komen et al 1994, Лавренов, 1998)

Методологическую базу работы составляли методы статистического анализа, многие из которых были или адаптированы, или разработаны соискателем, в сочетании с методами физического анализа характеристик волн, основанными на теории ветрового волнения

Научная и практическая значимость работы, в первую очередь, заключается в получении массива экспериментальных данных по волнению в центральной части Каспийского моря, создании сезонной климатологии ветрового волнения поверхностных волн

Полученные в результате наблюдений массивы волновых характеристик позволяют существенно улучшить точность расчета волновых статистик и впервые получить натурные оценки экстремальных волновых характеристик Каспийского моря Таким образом, результаты работы имеют большую ценность для климатических исследований, обосновывая использование ветровых волн как индикатора климатических изменений

Результаты работы существенно улучшают наши представления о режимных характеристиках ветрового волнения в Мировом океане, что крайне важно для всех видов практической деятельности, связанной с морем, и могут быть использованы в построении режимно-прогностических характеристик для различных районов, в том числе при создании статистических волновых справочников Морского Регистра России, а также для использования в спутниковой альтиметрии и для долговременных модельных прогнозов

Апробация работы Результаты работы докладывались на семинарах ИОРАН, Междунар конф по прогнозированию ветрового волнения (Тартл-Бэй, США, 2004), Междунар симиоз «Инженерная экология» (Москва, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2007 гг ), Междунар конф «Экологические системы и приборы и чистые технологии» (Москва, 2007), Междунар конф «Аридные зоны в эпоху глобального изменения климата» (Ростов-на-Дону, 2006), Междунар конф «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, МСОИ-2007)

Публикации Всего по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в рецензируемых международных журналах

Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения Основная часть содержит 154 страницы, 64 рисунка и 131 таблицу Список использованной литературы состоит из 151 наименований, из которых 80 на иностранных языках

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, рассматриваются современные источники информации о ветровом волнении, излагаются цели и задачи работы Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена научная новизна и практическое значение исследования, описана структура диссертации

В первой главе подробно охарактеризованы все источники данных о ветровом волнении, доступные исследователям на сегодняшний день и используемые в работе (визуальные наблюдения, инструментальные измерения, модели прогноза ветрового волнения и спутниковые данные) Показаны сильные и слабые стороны различных типов глобальных данных о ветровом волнении В частности, модельные прогнозы хотя и имеют продолжительность до нескольких десятилетий, являются в значительной степени зависимыми от точностных характеристик ветра, используемых в модели, и требуют независимых измерений ветра в заданной точке для привязки модели к натурным данным

Спутниковый мониторинг волнения становится все более значимым в прогнозе чрезвычайных ситуаций на морях и океанах На сегодняшний день построены массивы данных на основе нескольких спутников (ERS, TOPEX/POSE1DON), которые имеют

8

длительность не более 13 лет (Woolf et al 2003) Однако эти данные могут использоваться только как осредненные по изучаемой площади волнения и не могут использоваться для опенки экстремальных волн, индивидуальных волн и, к примеру, волн-убийц Спутниковые альтиметрические и скатеррометрические измерения волн зависят от алгоритмов, используемых для пересчета параметров волнения из характеристик сигналов, а потому также нуждаются в альтернативном источнике информации по волнению и уровню моря для их калибровки

Большие погрешности измерений, а также отсутствие надежных данных о ветровом волнении во время жестоких штормов привели нас к целесообразности использования, в качестве долговременных носителей волнографов-мареографов заякоренные притопленные буйковые станции (ПБС) ПБС обладают одним важнейшим качеством, на приборы установленные на ПБС, в отличие от поверхностных буев и судовых измерений, не воздействует поверхностное волнение, исключается погрешность, связанная с качкой Волнограф может измерять поле волнения в точке в течение продолжительного времени, ограниченного только объемом твердотечьной памяти прибора и запасом электропитания Ошибки измерений в этом стучае минимизированы Кроме этого уменьшается до минимума износ элементов буйковой станции, связашгый с непрерывным подергиванием станции на волне

В главе детально рассматривается структура ветрового воздействия в центральной части Среднего Каспия, по данным литературных источников Представлены типовые поля ветра над Каспийским морем, которые формируются при различных синоптических ситуациях, а также экстремальные схемы направлений и скоростей ветров над Каспийским морем в жестоких штормах всех типов

В I главе также показаны режимные характеристики повторяемости Р(%) высот (hзу.) и периодов (тср) волн по месяцам, полученных по данным береговых постов ГМС «Изберг», «Махачкала» и «Дербент», попутных судовых наблюдений и расчетных характеристик

Известно, что в мористой области западной части Среднего Каспия преобладает волнение юго-восточного и северо-западного направлений (до 30%) Наиболее волноопасным является юго-восточное направление, наиболее штормовые месяцы -январь и октябрь По литературным данным высоты волн 3%-й обеспеченности, возможные 1 раз в 50 лет, составляют 10 м, 1 раз в 100 лет -11м Для рассматриваемого района, в соответствии с оценками, приведенными в [8], периоды и длины средних волн,

возможные 1 раз в 50 и 100 лет составляют, соответственно, 9-10 и 11-12 с, 150-170 и 160180 м

Обзор гидрометеорологических условий центральной части Среднего Каспия по результатам ранее выполненных исследований позволяет сделать следующие выводы

гидрометеорологические условия центральной части Среднего Каспия характеризуются значительной пространственно-временной изменчивостью в широком диапазоне масштабов от межгодового до короткопериодного (порядка часов и минут),

это обусловлено расположением рассматриваемого региона на границах климатических зон и макроциркуляционных атмосферных структур, а также его открытостью и глубоководностью,

к одной как наиболее важной гидрометеорологической характеристике, лимитирующей развитие нефтегазового комплекса в глубоководной части Каспийского моря, относятся штормовые ветры и волны,

данные по характеристикам волнения основаны на визуальной информации с проходящих судов или береговых постов, поэтому ошибки могут достигать 30-50%,

имеющаяся в опубликованных источниках информация о волнении по своему объему и номенклатуре в целом недостаточна для обеспечения безопасности при проведении изыскательских и технологических морских работ в центральной части Среднего Каспия,

в настоящее время практически нет длинных рядов данных по измерению волнения в открытом море,

из этого следует необходимость проведения специализированных работ в глубоководной части моря с целью получения экспериментального материала о волнении, необходимого для проведения здесь специальных инженерно-гидрометеорологических изысканий

Постановка волнографов на заякоренных притопленных буях в открытом море решает проблему получения данных, хотя это довольно сложный и дорогой эксперимент, но в этом случае возможно получение долговременных достоверных данных о характеристиках волнения для любого сезона года

Во второй главе проводится анализ современных методов и приборов для измерения волнения Обсуждается точность наблюдений за характеристиками волн с помощью различного типа волнографов Особое внимание, уделяемое этому вопросу, обусловлено целью диссертации, направленной на получение количественных и

10

качественных климатических характеристик волнения Каспийского моря

Первым этапом оценки метрологической обеспеченности приборов было проведение анализа источников погрешностей и проведение сравнительных измерений характеристик волнения приборами различного типа

Ранее в практике морских исследований, в основном, использовалась электроконтактная веха или струнный датчик измерения высоты волн, который представляет собой укрепленную на изолированной вехе вертикальную струну из проволоки высокого сопротивления, как правило, из нихрома, включенной в одно из плеч измерительного моста При прохождении волны вода замыкает участок струны по закону близкому по амплитуде, периоду и фазе движению волны, что соответствует изменению напряжения разбаланса мостовой схемы по такому же закону По этому принципу работает веха Фруда - измеритель волнения в глубоком море, которая представляет собой массивную вертикальную плавающую веху, период собственных колебаний которой на волне больше периодов измеряемых волн В других модификациях струнных волнографов вместо струны использовались дискретные контакты, расположенные вертикально, замыкая которые волна создавала дискретную запись волнения на регистраторе К сожалению, эти громоздкие конструкции, хорошо работающие в спокойную погоду, не работали в штормовую

Судовые волнографы, основанные на датчиках давления, применяются с дрейфующих или заякоренных судов Датчик волнового давления связан тросиком с поплавком плавающим на поверхности Давление волн, которое передается вглубь воды, давит на мембрану или на тензодатчик или кварцевую пластину, которые преобразуют изменение давления в электрический или частотный сигнал Судовые волнографы регистрируют волны любых размеров во время слабых и средних штормов Во время сильных штормов судно, связанное с волнографом тонкой линией связи, сильно дрейфует по ветру, таща за собой поплавок волнографа, тем самым вносит сильные искажения в измеряемое волнение

Существовали разработки и радиоизмерителей волн, которые предназначались для измерения характеристик волнения в глубоководных районах морей и океанов с помощью плавающих волнографов и передачей информации по радиоканалу на борт обеспечивающей лаборатории Эта аппаратура, например ГМ-32, теоретически обеспечивала дистанционное измерение высот волновых колебаний в диапазоне от 0,2 до 20 м и позволяла периодически регистрировать элементы волн в течение примерно семи суток сеансами продолжительностью по 25 мин с интервалами между ними 25 мин или

11

непрерывно в течение трех суток на расстоянии до нескольких км Однако в открытом море эти измерения дотжно контролировать обеспечивающее судно, что довольно сложно осуществить в штормовом море

Радиолокационный метод измерения высот волн обеспечивает измерение колебаний морской поверхности по площади, размеры которой определяются длительностью излучаемого импульса, шириной диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и временем задержки строба, которым задается расстояние до площадки, на которой ведется измерение Т е радиолокационный метод измерения как бы эквивалентен методу измерения с помощью множества волнографов, размещенных по площади Однако радиолокационный метод (он же спутниковый) не измеряет параметров отдельной волны, в отличие от волнографов, а дает осредненные сведения о характеристиках групп волн Радиолокационный метод позволяет вести наблюдения на ходу судна, но также не работает в штормовую погоду

