Определение скорости ветра по карте приземного барического поля

Скорость ветра над морем может быть рассчитана по формуле для скорости геострофического ветра(1):

где wо — угловая скорость вращения Земли, р — плотность воздуха, cp — географическая широта и (dp/dn)— горизонтальный барический градиент. Введем числовые значения со = 7,29-10^-5 с^-1 в миллибарах на градус и р = 1,276*10^-3 г/см³, тогда, взяв широты, получим скорость геострофического ветра в метрах в секунду.

Однако практика показала, что удобнее и быстрее скорость геострофического ветра определять с помощью градиентной линейки (рис. 9).

Рис. 9. Градиентная линейка. Расстояние между изобарами, градусы меридиана

Для этого необходимо выполнить следующие операции:

а) определить барический градиент (dp/dn) измеряя расстояние между соседними изобарами (по нормали к ним) в искомой точке, и выразить его в градусах меридиана;

б) полученное таким образом значение барического градиента находим на оси абсцисс градиентной линейки;

в) из найденной точки восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с наклонной линией соответствующей широты места, для которого мы хотим определить скорость геострофического ветра; промежуточные значения широты находим путем интерполяции;

г) из точки пересечения проводим прямую линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с осью ординат, на которой снимаем искомое значение скорости геострофического ветра.

Полученная скорость геострофического ветра будет больше скорости ветра, дующего вблизи поверхности моря (на высоте 10 м). Поэтому для перехода к последнему необходимо полученную скорость геострофического ветра умножить на коэффициент, учитывающий стратификацию приводного слоя атмосферы (табл. 2).

Таблица 2

Примечание. Если разность температур не измерялась, то для холодной части года берется коэффициент 0,6, а для теплой половины года 0,8.

(1) Ветер, направленный вдоль прямолинейных изобар выше уровня трения, называется геострофическим.

МОРСКИЕ ВОЛНЫ

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

— приливные, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;

— барические, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;

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

— корабельные, возникающие при движении судна.

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

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

Элементы волн

Каждая волна характеризуется определенными элементами,

Общими элементами для волн являются (рис. 25):

— вершина — наивысшая точка гребня волны;

— подошва — наинизшая точка ложбины волны;

— высота (h) — превышение вершины волны;

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

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

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

Рис. 25. Основные элементы волн.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

По своему внешнему виду ветровые волны характеризуются разными формами.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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