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:     | 1 || 3 | 4 |

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

-- [ Страница 2 ] --
  • 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, необходимая для информационного обеспечения судоходства и ресурсодобывающей морской деятельности нефтяных компаний в данном регионе;
  • 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 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 непрерывно в течение трех суток на расстоянии до нескольких км. Однако в открытом море эти измерения должно 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 волн 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 волнения ГМУ-2.01 (СКБ ГМП г. Обнинск) и ВМ-4 (ИОРАН), 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 характеристик ветрового волнения, рассчитанных по данным струнного волнографа и датчика гидростатического, позволяют утверждать о хорошем согласии практического применения теории волн малой амплитуды для датчика давления в волноизмерительном комплексе. 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 почти полное совпадение результатов, расхождения по уровню составили менее 3-х см, что составляет 0,5 % от глубины места и может быть объяснено лишь различным положением датчиков давления на дне относительно друг друга. Однако такое расхождение 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 м Уральский берег) и SBE-26 (N 1111 был установлен на глубине 14 м Уральский берег). Дискрет между включением датчиков составляет 30 мин.

Серьезной методической проблемой при измерении волнения в открытом море является заглубление волнографов или притопление буйковых станций на определенную глубину, а также поиск и подъем станций. (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 элементов постановки основной станции. К верхней части «пробного» буя привязывался фал длиной 30-50 м с прикрепленными к нему через 3-5 м пронумерованными пенопластовыми поплавками для визуального наблюдения за глубиной погружения буя. На верхнюю плоскость «пробного» буя устанавливался волнограф-мареограф, по записям которого в дальнейшем корректировались длины буйрепов перед постановкой основного буя. После постановки «пробной» станции проводилась визуальная оценка заглубления буя по числу всплывших буйков или по их номерам. За этот же фал производился подъем «пробной» станции из моря без потери якорного груза.

После 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 спаренный (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, т.е. 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.

Связь флуктуаций давления под поверхностью моря со смещением поверхности хорошо известна, однако была обнаружена некоторая некорректность в использованных ранее процедурах пересчета частотных спектров давления на спектры смещения поверхности. Именно, не существует простой алгебраической связи между реализациями случайных флуктуаций давления и смещения поверхности, как это предполагалось ранее, связь такого типа существует только между спектрами этих случайных процессов [25]. Имеется очевидное преимущество использования датчика давления, расположенного на фиксированной глубине под поверхностью, по сравнению с волнографами пересекающими поверхность (типа струнных), поскольку последние часто повреждаются под динамическим воздействием ветра и волн.

Пакет прикладных программ, разработанный [Кабатченко, 2006] обеспечивает обработку получаемой информации. С помощью быстрого преобразования Фурье с заданным окном рассчитывались оценки спектра пульсаций давления Р(). Далее, используя теоретическую передаточную функцию, осуществляется переход от спектра пульсаций давления к частотному спектру ветрового волнения S(). Используя S(w), в соответствии с методикой пересчета пульсаций давления в спектр ветровых волн [Заславский, Красицкий; 2001], были рассчитаны наиболее важные интегральные характеристики поверхностных волн, определяемые моментами спектра наинизшего порядка

В частности, средняя высота волн определяется формулой

(24)

где, - нулевой момент частотного спектра.

Характерная высота значительных волн (эта высота имеет обеспеченность близкую к 13% на промежутке квазистационарности), определяется как:

Средний период волн определяется через моменты частотного спектра как интервал времени между нулями реализации:

(25)

Здесь и - нулевой и второй моменты частотного спектра, соответственно.

Кроме этого определяются:

  • период пика спектра ;
  • длина волны пика спектра ;
  • средняя длина волны .

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

(26)

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.

В таблицах и 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 волн 3 % обеспеченности могут превышать 10 м. Зимой 2005 года нами зафиксированы индивидуальные волны высотой 7,6 м. Повторяемость высот волнения 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 наблюдаются при южных и юго-западных ветрах. Частая смена направлений ветров приводит к сложной картине волнового поля. 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 FX(y)=P(Xy) высот , средних периодов , средних длин волн за все время наблюдений и средней длины для зимнего, весеннего и летнего и осеннего сезонов 2005-2006 гг.

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

Распределение зависит от трех параметров – , и x0. 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.



Pages:     | 1 || 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.