Наиболее совершенными волнографами являются акустические приборы, в основу которых положен принцип измерения трех компонент волнового движения частиц воды (эффект Доплера) по сдвигу фаз обратного акустического рассеивания от примесей в водной среде Этот метод позволяет получить трехмерную картину волнения Приборы доплеровского типа устанавливаются под поверхностью моря на твердом основании или на дне на глубины до 100 м Однако ввиду высокой стоимости, эти приборы пока не нашли массового применения в отечественной океанологии

Наиболее удобными и доступными приборами для измерения ветровых вопн в открытом море являются волнографы-мареографы, использующие частотные датчики давления (кварц на сапфире) Датчик прикрепляют на тросе длиной ~ 20 м к плавающему буйку Волновые движения буя на волне передаются на датчик в виде пульсаций волнового давления Датчики давления являются, как правило, мембранного или тензометрического принципа действия Такие датчики можно устанавливать на заякоренных притопленных буйковых станциях, тогда их положение относительно уровня моря можно считать квазистационарным, а низкочастотные колебания буя в толще морской воды можно учитывать при пересчете пульсаций давления в параметры волнения Для учета изменения положения датчика по глубине, в случае воздействия на буй дрейфового течения, используются его же данные как мареографа Для аналогичных пересчетов в доплеровском приборе необходима установка в него дополнительного измерителя уровня моря, что усложняет и удорожает прибор

Представителями этого семейства приборов являются частотные измерители

12

волнения ГМУ-2 01 (СКВ ГМП г Обнинск) и ВМ-4 (ИОРЛН), которые предназначены для измерения пульсаций гидростатического давления, гидростатического давления на глубине (уровня) и температуры в автономном режиме в морской среде с возможностью последующего расчета данных в параметры волнения

Летом-осенью 2004 года был проведен эксперимент по сравнению данных гидростатического волнографа с данными измерений струнного волнографа, который считается эталонным Результаты сравнения спектров ветрового вочнения, рассчитанных по данным струнного волнографа и пересчитанных из спектров пульсаций давления по гидростатической модели и теории волн малой амплитуды, позволяют утверждать о хорошем согласии теории волн малой амплитуды с практикой и надежности разработанной на ее основе с использованием датчика данного давления волноизмерительиого комплекса В эксперименте использовался стандартный гидростатический волнограф ГМУ-2 01 разработки Росгидромета

В экспедиционный летне-осенний период 2006 года в Байдарацкой губе на Белом море в качестве волнографов использовалось два типа приборов, основанных на донном датчике давления Первый ВМ-4, производства ИОРАН, второй доплеровский - фирмы "Sea Bird" (SBE-26) Представлялось вполне разумным сравнить результаты измерений данными датчиками К сожалению, измерения были разнесены как по времени, так и по пространству Не совпадали и условия волнообразования в точках установки приборов SBE-26 был установлен на глубине 14 м, а прибор №1 ИОРАН на глубине 12,5 м Время включения SBE-26 на полчаса отличалось от стандартных гидрометеорологических измерений Измерения SBE-26 проводились каждый час, измерения датчиком ИОРАН раз в 3 часа в стандартные сроки Для унификации измерений данные SBE-26 были прорежены Результаты сравнения (см рис 1), с учетом временной и пространственной разнесенности, надо признать исключительно удачными

Зимой 2007 года в северной части Каспийского моря были проведены совместные сравнительные испытания волнографов ГМУ-2 01 и ВМ-4 Приборы ставились на дно на глубине 6 м в одной точке и на одном уровне Трехдневные записи уровня моря и волнения показали практически полное совпадение результатов, расхождения по уровню составили менее 3-х см, что может быть объяснено лишь различным положением датчиков давления на дне относительно друг друга Однако такое расхождение находится ниже уровня погрешностей приборов такого типа

Рис. 1. Результат сравнения работы (характерная высота волны, м) двух донных волнографов: производства ИОРАН (№ 1 был установлен в Байдарацкой губе на глубине 12,5 и Уральский берег) и SBE-26 (N 1111 был установлен на глубине 14 м Уральский берег). Дискрет между включением датчиков составляет 30 мин.

ИОРАН sbe-26

.0° .<£> .<$> .Ф .<£> .о° .0° .ф .<£> # Л43 .О" Л" .tí-»

~ S>- к<ь- ^ь- ч^' 4%- >£>• N?>- s<¡>- s<t>- к?>- «¡ь- ч<ь- ,$>■

Л- Л- K<S- Л>- кй-

& ¿> &

& <§> & ■$> O O O ^ & £ ❖ >? <£• 0> Ъ & Ó> V¡? '<$> „ - ^ „ ^ ^ „

Гл' С*.' (X' G~t <X' Crí О.' «X' О,' <X' <X' .« .W _(X' _с-ч' . C< Cí O,' (X' _<X' - (X' _<X' G-\' CX' (X' (X' (X CY . (X (Xr

Серьезной методической проблемой при измерении волнения в открытом море является заглубление волнографов или притопление буйковых станций на определенную глубину, а также поиск и подъем станции (Из-за серьезной криминогенной обстановки в Каспийском море исключается даже обозначение притопленного буя на поверхности моря небольшим поплавком)

Притопленные буи ставились на капроновых фалах Перед постановкой ПБС производилась обтяжка капроновых 10-12 мм фалов

Перед постановкой рабочего буя в заданную точку моря производилась постановка «пробной» станции для отработки основных элементов постановки рабочей станции

После постановки и подъема «пробной» станции проводится коррекция длин капроновых буйрепов по записи мареографа и контрольным поплавкам, с целью погружения несущего пенопластового буя рабочей станции точно на заданную глубину

При постановке рабочей станции к придонному концу рабочей линии, в качестве которой использовался 10-12 мм капроновый фал, через спарешшш (для увеличения надежности) размыкатель крепился якорный груз, который по истечения срока работы станции отстегивается с помощью акустического размыкателя по команде с борта судна и буй всплывал

После постановки рабочей станции проводилась акустическая локация ее местоположения, те уточнение места посадки грузов на дно по акустическим сигналам размыкателей, расположенных у якорного груза С этой целью с судна из четырех-пяти точек вокруг предполагаемого места посадки якорей станции на дно с горизонтальной удаленностью в несколько сотен метров проводилась акустическая локация размыкателей станции с помощью погружной бортовой антенны, по откликам которых рассчитывалась наклонная дальность размыкателей от места локации По данным наклонной дальности размыкателей от судна и данным спутниковой навигации рассчитывалось точное местоположение станции, т е ее географические координаты

Третья глава посвящена методам математической обработки материалов наблюдений Детально описана методика подготовки, коррекции и пересчета пульсаций давления, индуцированных поверхностным волнением, в характеристики волнения, а также методика вероятностно-статистического расчета параметров волнения

Для расчетов характеристик волнения нами была использована спектральная модель ветрового волнения, разработанная под руководством академика В Е Захарова На основании данной теоретической модели был разработан ее численный аналог, который был

реализован для Каспийского моря (Красицкий,1974, Кгазйзкп, 2а51аУ5кп,1978)

Пакет прикладных программ обеспечивает обработку получаемой информации С помощью быстрого преобразования Фурье с заданным окном рассчитывааись оценки спектра пульсаций давления Р((о) Далее, используя теоретическую передаточную функцию, осуществляется переход от спектра пульсаций давления к частотному спектру ветрового

волнения $((й) На основании моментов = ^5(а>)бУ (1а> \ частотного спектра определяется

пять важнейших параметров ветрового волнения

характерную высоту значительных волн Ь5 (эта высота имеет обеспеченность близкую к 13 % на промежутке квазистационарности), . периода пика спектра Тр, . среднего периода волн т, . длину волны пика спектра Ьр, . среднюю длину волн Ь

Для глубокой воды

где т0 - нулевой момент частотного спектра Средний период волн т определяется через моменты частотного спектра как интервал времени между нулями реализации

т = Т = ¡К

Здесь то и гаг - нулевой и второй моменты частотного спектра, соответственно Индекс 02 означает, что расчеты выполнены по нулевому и второму моментами частотного спектра

Обычно, для практических целей, расчетные характеристики режима волнения представляются в терминах высоты волны 3% обеспеченности, связанной с величиной т0 соотношением

Ь3%=5.28Л/т7 = 13211,

В дальнейшем (если не оговорено дополнительно) таблицы и рисунки представлены в терминах

В четвертой главе приводятся основные характеристики волнения по данным

измерений с ПБС в центральной части Каспийского моря с января 2005 по июнь 2006 года

16

В табчицах н рисунках представлены подробные пространственно-временные характеристики волнения для всех сезонов, полученные на полигонах «Центральный», расположенного в центральной части Среднего Каспия, и «Ялама», расположенного в юго-западной части Дербентской котловины Среднего Каспия

Каспийское море в районе глубоководной части достаточно бурное, часто встречаются крупные волны Примерно каждые пять лет высоты воин 3 % обеспеченности могут превышать 10 м Зимой 2005 года нами зафиксированы индивидуальные волны высотой 7,6 м Повторяемость высот волнешя 3 % обеспеченности более 6 м составляет 0,1—0,6 % (что примерно соответствует одному случаю за год) В особенно штормовые годы высоты волн 3 % обеспеченности могут достигать 12 м Чаще всего отмечается волнение 3 % обеспеченности с высотой до 2 м Волны 3% обеспеченности высотой более 4 м иногда могут наблюдаться непрерывно в течение суток

