Все научные статьи
Щевьев В.А. Ветровые течения во внутренних морях и озерах
Научная статья
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 50аа Щевьев В. А. fShtshevev@rambler.ru ) Институт водных проблем РАН
Течения в морях и озерах - сложный процесс, зависящий от многих причин. Существуют ветровые, термохалинные, сейшевые, приливные, стоковые, инерционные, захваченные берегом и другие течения. В.В. Шулейкин писал, что "самые важные и самые сильные течения возникают под действием ветра на поверхность вод", имея в виду экмановские течения. [13]. Вместе с тем, скоро исполнится 100 лет (в 2005 г.) существования этой теории, а никто так и не наблюдал спираль Экмана. Более того, многочисленные измерения течений в океане показывают, что течения изменяются с периодом 1-2 мес. (волны Россби, шельфовые, захваченные берегом и т. д.), имеют волновую природу, и, что очень важно, изменение скорости и направления течений зачастую синхронны на всех горизонтах до глубин 4-5 тыс. м. [15]. Во многих публикациях показано, что влияние ветра на течения проявляется в верхних горизонтах.
Существуют различные точки зрения на природу ветровых течений, как на качественном уровне (теория Экмана, теория Стокса), так и по поводу количественных характеристик- величины ветровых коэффициентов, глубины проникновения, времени развития, влияния морфометрии и т.д.
По мнению А.С. Судольского ветровые течения относятся к числу наименее изученных явлений [12].
Сотрудники ИВП РАН с 1981 г. проводят экспериментальные исследования течений Северного и Среднего Каспия. Первоначально мы придерживались общепринятой точки зрения на природу течений Северного Каспия, в соответствии с которой "главный вопрос, н которыйаа нужноаа ответить: приаа какихаа ветрахаа иаа з какоеаа времяаа формируются
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 51аа Можно привести большое количество высказываний по этому поводу. Так автор экспериментальных работ [11] считает, что течения Северного Каспия - ветровые. Но попытки установить связь течений и ветра, построить схемы течений для определенных направлений ветра терпят неудачу. Наблюдения автора показали, что при сильных ветрах течения меняются со средним периодом одни сутки, и построить схему течений, соответствующую определенному направлению ветра невозможно [11]. Автор строит схемы течений для фазы развития ветра после его длительного затишья. Отметим, что эти схемы построены не по экспериментальным данным, а исходя из общетеоретических рассуждений.
Другой метод исследования использовали авторы [5]. Столкнувшись с фактом высокой изменчивости течений, авторы пришли к выводу, что возможно рассчитать результирующий перенос за длительный период по результатам измерений. Были построены схемы результирующего переноса для навигационного и ледового периодов. Наблюдаемые изменяющиеся по направлению и результирующие течения они считали ветровыми.
На основании анализа результатов многих экспериментальных работ можно констатировать, что авторы , сталкиваясь с фактом, когда натурные данные не совпадают с гипотезой, пытаются показать статистическую связь, расчитывают процентное содержание скоростей течений определенных румбов и даже строят схемы течений для определенных направлений ветра [11].
Мы начали наши исследования в Северном Каспии в 1981 г. с реализации метода исследования ветровых течений, в соответствии с которым планировалось проводить измерения параметоров течений при последовательном обходе станций векового разреза между западной и восточной частями Северного Каспия.а Были так же поставлены 3
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 52аа Анализ результатов измерений по вековому разрезу с борта судна показал, что течения имеют высокую изменчивость и совершенно не связаны с изменением ветра. Для понимания происходящих процессов очень ценными оказались результаты измерений автономных приборов продолжительностью 21 сутки [3]. Ветер за это время изменялся 2 раза, первые 8 суток дул с запада, и последующие 13 суток - с востока. Течение менялось 20 раз со средним периодом 1 сутки. Вектора результирующего переноса вод в точках измерения направлены на северо-восток и на восток, в то время как результирующий перенос ветра направлен в противоположную сторону - на запад. Основные движения воды направлены по линии СЗ-ЮВ, а воздухаЧпо линии 3-В. Такое несоответствие натурных данных предполагаемым связям ветер-течения заставили нас отказаться от метода исследования закономерностей ветровых течений посредством последовательного обхода станций векового разреза, а проводить измерения только на автономных станциях.
В 1984, 1986 г.г. были произведены измерения в 7 точках по разрезу между западной и восточной частями Северного Каспия и в четырех точках между Северным и Средним Каспием. Анализ этих результатов измерений [2] показал, что основной перенос воды осуществляется результирующими течениями, связь этих течений с ветром установить не удалось. Течения изменяются со средним периодом одни сутки.
