350_p1801_B2_9214

Министерство образования и науки РФ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГОУ ВПО ИГУ)

ОКЕАНОЛОГИЯ

Часть 2

Методические указания к выполнению практических работ

Иркутск 2010

РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Общие положения

В настоящих методических указаниях для студентов III курса очного отделения специальности «Гидрология» и «Метеорология» разъясняются порядок и последовательность выполнения практических работ по курсу «Океанология» в V семестре.

Выполнение практических работ позволяет закрепить теоретические знания, получить практические навыки определения океанологических характеристик, а также ознакомиться со справочными и литературными материалами.

Теория курса и практические задачи, решаемые на ее основе, неразрывно связаны между собой. Поэтому работа студентов по выполнению практических работ может быть начата лишь после изучения определенной части теории.

Исходные данные, необходимые для выполнения практических работ 1 - 3, приведены в приложениях настоящих методических указаний. Для выполнения практической работы 4 необходимые картографические материалы выдаются преподавателем. Номер варианта выполняемого задания определяется как сумма последних трёх цифр в номере студенческого билета. Отчеты по практическим работам оформляются в соответствии с методическими указаниями к подготовке и защите дипломных работ.

Рекомендуемая литература

1.Воробьев В.Н. Общая океанология / В.Н. Воробьев, Н.П. Смирнов. - СПб:

Изд-во РГГМУ, 1999. - Ч.2. - 230 с.

2.Динамика океана / Под ред. Ю.П.Доронина. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. -

303 с.

3.Догановский А.М. Гидросфера Земли / А.М. Догановский, В.Н. Малинин. - СПб: Гидрометеоиздат, 2004.- 618 с.

4.Жуков Л.А. Общая океанология / Л.А. Жуков. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. –

376 с.

3

5.Мамаев О.И. Физическая океанография: Избранные труды / О.И. Мамаев. –

М.: Изд-во ВНИРО, 2000. - 364 с.

6.Методические рекомендации по подготовке и защите дипломных работ. – Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2008. – 26 с.

7.Р 31.3.07-01. Указания по расчету нагрузок и воздействий от волн, судов и льда на морские гидротехнические сооружения. - Введ. 01.01.2002. - М.: Союзморниипроект, 2001. – 75 с.

4

Практическая работа 1

Расчет элементов ветровых волн

Ветровые волны — колебательные движения частиц воды, вызываемые энергией ветра при его непосредственном воздействии на поверхность воды.

Волны характеризуются приведёнными ниже основными элементами (рисунок

1.1).

Гребень и ложбина — части волны выше и ниже среднего волнового уровня, т.е. горизонтальной линии, пересекающей волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже этой линии равны.

Вершина и подошва — наивысшая точка гребня и наинизшая точка ложбины. Фронт волны — линия гребня волны в плане.

Период волны Т — интервал времени между прохождениями двух смежных гребней через фиксированную вертикаль, с.

Скорость волны сф — скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, м/с. Поскольку распространяется только форма волны, то эту скорость называют фазовой.

Высота волны h — превышение вершины волны над подошвой смежной волны, м.

Длина волны λ — горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней, м.

Крутизна волны а — отношение высоты волны к ее длине:

1 - профиль волны; 2 - средний волновой уровень; 3 - ложбина волны; 4 – гребень волны; 5 - вершина волны; 6 - подошва волны

Рисунок 1.1 - Основные элементы двумерной регулярной волны.

5

Возрастом волны называют отношение фазовой скорости волны cô к ско-

рости ветра Vw :

Возраст волны характеризует стадию развития волн. При 0<β≤1 волны находятся под действием ветра. После достижения условия β>1 ветер практически перестает действовать на них.

Ветровые волны могут достигать длины 600 м, высоты 25 м, скорости распространения 14-15 м/с. Обычно имеют неправильную форму.