Как правило, большие волны наблюдаются при ветрах северных и северо-западных направлений Реже наибольшие высоты волн набиодаются при южных и юго-западных ветрах Частая смена направлений ветров приводит к сложной картине волнового потя Нередко отмечается смешенное волнение и крупная зыбь с севера и северо-запада Во время сильных штормов со смешенным волнением периоды волн в исключительных случаях могут превышать 13 с Как правило, предельные значения средних периодов волн равны примерно 10 с Повторяемость средних периодов волн более 9 с не превышает 1-2%, 85-90% всех средних периодов — менее 5 с

За 2005-2006 гг было получено десять 3-2-х месячных массивов волнения в глубоком море (всего около 6400 15-ти минутных файлов, полученных через каждые три часа)

Анализ реализаций волнения свидетельствует о том, что под влиянием изменчивости поля ветра над акваторией Каспийского моря формируется последовательность перемежающихся штормов и окон погоды

В главе приведены в таблицы временных рядов характеристик волнения в районе полигонов «Центральный» и «Ялама» 3%-ные высоты волн, средние периоды, периоды спектрального пика, средние длины волн, длины волн спектрального максимума Представлены таблицы расчетов распределений оценок обеспеченности F\(y)=P(X^y) высот %' средних периодов г, средних длин волн L за все время наблюдений и средней длины для зимнего, весеннего и летнего и осеннего сезонов 2005-2006 гг

Распределения высот волн сопоставлены с распределением Вейбулла Его обеспеченность F(x) задается в виде

/•"(*)= ехр

а

при х>х0

Распределение зависит от трех параметров - се, Р и х0 В представленных таблицах приведены оценки этих характеристик по выборочным данным для высот волн 3% обеспеченности и для средних периодов для всех сезонов 2005 года В большинстве случаев выборочные точки находятся вблизи теоретического распределения Следовательно, гипотеза о распределении Вейбулла в этом диапазоне не противоречит исходным данным

Рассчитаны условные (ассоциированные) статистики волнения Совместные распределения высот волн 3% обеспеченности и соответствующих им средних периодов

Для штормов и окон погоды рассчитана синоптическая изменчивость для различных сезонов центральной части Среднего Каспия, которая представлена системой из 4-х величин

• продолжительность (Б) шторма (положительного выброса Ь3-/„(0 за фиксированный уровень),

• продолжительность (0) окна погоды (отрицательного выброса Ь5(Ц за фиксированный уровень),

• максимальное значение (м) высоты волны в шторме уровня Ъ,

• минимальное значение Ь~ (м) высоты волны в окне погоды уровня Ъ

Для каждого сезона 2005-2006 года составлены таблицы минимальных, средних и максимальных значений величин и УГ (м), 8, в (часы) для выделенных штормов для рядов Из%(1) относительно уровней волнения 1,2 и 3 м

В пятой главе дан анализ характеристикам волнения глубоководных частей центральной части Среднего Каспия

Проведено методическое сравнение характеристик волнения, полученных с помощью теоретической модели и инструментально в двух районах в одно и тоже время для зимне-весеннего периода 2005 года Показано, что, не смотря, на авторитетность теоретической модели, наблюдается существенное различие в значениях натурных данных и расчетах модели

Следует отметить, что значительное различие в значениях характеристик волнения для центральной части моря дают также посты наблюдений Махачкалы, Изберга и Дербента, когда интерполируют береговые наблюдения высот, направлений волн, силы ветра, а также

количества дней с сильным ветром на глубоководную часть моря.

Корреляции между скоростью ветра (ГМС г. Махачкалы) и высотой волн по данным измерений берегового поста для осенне-зимнего периода (ноябрь-январь 2005-2006 гг.) составляет 0,79 ; между скоростью ветра (ГМС г. Махачкалы) и данными высот волн с ПБС «Центральная» 0,34; между волнением на посту и ПБС 0,52. Для весенне-летнего сезона соответствующие коэффициенты равны 0,52; 0,47 и 0,32. Эти данные показывают, что для более слабых ветров корреляция вежду силой ветра и высотой волны ослабевает.

Расчеты максимальных высот волн и порывов ветра по данным наблюдений на ПЕС «Центральная» и берегового поста ГМС г.Махачкалы в осенне-зимний и весенне-летний сезоны 2005-2006 гг., показывают, что при прогнозе волнения по данным постов береговых наблюдений необходимо вводить коррекцию для центральной части моря. Вызывает некоторое сомнение использование для анализа данных ветрового волнения на полигоне «Центральный» и «Ялама» данных по скорости ветра ГМС Дагестана (г.Махачкала) потому, что те высоты волн, которые наблюдались в центральной части моря не соответствуют силе ветра, измеренной ГМС Махачкалы. Полученные различия возможно объясняются большими расстояниями между метеостанцией ГМС и полигоном «Центральный» равным 175 км.

На рис.2 представлена годовая обеспеченность скорости и направления ветра, которая указывает на северо-западное и юго-восточное направления ветров как преимущественные.

Рис. 2. Роза обеспеченности скоростей ветра за 2006 год.

В имеющихся публикациях режимные характеристики волн для западной части Среднего Каспия основаны на данных береговых наблюдений на ГМС Изберг (Гидрометеорология и гидрохимия..., 1992); Ветер и волны, 1974) или на косвенных расчетах по типовым полям ветра (Кошинский, 1975; Гидрометеорологические условия ..., 1986; Гидрометеорологические карты, 1988).

Анализ распределений высот волн, полученных на ПБС в различные сезоны 20052006 гг., показывает, что изменчивость высот волн от сезона к сезону имеет волнообразный характер с минимумом в весенне-летний период и максимумом в осенне-зимний. Эта закономерность вполне соответствует силе и продолжительности ветров в эти сезоны.

В период наблюдений 2005-2006 гг. метеорологический режим над Средним Каспием характеризовался преобладанием значимых северо-западных и северных ветров над юго-восточными и южными по силе и повторяемости в соотношении 63% к 37%. На рис. 3 приведена роза обеспеченностей высот волн по направлениям в квантилыюй форме.

Результаты анализа рис. 3 свидетельствуют о том, что наиболее волноопасными являются штормы от юго-восточных румбов, для которых характерен наибольший разгон.

Полученные в работе оценки обеспеченности высот и периодов волн уточняют данные, имеющиеся в литературе, причем многие различаются в несколько раз. Это и понятно, литературные источники основаны на данных визуальных наблюдений, расчетов и

приближениях береговых наблюдений на глубоководную часть моря Так по данным (Кошинский, 1975) обеспеченность высот волн в диапазоне 2-4 м составляет для осенне-зимнего периода 17-18%, в то время как наши данные дают более высокие оценки, равные 24%

Оценки обеспеченности периодов волн для осенне-зимнего периода по литературным источникам в нескочько раз завышены по сравнению с данными прямых измерений (Амбросимов, 2007) Сравнить длины волн для глубоководной части Каспийского моря не представляется возможным, поскольку таких данных в литературных источниках нет Наши данные двумерных вероятностных распределений повторяемостей и периодов для всех сезонов также значительно расходятся с литературными Скудность литературных данных н большие расхождения в характеристиках волнения для открытого моря (Косарев, Тужилкин, 1995) объясняется тем, что, практически, до 2004 года измерений в открытом море не проводилось, все данные литературные источники черпали с береговых постов ГМС Махачкалы, Изберга или Дербента (Кошинский, 1975) Ошибки визуальных наблюдений с проходящих судов составляют до 50% от наблюдаемой величины (Григорьева, 2006), поэтому полученные в данной работе характеристики поверхностного волнения являются уникальными

Практически все характеристики волнения, представлешше в научной литературе, для одних и тех же сезонов значительно разнятся с нашими данными Дело в том, что данные по волнению для глубокого моря сравниваются с данными береговых постов, а это не сравниваемые и не критикуемые результаты У берега работает механизм образования волн мелкого моря, в центре моря - волн глубокого моря Все они возникают и развиваются по своим законам

Анализ вероятностных оценок обеспеченности (см Рис 4), показывает, что в осенне-зимний период поверхностное волнение в центральной части Среднего Каспия характеризуется заметным превышением значений высот, периодов и длин волн по сравнению весенне-летним Повторяемость более высоких волн, более продолжительных периодов и более длинных волн наблюдается в холодный осенне-зимний сезон Это превышение достигает двукратного и более значений

Рис. 4 Сравнение оценок обеспеченности высот волн Ь, периодов г и длин волн Ь для зимнего и летнего периодов наблюдений на структуре «Центральная».

Оценки повторяемости высот и периодов волн для зимнего и летнего сезонов 2006 года, полученные на полигоне «Центральный» показывают (см Рис 5 ), что повторяемость высот волн более 2,5 м составила, соответственно, 5,9% и 0,2% В октябре-январе 2005-2006 гг волны с периодами более 5,5 секунд имели повторяемость 5,1%, а в весенне-летний сезон 2006 г повторяемость периодов 5,5 секунд составляла доли процента

Рис 5 Оценки повторяемости высот и периодов волн для зимнего и летнего сезонов 2006 года (полигон «Центральный»),

В табл 1 и 2 и на рис 7-8 представлены двухмерные вероятностные повторяемости высот Ьз% и периодов т волнения на полигоне «Центральный» в осенне-зимний и весенне-летний сезоны 2005-2006 гг

Таблица 1. Двухмерные вероятностные повторяемости высот Ьз% и периодов т волнения на полигоне «Центральный» в осение-зимннй сезон 2005-2006 гг

