Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика ледовых условий на северо-восточном шельфе о.Сахалин. Материалы и методы 11
1.1. Ледовые условия северо-восточного шельфа
о.Сахалин 11
1.1.1. Продолжительность ледового сезона 11
1.1.2. Структура ледяного массива 12
1.1.3. Экстремальные ледовые объекты 14
1.2. Методы наблюдений за дрейфом льда 17
1.2.1. Методология наблюдений за дрейфом льда с использованием береговых радиолокационных станций (РЛС) 17
1.3. Методы обработки данных 22
1.3.1. Приливной анализ 22
1.3.2. Двумерная регрессионная модель 24
1.3.3. Собственные вектора регрессионной матрицы 25
1.3.4. Построение эллипса отклика 27
1.3.5. Максимальные углы отклонения 30
1.3.6. Расчет показателей деформации 32
1.4. Анализ наблюдений 35
Выводы 39
Глава 2. Приливной дрейф и деформации ледяного покрова, вызванные приливами 41
2.1. Приливной режим Охотского моря 41
2.2. Оценка параметров приливного дрейфа 44
2.2.1. Изменчивость приливных течений 47
2.3. Влияние суточных шельфовых волн на дрейф льда 51
2.4. Деформации ледяного покрова, вызванные приливами 53
2.4.1. Расчеты деформационных параметров на различном расстоянии от берега 61
2.4.2. Скорости деформации 62
2.4.3. Изменения зональной компоненты скорости дрейфа 63
2.4.4. Эллипсы деформации 66
Выводы 71
Глава 3. Ветровой дрейф и деформации ледяного покрова, вызванные воздействием ветра 73
3.1. Характеристика метеорологических условий 73
3.2. Распределение непериодической компоненты дрейфа 74
3.3. Вычисление «ветровых коэффициентов» 77
3.4. Построение эллипса отклика 81
3.5. Деформации ледяного покрова, вызванные воздействием ветра...86
Выводы 92
Глава 4. Дрейф льда, обусловленный влиянием Восточно-Сахалинского течения 94
4.1. Общая циркуляция вод Охотского моря 94
4.2. Сезонные вариации Восточно-Сахалинского течения 95
4.3. Оценка влияния Восточно-Сахалинского течения на дрейф льда в районе РЛС 99
Глава 5. Применение полученных результатов к задачам оперативного и долгосрочного прогноза 105
5.1. Расчет скоростей приливного дрейфа 106
5.2. Расчет скоростей ветрового дрейфа 108
5.3. Оперативный прогноз дрейфа льда 109
5.4. Расчет максимальных скоростей приливного дрейфа 112
5.5. Расчет максимальных скоростей ветрового дрейфа 113
Заключение 117
Список литературы 120
- Структура ледяного массива
- Изменчивость приливных течений
- Распределение непериодической компоненты дрейфа
- Оценка влияния Восточно-Сахалинского течения на дрейф льда в районе РЛС
Введение к работе
Актуальность. Изучение особенностей ледового режима, выявление факторов, определяющих характер дрейфа льда, представляет значительный научный и практический интерес. Дрейф льда - очень важная гидрометеорологическая характеристика, которая во многом определяет хозяйственную деятельность на побережье арктических и субарктических морей. По этой причине сбор всей доступной информации о характеристиках ледового режима и исследование возможностей прогнозирования ледовых условий являются актуальной задачей.
Вопросу изучения особенностей дрейфа льда под действием различных факторов (постоянные течения, ветер, приливы) посвящено много работ российских и зарубежных исследователей. Широко известны работы полярных исследователей начала XX века: F. Nansen (1902), H.U. Sverdrup (1928), В.Ю. Визе (1933), Н.Н. Зубова (1945). В последующие годы изучением дрейфа и деформациями ледяного покрова занимались русские ученые: В.В. Шулей-кин (1953), В.В. Бетин, Ю.А. Горбунов (1956), З.М. Гудкович (1957), А.П. Легеньков (1958), К.П. Широков (1961), Н.А. Волков (1967), СМ. Лосев (1974), Ю.П. Доронин, Д.Е. Хейсин (1975), Л.П. Якунин (1979), И.Л. Аппель (1994) и многие другие; а также зарубежные исследователи: W.D. Hibler (1972), Z. Kowalik (1981), Т. Tabata (1969), A.S. Thorndike, R. Colony (1982), K. Watanabe(1962)nflp.