Анализ натурных данных на плавмаяке Астраханский приемный (в северо-западной части Северного Каспия) показал, что ситуация еще более странная [2]. В продолжении двух недель, когда скорость ветра над Каспийским морем была в пределах 5 м/с, вдруг наблюдались течения до 60 см/с в продолжении целых суток. С точки зрения ветровых течений это объяснить нельзя.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 53аа Что касается ветровых течений, то результат оказался совершенно неожиданным для тех, кто на протяжении более 50 лет рассчитывал их на математических моделях. Тем более, что имеются несомненные экспериментальные доказательства проявления ветрового воздействия на перемещение водных масс- нагоны в Северном Каспии, в Финском заливе Балтийского моря и других районах.
Объяснением этой ситуации может быть высказывание А. С. Судольского: "Измеренные в водоемах ограниченных размеров течения, которые мы называем ветровыми, часто являются результирующими. Нередко они обусловлены совместным действием ветра и волнового переноса, действием сейшевых, конвективных, стоковых и других видов течений.... Оценить степень участия каждого из видов течений на результирующий перенос водных масс затруднительно, а чаще невозможно. В связи с этим течения, измеряемые в замкнутых водоемах при действии ветра, считаются ветровыми только условно." [12].
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 54аа Вопреки распространенному мнению о том, что натурных данных очень мало, мы их находим в количестве достаточном для того, чтобы выявить основные закономерности на качественном уровне, и даже сделать некоторые количественные оценки. [1-4, 6,10, 14-19].
Приведем примеры исследований, непосредственных измерений параметров течений по которым можно судить о закономерностях течений, вызванных ветром или о влиянии ветра на существующие в водоеме течения другой природы. .
Методически правильное исследование природы ветровых течений находим в работе В.В. Шулейкина [13]. Исходной точкой является теория Экмана, согласно которой предполагалось, что движение передается из слоя в слой посредством тангенцальных напряжений турбулентного трения между слоями. Приводятся соответствующие расчетные схемы. Затем в параграфе л О роли волнового течения автор приводит расчет полного потока волнового стоксова переноса и пишет: Как ни странно, никто не думал о практическом значении этого волнового потока, пока не появилась работа Е.Г. Никифорова [10], который показал, что различие между схемой ветровых течений по Экману и действительным механизмом переноса ветрового волнения велико.
Е. Г. Никифоров пишет: Как показывает опыт наблюдений, все океанографические явления ветрового происхождения развиваются одновременно и в одном и том же пространстве. Любая частица воды одновременно участвует в следующих движениях: перемещается по траекториям ветрового течения, совершает движение по круговым орбитам и участвует в ветровом перемешивании. Толщина поверхностного слоя охваченного этими движениями определяется преобладающей длиной волны. [10]". По существу из этой теории следует, что ветровые течения - это волновой перенос ветровых волн.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 55аа Основным фактом, показывающим зависимость течения от ветра, является наличие или отсутствие течения при ветровом воздействии и без него. Так в работе [6] отмечается,
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 56а
Примером может служить работа [18], в которой приводятся результаты исследования течений озера Эствейт Вотер (Esthwaite Water) на трехмерной математической модели, подтвержденные экспериментально. Можно отметить хорошее совпадение результатов расчетного и экспериментального методов. Длина озера около 2 км, ширина - около 500 м., глубина- 30 м. На рисунках представлены рассчитанные и измеренные профили течений. В соответствии с приведенными данными при ветровом воздействии в поверхностном слое возникает течение с направлением близким к направлению ветра. В глубинных слоях возникает противотечение (рис.1а,б). К сожалению исследовния ограничены во времени, и дают только информацию о распределении течений по глубине при конкретной ветровой ситуации. Процесс возникновения и затухания течений не показан.
-5-4-3-2-10аа 1 2аа 3аа 4аа 5
см./с. -5-4-3-2-1012345
III |
|
гЧ1Ч|ЧгЧг
L10 |
б)
Скорость ветра 5 м/с
5 3 1 0
<аа I iа Та Iаа I
|
-1
Глубина, м
Рис. 1. Измеренные (1) и вычисленные (2) профили скоростей в оз. Эствейт-вотер [19] вдоль направления ветра (а) и поперек направления ветра (б). Измеренный профиль скорости течения вдоль направления ветра в оз. Строгино Москва.(в).
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 57аа
3. Скорость и направление ветра (непрерывная регистрация).
Измерения должны включать ситуации развития и затухания течений при возникновении и затухании ветра, а так же при смене его направления.
С целью использования приборов АЦИТТ для измерения в поверхностных слоях нами произведена доработка блока скоростей прибора с таким расчетом, чтобы можно было установить эти приборы относительно неподвижно в перевернутом состоянии- блоком скоростей вверх.