Ьз% (м) Период т (с) ф1),%

2 5-30 3 0-35 3 5-40 4 0-45 4 5-50 5 0-55 5 5-60 6 0-65 6 5-70 7 0-75

0 5-10 34 4 54 0 0 0 0 0 0 0 0 39 8

10-15 0 78 88 1 0 0 0 0 0 0 17 6

15-20 0 0 0 1 5 7 19 0 0 0 0 0 78

2 0-25 0 0 0 0 63 13 0 0 0 0 76

2 5-30 0 0 0 0 0 59 1 2 0 0 0 7

3 0-35 0 0 0 0 0 09 5 1 04 0 0 65

3 5-40 0 0 0 0 0 0 1 2 38 0 0 5

4 0-45 0 0 0 0 0 0 0 38 1 5 0 53

4 5-50 0 0 0 0 0 0 0 0 26 0 1 28

5 0-55 0 0 0 0 0 0 0 0 03 03 06

{(г),% 34 4 13 2 9 68 82 8 1 75 8 1 44 04 100

Таблица 2 Двухмерные вероятностные повторяемости высот 11з% и периодов г волнения на полигоне «Центральный» в весенне-летний сезон 2006 года_

Период т (с)

Ьзу. (м) 15-20 2 0-25 2 5-30 3 0-35 35-40 4 0-45 4 5-50 5 0-55 «Ь),%

0 0-05 46 8 193 09 0 0 0 0 0 67

0 5-10 0 2 1 14 4 78 37 0 0 0 28

10-15 0 0 0 0 09 1 8 05 0 3 2

15-20 0 0 0 0 0 02 09 05 1 6

2 0-25 0 0 0 0 0 0 0 02 02

46 8 213 15 4 78 46 2 1 1 4 07 100

Поверхностное волнение возбуждается ветром и имеет тоже направление, что и ветер, при этом зыбь может иметь любое направление, поэтому двумерное распределение высот и периодов максимальных волн может иметь два и более максимумов

В табл 3 приведено распределение высот волн 3% обеспеченности для 8 румбов, оцениваемых как направления 0,, соответствующие максимуму частотно-направленного спектра волнения Видно, что наиболее часто регистрировалось волнение от Ю-ЮВ румбов (около 34%) и от СЗ-З румбов (около 28%) От северных румбов наблюдается наиболее сильное волнение (что характерно для Центральной части Каспийского моря в зимний сезон) Однако следует учесть, что при сложных условиях волнообразования (смешанное волнение) величина <ЭР дает неоднозначную оценку направлений, т к спектр может иметь несколько пиков

Таблица 3

Совместная повторяемость (%) высот волн 3% обеспеченности и направлений 0Р, повторяемость направлений волн /(©,), повторяемость /(К) и обеспеченность

высот волн

(м) С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ т Р(к)

0,0-1,0 1,7 1Л 0,9 3,3 0,7 2,4 1,7 1,5 13,4 100,0

1,0-2,0 4,3 5,5 13,5 17,5 4,8 4,3 4,3 7,4 61,5 86,6

2,0-3,0 3,6 1,2 2,1 5,7 0,3 - 0,2 3,3 16,3 25,2

3,0-4,0 3,1 0,3 - 1,2 0,9 - - 1,0 6,5 8,9

4,0-5,0 1,2 - - - - - - 0,3 1,5 2,4

>5,0 0,5 - - - - - - 0,3 0,9 0,9

Л®,) 14,4 8,2 16,4 27,6 6,7 6,7 6,2 13,9 100,0

Анализ характеристик штормов в различные сезоны 2005-2006 гг на полигоне

«Центральный» и «Ялама» показывает (см Рис 6), что в 2006 году зимние шторма были

24

более интенсивными го сравнению с 20(Ь годом Формально, относительно порога 2=4 м, с середины ноября 2005 года по 23 января 2006 года наблюдаюсь 16 штормов с продолжительностью ог 3 до 57 часов, причем два из них превышали порог 5 м и продолжительность их была 3 и 9 часов, в 2005 году относительно порога г=4м зафиксировано только 2 шторма, продолжительностью от 1 до 2 часов Относительно уровня Ъ-Ъ м зимой 2005 года на «Яламе наблюдалось 7 штормов от 2 до 20 часов и на «Центральной» 11 штормов продолжительностью от 1 часа до 1,5 суток В весенний и осешшй периоды 2005 года в основном преобладали шторма ниже 3-х метрового уровня, а в летние месяцы высоты волн в штормах, как правило, не превышали 2-х метров В 2006 году в зимние месяцы относительно 2=3 м наблюдался 21 шторм с длительностями от 3 часов до 8 суток

Порог 2, м

Рис. 6. Д лительности штормов в зависимости от порогов Ъ (средней высоты волны в шторме) за 84 (2016 часа) зимних и летних суток 2006 года.

Рис. 7. Двухмерные вероятностные распределения повторяемости высот Ьз% и периодов т волнения на полигоне «Центральный» в осенне-зимний сезон 2006 года

Рис. 8. Двухмерные вероятностные распределения повторяемости высот 1ъ% и периодов т волнения на полигоне «Центральный» в летний период 2006 года

Многие особенности режима волнения могут быть изучены при рассмотрении спектральной структуры волнения. При штормовом усилении волнения преобладают, в

основном, одногшковые спектры, а при перемене направления ветра возникает картина смешанного волнения, которой соответств>ет двухпиковый и более спектр ( см рис 9) При ослаблении ветра без существенной смены направления ветровое волнение затухает, порождая систему зыби Сложная картина образования волн возникает при наложении нескольких систем затухающих волн и развитием новой системы волн под действием ветра переменных направлений

Рис 9. Типовые климатические спектры волнения в Каспийском морс [Зильберштейн и др, 2003)

(а) - ветровое волнение (класс I),

(б) - смешанное волнение с разделением ветровых волн и зыби (класс II),

(в) - фоновое смешанное волнение (класс III, ветровые волны и несколько систем зыби),

(г) - затухающее волнение (класс IV)

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы

1 Выполнено исследование динамики характеристик поверхностного ветрового волнения в глубоководной части Каспийского моря на основе, разработанного метода измерений давления, индуцированного поверхностным волнением, на протопленных буйковых станциях

2 Впервые на основе разработанного метода измерений характеристик волнения с притопленных буйковых станций получен массив данных, не имеющий аналогов в отечественной литературе Создан банк сезонных характеристик волнения для

глубоководной части Каспийского моря

2 Составлены таблицы высот, периодов, длин волн, вероятностной обеспеченности и повторяечосгей волнения открытой части Каспийского моря

4 На основе полученных данных ветрового волнения проанализирована изменчивость характеристик ветровых волн и зыби в Каспийском море Обнаружен существенный рост значимых высот волн в осенне-зимние сезоны

5 Проведен анализ механизмов сезонной изменчивости ветровых, волн и зыби в центральной части Среднего Каспия Показано, что области максимальной изменчивости высот ветровых волн и зыби и их межгодовая динамика существенно отличаются Изменчивость ветровых волн преимущественно управляется межгодовой динамикой ветра, тогда как главным механизмом изменчивости зыби является динамика атмосферных синоптических образований

6 Впервые на основе прямых натурных наблюдений оценены экстремальные высоты ветровых волн в море и исследована их сезонная динамика Максимальные высоты волн зарегистрированы в осенне-зимний сезоны и составляют более 8,7 м при длинах волн более 90 м Межсезонные колебания оценок экстремальных высот волн могут составлять до 3-5 метров

7 В сопоставлении с мировым уровнем в исследовании изменчивости ветрового волнения данная работа учитывает все основные достижения и существенно превосходит известные современные исследования Она также превосходит все выполненные ранее работы в Каспийском море по примененным методикам измерения волнения и объему полученных данных как методически, так и результативно

Дальнейшее развитие работы предполагает- детальный анализ структуры волнения с привлечением данных по скорости и направлению ветра в совокупности с космическими снимками приводного поля скорости ветра,

построение двумерных распределений плотности вероятности скоростей и направлений ветра и волн по данным морских измерений,

- создание методики расчета вероятностей возникновения особо опасных экстремальных волн и их повторяемости в штормах различной сила и продолжительности,

- расчет эмпирической зависимости параметров экстремальных волн по данным спектра волнения,

- создание нового поколения ПЕС с возможностью передачи информации по спутниковому каналу в береговую лабораторию для оперативного прогноза за состоянием водной среды

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1 Амбросимов CAO корреляционных связях между короткопериодными воздействиями ветра на систему течений северо-западной части Каспийского моря // В трудах пятою междунар симпозиума «Проблемы экоинформатики», M, 2002, с 128-132

2 Амбросимов С А , Абдуллин Р В Исследование изменчивости поля течений в мелководной предустьевой части северо-западного Каспия (2000-2001 гг) //В трудах LVII науч сессии поев Дню Радио, M, 2002, т 1, с 120-123

3 Амбросимов А К, Амбросимов С А Некоторые результаты экологических наблюдений над флюидными колодцами Северного Каспия /У В тр Междунар симпоз «Инженерная экология -2003», M , РАН, РАЕН, НТО РЭС им А С Попова, 2003, с 165-169

4 Амбросимов А К, Амбросимов С А Натурные измерения поверхностного волнения глубоководной части Каспийского моря //В трудах Междунар симпозиума «Инженерная экология -2005», M , РАН, РАЕН, НТО РЭС им А С Попова, 2005, с 152-157

5 Амбросимов С А Ветровое волнение в центральной части Каспийского моря (осень-зима 2005-2006 гг, весна-лето 2006 г ) // M, Экологические системы и приборы, №7, 2007, с 4247

6 Амбросимов С А Экспериментальные методы измерения характеристик поверхностного волнения по данным непрерывных измерений 2005 т/1 Материалы 7-го международного симпозиума «Проблемы экоинформатики», M , 2006, с 176-177

7 Амбросимов А К, Амбросимов С А Шторма и окна погоды в центральной части Каспийского моря по результатам прямых измерений 2005-2006 гг II В трудах Межд науч конф «Аридные зоны эпоху глобальных изменений климата», Ростов-на-Дону, 2007, с 124-128

8 Амбросимов С А, Амбросимов Е С Методика проведения гидрофизических наблюдений с притопленных буйковых станций в глубоководной части Каспийского моря // M, Экологические системы и приборы, № 7,2007, с 48-51

9 Амбросимов С А , Амбросимов Е С Экспериментальные исследования ветрового волнения в центральной части Каспийского моря // М, Инженерная физика, №6,2007

29

10 Амбросимов С А, Амбросимов А К Статистика ветрового волнения центральной части Каспийского моря по результатам прямых наблюдений //В трудах X Межд научно-технконф «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-2007), М, РАН, 2007

11 Амбросимов А К , Амбросимов С А Анализ штормовой активности Каспийского моря // В трудах X Межд научно-техн конф «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-2007), М, РАН, 2007

12 Амбросимов А К, Амбросимов С А Характеристики волнения в глубоководной части Среднего Каспия по данным наблюдений в различные сезоны 2005 года с использованием волнографов-мареографов // М, Экологические системы и приборы, № 8,2008

Подписано в печать 10 09 2008 г

Печать трафаретная

Заказ № 713 Тираж 100 экз

Типография «11 -й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (499) 788-78-56 www autoreferat ru

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. РЕЖИМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ В

КАСПИЙСКОМ МОРЕ

1.1 Ветровое волнение.

