Глава v. гидрометеорологические и ледовые явления на внутренних водных путях

ЭЛЕМЕНТЫ И ВИДЫ ВЕТРА

Ветер характеризуется двумя элементами: направлением и ско­ростью.

Направление ветра определяют по компасу той ча­стью горизонта, откуда он дует. Говорят: «Ветер дует в компас». Сле­довательно, направление ветра может быть: северное, северо-западное, юго-восточное, западное и т. д.

На реках направление ветра часто определяют относительно тече­ния реки: ветер может быть верховой (дует по направлению течения) и низовой (дует против течения).

В зависимости от того, с какой стороны дует ветер, у судна разли­чают наветренный борт (борт, обращенный к ветру) и подветренный борт (противоположный наветренному).

Относительно направления движения судна ветер может быть встречным и попутным.

Ветер, дующий в сторону берега под прямым или небольшим углом к нему, принято называть навальным, а ветер, дующий от бере­га в сторону реки или озера, — отвальным. Таким образом, для одного берега ветер будет отвальным, для другого—навальным. То же и для судна — в зависимости от того, у какого берега оно нахо­дится.

Если на неподвижном судне определять направление ветра, то оно называется истинным и„ (рис. 50). При движении судна возни­кает поток воздуха, который называется курсовым ветром. Курсовой ветер имеет скорость судна и направлен в сторону, об­ратную его движению. На движущемся судне будет измеряться ка-

Рис. 50. Направление ветра на движущемся судне

Таблица 15

Словесная характеристика	Скорость ветра, м/с	Сила ветра, баллы	Словесная характеристика	Скорость ветра, м/с	Сила ветра баллы
Штиль			Крепкий	14-17
Тихий	0—2	l	Очень крепкий	17—21
Легкий	2-3		Шторм	21-24
Слабый	3—5	l	Сильный шторм	24—28
Умеренный	6-8		Жесткий шторм	28—33
Свежий	8-11		Ураган	33 и
Сильный	11—14			более

жущийся (вымпельный) ветер Ик. Он направлен по равнодействующей истинного и курсового ветра.

Скорость ветра обычно измеряется в метрах в секунду или километрах в час. Скорость ветра измеряется также баллами Градации скорости ветра, применяемые для прогнозов и предупреждений, даны в табл. 15.

В практической работе часто необходимо перейти от скорости ветра к баллам или от баллов к скорости ветра в метрах в секунду. Весь пере счет можно сделать в уме, используя данные табл. 16. При этом дробные числа округляются до целых; значения 0,5 и больше округляются до единицы; значения меньше 0,5 — отбрасываются.

Для более грубой оценки, чем указано в таблице, при переходе к баллам скорость в метрах в секунду делится пополам (балл = ско­рость, м/с : 2), а при переходе к скорости баллы удваиваются (скорость, м/с == 2 Х балл),

На береговых станциях направление и силу ветра определяют по флюгеру и анемометру (рис. 51).

На судне скорость кажущегося ветра измеряют по анемометру, а направление — по дыму, флагу, вымпелу. У судов, буксирующих состав или плот со скоростью 3—4 км/ч, истинный и кажущийся ветер практически одинаковы.

У анемометра (см. рис. 51) имеются четыре полушария, которые вращаются под действием ветра. По циферблату со счетчиками опреде-

Таблица 1б

Скорость, м/с	Формула для перехода от скорости в м/с к баллам	Баллы	Формула для перехода от баллов к скорости в м/с
0—10	скорость Балл = ———— + 1	0—5	Скорость == (балл—1)Х2
11—20	скорость Балл = ————	6—10	Скорость ==баллХ2
Более 20	скорость Балл= ———— -l	Более 10	Скорость —(балл +1)Х2

Рис. 51. Анемометр

Рис. 52. Роза ветров

ляют число оборотов. Затем по переводному множителю, приведенно­му в аттестате анемометра, и числу оборотов получают скорость ветра.

Иногда для определения направления ветра на судах устанавливают на открытых местах небольшие матерчатые конусы, называемые «колдунчиками».

Силу ветра можно определить также по шкале визуальной оценки, которая приведена в прил. l.

Располагая материалами наблюдений за ветром, можно определить повторяемость каждого направления и различных скоростей ветра. Для наглядности повторяемость изображается графически в виде «розы ветров» (рис. 52). Последнюю строят следующим обра­зом.

