Непериодические колебания уровня воды

Непериодические колебания уровня.

Причины колебания уровня. Свободная поверхность океанов и морей называется уровенной поверхностью. Она определяет поверхность, перпендикулярную в каждой точке моря правлению равнодействующей всех сил, действующих на нее.

Под влиянием ряда природных сил поверхность Мирового океана

испытывает колебание, отклоняясь от среднего многолетнего значения.

Непериодические колебания уровня подразделяются на две

группы:

1. Анемобарические, вызываемые действием метеорологических факторов — ветра и атмосферного давления.

Под воздействием ветра происходят сгонно-нагонные колебания уровня. В результате перемещения барических систем возникают длинные волны, движущиеся в поле ветра. Такие волны вызывают штормовые нагоны. Инерционные колебания водных масс, возникающие как реакция на ослабление или прекращение сил, нарушавших равновесие масс в водоеме, называются сейши.

2. Сейсмические (цунами), сформированные резким понижением или повышением дна во время землетрясений, возникающие в результате сброса в воду больших масс грунта или льда, порожденные взрывами в результате подводных извержений вулканов или искусственных взрывов большой мощности.

Сгонно-нагонные колебания уровня. Такие колебания возникают под действием касательного напряжения ветра на поверхность моря вблизи берегов или внутри заливов.

Согласно теории прибрежной циркуляции и непосредственным наблюдениям сгонно-нагонные колебания уровня вызываются составляющей суммарного потока, которая направлена перпендикулярно береговой полосе и определяется из соотношения

Ф=Фcosa, (52)

где Ф — суммарный поток ветрового течения;

a — угол между направлением ветра и береговой полосой.

Большое значение на величину сгона и нагона оказывают глубина прибрежной зоны и направление ветра по отношению к линии побережья.

На рис. 65 приведены различные случаи сгона и нагона У приглубого берега (H> D). Изменение наклона уровня происходит до тех пор, пока нормальная составляющая к берегу ветрового потока не уравновесится равной по величине и обратной по направлению составляющей градиентного потока Фг. Максимальный нагон и сгон вод наблюдаются в этом случае при ветре и, дующем вдоль береговой черты. Сгонно-нагонные колебания отсутствуют при ветре, дующем перпендикулярно берегу

В мелководных прибрежных районах (Н < 0, 25 D) суммарный поток ветрового течения практически идет по ветру. Поэтому у отмелого берега максимальные сгонно-нагонные колебания будут наблюдаться при ветре, дующем по нормали к берегу. При направлении ветра вдоль береговой полосы сгонно-нагонные колебания отсутствуют.

Для отдельных районов морей составляются эмпирические формулы расчета сгонно-нагонных колебаний. Так, для Черного и Азовского морей используется формула

дельтаН = a*дельтаh+b*u. (53)

где дельтаН — величина изменения уровня в заданной точке побережья,

см(через 6 ч);

дельтаh — разность уровней открытого моря и в данном пункте по-бережья в срок составления прогноза, см; и —скорость ветра за этот же срок, м/с; а и b — эмпирические коэффициенты для данного пункта.

В проливах, заливах, бухтах величина сгонно-нагонных колебаний зависит от размеров, формы характера рельефа дна. Большие разности уровней возникают у противоположных берегов перешейков, кос, полуостровов, когда ветер одного и того же направления создает у наветренного берега нагон, у подветренного — сгон.

Колебания уровня, вызываемые изменениями атмосферного давления. Такие колебания проявляются в виде статической реакции гидросферы на изменение давления атмосферы, а также появления динамического эффекта изменения атмосферного давления и уровня. В первом случае наблюдается обратная связь между изменениями давления АР и уровня А/г:

±дельтаР=-+дельтаh. (54)

Если давление увеличивается на 1 мб, то уровень понижается на 1, 33 см, а при понижении давления на 1 мб уровень на такую же величину повышается.

Во втором случае изменение уровня происходит вследствие возникновения вынужденных барических волн непосредственно в области движения фронта или циклона.

Если после возникновения вынужденной барической волны она уходит из-под влияния циклона вследствие изменения его траектории относительно береговой полосы или изменения глубины моря Н, то в дальнейшем она распространяется как волна свободная со скоростью c = корень из(gH).