1.2. Ветер

1.2.1 Оперативные характеристики ветра.

1.2.2 Экстремальные характеристики ветра. 17 1.3 Ветровое волнение 20 1.3.1 Оперативные (режимные) характеристики волнения. 20 1.3.2. Экстремальные характеристики волнения.

Глава II. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ВОЛНЕНИЯ В ОТКРЫТОМ МОРЕ

2.1. Общие требования к измерителям волнения.

2.2. Электродные и емкостные датчики давления.

2.3. Плавающий волнограф.

2.4. Радиолокационный метод измерения волнения.

2.5. «Доплеровские» измерители волнения.

2.6. Волнограф на базе датчика гидростатического давления.

2.6.1 Волнографы-мареографы ГМУ-2 и ВМ-4.

2.6.2 Методика пересчета пульсаций давления в характеристики волнения.

2.6.3 Установка и конструктивное исполнение датчиков гидростатического 40 давления.

2.6.4 Измерение характеристик ветрового волнения при помощи датчика давления, установленного в толще воды на притопленном буе

2.6.5 Сравнительные испытания измерителей волнения различного типа. 46 2.1. Метод измерения волнения с притопленной буйковой станции (ПБС) 49 2.8. Автоматическая передача информация с ПБС в береговую лабораторию по

SMS каналу, сотовой связи или через спутник

Глава III. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА НАТУРНЫХ ДАННЫХ

3.1. Теория передачи волнового давления в глубину моря.

3.2. Затухание волн на мелкой и глубокой воде

3.3. Метод пересчета данных пульсаций волнового давления в частотный спектр 66 поверхностных волн

Глава IV. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНЕНИЯ В

ГЛУБОКОВОДНОЙ ЧАСТИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

4.1. Характеристики волнения на полигоне «Ялама».

4.1.1. Зимне-весенний сезон 2005 года

4.1.2. Весенне-летний сезон 2005 года

4.2. Характеристики волнения на полигоне «Центральный».

4.2.1. Зимне-весенний сезон 2005 года

4.2.2. Летне-осенний период 2005 года

4.2.3. Осенне-зимний сезон 2005

4.2.4. Весенне-летний сезон 2005 года

4.3. Сезонная изменчивость ветрового поля в центральной части Среднего Каспия

Глава V. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ

5.1. Сравнение модельных расчетов ветрового волнения с инструментальными наблюдениями для глубоководной части моря.

5.2. Совместные характеристики ветра и волнения

5.3. Оперативные статистики волнения

5.4. Экстремальные характеристики волнения

5.5. Оценка сезонной штормовой активности Каспийского моря

5.6. Климатические спектры волнения 135 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные выводы работы 140 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Постановка задачи и общая характеристика работы.

Достоверное описание характеристик поверхностных волн в море крайне важно для обеспечения всех видов морской деятельности, таких как, морское судоходство, рыболовство, разведки и добычи полезных ископаемых, строительства технических сооружений на шельфе и в открытом море. Наибольшую ценность для практического использования представляет прогноз ветрового волнения, включающий как пространственно-временные распределения основных волновых параметров, так и оценки экстремальных волн, представляющие опасность для мореплавания, разрушение морских платформ и прибрежных сооружений и т.д. Для повышения достоверности прогноза необходимо точное знание климатических характеристик ветрового волнения, которые в свое время развивались в работах [89,103,121,132,140]. Из существующих на сегодняшний день источников информации о ветровых волнах, наиболее развитыми являются попутные судовые наблюдения, которые имеют наибольшую длительность и обеспечивают изначально независимые оценки высот и периодов ветровых волн и зыби. Эти наблюдения подробно исследовались в работах [84,102,106,107,124,139]. Однако визуальные наблюдения за волнами характеризуются высоким уровнем погрешностей и неопределенностей в оценках отдельных параметров волнения, достигающих 30-50% по высотам волн и нескольким секундам по периодам. В последнее время были созданы высокоточные глобальные ветро-волновые модели (WAM, WaveWatch, SWAN, модель Гидрометцентра России и ГОИНа, модель ААНИИ и другие), которые рассчитывают волнение по полю скорости ветра.

В последнее время широкое развитие получили спутниковые методы измерения волнения, которые имеют большие перспективы для оценок ветрового волнения. Однако, несмотря на явные успехи науки в области прогнозирования волнения с помощью математических моделей и наблюдением из космоса, прямые инструментальные измерения являются наиболее точными и позволяют получать статистические характеристики волнения, в том числе экстремальных волн.

Современное развитие научной и практической деятельности человека на морях и океанах предъявляет серьезные требования к знанию и прогнозированию аномальных природных явлений, в основном, связанных с жестокими морскими штормами.

Пространственно-временная изменчивость поля волнения и ветра в море являются одними из наиболее значимых компонентов этой системы, которые позволяют получить оценку прогнозов экстремальных динамических и экологических условий и возможности принятия своевременных практических решений для безопасного мореплавания, прибрежного хозяйствования, строительства и эксплуатации нефтегазовых месторождений в море и др.

Ветровое волнение высотой 7-8 метров, которое в течение двух лет наблюдений фиксировалось нами в центральной части Среднего Каспия, во многом определяет условия формирования верхнего слоя воды в море, глубину залегания термоклина, представляет собой важный рельефообразующий фактор в прибрежной зоне моря. Над районами Среднего Каспия часто устанавливаются сильные и штормовые ветры со скоростью более 20 м/с и продолжительностью до 10 дней. Наиболее устойчивые и жестокие штормы отмечаются в районах: Баку - Апшеронский полуостров, Махачкала-Дербент и Форт Шевченко — Кендерли. Самые волноопасные направления штормовых ветров — северо-западное (северо-северо-западное) и юго-восточное. Максимальные высоты волн, при северо-западных штормах обычно наблюдаются в районе Апшеронского архипелага, при юго-восточных - в районах Махачкалы — Дербента и Форта Шевченко - Кендерли. Результаты этих наблюдений описаны в работах [14,15,16,28,36,37,38,59], в которых описаны штормовые волны с высотами 5-8 м. К сожалению, инструментальные данные о характеристиках штормовых волн в литературе отсутствуют, поскольку такие наблюдения при скоростях ветра в 20 м/с и волнах более 5-6 м проводить очень сложно.

Исторически основным инструментом для измерения высот и периодов волн является струнный датчик волнения, основанный на принципе измерения электрического сопротивления вертикального участка струны при замыкании его набегающей волной.

В настоящее время, наряду со струнными измерителями волнения, созданы новые, например; доплеровские измерители волнения, измеряющие вертикальное и горизонтальные перемещения частиц воды, позволяющие получать одновременно и направления и точные характеристики волн. Однако высокая стоимость накладывает ограничение на применение этих приборов. Другим типом измерителя волнения является датчик гидростатического давления, основанный на измерении пульсаций давления под водой, которые индуцируются поверхностными волнами. Эти приборы получили, в последнее время широкое распространение ввиду их надежности, простоте обращения, качестве, дешевизне, достоверности данных и возможности работать в автономном режиме в течение многих месяцев [83,87]. Однако, на измерение характеристик волнения датчиками гидростатического давления накладываются два серьезных ограничения: первое - приборы измеряют не само волнение, а пульсации давления, индуцированные поверхностным волнением, которое, как правило, состоит из набора волн различных высот и периодов; второе - измерение производится с небольших глубин под поверхностью моря, когда измеритель располагается на платформе, башне или на дне моря. Оптимальное заглубление датчиков давления при этом под поверхность моря не должно превышать 7-15 м. То обстоятельство, что измеритель волнения должен быть установлен на строго определенную глубину 7-15 м под поверхность на глубинах до 1000 м затрудняет применение приборов в открытом море, поэтому данная проблема обуславливает актуальность темы работы, направленной на разработку методов непрерывного в течение 3-х и более месяцев измерения волнения в море на глубинах до 1000 м с помощью измерителей пульсаций давления, индуцированных поверхностным волнением; получение достоверных характеристик ветрового волнения; разработку методов анализа сезонной изменчивости параметров волнения и создание массивов статистических характеристик ветровых волн за двухлетний период.

Главной целью работы является разработка инструментальных методов измерения волнения в открытом море; верификация результатов наблюдений; обобщение характеристик ветрового волнения для глубокого моря; составление таблиц и графиков сезонной изменчивости параметров волнения в открытом море.

Основные задачи:

• На основе анализа литературных источников разработать методику измерения поверхностного волнения в Каспийском море, в том числе и в штормовых условиях, продолжительностью непрерывных измерений до трех месяцев с притопленных буйковых станций, установленных на глубинах более 400 - 600м.