Нами были запланированы подобные исследования в малом озере (Строгино, Москва). Диаметр озера равен около 1 км., глубина достигает 18 м. В связи с тем, что течения в таких озерах малы, близки к порогу чувствительности приборов АЦИТТ, первоначально для измерения скоростей течений использовались дрифтеры. Измерения показали, что на поверхности при скорости ветра около 5 м/с. скорость течения составляла около 5 см/с. (рис.1в). Скорость течения уменьшается до 0 на глубине 1,5 -2 м. Обратного
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 58аа Описанные представления о механизме ветровых течений позволяют показать влияние ветра на течения характерные для водоемов разных размеров.
Выше было показано, что во внутренних морях и крупных озерах основная энергия сосредоточена в инерционных и захваченных берегом волновых течениях. Поэтому для того, чтобы показать влияние ветра на основные течения, необходима послойная регистрация течений в верхних горизонтах совместно с регистрацией параметров ветра.
В озерах среднего размера (Чудское оз.) и в крупных, но мелководных озерах и морях (Аральское, Азовскоое) характерными являются сейшевые течения [16]. Приведем примеры исследований по которым можно судить о роли ветра в образовании течений в водоемах этого типа.
Очень информативна работа об исследованиях течений Чудского озера [1]. Приведены данные измерений скоростей и направлений течений и ветра и расчетным путем построены схемы течений для СЗЗ ветра. В соответствии с этой схемой поверхностные течения действуют поа направлениюа ветра,а а глубинныеа образуют две
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 59аа
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 60аа
А\/_
Нем
_^S f///fsW
rCMfC Х
|
О S Wchic i___ i___ i |
16 17аа 13 13аа 20аа 21аа 22аа 23аа 2<t 1а 2 3 4а 5 6а 7а 8ч
15августаJaSeycma
Рис. 2. Колебания компонент вектора скорости течения на параллель (1) и на меридиан (2) в центре Псковского озера и колебания уровня в августе 1971 г., 3- уровень, 4- векторы течения см/с.[1]
Ранее [16] мы интерпретировали эти наблюдения таким образом, что в водоемах соизмеримых с Чудским озером (20x50 км) при ветровом воздействии возникают изменяющиеся по направлению течения с периодом 2ч 20 мин., которые А. В. Караушев называл сейшеобразными. В работе [8] в 1946 г. он писал, что течения в озерах зачастую не совпадают с направлением ветра, и дал расчет, показывающий возможность возникновения изменяющихся по направлению течений при ветре одного направления.
Ноа дополнительныеа экспериментальныеа данныеаа позволилиа уточнитьаа понимание происходящих процессов. В нашем распоряжении оказались данные наблюдений на
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 61аа
30 20 10 0 Нем ^^^x^^/XaJ^^W^^
< J^J* <* v, -nUv^4 / //Х //Vs А ^^х^^Пг* yf^^' * '
;"Ю~ Па 12 13а 14 15 16 17 18' 19 20 21 22а 23а 24'
|
. Itw/lk//^ |
Рис 3. Изменение уровня Аральского моря (1), ветра (2) на станции Аральское море а) зимой, подо льдом, январь 1967 г., б) летом, май 1967 г.
гидрометеосети в Аральском море- измерения скорости и направления ветра и изменения уровня в пунктах Аральское море, Барсакельмес, Уялы, Тигровый. Наиболее интересно проанализировать изменение уровня на противоположных берегах моря ( станции Аральское море и Тигровый). К сожалению измерения на разных станциях неравноценны в том, что на станции Аральское море приведены измерения через каждый час, а на остальных станциях - через 6 часов. Рассмотрим изменчивость параметров в январе, когда море покрыто льдом и ветровое воздействие на водную поверхность отсутствует. На образце записи (рис.3) отчетливо видно, что уровень изменяется с периодом 23 ч., амплитуда изменений 5-10 см.
Сопоставление изменения среднего уровня на станциях Аральское море и Тигроый показывает, что они изменяются в противофазе. Очевидно, что увеличение атмосферного давления в пункте Тигровый повлекло увеличение уровня в пункте Аральское море на 10 см., и периодические колебания с периодом 23 ч. действуют при повышенном уровне.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 62аа Таким образом, анализ натурных данных Псковского озера и Аральского моря показывает, что в подобных по размеру объектах существуют сейшевые течения и подо льдом. При отсутствии льда ветровое воздействие вызывает увеличение амплитуды основных колебаний и изменение среднего уровня в результате сгона- нагона. Вклад волнового переноса ветровых волн в сейшевые течения этих водоемов по имеющимся экспериментальным данным показать не удалось. Для этого необходимы длительные измерения скорости течения на нескольких горизонтах при различных синоптических ситуациях. Очевидно, что ЗБВ, которые образуются в крупных озерах и внутренних морях, в средних озерах и крупных мелководных морях не образуются. Сейши образуются и в малых озерах [18], но амплитуда изменения их скорости столь мала (2-3 мм/с), что требуется свой метод их исследования (измерения параметров).