Основное внимание при исследовании ветрового дрейфа льда и деформаций ледяного покрова традиционно уделяется крупномасштабным неодно-родностям поля ветра (циклоны, атмосферные фронты) или взаимодействию льда с берегом. При этом характер отклика дрейфа на ветровое воздействие и деформации в узкой прибрежной полосе обычно остаются вне поля зрения исследователей. Также мало изучены особенности приливного дрейфа и деформации ледяного покрова, возникающие под влиянием приливов вблизи береговой границы. Это объясняется тем, что изучение деформаций требует измерений скорости дрейфа одновременно в нескольких точках, а для определения характеристик прилива необходимы измерения с частотой несколько раз в сутки, что является достаточно сложной задачей.
Партией гидрометеорологических изысканий Дальневосточной инженерно-геологической экспедиции (ныне Экологическая Компания Сахалина) на северо-восточном шельфе о. Сахалин были проведены уникальные по своей организации наблюдения за дрейфом льда при помощи радиолокационных станций (РЛС), установленных на берегу. Измерения производились ежечасно одновременно в 9 точках в пределах зоны обзора РЛС, что позволило детально исследовать особенности ледового режима в прибрежной зоне (По-крашенко С.А. и др., 1987) - именно эти материалы послужили основой для настоящей работы. Эти данные также были использованы в близкой по тематике работе - диссертации Э.Н. Калинина (1999), в которой представлено исследование дрейфа льда именно для района северо-восточного шельфа
о. Сахалин. Основное внимание в этой работе было сосредоточено на исследовании ветрового дрейфа, причем ветровые коэффициенты рассчитывались для различных секторов направлений ветра отдельно. Однако получить устойчивые оценки, отражающие неизотропный характер отклика ледяного покрова в зависимости от направления ветра, в рамках одномерного подхода не удалось. В связи с этим в настоящей работе для расчета ветровых коэффициентов предложена двумерная регрессионная модель, дающая более полное описание особенностей ветрового дрейфа льда в прибрежной зоне. Э.Н. Калининым не рассматривался важный для северо-восточного шельфа о. Сахалин вопрос о влиянии приливов на формирование дрейфа льда, а также не исследовались деформационные параметры, хотя одновременное измерение дрейфа в нескольких точках в зоне обзора локатора предоставляло для этого уникальную возможность.
Надежные оценки максимальных скоростей дрейфа, расчет «ветровых коэффициентов» (характеризующих величину отклика скорости дрейфа льда на ветровое воздействие) и характеристик приливного дрейфа, а также деформационных параметров, могут иметь большое значение, как при оперативном, так и при долгосрочном прогнозировании ледовых нагрузок. Актуальность настоящей работы определяется важностью теоретических исследований особенностей дрейфа льда и деформационных параметров ледяного покрова, создающих возможность для разработки методов их прогнозирования для решения задачи обеспечения безопасности мореплавания и осуществления работы промышленных объектов в районах нефтепромысла на шельфе о. Сахалин.
Цель и задачи работы. Цель данной работы - исследовать физические особенности формирования дрейфа льда и деформаций ледяного покрова под воздействием основных внешних факторов - приливов и ветра, определить возможность прогнозирования дрейфа льда в реальных условиях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование пространственной изменчивости приливного дрейфа по наблюдениям на разных РЛС;
анализ взаимосвязи между фазой прилива и характером деформации ледяного покрова;
выявление особенности ветрового воздействия на дрейф льда в прибрежной зоне, исследование характера отклика ледяного покрова в зависимости от направления ветра;
определение характера деформаций, возникающих под воздействием ветра.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается, прежде всего, в детальном исследовании характеристик дрейфа и деформаций льда на северо-восточном шельфе о. Сахалин, обусловленных приливами и ветром. В
результате удалось выявить ряд физических особенностей формирования дрейфа льда:
В районе северо-восточного шельфа о. Сахалин выявлена значительная пространственная неоднородность приливного дрейфа льда, выраженная в наличии вблизи берега на протяжении от северной оконечности острова до зал. Луньский зоны с высокими скоростями суточных течений (волны Oi и Ki). Скорости течений быстро уменьшаются как с удалением от берега, так и в южном направлении. Наблюдаемый эффект является следствием влияния суточных шельфовых волн на данном участке шельфа.