Вначале проводят линии по восьми румбам (С, СВ, В, ЮВ и т. д.). На линиях румбов в масштабе откладывают отрезки, пропорциональ­ные повторяемости направления или скорости ветра, выраженные в процентах. Повторяемость откладывается от окружности штилей, ра­диус которой равен числу процентов штилей в принятом масштабе. Соединив концы отрезков, получают фигуру — розу ветров, которая дает представление о распределении ветров в данном пункте по на­правлениям и скорости. Розы ветров строятся для месяца или года.

Ветры, возникающие по местным причинам и охватывающие не­большие территории, называют местными. Основными видами таких ветров являются следующие.

Бриз — ветер, имеющий направление днем с водоема на сушу (морской бриз), а ночью — с суши на водоем (береговой бриз). Обыч­но бризы распространяются на расстояние до 50 км в глубь суши и несколько большее в глубь водоема. Основной причиной возникновения бриза является неравномерность прогрева и остывания суши и водое­ма в течение суток, вследствие чего возникает циркуляция воздуха.

Бора — «падающий» холодный и сильный ветер, направленный с прибрежной возвышенности на море. В Советском Союзе такой ветер наблюдается в районе Новороссийска и Новой Земли, где сила ветра достигает 50—60 м/с.

С а р м а — «падающий» северо-западный ветер, дующий на западном берегу озера Байкал со скоростью до 40 м/с. Бакинский норд — обычно сильный, сухой и холодный северный ветер, достигающий скорости 20—40 м/с. В бассейне Средиземного моря бора встречается на побережье Адриатического моря (Фиум, Триест), но сила ветра в этом районе значительно меньше. Ветер, подобный боре, наблюдаемый в Провансе, называют мистраль. Очень теплый и влажный ветер, сопровождающийся значительной облачностью и осадками и наблюдаемый в Италии, Аравии, Палестине и Месопотамии, называют сирокко, в Испании — левеш, в Алжире и Тунисе — самум, в Египте— шамсин.

Ветры бора, сарма, бакинский норд называют также падающими. Продолжительность их бывает несколько суток. Падающие ветры образуются из-за значительной разности атмосферного давления над сушей и над водоемом, где оно меньше. Воздушные массы, перемещаясь со стороны суши к водоему в сторону меньшего давления, накапли­ваются за хребтами гор и начинают подниматься вверх (рис. 53). Температура воздуха при подъеме падает, а влажность постепенно возрастает. При дальнейшем подъеме скорость понижения температу­ры воздуха меньше, так как здесь происходит выделение скрытой теп­лоты, освобождающейся при конденсации водяного пара. На вершине гребня, где воздух перенасыщен водяным паром, возникает облачный вал, покрывающий весь горный хребет.

С высоты хребта воздух устремляется к водоему, нагревается и на побережье приходит с более высокой, чем на высоте, температурой и небольшой влажностью. Холодный воздух, переваливая через горный хребет, приобретает большую скорость из-за разности давлений на суше и водоеме, а также из-за действия силы тяжести массы воздуха.

Несмотря на то что воздух динамически нагревается, он приходит вниз сравнительно холодным, так как его первоначальная температу­ра низка, а горы невысоки. Вертикальная мощность такого «падаю­щего» ветра, как бора, не превышает 200—300 м. Бора распространяет­ся на несколько километров от берега.

Рис. 53. К образованию местного вет­ра — боры

Рис. 54. Влияние берегов на направление ветра:

а—ветер дует с высокого берега; б—ветер дует с реки к берегу; в—ветер пересекает неширокое русло

Мощное падение холодного воздуха создает сильное волнение в прибрежной зоне и вызывает обледенение судов и портовых сооружений.

Получив прогноз о падающих ветрах, судоводители должны при­нять меры к укрытию судов в зоне причальной линии порта (где обра­зуется небольшая зона затишья на расстоянии нескольких сот метров от берега) или в естественных укрытиях берега, указанных в лоциях.

С образованием водохранилищ в ветровом режиме данной мест­ности происходят большие изменения и создаются местные ветры. Это объясняется тем, что вместо шероховатой поверхности земли появля­ется обширное водное пространство. Обычно в таких случаях сила ве­тра увеличивается, уменьшается повторяемость штилей и изменяется направление господствующих ветров.

Ветер, соприкасаясь с поверхностью земли или воды, благодаря тре­нию несколько, затихает, поэтому скорость ветра с высотой увеличивает­ся. Считается, что при переходе с суши на воду скорость ветра увели­чивается в среднем на 30%. Однако увеличение скорости ветра связано и с местными особенностями рельефа берегов водохранилища. При низких и открытых берегах средние скорости ветра возрастают почти в 1,5 раза, а под лесистыми и высокими берегами скорость ветра, наобо­рот, уменьшается.