• Обоснование, разработка и адаптация методологии пересчета пульсаций давления под поверхностью моря, индуцированных поверхностным волнением, в характеристики волнения. Проведение контроля качества исходной информации с использованием интеркалибровочных сравнений измерителей волнения, созданных на различных принципах.

• Создание массива натурных данных по волнению для глубоководной части Каспийского моря, представляющего практическую ценность для задач проектирования, строительства и эксплуатации нефтегазовых платформ в открытом море, мореплавания, прибрежного строительства, хозяйствования и др.

• Разработка и построение банка характеристик волнения в Каспийском море по натурным данным, и создание унифицированного архива волновых наблюдений для дальнейших исследований

• Создание обобщенных таблиц статистических характеристик ветрового волнения на различных акваториях Каспийского моря с целью прогноза элементов ветровых волн в различных климатических зонах

• Получение количественных оценок сезонной изменчивости в статистических параметрах ветрового волнения для центральной части Каспийского моря, включая экстремальные высоты волн, и физическое описание механизмов этой изменчивости.

Автором выносится на защиту новое решение актуальной научной задачи -получение достоверных сезонных характеристик экстремальных значений и изменчивости морского волнения, на основе экспериментального материала, полученного с помощью метода измерения характеристик волнения с притопленных буйковых станций в открытом море.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Воды морей и океанов морей находятся в постоянном движении. Одним из наиболее распространенных видов движения является волнение. Как по своей структуре, так и по характеру сил, их вызывающих, морские волны весьма разнообразны - от капиллярных до волн цунами. Высота и частота морских волн находится в диапазонах, примерно, от нескольких миллиметров до 25 метров и от 0,003 до 10 Гц [25,88]. Короткие и капиллярные волны затухают практически после прекращения действия ветра. Длинные волны на поверхности моря возникают сохраняются после прекращения ветра в виде зыби. Волновые движения, охватывающие всю толщу морской воды, относятся к классу длинных волн, возбуждаются притяжением Луны, Солнца (приливные волны), подводными землетрясениями (цунами), циклонической деятельностью и т.д.

Данные о ветровом волнении необходимы решения многих практических задач, таких как судоходство, кораблестроение, гидротехническое строительство на морях, навигация, промысел и др. Характеристики волнения необходимы также для развития теории ветрового волнения, усовершенствования методов расчета элементов волн и прогнозов. Особую роль, в связи с этим, приобретают знания о связи ветра и волнения для расчетов ветрового волнения по спутниковым радиолокационным данным [94,130].

Развитие волн в море осуществляется по следующему сценарию. После начала действия ветра взволнованная поверхность моря как бы разбивается на две части:

- в области, прилегающей к берегу, элементы волн зависят от скорости и длины разгона ветра и на первом этапе от продолжительности действия ветра, после установившегося волнения характеристики элементов волн перестают зависеть от продолжительности действия ветра;

- в мористой области элементы волн дополнительно зависят от длины разгона.

Волнение в первой области имеет установившийся характер, а во второй развивающийся. Границу между этими областями по Ю.М.Крылову называют фронтом установившегося волнения.

Начальное развитие волн на мелкой воде ничем не отличается от подобного же процесса в глубоком море. Однако рост волн в условиях мелководья ограничен и прекращается с достижением предельного значения при данной глубине моря, скорости и времени разгона ветра. После этого волнение на мелководье становится установившимся. Чем меньше глубина моря, тем быстрее наступает установившийся режим волнения и тем меньше значения элементов мелководных волн. После прекращения действия ветра волнение в условиях мелководья быстро затухает. Здесь зыбь почти не наблюдается.

Для мелководья проявляются условия ограничивающие рост элементов волн. При движении волн по мелководью постепенно нарастает асимметрия между передним и задним склонами волны. Это объясняется неодинаковой фазовой скоростью распространения гребня и подошвы волны. Гребень движется с большей скоростью, т.к. глубина моря под ним больше, чем под подошвой волны. Поэтому передний фронт волны становится круче, а в пределе деформация волны заканчивается ее обрушением. После прекращения действия ветра волнение в условиях мелководья быстро затухает, поэтому зыбь здесь почти никогда не наблюдается. Количественная сторона этого процесса была описана в [61].

Асимметрия волн на мелководье проявляется еще в увеличении высоты гребня (наибольшая отметка относительно спокойного уровня) и уменьшении впадины (наибольшее к понижение подошвы относительно спокойного уровня). При — > 0,75 высота гребня Н составляет около 80% общей высоты волны. Гребни волн мелководного моря более крутые, а подошвы более пологие.

Основные выводы диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработана технология постановки волнографов-мареографов на притопленных буйковых станциях в глубоком море на заданную глубину под поверхность моря для измерения волнения с помощью гидростатического датчика давления.

2. Создана методика учета погрешностей при изменении заглубления ПБС под воздействием течений.

3. Разработана методика гидроакустической локации места постановки станции на дно моря с привязкой к спутниковому каналу 1Р8. Отработана методика поиска и подъема ПБС без потери якорного груза.

4. Впервые, с помощью разработанных волнографов-мареографов ГМУ-2 и ВМ-4, получен массив данных, не имеющий аналогов в отечественной научной литературе. Создан банк сезонных характеристик волнения для глубоководной части Каспийского моря.

5. Впервые количественно описана межсезонная изменчивость ветрового волнения в Каспийском море. Получены оценки экстремальных высот волн.

6. Получены функциональные зависимости сезонных и межгодовых характеристик штормов и благоприятных окон погоды для 2004-2006 гг.

7. Анализ результатов спектров волнения показал, что в Каспийском море присутствует система смешанных волнений с несколькими типами зыби, вызванными сложным воздействием ветра под влиянием Кавказских гор

Заключение. Основные выводы работы.

1. Аполов Б.А. Каспийское море и его бассейн. Изд. Акад. Наук., М. 1956, 119 с.

2. Алешков Ю.З. Течения и волны в океане. Ленинград, ЛГУ, 1996.

3. Амбросимов С.А. Ветровое волнение в центральной части Каспийского моря (осень-зима 2005-2006 гг., весна-лето 2006 г.). — М., Экологические системы и приборы, №7, 2007, с.42-47.

4. Амбросимов С.А., Амбросимов Е.С. Методика проведения гидрофизических наблюдений с притопленных буйковых станций в глубоководной части Каспийского моря. М., Экологические системы и приборы, №7, 2007, с.48-51.

5. Амбросимов С.А., Амбросимов Е.С. Экспериментальные исследования ветрового волнения в центральной части Каспийского моря. // М, Инженерная физика, №6, 2007.

6. Амбросимов А.К., Амбросимов Е.С. Натурные наблюдения за полем течения в центральной части Среднего Каспия. Материалы Междунар. симпозиума «Инженерная экология -2005», М., РАН, РАЕН, НТО РЭС им. А.С.Попова, 2005, с.48-52.

7. Байдин С.С., Скриптунов H.A., Штейман Б.С., Ган Г.Н. Гидрология устьевых областей рек Терека и Сулака.-Труды ГОИН, 1971, вып. 109. 199 с.

8. Бухановский A.B., Лопатухин, Л.И., Рожков В.А. Подходы, опыт, программное обеспечение и примеры расчета волнового климата. Труды третьей международной конференции: «Освоение шельфа арктических морей России». С.Пб. 1997, с. 583-598.

9. Бухановский A.B., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Оценки высот наибольших волн по вероятностным моделям. Труды второй Международной конференции по судостроению. -ICS'98. Секция С, Санкт-Петербург, 1998, с.270-277.

10. П.Бухарицин П.И. Гидрологические процессы в Северном Каспии в зимний период. Диссертация на соискание уч.ст.д.геогр.н. в форме научного доклада. М.: Ин-т водных проблем РАН, 1996, 61 с.

11. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные / Регистр СССР. Под. Ред. И.Н. Давидана, Л.И. Лопатухина, В.А. Рожкова. Л.: «Транспорт», 1974. - 359 с.

12. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Т. II. Каспийское море. -Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 270 с.

13. Гидрометеорологические карты Каспийского моря. Л.: ГУНиО МО СССР, 1988.

14. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. VI., 1992, Каспийское море. Вып. 1.

15. Гидрометеорологические условия. СПб: Гидрометеоиздат, 1992. - 360 с.

16. Глуховский Б.Х., Виленский Я. Г. Исследование распределения морских волн. —Л., Метеорология и гидрология, №9, 1954.

17. Глуховский Б.Х. Исследование затухания волн с глубиной на основе корреляционного анализа // Метеорология и гидрология, 1961, № 11, с. 20-30.

18. Григорьева В.Г. Глобальный анализ ветрового волнения по данным попутных судовых наблюдений.// Автореф.канд.дисс., М, 2006.

19. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные. Регистр СССР/Ред. И.Н. Давидан, Л.И. Лопатухин. В.А. Рожков. 1974, Л. «Транспорт», 359с.

20. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И. Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л. «Гидрометеоиздат», 1978, 287с.

21. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И. На встречу со штормами. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 136 с.

22. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И. Методы расчета экстремальных волн в океанах и морях. — Труды ГОИН, 1983, вып. 169, с. 3-15.

23. Дуванин А.И. Волновые движения в море. Л.,Гидрометеоиздат, 1968, 224 с.

24. Заславский М.М., Красицкий В.П. О пересчете данных волнографа с датчиком давления на спектр поверхностных волн. — М., Океанология, Т.41, №2, 2001, с. 195-200.

25. Заславский М.М., Захаров В.Е. К теории прогноза ветровых волн. ДАН СССР, 1982, т.265, № 3, с.567-571.

26. Зильберштейн и др. Инженерно-гидрометеорологический отчет по изысканиям в Северном Каспие. Научно-техн.отчет, 2003 г.