Выявлены особенности деформаций ледяного покрова в прибрежной зоне, вызванных приливными явлениями. На каждой станции зависимость параметров деформации (дивергенция и ротор поля скорости дрейфа льда, скорости деформации растяжения и сжатия ледяного покрова) от фазы приливного цикла остается стабильной на протяжении всего периода измерений. На всех трех станциях зависимость деформационных параметров от направления и величины приливных течений имеет различный характер.
3. Для анализа синхронных рядов дрейфа и скорости ветра на двух
РЛС, использована двумерная регрессионная модель, хорошо описывающая
неизотропный характер отклика на воздействие ветра в прибрежной зоне. Эта
модель отличается от традиционной для открытого моря модели Свердрупа-
Нансена. Коэффициенты отклика (ветровые коэффициенты) скорости дрейфа
льда на ветровое воздействие для одних («эффективных») направлений в не
сколько раз больше, чем для других («неэффективных»), что является причи
ной усиления деформаций ледяного покрова. Для каждой станции матрицы
отклика дрейфа на воздействие ветра устойчивы по расчетам для различных
лет, но в районе с более приглубым шельфом величины ветровых коэффици
ентов примерно в 1,5 раза выше, чем в более мелководной области.
Практическая ценность. Полученные оценки характеристик скорости приливного дрейфа могут быть использованы для его предвычисления на заданный момент времени в районе северо-восточного шельфа о. Сахалин. Рассчитанные матрицы ветровых коэффициентов могут быть использованы для определения характера дрейфа льдов в зависимости от ожидаемых скорости и направления ветра.
Полученные результаты могут быть использованы для расчета приливного, ветрового и суммарного дрейфа в оперативном режиме. Учет максимальных скоростей дрейфа и оценки деформационных параметров ледяного покрова при проектировании объектов нефтегазового комплекса на шельфе позволит снизить риск их разрушения под воздействием ледовых нагрузок и избежать негативного воздействия последствий аварий на окружающую сре-
ДУ-
Защищаемые положения
Изучена пространственная структура приливного дрейфа на северовосточном шельфе о. Сахалин, особенностью которой является выраженная неоднородность скорости и направления приливного дрейфа льда. Наблюдаемый эффект обусловлен влиянием суточных шельфовых волн и определяет значительные приливные деформации ледяного покрова.
Выявлен устойчивый, предсказуемый характер зависимости деформационных параметров от фазы прилива на различных радиолокационных станциях.
Обоснована адекватность двумерной регрессионной модели для описания неизотропного отклика дрейфа льда на воздействие ветра. Неизотропный отклик является причиной усиления деформаций ледяного покрова в прибрежной зоне.
Апробация. Результаты работы на разных её этапах докладывались на семинарах лаборатории цунами ИМГиГ, отдела морского ледового прогноза ААНИИ (г. Санкт-Петербург, 2003), лаборатории ледовых исследований СахНИПИ (г. Оха, 2005), на международной конференции ISOPE (2001, 2002, 2004), международном симпозиуме «Okhotsk Sea, Sea Ice» (г. Момбетсу, Япония, 2000, 2001, 2003), на конференции "Гидрометеорология Дальнего Востока и окраинных морей Тихого океана", посвященной 50-летию ДВНИГМИ (г. Владивосток, 2000), на 17-м международном ледовом симпозиуме IAHR (г. Санкт-Петербург, 2004), на XVIII, XIX конференции молодых ученых (г. Южно-Сахалинск, 2004, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 127 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 13 таблиц. Список литературы состоит из 88 наименований.
Структура ледяного массива
На акватории Охотского моря существуют четыре локальных района со сложными ледовыми условиями, затрудняющими деятельность человека. Ими являются залив Шелехова, Пенжинская губа, район Шантарских островов, северо-восточный шельф о.Сахалин. Все эти районы относятся к нефтегазоносным, там расположены палеодолины древних рек - источники накопления осадков и по прогнозам геологов - перспективные месторождения нефти и газа.