Аномально высокие подъемы уровня создаются совместным воздействием резких изменений- давления в передней или типовой частях циклонов, а также интенсивных ветров, которые совпадают по направлению с движением барической волны (штормовые нагоны). В суживающихся заливах с уменьшающимися глубинами штормовые нагоны приводят к катастрофическим наводнениям.

В ряде портов на побережье различных континентов наблюдается периодическое движение масс воды, направленное то в одну, то в другую сторону, получившее название тягун. При этом явлении суда, стоящие на якорях и у причалов, совершают ритмические движения синхронно с потоками воды, зачастую срываются с якорей, обрывают швартовы, разрушают борта о стенки причалов, а иногда и сами причалы.

Большинство ученых объясняют явление тягуна как следствие резонанса, вызывающего собственные колебания воды в гавани — сейши. Причиной, вызывающей резонансные явления в гавани, является долгопериодная зыбь с периодами, измеряемыми минутами. Появление длиннопериодной зыби связывают с перемещением над морем барических формаций, сопровождаемых атмосферными фронтами. Перепады давления во фронтальной зоне барических формаций при одновременном действий ветра вызывают появление спектра волн, в том числе и долгопериодной зыби.

Нужно иметь в виду, что длиннопериодная зыбь является резонатором собственных колебаний в гавани и, если периоды собственных колебания бассейна не совпадают с периодами долгопериодной зыби, тягуна не будет.

Период собственных колебаний бассейна

Тб=(2L)/(корень из(gHср)) (55)

где L—длина бассейна, км;

g —ускорение свободного падения, м/с2;

Hср — средняя глубина бассейна, м.

Следует также отметить, что при появлении тягуча в районе порта почти всегда существует обычная короткопериодная зыбь (5-20 с). I

Цунами. В зоне действия сейсмических факторов на ограниченной акватории океана образуются волны сжатия и разряжения. От эпицентра со скоростью, достигающей 800 км/час, по направлению к берегам океана устремляются длинные волны — от 50 до 300 км длиной и высотой 50—100 см. Такие волны с очень малой крутизной практически неощутимы для В прибрежной зоне ввиду уменьшения глубин волны цунами уменьшают скорость и резко возрастают по высоте. Как установлено из наблюдений большинство крупных цунами у берега начинается с падения уровня, которое продолжается 10— 15 мин После этого наступает подъем уровня — подходит гребень длинной волны. Причем в зависимости от очертания берега и распределения глубин в прибрежной зоне волны цунами превращаются в пенистый отвесный вал, высотой более 10 м, с ревом и шумом накатывающийся на берег, либо во вне-запный и быстрый подъем уровня, высота которого измеряется десятками метров.

К катастрофическим цунами относятся такие, которые создают средний подъем уровня 8 м и более на участке побережья длиной 400 км. Местами волны цунами могут иметь высоту 20—30. м.

Такие цунами разрушают все сооружения на берегу, увлекают на сушу или в океан суда любых размеров, стоящие у причалов или на якоре. Побережье при этом затапливается (особенно по долинам рек) на многие километры. Подобные цунами фиксируются на побережье Мирового океана примерно один раз в 10 лет.

Очень сильными цунами являются такие, при которых на участке протяженностью 200—400 км уровень воды повышается на 4—8 м,.а местами, до 11 м. Все строения, затронутые такими цунами, повреждаются, а некоторые разрушаются. Суда, кроме самых крупных, оказываются выброшенными на сушу или унесенными в океан. Такие цунами наблюдаются на значительной части побережий Мирового океана и повторяются в среднем раз в 3 года.

При умеренных цунами уровень воды повышается на побережье на 2—3 м, а зона затопления простирается на несколько десятков километров вдоль берега. Повреждаются, а иногда и разрушаются дома на побережье. Мелкие и средние суда могут быть сорваны с якорей или оказаться на берегу. Такие цунами наблюдаются ежегодно в отдельных районах океанов.

Наибольшее количество цунами различной интенсивности наблюдается у берегов Японии, Курильских островов, Камчатки, а также у побережья Северной и Южной Америки.