27. Ибраев P.A., Саркисян A.C., Трухчев Д.И. Сезонная изменчивость циркуляции вод Каспийского моря, реконструированная по среднемноголетним гидрологическим данным. //Изв. РАН. Физ. атм. и океана, 2001, т. 37, № 1. С. 103-111.

28. Научно-технический отчет «Инженерные изыскания в центральной части Среднего Каспия», ЦентрКаспнефтегаз, 2007.

29. Инженерно-гидрометеорологические изыскания на структуре Центральная. НТО. -Астрахань: НТЦ КаспНИЦ, Компания «ИНФОМАР», СПО ГОИН, 2000.

30. Каспийское море: гидрология и гидрохимия / Ред. С.С. Байдин и А.Н. Косарев М.: Наука, 1986.-261 с.

31. Клевцова Н.Д. Течения у западного побережья Среднего и Южного Каспия (от о. Чечень до устья р. Куры). // Сб. работ Бакинской ГМО, 1968, вып. 4.

32. Комплексные гидрометеорологические атласы Каспийского и Аральского морей. JL: Гидрометеоиздат, 1963. - 179 с.

33. Кабатченко И.М. Моделирование ветрового волнения. Численные расчеты для исследования климата и проектирования гидротехнических сооружений.- Автореферат на соискание ученой степени доктора географических наук, М., 2006, 42 с.

34. 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, с. 1-6.

35. Кабатченко И.М. Исследование режима морского штормового волнения. Исследование океанов и морей, СПб, Гидрометеоиздат, 1995 г., с. 146-209.

36. Кабатченко И.М., Матушевский Г.В. Ветровое волнение.- Природные условия Байдарацкой губы., ГЕОС, 1997, с.2.2.14-2.2.16.

37. 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, № 5, с.61-71.

38. Каспийское море: гидрология и гидрохимия / Ред. С.С. Байдин и А.Н. Косарев М.: Наука, 1986. - 261 с.

39. Клевцова Н.Д. Течения у западного побережья Среднего и Южного Каспия (от о. Чечень до устья р. Куры). // Сб. работ Бакинской ГМО, 1968, вып. 4.

40. Комплексные гидрометеорологические атласы Каспийского и Аральского морей. JL: Гидрометеоиздат, 1963. - 179 с.

41. Кононкова Г.Е., Динамика морских волн. М., МГУ, 1969, 207 с.

42. Кононкова Г.Е., Кузнецов В.В. Основные характеристики ветрового волнения в прибрежной зоне. «Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана», 1975, т. 11, № 12, с. 1309-1313.

43. Косарев А.Н., Тужилкин В.Н. «Комплексные исследования процессов характеристик и ресурсов Каспийского моря» Отчет МГУ ,2005.

44. Косарев А.Н., Тужилкин B.C. Климатические термохалинные поля Каспийского моря. -М.: Сорбис, 1995. 96 с.

45. Кошинский С. Д. Режимные характеристики сильных ветров на морях Советского Союза, ч. 1. Каспийское море. JL: Гидрометеоиздат, 1975. - 412 с.

46. Красицкий В.П. Определение спектра ветровых волн в прибрежной зоне // Океанология. 1974.Т. 14. №2. С. 230-235.

47. Крылов Ю.М. Статистическая теория и расчет морских ветровых волн, часть I, Тр.ГОИН, вып.ЗЗ (45), 1956, часть И, Тр.ГОИН, вып.42, 1958.

48. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. JI, Гидрометеоиздат, 1976. 254 с.

49. Кузнецов С.Ю., Сапрыкина Я.В., Косьян Р.Д., Пушкарев О.В. Механизм образования экстремальных волн на Черном море -Доклады Академии наук, 2006, т.408, № 1, с.1-5.

50. Курдюмов Д.Г., Озцой Э. Среднемесячные характеристики внутригодовой изменчивости циркуляции вод Каспийского моря, полученные по вихреразрешающей термогидродинамической модели. // Океанология, 2004, т. 44, № 6. С. 843-853.

51. Курсанова И.А., Самойленко B.C. Климатический и гидрологический атлас Каспийского моря. М.: ГУГМС, 1955. - 87 с.

52. Лавренов И.В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. С. Петербург. Гидрометеоиздат. 1998, 499с.

53. Левянт A.C., Рабинович A.C. Расчет сейшевых колебаний в морях произвольной формы (Каспийское море) // Океанология, 1993, т.ЗЗ, № 5, 670-680.

54. Лобковский Л.И., Левченко Д.Г., Леонов А.В, Амбросимов А.К. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М., Наука, 2005, 328 с.

55. Лопатухин Л.И. Анализ распределений элементов волн. Труды ВНИИГМИ, 1974, вып.1, cl16-142.

56. Лопатухин Л.И. Оценка максимально возможных высот волн.- Судостроение, 1982, № 10, с. 5-7.

57. Лопатухин Л.И., Рожков В.А., Трапезников Ю.А. Спектральная структура волнения. В кн.: «Результаты океанологических исследований в восточной части тропической зоны Тихого океана», Л., Гидрометеоиздат., 1990, с.128-135.

58. Методические указания ГОИН, вып. 42. Расчет режима морского ветрового волнения. М., 1979

59. Матушевский Г.В. Новый вид режимных функций распределения параметров ветровых волн. «Метеорология и гидрология», 1977, № 3, с. 66-72.

60. Матушевский Г.В. Расчет максимальных высот ветровых волн в океанах и морях. -«Метеорология и гидрология», 1978, № 5, с. 63-69.

61. Монин A.C., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана // Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 375 с.

62. Новый метод анализа и расчета ветровых волн — «Труды ГОИН», 1969, вып. 93, с. 5-52. Авт.: Г.В. Ржеплинский, Ю.М. Крылов, Г.В. Матушевский, С.С. Стрекалов.

63. Попов С.К. Моделирование климатической термохалинной циркуляции в Каспийском море. // Метеорология и гидрология, 2004, № 5. С. 76-84

64. Расчетные величины элементов ветровых волн и скоростей ветра, возможные в 50 и 100 лет на Каспийском море. Стандарт Всесоюзного промышленного объединения «Каспморнефтегазпром», СТО 16-5-82. Баку: 1982, 24 с.

65. Рожков В.А., Трапезников Ю.А. Вероятностные методы океанологических процессов. Л. Гидрометеоиздат. 1990, 272с.

66. Спидченко А.И. О приливах на Каспийском море. // Метеорология и гидрология, 1973, № 2.

67. Тужилкин B.C., Косарев А.Н., Трухчев Д.И., Иванова Д.П. Сезонные особенности общей циркуляции вод глубоководной части Каспийского моря. // Метеорология и гидрология, 1997, №1.-С. 91-99.

68. Штокман В.Б. Исследования кинематики течений у западного берега в средней части Каспийского моря. // Изв. Азерб. НИИ рыбхоз., 1937, вып. 1.

69. Шулейкин В.В. Краткий курс физики моря.- Л., Гидрометеоиздат, 1959.

70. Alexander, М.А., I. Blade, М. Newman, J. Lanzante, N.-C. Lau, and J.D.Scott, The atmospheric bridge: The influence of the ENSO teleconnections on air-sea interaction over the global oceans, J.Clim., 15, 2205-2231, 2002.

71. Anderson, C.W., D.J.T.Carter, and P.D. Cotton, Wave climate variability and impact on offshore design estimates. Shell International and the Organization of Oil and Gas Producers Rep., 99 pp, 2001.

72. Allan, J. C, and P.D. Komar, Are ocean wave heights increasing in the Eastern North Pacific. EOS Transactions, 81, 561-566, 2000

73. Bacon, S., and D.J.T.Carter, Waves recorded at Seven Stones Light vessel 1962-86. Report No. 268, IOS, Deacon Laboratory, NERC, Wormley, 94 pp. 1989.

74. Bacon, S., and D.J.T.Carter, A connection between mean wave height and atmospheric pressure gradient in the North Atlantic, Int. J. Climatol., 13, 423-436. 1993

75. Bauer, E., and C. Staabs, Statistical properties of global significant wave height and their use for validation, J. Geophys. Res., 102, 1997.

76. Bauer, E., M.Stolley, and H. von Storch, On the response of surface waves to accelerating the ' wind forcing. GKSS Manuscript No. 96/E/89, GKSS, Geesthacht, 24 pp., 1997.

77. Bishop C.T., Donelan MA. Measuring waves with pressure transducers // Coastal Engineering. 1987. №11. P. 309-328.

78. Boukhanovsky A.V., Lavrenov I.V., Lopatoukhin L.J., Rozhkov V.A. 1999. Extreme wave heights and types of storms in the seas. /Proc. Int. Conf. «Russian Arctic Offshore» RAO'99, St. Petersburg, pp. 332-329.

79. Boukhanovsky A.V., Lopatoukhin L.J., Rozhkov V.A 1996. The Experience and Software of Marine Natural Hazards Estimation / Proc. of the International Workshop on MED & Black Sea ICZM. November 2-5,1996. Sarigerme, Turkey, vol.2, pp. 523-531.

80. Boukhanovsky A.V., Lopatoukhin L J., Rozhkov V.A. 1998. Approaches and Methods of wave climate calculation. Proc. Fourth Int. Conf. Littoral'98. Barcelona, Spain, 1998, pp. 63-70.

81. Boukhanovsky A.V., Lopatoukhin L.J., Ryabinin V.E. 1998. Evaluation of the highest wave in a storm WMO/TD No. 858, 18 p.

82. Bourassa, M.A., D.G. Vincent, and W.L. Wood, A flux parameterization including the effects of capillary waves and sea state, J. Atmosph. Sci., 56, 1123-1139, 1999.

83. Bouws, E., D. Jannink, and G. Komen, The increasing wave height in the North Atlantic Ocean. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, 10, 2275-2277, 1997.