Ледовые условия на северо-восточном шельфе о. Сахалин в целом можно охарактеризовать как весьма суровые, именно ледовые нагрузки являются наиболее опасными для проектируемых сооружений по добыче и транспортировке углеводородного сырья [2, 35,47, 56, 63, 83].
В течение зимы на акватории северо-восточного шельфа о.Сахалин располагаются льды, которые по своим особенностям можно выделить в отдельный ледяной массив -северо-восточный массив льда о.Сахалин. Этот массив распространяется по широте от м.Елизаветы на севере до м.Терпения на юге и по долготе в пределах указанных широт может достигать меридиана 150-152 восточной долготы до кромки дрейфующего льда. Для северо-восточного массива льда в целом, а также для рассматриваемой акватории шельфа о. Сахалин характерно преимущественно меридиональное, вытянутое вдоль берега, расположение ледовых зон, границ дрейфующего льда и припая. Это обуславливается особенностью атмосферной циркуляции над акваторией шельфа, динамикой вод в этой части Охотского моря и орографией береговой линии острова (рис. 1.1.).
Льдообразование на северо-восточном шельфе о. Сахалин начинается в ноябре, быстро распространяясь с севера на юг. Лед образуется в узкой прибрежной полосе в виде ледяного сала и снежуры, несколько позднее - блинчатого льда. В январе в массиве дрейфующего льда появляются однолетние льды, смещающиеся под воздействием течений и преобладающих в зимний период ветров северо-западных румбов на северовосточный шельф из северо-западной части Охотского моря.
В марте-апреле кромка дрейфующих льдов достигает своего максимального восточного положения. С середины апреля начинают преобладать весенние процессы разрушения ледяного покрова, в мае происходит его интенсивное таяние и продолжаются процессы раздробления ледяных полей до битых форм. В июне исчезают молодые льды, а в ледяном массиве отмечаются лишь однолетние. К концу июня происходит полное очищение акватории северо-восточного шельфа ото льда (в направлении с юга на север). Продолжительность ледового периода на Венинском блоке может составлять от 160 до 210 дней [33].
Характерной особенностью расположения границ льда в массиве (по направлению от берега в мористую часть) являются наличие вдольберегового припая, заприпайной полыньи, пояса сильно всторошенного сплошного однолетнего льда и зоны слабовсторешенных полей однолетних и молодых льдов (рис. 1.1).
Припай образуется в изучаемом районе обычно в феврале и разрушается в конце апреля — начале мая. Относительная прямолинейность береговой линии, отсутствие глубоких бухт и других особенностей топографии не способствует формированию устойчивого припая, который может взламываться в течение зимы при штормовых ситуациях. Средняя ширина припая составляет около 2 км, максимальная на отдельных участках - до 6 км (рис. 1.2) [33,47]. Далее к востоку простирается зона заприпайной полыньи. Ширина полыньи в зависимости от силы и продолжительности отжимных ветров (западных, северо-западных и юго-западных румбов) может колебаться от 1-2 км до 40-80 км - в районе Венинского блока ширина полыньи может достигать одних из самых значительных в пределах северовосточного шельфа о. Сахалин размеров. Зимой в полынье наблюдаются ниласовые или молодые льды, весной - битый однолетний лед. В период активного разрушения ледяного покрова в полынье характерно наличие редкого льда или чистой воды. Вероятно, сильные приливные течения, которые препятствуют смерзанию ледяных полей, являются одной из причин, способствующих формированию вдольбереговой полыньи на северо-восточном шельфе о. Сахалин.
Припай однолетнего льда у северо-восточного побережья о. Сахалин. Вдольбереговая полынья показана в левой части рисунка (фотография из «Атласа льдов Японского и Охотского морей», Тамбовский B.C., ПищальникВ.М.[46]).