Очень показательны для характера внутреннего водообмена среднего озера являются исследования в оз. Альпнах (Alpnach) в Швейцарии [17]. Размер озера 4 х 1,5 км, максимальная глубина 34 м., средняя глубина 21,6 м. Объем водной массы 0,1 кубический километр. В озеро втекатекают 3 речки и далее вода вытекает по узкому проливу в другое озеро.
На глубине 26 м. была выпущена флюоресцирующая краска (уранин), а затем через 3 дня (3 раза) и через 10 дней (2 раза) были определены ареалы распространения. В конце срока наблюдения (через месяц) уранин распространился по горизонту 26 м. до берегов. Ветер дул преимущественно вдоль, но на картине распространения краски это не
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 63аа обнаружено. Такой характер распространения краски позволяет предположить, что в озере
действуют изменяющиеся по
направлению течения (возможно, как сейши в Чудском озере), которые перемешивают воду,
но циркуляции не образуют.
И так, в соответствии с наблюдениями можно отметить, что существует 3 типа водоемов, в каждом из которых наблюдаются свои, характерные дла них виды течений. :
- Внутренние моря и крупные озера.
- Средние озера и большие мелкие моря.
- Малые озера.
Выводы о природе ветровых течений и вкладе их в течения водоемов различного типа сведены в таблицу 1.
Анализаа многочисленныхаа натурныхаа данных,аа какаа прямыхаа измеренийаа скорости
течений,а така иа косвенных,а полученныха при участииа автора,а така иа поа литературным
источникам показал: В крупных озерах и замкнутых морях наблюдаются инерционные
течения и захваченные берегом волновые течения. Показать по нашим измерениям вклад
ветровых течений не удалось [2,3,4]. Ветровое воздействие на водную массу проявляется в
нагонах, во вдоль береговом течении, и в волновом переносе ветровых волн. В средних
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 64 Основные виды течений Вклад ветра. Внутренниеа моряа и крупные озера. Захваченныеа берегома волновыеа теченияа (ва Каспийском море период 140 ч., в Черном- 240 ч., средние скорость 15 см/с,аа максимальная-аа 70аа см/с), инерционные течения, в Каспии период 17,5 ч., средняя амплитуда 30 см/с, максимальная 70 см/с Нагоны, вдольбереговые течения, поверхностные ветровые течения, как волновой перенос ветровых волн. Мелкие моря, большие, мелкие и средние озера. Сейшевые течения.
Период в Аральском море 25ч.,а ср.а скорость 5-8а см/с, максимальная 20а см/с,а в оз.а Псковское-2ч 20 мин.,а ср. скорость 5 см/с, максимальная 12 см./с. Увеличение амплитуды сейшевых течений, изменение среднего уровня (нагон-сгон), ветровые течения, как волновой перенос ветровых волн. Малые озера. Ветровые течения, как волновой перенос ветровых волн. При скор, ветра 5 м/с. скор, течения на поверхности 5 см/с, на гл. 2 м. скор, течения равна нулю. Сейши, период 3 мин., и 30 мин., аплитуда Змм/с Волновой перенос ветровых волн
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 65 Разработан метод исследования закономерностей ветровых течений на качественном уровне и количественных оценок в водоемах разного типа. В основе метода- представления о ветровых течениях, как волнового переноса ветровых волн и соответствующая физика явления. Эти представления с необходимостью диктуют применения определенного набора измерений параметров, дискретности установки в пространстве и измерений во времени. А так же необходимость соответствующих методов обработки и анализа получаемой информации.
итература
- Богачев А. Г., Филатова Т. Н. Течения в мелководных нестратифицированных водоемах (на примере Чудско-Псковского озера). Труды IV Всесоюзного гидрологического съезда. Л. Гидрометеоиздат, 1975., с. 15-23.
- Бондаренко А. Л. Течения Каспийского моря и формирование поля солености Северного Каспия. М. Наука. 1993, 122с.
- Бондаренко А. Л., Ведев Д. Л., Комков И. А., Щевьев В. А. Экспериментальные исследования волновых течений в Среднем Каспии. Водные ресурсы, №1, 1993, с. 129-131.
- Бондаренко А. Л., Перминов С. М., Щевьев В. А. Пространственно-временная изменчивость течения при исследовании водообмена между западной и восточной частями Северного Каспия. // Гидрофизика Северного Каспия. М. Наука, 1986 с. 51-64.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 66
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 67
20.аа Shtchev'ev V. A. Statistical and genetic methods of stadyregime and nature inside seas
currents (Exemplified by the Caspian sea). // Stochastic models of gydrological processes and their
applications to problems of environmental preservation. Moscow, russia, 1998. P. 260-262.
Все научные статьи