84. Brooks, R.L., and N.H.Jasper, Statistics of wave heights and periods for North Atlantic Ocean. Rep. No. 1091. David Taylor Model Basin, 1957.

85. Bruning, C., S.Hasselmann, K.Hasselmann, S.Lehner, T.Gerling, A first evaluation of ERS-1 synthetic aperture radar wave mode data. The Global Atmosphere and Ocean System, 2, 61-98, 1994.

86. Campbell, W.J., E.J.Josberger, and N.M.Mognard, Southern Ocean wave fields during the austral winters, 1985-1988, by GEOSAT radar altimeter. The Polar Oceans and Their Role in Shaping the Global Environment. Geoph. Monogr. 85, AGU, 421-434, 1994.

87. Caires, S., A. Sterl, J.-R. Bidlot, N. Graham, V. Swail. Intercomparison of Different Wind-Wave Reanalyses. J. Climate, 17, 1893-1913,2004.

88. Caires, S., and A. Sterl, 100-year return value estimates for wind speed and significant wave height from the ERA-40 data. J. Climate, 18, 1032-1048.

89. Carter, D.J.T., Prediction of wave height and period for a constant wind velocity using the JONS WAP results, Ocean Engng., 9, 17-33, 1982.

90. CavaleriL. Wave measurement using pressure transducer//Oceanol. Acta. 1980. V. 3. № 3. P. 339-345.

91. Cotton, P.D., and D.J.T. Carter, Cross-calibration of TOPEX, ERS-1, and GEOSAT wave heights. J. Geophys. Res., 99, CI2, 25025-25033, 1994.

92. Cox, A.T., and V.R. Swail, A global wave hindcast over the period 1958-1997: Validation and climatic assessment. J. Geophys. Res, 106, 2313-2329, 2001.

93. Dobson, F.W., S.D.Smith, and R.J.Anderson, Measuring the relationship between wind stress and sea state in the open ocean in the Presence of swell. Atmosphere-Ocean, 32, 61-81, 1994.

94. Donelan, M.A., F.W.Dobson, S.D.Smith, and R.J.Anderson, On the dependence of sea surface roughness on wave development. J. Phys. Oceanogr., 23, 2143-2149, 1993.

95. Folson R.G. Subsurface pressure due to oscillatory waves //Trans. Am. Geophys. Union. 1947 V. 28. № 6. P. 875-881.

96. Geernaert,G.L., Bulk parameterizations for the wind stress and heat fluxes. Surface waves and fluxes, v.l, Current Theory. Kluwer Academic Publishers, 91-172, 1990.

97. Gilhousen, D., Improvement in National Buoy Center Measurements, Achievements in Marine Climatology, Val Swail, ed., Environment-Canada, Toronto, 79-89, 1999.

98. Gower, J.F.R., Temperature, wind and wave climatologies, and trends from marine meteorological buoys in the northeast Pacific, J.Clim., 15, 3709-3718, 2002.

99. Gulev, S.K., and L.Hasse, North Atlantic wind waves and wind stress fields from voluntary observing data. J. Phys. Oceanogr., 28, 1107-1130, 1998.

100. Gulev, S.K., P.D. Cotton, and A.Sterl, Intercomparison of the North Atlantic wave climatology from in-situ, voluntary observing, satellite data and modelling. Physics and Chemistry of the Earth, 23, 5-6, 587-592, 1998.

101. Gulev, S.K., V.Grigorieva, K.Selemenov, and O.Zolina, Ocean winds and waves from the VOS data: ways for evaluation. WMO Guide for Marine Climatology, Part II, World Meteorological Organization, Geneva, Switserland, 2001a.

102. Hogben. N., Experience from compilation of Global Wave Statistics. Ocean Engng., 15, 1-31, 1988.

103. Hogben, N., Increases in wave heights over the North Atlantic: a review of the evidence and some implications for the naval architect. Transactions of the Royal Inst, of Naval Architect. Part A. 137,93-115, 1995.

104. Hogben, N., N.M.C.Dacunha, and K.S. Andrews, Assessment of a new global capability for wave climate synthesis. Proc. OCEAN '83, San Francisco, CA, IEEE, New York, 1-6, 1983.

105. Hogben,N., N.M.C.Dacunha, and G.F.Oliver, Global Wave Statistics. Unwin Brothers, London, 661pp, 1986.

106. Hogben, N., and M.J.Tucker, Sea-state development during severe storms: Assessment of data and case histories. Underwater Technology, 20, 23-31, 1994.

107. Houmb, O.G., K.Mo, and T.Overvik, Reliability tests of visual wave data and estimation of extreme sea states. Division of port and ocean engineering. Univ. Trondheim, Norwegian Institute of Technology, Report No. 5, 28 pp with figs and tables, 1978.

108. Hunt J.N. Direct solution of wave dispersion equation//J. Waterways, Port, Coast, and ocean Div., Proc. Amer.Soc.Civ. Eng. 1979. №105. P. 457-459.

109. Janssen, P.A.E.M., G.J.Komen, and WJ.P.de Voogt, Friction velocity scaling in wind wave generation. Bound-Layer Meteorol., 38, 29-35, 1987.

110. Janssen, P.A.E.M., Wave-induced stress and drag of air flow over sea waves. J.Phys. Oceanogr., 19, 745-754, 1989.

111. Janssen, P.A.E.M., Quasi-linear theory of wind-wave generation applied to wave forecasting. J.Phys. Oceanogr., 21, 1631-1642, 1991.

112. Jardine,T.P., The reliability of visually observed wave heights. Coastal Engineering, 3, 33-38, 1979.

113. Krasitskii V.P., Zaslavskii MM. Comments on the Phillips-Miles' theory of wind generated waves // Boundary-Layer Meteorology. 1978. V. 14. № 2. P. 199-215.

114. Laing, A.K., An assessment of wave observations from ships in Southern Ocean. J. Clim. Appl. Meteor., 24, 481-494, 1985.

115. Miles J.W. On the generation of surface waves by shear flows // J. Fluid Mech. 1957. V. 3. № 2. P. 185-204.

116. Ochi, M.K., Wave statistics for the design of ships and offshore structures. Proc. SNAME, November 1978, New York, N.Y., 1978.

117. Paskausky, D., J.D.Elms, R.G.Baldwin, P.L.Franks, C.N.Williams, and K.G.Zimmerman, Addendum to wing and wave summaries for selected U.S. coast guard operating areas. NCDC NOAA, Asheville, N.C., 523 pp, 1984.

118. Phillips O.M. On generation of waves by turbulent wind// J. Fluid Mech. 1957. V. 2. P. 417-445.Phillips, O.M., The dynamics of upper ocean, Cambridge University Press, Cambridge, 336 p, 1977.

119. Rye, H., Long-term changes in the North Sea wave climate and their importance for the extreme wave predictions, Mar. Sci. Communications, 2, 420-488, 1976.

120. Schmidt, H., andH. von Storch, German bight storms analysed. Nature, 370, 791, 1993.

121. Smith, T.M., R.W.Reynolds, R.E.Livezey, and D.S.Stokes, Reconstruction of historical sea surface temperatures using empirical orthogonal functions. J.Climate, 9, 1403-1420, 1996.

122. Srokosz, M.A., and P.G. Challenor, Joint distribution of wave height and period: a critical comparison. Ocean Engng, 14, 295-311, 1987.

123. Sterl, A., G.J.Komen, and D.Cotton, 1997: 15 years of global wave hindcasts using ERA winds: Validating the reanalysed winds and assessing the wave climate. J.Geophys.Res., 103, 5477-5492,1998.4 <

124. Taylor, J. R., An introduction to error analysis. University Science Books, 270 pp., 1982.

125. Taylor, P.K., and M. Yelland, The dependence of sea surface roughness on the heigt and steepness of the waves. J. Phys. Oceanogr., 572-590, 2001.

126. Tournadre, J., and R.Ezraty, Local climatology of wind and sea state by means of satellite radar altimeter measurements. J. Geophys. Res., 95, 18225-18268, 1990.

127. Trenberth, K. E, and D.A. Paolino, The Northern Hemisphere sea-level pressure data set: Trends, errors and discontinuities. Mon. Wea. Rev., 108, 855-872, 1980.

128. Walden, H., N.Hogben, M.D.Burkhart, R.Dorrestein, W.H.Warnsink, and Y.Yamanouchi, Longterm variability. 4th International ship structure Congress, Tokio, Report of Committee 1, 49-59, 1970.

129. The WAS A Group, 1998: Changing waves and storms in the Northeast Atlantic. Bull. Amer. Meterol. Soc., 79, 741-760, 1998.

130. Wang, X.L., and V.R. Swail, 2001: Changes of extreme wave heights in Northern Hemisphere oceans and related atmospheric circulation regimes. J.Climate, 14, 2204-2201, 2001.

131. Wang, X. L. and V. R. Swail, Trends of Atlantic Wave Extremes as Simulated in a 40-Yr Wave Hindcast Using Kinematically Reanalyzed Wind Fields. Journal of Climate, 15, 10201035, 2002.

132. Wang, X. L., F. W. Zwiers and V. R. Swail, North Atlantic Ocean Wave Climate Change Scenarios for the Twenty-First Century. Journal of Climate, 17, 2368-2383, 2004.

133. Ward, N.M, and B.J.Hoskins, Near surface wind over the Global Ocean 1949-1988. J. Climate, 9,1877-1895,1996.

134. Weisse, R., H. von Storch, and F. Feser, Northeast Atlantic and North Sea storminess as simulated by a regional climate model 1958-2001 and comparison with observations, J.Clim., inpress, 2004.

135. Wilkerson J.C. and M.D.Earle, A study of differences between environmental reports by ships in the voluntary observing program and measurements from NOAA buoys. J.Geophys.Res., 95, 3373-3385,1990.