К востоку от полыньи в феврале-апреле формируется меридионально вытянутый пояс сплоченных сильно торосистых однолетних тяжелых льдов (рис. 1.3), выносимых на северо-восточный шельф из северо-западной части Охотского моря. Ширина пояса может изменяться от 20 до 80 км. В пределах этого дрейфующего льда такие ледовые параметры, как толщина, торосистость, высота и мощность торосов, толщина снега достигают максимальных размеров [47].
За зоной тяжелого льда располагаются сплоченные малоторосистые поля однолетних льдов с преобладанием однолетнего тонкого льда. Ширина этой зоны очень обширна и она выходит за восточную границу Венинского блока.
К экстремальным ледовым объектам, наблюдающимся в заданном районе, относятся гигантские ледяные поля, несяки и стамухи. В течение зимы в ледяном массиве характерно наличие ледяных полей больших размеров. В холодные зимы они смерзаются и могут достигать от 10 до 30 км в поперечнике. Ледовой авиаразведкой в апреле 1983 года на акватории шельфа было зафиксировано поле сморози однолетних льдов размером 31 км в поперечнике.
Способствовать смерзанию могут ослабление приливных течений (наблюдающееся с двухнедельной цикличностью) и прижимные ветра северо-восточных и восточных румбов. В целом повторяемость ледяных полей с размерами более 5 км относительно невелика и колеблется в пределах 5-13% [47].
Интенсивные процессы сжатия, формирующие большие торосы на ледяных полях, являются причиной образования опасных ледяных объектов - несяков и стамух. Это старинные поморские названия отколовшихся от ледяных полей и свободно плавающих (несяки) или севших килевой частью на мель в мелководных участках шельфа (стамухи) мощных торосов. Образование несяков в северо-западной части Охотского моря и на северовосточном шельфе о. Сахалин происходит в динамически активных зонах ледяного массива, в районе сжатий и торошений. Важную роль в этих процессах играют приливные колебания уровня и приливные течения, а также воздействие ветра при прохождении барических образований. В дальнейшем несяки перераспределяются в массиве льдов, образуя характерные скопления. Плотность несяков может колебаться от 10 до 200 штук на квадратный километр [47]. Несяки весьма редко встречаются в мористой части шельфа, где глубина моря превышает 200 м.
Изменчивость приливных течений
Приливы относят к полусуточным при J 0.5, неправильным полусуточным при 0.5О2.0 , неправильным суточным при 2.0 Г 4.0 и суточным при J 4.0.
Для зональной составляющей на РЛС Левенштерна J = 13,6, а для меридиональной - 200. На РЛС Одопту J равен, соответственно, 35,6 и 175. Таким образом, на станциях Левенштерна и Одопту преобладают суточные приливные колебания.
Приливной режим в районе РЛС Комрво несколько отличается от картины приливных колебаний на двух других станциях. Здесь J = 4,7 для зональной составляющей и 2,4 для меридиональной. Последняя величина уже не отвечает условию суточного характера приливов. Следовательно, на станции Комрво наблюдаются неправильные суточные приливные колебания (рис.2.1).
Охотское море по характеру и величине приливов является одним из наиболее интересных и сложных районов Мирового океана. В Охотском море имеются приливы всех типов, каждый из них охватывает обширные акватории и характеризуется значительными величинами прилива. Определяющим фактором в географическом распределении приливов того или иного типа является интерференция приливных волн.
В заливе Шелихова, в Сахалинском заливе и к северу от него, а также во всей юго-западной части Охотского моря наблюдаются почти исключительно неправильные суточные и суточные приливы. Приливы приобретают характер неправильных полусуточных только у м.Соя в прол. Лаперуза и в зал. Терпения. Основные районы преобладания суточных приливов приурочены к амфидромическим областям волны Мг и расположены у восточного и северного берегов о.Сахалин и в зал. Шелихова около материкового берега.
В прибрежной полосе восточного побережья о.Сахалин преобладают суточные , а в более мористой — неправильные суточные течения (за счет уменьшения скоростей суточных из-за особенностей влияния шельфовых волн). Максимальные скорости суммарного течения зафиксированы в прибрежной полосе. см/с 100
Изменения меридиональной компоненты приливной составляющей скорости дрейфа льда для трех РЛС, апрель, 1993г. Приливная волна в Охотское море поступает из Тихого океана через проливы Курильской гряды, испытывая частичное отражение на границе Охотского моря, и, распространяясь по акватории моря, вновь частично отражается от его северного берега, испытывая вторичное отражение у Курильских островов.
