авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Инструментальные наблюдения за полем волнения в центральной части каспийского моря с притопленных буйковых станций

-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. Ширшова

На правах рукописи

Амбросимов Сергей Альбертович

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 ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва, 2008

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

Научные руководители:

Доктор физико-математических наук

Альберт Константинович Амбросимов

Кандидат технических наук

Виктор Яковлевич Серых

Официальные оппоненты:

Доктор географических наук

Илья Михайлович Кабатченко

Доктор физико-математических наук

Сергей Юрьевич Кузнецов

Ведущая организация:

Московский Государственный университет им. М.В.Ломоносова

(кафедра океанологии, г. Москва)

Защита диссертации состоится «_28_» __ноября__2008 г. в 1000 час на заседании Диссертационного совета Д 002.231.03 при Институте радиотехники и электроники им. В.А.Вернадского РАН (ИРЭ РАН) по адресу: 125009, Москва, ул.Моховая д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан «_29_» __сентября____2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 002.231.03

К.ф.-м.н. Перцовский М.И.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Многие практические проблемы мореплавания, морского гидротехнического строительства, промысла, кораблестроения и т.д. связаны с учетом волновых движений. Достоверное описание характеристик поверхностных волн в Каспийском 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. Волнение играет важную роль, иной раз даже определяющую в процессах переноса и осаждения вещества, формирования ложа дна, распространения загрязнений и их разрушения, в развитии 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.

Исследования изменчивости морской среды Каспийского моря и атмосферы над ним, особенностей их взаимодействия представляются исключительно актуальными, т.к. являются важным звеном в изучении физических основ состояния морской среды.

Оценка роли отдельных факторов в наблюдаемых возмущениях системы атмосфера-море приближает нас к решению фундаментальной проблемы и важной практической цели – прогнозу климатических изменений.

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.



Ветровое волнение, достигающее в Каспийском море значительной силы, во многом определяет условия формирования верхнего слоя воды, глубину 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) 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% по высотам волн, нескольким секундам по периодам и большими погрешностями при оценке длин волн. 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. 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 волнения.

Эти приборы получили, в последнее время широкое распространение ввиду их надежности и достоверности получаемой информации. Однако, как правило, измерение характеристик волнения производится на небольших глубинах под поверхностью моря с платформ, башен или со дна, 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 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 выяснения условий формирования и эволюции экстремальных волн в открытом море.

Главной целью работы является разработка методов измерения волнения в открытом море с помощью приборов, измеряющих пульсации давления, индуцированные поверхностным волнением, получение и анализ массивов данных, в том числе экстремальных характеристик ветрового волнения в открытом море.

Основные задачи:

  1. Анализ литературный источников по технической проблеме измерения волнения в открытом море.
  2. 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.
  3. Оценка повторяемости экстремальных волновых условий для внутренних и окраинных морей России на примере Каспийского моря.
  4. Разработка и построение базы данных натурных наблюдений волнения в Каспийском море, контроль качества исходной информации и создание унифицированного архива волновых наблюдений для дальнейших исследований.
  5. 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.
  6. Выявление статистических особенностей волн в экстремальных штормах по сравнению со среднестатистическими штормами.

Автором выносится на защиту новое решение актуальной научной задачи – получение достоверных сезонных и климатических характеристик, а также экстремальных значений и изменчивости морского волнения на основе экспериментального материала, полученного с помощью установки измерителей волнения на заякоренных 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 зыби.

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 притопленной 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 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;

- 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 с помощью измерителей волнения ГМУ-2, который охватывает непрерывными измерениями период с августа 2004 года по июнь 2006 года центральную часть Среднего Каспия, а также данные 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, некоторые из которых были или адаптированы, или разработаны соискателем, в сочетании с методами спектрального и вероятностного анализа.

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.симпоз. «Инженерная экология» (Москва, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2007); 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 11 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 152 страницы, 64 рисунка и 131 таблицу. Список использованной литературы состоит из 141 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 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/POSEIDON), которые имеют 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 оценки 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 измерителей волнения 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 твердотельной памяти прибора и запасом электропитания. Ошибки измерений в этом случае минимизированы. Кроме этого уменьшается до минимума износ элементов буйковой станции, связанный с непрерывным подергиванием станции на волне.

В главе детально рассматривается структура ветрового воздействия в центральной части Среднего Каспия, по данным литературных источников. На всех представленных схемах центральная часть Среднего Каспия находится в зоне с большими градиентами штормовых скоростей ветра, уменьшающимися от его западного берега к восточному. Представлена повторяемость P(%) и обеспеченность F(%) скоростей ветра, в основном по данным береговых и попутных судовых наблюдений, характерный ветровой режим и повторяемость штормовых ветров, который для скоростей ветра более 16 м/с составляет от 2-3 % в осенне-зимний сезон до 0.4 % весной и летом. 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 представлены режимные характеристики повторяемости P(%) высот (h3%) и периодов (ср) волн по месяцам, полученных по данным береговых постов ГМС «Изберг», «Махачкала» и «Дербент», попутных судовых наблюдений и расчетных характеристик.

Показано, 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 – 11 м. 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 160-180 м.

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



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.