Влияние препятствий на воздушный поток разнообразно. Оно за­висит от размеров и форм препятствий, от расположения их по отноше­нию к ветру, от скорости ветра и состояния атмосферы. Например, ве­тер, дующий с горы, сохраняет свое направление лишь у противополож­ного берега. Непосредственно под горой ветер приобретает обратное направление. Следовательно, ветер, наблюдаемый на подходе к горе как отвальный, фактически вблизи нее будет навальным. Опасными для судов являются разрывы высоких берегов долинами притоков, ов­рагами. Через эти разрывы ветер с большой силой «сваливается» на реку или водохранилище.

Разберем некоторые типичные случаи (рис. 54).

При ветре, дующем из-за берегового отдельно стоящего препятст­вия, вблизи последнего создается ветровая тень, а на некотором рас­стоянии — вихрь с горизонтальной осью и ветром обратного направ­ления.

При ветре, дующем с реки к берегу, дебаркадеру и т. п., около них возникает ветер почти обратного направления. Действие обрат­ного ветра сказывается на расстоянии, равном приблизительно высоте препятствия.

Ветер, пересекающий реку со стороны высокого берега, изменяет направление почти на обратное. Изменение направления происходит по часовой стрелке и сказывается на расстоянии, равном одной-двум высотам берега.

Высокие и изрезанные берега изменяют скорость ветра, дующего со стороны берега, придавая ветру в прибрежной полосе неустойчивое направление и порывистость.

Сила и направление ветра не остаются длительное время постоян­ными. При установившейся погоде ветер может усиливаться, прохо­дить порывами, затем ослабевать.

ВЕТРОВОЕ ВОЛНЕНИЕ

По происхождению волны подразделяются на ветровые, приливные, анемобарические, волны землетрясения (цунами) и судовые. Наиболее распространенными являются ветровые волны, т. е. вызванные ветром волны, находящиеся под его воздействием.

Ветровое волнение — процесс формирования, разви­тия и распространения вызванных ветром волн на акватории океа­нов, морей и других бассейнов.

При слабом ветре и достижении им скорости 0,25—1,0 м/с на по­верхности воды появляются волны очень малых размеров, называемые рябью. При усилении ветра водная поверхность выходит из равнове­сия. К равновесию она возвращается под воздействием гравитацион­ной силы, т. е. силы тяжести.

Гравитационные ветровые волны — вызван­ные ветром волны, в формировании которых основную роль играет сила тяжести.

Различают следующие элементы волнения.

Волновой профиль/ (рис. 55) — кривая, получаемая в результате сечения взволнованной поверхности моря вертикальной плоскостью в заданном направлении.

Средний волновой уровень волнового про­филя 2 — линия, пересекающая волновой профиль так, что суммар­ные площади выше и ниже этой линии одинаковы.

Гребень волны 3 — часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня.

Вершина волны 4 — наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны 6 — часть волны, расположенная ни­же среднего волнового уровня.

Подошва волны 5 — наинизшая точка ложбины волны.

Высота волны hy — превышение вершины волны над со­седней подошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном на­правлении распространения волн.

Высота гребня волны — превышение вершины волны над средним волновым уровнем на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн.

Длина волны К — гори­зонтальное расстояние между вер­шинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распро­странения волн.

Рис. 55. Элементы волнения

Длина г р е б н я — гори­зонтальное расстояние между подо­швами двух смежных ложбин на волновом профиле, проведенном пер­пендикулярно к генеральному направлению распространения волн.

Период волны т — интервал времени между прохожде­нием двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль.

Направление распространения волны — на­правление перемещения волны, определяемое за короткий интервал времени — порядка периода волны, или направление луча волны.

Скорость волны v — скорость перемещения гребня волны в направлении распространения волны, определяемая за короткий ин­тервал времени порядка периода волны.

Наветренный склон волны — часть волны от подо­швы до вершины, обращенная к ветру.

Подветренный склон волны — часть волны от вершины до подошвы, закрытая от ветра.

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.

Луч волны — линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке.

Из-за неравномерного воздействия ветра волны имеют разнообраз­ные виды и формы.

Зыбь — вызванные ветром волны, распространяющиеся в обла­сти волнообразования после ослабления ветра и изменения его на­правления, или вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где дует ветер с другой скоро­стью и другого направления.

Мертвая зыбь — вызванные ранее ветром волны, распро­страняющиеся при отсутствии ветра.

Капиллярные в ветровые волны — вызванные ветром волны, в формировании которых основную роль играет сила поверхностного натяжения.