Расчеты элементов ветровых волн выполняются как для целей прогнозирования состояния поверхности океана, так и для составления режимно-климатических характеристик различных районов океана. Для практических расчетов волнения были разработаны различные эмпирические формулы, наиболее совершенные из которых применяются и в настоящее время.

Величины элементов волн - высоты, длины, периоды и другие - выражают эмпирическими формулами как функциями волнообразующих факторов - скорости ветра VW, длины его разгона X или продолжительности действия t.

Расчеты элементов волн на открытых акваториях необходимо производить с учетом деления морей на акватории по глубинам. Здесь кратко рассмотрен только принцип расчета элементов волн для условий открытой и достаточно глубоководной акватории с глубинами H > 0,5λ , где дно не влияет на элементы волн, и примене-

ние эмпирических зависимости по расчету параметров ветровых волн наиболее обосновано.

Волны на глубоководной акватории, удовлетворяющие отношению Hλ > 0,5 ,

принято называть короткими. Фазовая скорость распространения коротких волн может быть определена по формуле:

ф 2π

6

где g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2.

Для условий глубоководной акватории в нормативной документации рекомендованы следующие формулы для средних значений элементов волн. Среднюю высоту волны h на глубоководной акватории при простых условиях волнообразования (ветер постоянной скорости и направления, прямолинейный берег) необходимо определять с учетом скорости и продолжительности действия ветра по формуле:

Скорость ветра в формулах принимаются на стандартной высоте наблюдений

— 6-10 м над уровнем моря. Изменения скорости ветра в пределах 2 м/с и направления в пределах 25° не учитываются.

Приведенные формулы содержат лишь средние значения элементов волн. При различных условиях образования волнения - скорости ветра, продолжительности его действия, разгонах волн и т.п. - формируются различные совокупности волн. Однако наблюдения показывают существование определенных статистических закономерностей в разнообразии характеристик волн. Это позволяет изучать не только отдельные волны, но и одновременно всю совокупность волн, формирующихся под действием ветра. Обобщенные статистические закономерности разнообразия волн

7

позволяют приближенно восстановить картину разнообразия волн по наблюдениям волн какой-либо одной обеспеченности. При необходимости можно легко определить элементы волн любой обеспеченности. Для этого надо воспользоваться табли-

цей 1.1.

Таблица 1.1 - Значения функций распределения элементов волн

Высота средневысоких волн связана со степенью волнения и определяется специальной шкалой волнений (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Шкала волнений

8

При этом определенной степени волнения соответствует определенное видимое состояние моря.

Цель работы: научиться рассчитывать элементы ветровых волн.

Исходные данные: заданы скорость и время действия ветра (таблица А.1). Порядок выполнения работы. По предложенным эмпирическим формулам

рассчитать средние длину, высоту, крутизну и период волны. Вычислить фазовую скорость и возраст волны, соответствующие волнам средней длины.

Определить высоту, длину и период волн разной обеспеченности, построить кривые обеспеченности указанных элементов волн.

По значению высоты волны 10 %-ой обеспеченности определить степень волнения в баллах и привести словесное описание видимого состояния моря.

Определить при каких глубинах акватории возможно применение данной методики определения элементов ветровых волн при заданных характеристиках ветра.

9

Практическая работа 2

Изучение трансформации длинных волн при подходе к берегу

При подходе волн к прибрежному мелководью волны начинает заметно деформироваться (рисунок 2.1) и под действием трения о дно становятся длинными.

Рисунок 2.1 - Трансформация волны у пологого берега.

Длинными принято называть волны, для которых справедливо следующее соотношение:

из которой видно, что скорость распространения длинных волн зависит только от глубины моря H .

Переходя на уменьшающиеся глубины, волна передает свою энергию все меньшей массе воды. Благодаря этому возрастает высота волн, а под влиянием трения о дно уменьшаются длина и скорость волны. Наблюдения показывают, что при этом период волны изменяется меньше, чем другие ее элементы.

10