Факторы,влияющие на параметры волн в открытом море

Из анализа уравнения баланса волновой энергии можно сделать вывод, что изменение элементов волн зависит от скорости и продолжительности действия ветра и длины разгона ветра над морем.

Рассмотрим более подробно влияние отдельных параметров ветра на рост и размеры волн в открытом море.

Скорость ветра.

Наиболее характерным показателем интенсивности передачи энергии волнам и одновременно роста волн под действием ветра является возраст волн (B = c/u).

Размеры волны интенсивно растут, когда B не превышает 0, 4- 0, 5. При больших значениях B рост волн замедляется, а при B = 0, 8 практически прекращается.

В море наблюдаются три стадии ветрового волнения.

Развивающееся (не установившееся) волнение, при котором под воздействием ветра наблюдается увеличение энергии волн во времени dE/dt и изменение потока энергии по расстоянию д(VcE)/dx.

На этой стадии с увеличением скорости ветра наблюдается наиболее интенсивный рост отдельных элементов волн. При развитии волнения изменение величины отдельных элементов волн происходит в различной степени. На рис. 49 показаны кривые, характеризующие изменение величины отдельных элементов волн в Северной Атлантике.

Высота и длина волны растут с усилением скорости ветра. Однако рост высоты волны вначале происходит весьма интенсивно, а затем постепенно замедляется. Длина волны на начальной стадии растет незначительно, но в дальнейшем она возрастает быстрее, чем высота волны. Как следствие такой закономерности является уменьшение крутизны волны по мере развития ветрового волнения. В начальный период развития ветрового волнения волны имеют крутизну е== 1 /7, затем крутизна непрерывно уменьшается и при развитом волнении имеет значение 1/23.

Установившееся волнение, при котором размеры волн достигают своих предельных значений при определенных скорости и продолжительности действия ветра и длине его разгона над морем.

При установившемся волнении количество энергии, поступающей от ветра Е становится равным энергии, расходуемой на преодоление турбулентного трения Е и, следовательно, изменение энергии волны во времени дЕ/дt = 0.

На рис. 50 приведены кривые, характеризующие предельные высоты и периоды установившегося волнения в открытом океане при различных скоростях ветра.

соответствует большая высота волн, чем при росте волнения.

Затухающее волнние, у которого с ослаблением скорости ветра происходи! уменьшение элементов волн за счет сокращения количества энергии, получаемой от ветра в единицу времени.

При неустановившемся вол нении со снижением, скорости ветра высота волн начинает заметно уменьшаться. При затухании морского волнения од ной и той же скорости ветра

Установившееся волнение начинает заметно уменьшать свои размеры через несколько часов после ослабления ветра, что объясняется большим количеством энергии, запасенной волной

от ветра.

Продолжительность действия ветра.

Согласно уравнению (26) энергия от ветра волнам передается за определенный промежуток времени (dE/dt), в течение которого на волны действует ветер постоянной или переменной скорости.

Изменение высоты волны от продолжительности действия ветра t и его скорости и определяется соотношением

h=0, 27*10-4 u*u(gt/u2)0, 57. (32)

В табл. 13 приведены значения высот волн в зависимости от продолжительности действия ветра и его скорости по наблюдениям в Северной Атлантике.

Из таблицы видно, что с увеличением времени действия ветра высоты волн заметно возрастают, особенно при значительных скоростях ветра.

Рост элементов волн по времени продолжается, пока при данной скорости ветра и они не достигнут предельно возможных размеров (установившееся волнение).

На рис. 51 показан график, характеризующий промежуток времени, необходимый для того, чтобы высоты волн достигли своих предельных значений h.

Изменение направления ветра.

В большинстве пособий и руководств по морскому волнению сказано, что направление ветра и ветрового волнения совпадает. В действительности, как показывают натурные наблюдения, соотношение направления ветра и волнения подчинены сложным закономерностям. Исследования, выполненные на экспедиционных судах в Северной Атлантике, показали, что разность направлений ветра и волнения в пределах утла ±30° составляет 40—50 % общего числа наблюдений. К. И. Кашин показал, что если угол между направлением распространения волнения и ветром в начальный момент нового направления ветра был fо, то его изменение во времени определяется уравнением

f = fo*e*x*p(- k*t), (33)

где f — угол между ветром и направлением распространения волн на

момент времени t

k— коэффициент, определенный из наблюдений, имеющий значения 0, 50; 0, 60; 0, 75; 0, 80 при f равном соответственно 20, 30, 40 и 50°.

Из уравнения (33) следует, что по мере увеличения промежутка времени от момента начала изменения направления ветра угол между ветром и направлением распространения волн на определенный момент времени становится близким к 0°.

На рис. 52 показана изменчивость ежечасных направлений ветра и волнения для Северной Атлантики. Видно, что волнение меняет свое направление медленнее, чем ветер, и совпадает с ним примерно через 12 ч.

Длина разгона.

На рост элементов волн влияет длина раз гона - расстояние X, на котором ветер постоянный но скорости + 2 м/с и направлению (±25°) воздействует на волны.

Разгон X измеряется в направлении против ветра от расчетной точки до подветренного берега или до подветренной границы ветрового поля.

Длина разгона имеет большое значение в прибрежной зоне, если ветер дует с берега. В этом случае по мере удаления от берега даже при одной и той же скорости ветра параметры волн заметно

растут.

Длина разгона играет заметную роль в росте волн, если в каком-нибудь районе океана развивается шторм в резко ограниченных размерах. Если длина разгона не превышает 1/4— 1/2 линейного размера области шторма, то на концах разгона высоты волн могут значительно отличаться друг от друга.

Если размеры бассейна достаточно велики, а ветер дует значительное время, то на некотором разгоне Хкр, зависящем от скорости ветра, наступает состояние насыщения волн энергией и волнение достигает предела развития.

Получен ряд зависимостей, связывающих параметры волн с длиной разгона и скоростью ветра. Дж. Дербишайер на основании многочисленных инструментальных наблюдений для Северной Атлантики получил следующую зависимость:

hmаx = 0, 0192D(X)u2, (34)

где h — высота максимальных волн, м;

D(X) — безразмерный коэффициент зависящий от длины разгона (при Х=10 км, D(X) = 0, 30;, X=50 км, D(X) = 0, 66; Х= =200 км, D(X)=0, 92); и — скорость ветра, м/с.

Как видно, при разгоне X, равном 200 км, коэффициент D(X) близок к единице и, следовательно, при дальнейшем увеличении длины разгона высота волны будет приближаться к своим максимальным значениям.

По данным К. И. Кашина, для открытых районов Северной Атлантики при Х> 500 км не наблюдается связи между длиной разгона и высотой волн.