Вторичные волны — мелкие волны на поверхности круп­ных волн.

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

Нерегулярное волнение —волнение, в котором фор­ма и элементы волн меняются от одной волны к другой.

Двухмерное в волнение — совокупность волн, сред­няя длина гребня которых во много раз больше средней длины волн.

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

Считается, что при L/Х 3—4 волны трехмерные (L—средняя длина гребня; Х — средняя длина волн).

Развивающееся ветровое волнение — ветро­вое волнение, в котором высоты волн увеличиваются во времени.

Установившееся ветровое волнение — ветро­вое волнение, в котором статистические характеристики волн не из­меняются во времени.

Затухающее ветровое волнение —ветровое вол­нение, в котором высоты волн уменьшаются во времени.

Максимальные элементы волн в некоторых бассейнах даны в табл. 17.

По мере перемещения профиля волны поверхность воды опускает­ся. Поэтому под наветренным гребнем частицы воды движутся вниз. Под подошвой волны частицы двигаются навстречу волновому движе­нию, затем они поднимаются под наветренным склоном волны, после чего движение частиц воды повторяется.

Профиль ветровой волны не симметричен. Ее подветренный склон круче, чем наветренный. На вершинах ветровых волн образуются греб­ни, верхушки которых под действием ветра заваливаются, образуя пену (барашки), а при сильном ветре срываются.

Направление ветра и направление ветровых волн в открытом море, как правило, совпадают или разнятся на 30—40%.

Ветровые волны, на распространение которых оказывает действие глубина водоема, называются волнами мелководья. Эти волны возникают там, где глубины водоема менее половины длины волны.

Радиусы окружностей, по которым движутся частицы воды на глу­бине, уменьшаются, поэтому волнение с глубиной затухает.

Глубинные волны характеризуются тем, что гребни и подошвы их на глубине располагаются под гребнями и подошвами волн на поверх­ности воды; длина волны, скорость и период на глубине не меняются;

диаметр орбиты и высота волны уменьшаются с глубиной в геометриче­ской прогрессии. Например, когда глубина h равна длине волны Х, то волны имеют высоту в 500 раз меньшую, чем на поверхности, т. е. практически волнение отсутствует. На глубине, равной 0,5X, высота волны равна 0,04h, на глубине 0,3—0,15h, на глубине 0,1X—0,53h.

Таблица 17

Район	Элементы волны
Высота, м	Длина, м	Период, с
Баренцево море			8—9
Японское и Охотское моря
Балтийское море		50—80	6—7
Черное море			6—7
Финский залив			4—5

Ветер, создавая волны, передает им определенную энергию. Энергия волны складывается из кинетической энергии движения частиц воды на орбите и потенциальной энергии, которой частица обладает при переходе от спокойного уровня к поверхности при волнении. Энергия волны прямо пропорциональна квадрату ее высоты, длине и расстоянию по гребню. В связи с тем что высота волны убывает с глу­биной, наибольшей энергией обладают волны верхних слоев воды.

Когда волна встречает препятствие, энергия, заключенная в ней, переходит в энергию удара. Этим объясняется причина того, что вол­ны вызывают большие разрушения.

Кроме перечисленных выше, имеются еще следующие разновид­ности волнения.

Толчея — беспорядочное волнение, возникающее вследствие взаимодействия волн, бегущих в разных направлениях. При толчее увеличивается высота и крутизна волны и возрастает сила ее удара. Попав в толчею, судно может потерять управляемость.

Бурун — пенистые массы воды, образующиеся на гребне волны при ее разрушении. Бурун возникает на мелях без непосредственно­го удара волны о берег, когда из-за трения о дно гребень обгоняет ложбину волны и обрушивается вперед.

Обрушивающийся вал — волна, гребень которой вслед­ствие уменьшения глубины деформируется и обрушивается.

Накат — вызванный обрушением волн возвратно-поступатель­ный поток, набегающий на отмелый берег.

Взбросы — столбы воды, образующиеся при набегании на крутые берега.

Прибой — волны, обрушивающиеся в прибрежной зоне. Волна, выходя на мелководье, достигает критической глубины, которая име­ет величину, равную 2—3h. В этом случае волна обрушивается, раз­бивается и образуются буруны. В прибойной волне частицы воды име­ют как орбитальное, так и поступательное движение, поэтому плаваю­щие предметы толчками приближаются к берегу и затем выбрасывают­ся на него. В то же время по дну создается обратное движение в сто­рону моря. Разбитая волна сильно воздействует на сооружения и опас­на для них.