Установлено, что полусуточная волна Мг, поступающая из Тихого океана через Курильские проливы, отражается от северного берега Охотского моря и под действием отклоняющей силы вращения Земли образует амфидромическую область с центром в точке 51.2 с.ш., 144.9 в.д. с поворотом котидальных линий против часовой стрелки. Полусуточный прилив в зал. Шелихова имеет преобладающую стоячую составляющую с пучностью в вершине Пенжинской губы и узловой линией, преобразованной под влиянием силы Кориолиса в амфидромическую систему на её входе.(59.0 с.ш., 155.5 в.д.). В северо-западном районе моря в результате интерференции отраженной и падающей приливной волны формируется собственная амфидромическая система с координатами центра 54,8 с.ш., 142,1 в.д. [9].
Таким образом, полусуточная приливная волна Охотского моря является сложной прогрессивно-стоячей волной и образует три амфидромические системы. В работе [62] приведены результаты гармонического анализа данных спутниковой альтиметрии с точки зрения особенностей пространственной структуры основных приливных волн. Наименьшие амплитуды волны М2 отмечены вблизи восточного побережья о. Сахалин, наибольшие - в зал. Шелихова. В центральной части Охотского моря амплитуда волны Мг возрастает с юга на север и достигает максимальных значений вблизи Тауйской губы. На рис.2.2 представлены амплитуды и фазы приливной гармоники Мг полученные в работе [72].
Пространственное распределение полусуточной волны S2 имеет характер очень близкий к Мг, только с заметным уменьшением амплитуд.
В отличие от главной полусуточной волны, суточная волна Kj не имеет в Охотском море систем стоячих колебаний с четко выраженными узловыми зонами. Судя по распределению амплитуды волны К\, зона пучности стоячих колебаний, в пределах которой находится залив Шелихова, захватывает и северо-восточную часть Охотского моря. Узловая зона суточного прилива простирается вдоль восточного побережья о.Сахалин к Курильским островам.
Как и в случае волны Мг, область наименьших амплитуд волны К і отмечена вблизи восточного побережья о. Сахалин. Далее её амплитуды увеличиваются в направлении на северо-восток, к зал. Шелихова, где наблюдаются наибольшие амплитуды. Распределения 60
Приливная карта гармоники Мг в Охотском море по результатам численного моделирования [72]. Сплошная линия - изоамплитуды в сантиметрах, пунктирная линия- изофазы в градусах . амплитуд и фаз главной суточной волны, полученные в результате численного моделирования [72], представлены нарис.2.3.
Пространственное распределение амплитуд и фаз другой важной суточной волны Оі имеет структуру, аналогичную полученной для Кь повторяя все особенности даже в деталях.
Комбинация двух основных суточных волн создает характерную для Охотского моря двухнедельную изменчивость величин приливов, которая проявляется как в колебаниях уровня моря, так и в приливных течениях (и просматривается в записях дрейфа льда на РЛС Левенштерна и Одопту) [39].
Приливной дрейф льда вызывается главным образом приливными течениями. Непосредственное влияние на лед приливообразующих сил, а также связанных с приливами уклонов уровня моря, играет второстепенную роль. Приливной дрейф сплоченного льда испытывает влияние внутренних сил взаимодействия между льдинами. Longitude
Однако в большинстве случаев этим влиянием можно пренебречь и, как показывают данные наблюдений [28, 73, 75], в первом приближении допустимо считать, что скорость приливного дрейфа льда в каждый момент совпадает со скоростью приливного течения на поверхности моря.
Оценка параметров скорости дрейфа, обусловленного приливами, производилась методом наименьших квадратов (гл.1., п.1.3.1), как это обычно делается при анализе морских течений. Расчеты выполнялись для каждого месяца отдельно, после чего производилось сравнение полученных результатов для различных РЛС, а также за различные месяцы на одной станции
Наблюдается некоторое уменьшение амплитуд скоростей приливного дрейфа (на 10-15%) в период максимального развития ледяного покрова, который отмечается в районе северо-восточного шельфа о. Сахалин в марте месяце. Вероятно, это связано с общим увеличением массы ледяных полей, их торосистости и других факторов, приводящих к возрастанию сопротивления в приливном потоке [79]. Результаты сравнительного анализа различных станций выявили ряд примечательных черт дрейфа льда, характеризующих особенности приливного режима в исследуемом районе.