Элементы волн и направление их движения могут значительно из­меняться при интерференции, рефракции и дифракции.

Рис. 56. Рефракция (а) и дифракция (б) ветровых волн

Интерференция ветровых волн возникает при наложении их друг на друга, в результате чего исходные волны могут либо увеличиваться, либо уменьшаться. Интерференция наблюдается при изменении направления ветра или при отражении волн от отвес­ных берегов. При интерференции может возникнуть стоячая волна, профиль которой не перемещается и узловые точки остаются на месте. Стоячие волны опасны для плотов, так как разрушают их.

Рефракция ветровых волн — трансформация вет­ровых волн при косом подходе гребней волн к изобатам (рис. 56, а). При подходе к берегу, благодаря трению частиц воды о дно, скорость перемещения волны уменьшается. При косом подходе волны к побере­жью часть волны, ближайшая к берегу, располагается на меньших глубинах, поэтому скорость ее продвижения вперед уменьшается, а ча­сти волны, расположенные на больших глубинах, продолжают дви­гаться с прежней скоростью. В результате волна как бы разворачива­ется, стремясь стать параллельной берегу. Поэтому, независимо от направления волны в открытой части водоема, к берегу она подхо­дит всегда под небольшим углом.

Дифракция ветровых волн — это изменение струк­туры ветровых волн при огибании ими препятствий (рис. 56, б). Ди­фракция наблюдается у островов и оградительных сооружений, за поворотами приглубых берегов, на участках расширений водоемов.

Волнение на водохранилищах имеет много общего с волнением на море. Здесь волны, как правило, имеют меньшую высоту, чем морские, но они круче их. Преобладающее отношение длины волны к высоте у морских волн находится в пределах 15—40, а у волн водохранилищ 10—20. Высоты волн на водохранилищах и озерах бывают различны:

на Камском водохранилище — до 1,8 м, Горьковском — до 1,7 м, Рыбинском — до 2,5, Куйбышевском — до 3,2, Цимлянском — до 3,0, на Онежском озере — до 3,0, на озере Байкал — до 3,5 м. Чем меньше водоем, тем ниже и круче на нем волны. На малых озерах высота волн не превышает 0,5 м.

Волнение на водохранилище в различных его районах неодинаково. Оно зависит от разгона волны, рельефа берега и дна, растительности и т. д.

Кустарник, затопленный на большой глубине в нижней зоне, не мешает развитию волнения; в средней зоне, находясь на глубине 2—3 м, он оказывает тормозящее действие на волны. Лес, затопленный на дне водохранилища, уменьшает при небольших глубинах размеры волн, создает рефракцию волнения, а иногда толчею.

На мелких озерах и в водохранилищах из-за небольших глубин при волнении также создается толчея. Она часто возникает при отра­жении волн от берега. Когда стихает ветер, волны на водохранилищах быстро исчезают, зыби обычно не наблюдается.

Волновой режим аванпорта верхнего бьефа зависит от ориентиров­ки и размеров входа в аванпорт, величин волн, приходящих из водо­хранилища и создающихся на акватории аванпорта, типа стенок и т. д. Обычно волна в аванпорту не превышает 0,5—1,0 м.

Волны на акватории аванпорта создаются в результате интерферен­ции местных волн и волн, поступающих с водохранилища. Волны, про­никающие в аванпорт, превращаются в длинные и пологие волны типа зыби, причем в удаленных точках аванпорта волны становятся незна­чительными. Местные волны аванпорта являются, как правило, кру­тыми и короткими, высота их 0,5—1 м.

В низовьях рек, особенно при ветрах, дующих против течения, раз­вивается крутая волна высотой 1,5—2 м.

Морские устья рек имеют волнение, свойственное прибрежным мор­ским участкам. В устьях рек Амура, Енисея, Оби наблюдаются волны высотой до 3 м и более.

В зависимости от условий ветроволнового режима водные пути по Правилам Речного регистра РСФСР разделены на следующие четыре разряда:

«М» (морской) при высоте и длине волны 3,0 Х 40 м;

«О» (озерный) соответственно при 2,0 Х 20 м;

«Р» (речной)—при 1,2 Х 12 м;

«Л» (легкий) при высоте и длине волны менее 1,2 Х 12 м,

Определенные участки водного пути относят к тому или иному раз­ряду, исходя из данных наблюдений и расчетов размеров волн.

Из общей протяженности внутренних водных путей выделяются так называемые малые реки. Отнесение рек к категории малых условно и устанавливается перечнем, утвержденным Минречфлотом РСФСР.