На станциях мыс Левенштерна и Одопту высокие скорости дрейфа обусловлены влиянием суточных приливных волн Ої и К], причем рассчитанные параметры соответствующих приливных эллипсов хорошо согласуются с оценками приливных течений в этом районе, приведенными в работах [39, 40], а также полученными автором при анализе наблюдений на Одоптинской, Омбинской, Ханхузинской и других морских нефтегазоносных площадях, расположенных недалеко от радиолокационных станций.
Эллипсы приливного дрейфа на РЛС Левенштерна (а) и Одопту (б) и течений на Ханхузинской (в) и Одоптинской (г) морских нефтегазоносных площадях для основной суточной гармоники К\. Амплитуды нормированы, фазы приведены к условному нулю. Ввиду сильной вытянутости эллипсов горизонтальная и вертикальная шкала отличаются в два раза. Кружками выделены ежечасные положения вектора в приливном цикле, указанные цифрами через каждые 6 часов. На рис. (2.4а,б) приведены эллипсы приливного дрейфа для основной суточной волны К, на РЛС Одопту и Левенштерна, а также соответствующие эллипсы приливных течений (рис.2.4в,г) на Одоптинской и Ханхузинской площадях.
Отмечается, что форма приливных эллипсов для дрейфа и течений имеет идентичный характер, направление обхода вектора в приливном цикле во всех случаях по часовой стрелке. Отмечаются так же некоторые отличия. Эллипсы дрейфа льда несколько больше сжаты, а их большие оси развернуты вдоль берега, что характерно для эллипсов течений на небольших расстояниях от берега. В данном случае измерения движений льда при помощи РЛС и течений относятся к области приблизительно одинаковых глубин, вероятно, указанные различия обусловлены более сильным влиянием бокового трения на дрейф, чем на течения. В целом, выявленные различия относительно невелики и относятся преимущественно к зональной (поперечной к берегу) компоненте дрейфа. Амплитуды скорости и значения фаз меридиональных компонент основных суточных приливных волн дрейфа льда и течений достаточно близки.
Данное соответствие очень важно: для морских нефтегазоносных площадей, где были проведены измерения морских течений, можно получать оценки параметров приливного дрейфа льда (по крайней мере, для вдольбереговой составляющей) простым предвычислением на основе рассчитанных гармонических постоянных. Это позволяет использовать полученные результаты для его оперативного и долгосрочного прогнозирования.
Распределение непериодической компоненты дрейфа
Рассчитанные углы собственных векторов показали высокую стабильность на обеих станциях в разные периоды наблюдения. На станциях Комрво и Одопту в 1992, 1993 гг. значения угла р/ изменялись: от 184 до 191, a q 2 — от 311 до 330. Такие углы соответствуют юго-юго-восточному и северо-восточному направлениям (0 отвечает направлению на север). Ветра этих направлений, а также отличающиеся от них на 180, формируют дрейф в том же самом направлении без каких-либо заметных отклонений. Модуль вектора отклика (при равной единице величине внешнего воздействия это и есть ветровой коэффициент в размерности {см/с/м/с} или в %) и разность между направлениями дрейфа и ветра /? - р, то есть величина дрейфового угла, показаны на рис.3.2 для матриц отклика, рассчитанных по сериям 1992 года для станций Одопту и Комрво. Величина сдвига Р - р изменяется с переменой направления ветра в весьма широких пределах. Максимальные углы отклонения вектора дрейфа от направления ветра достигают 16 в направлении против часовой стрелки и 70,4 по часовой стрелке на станции Комрво (а), в районе РЛС Одопту асимметрия выражена немного слабее, и эти значения составляют 21,7 и 65,7 соответственно (Ь).
Максимальный сдвиг приходится на одни и те же углы направления ветра на обеих станциях (около 15 и 195). Моменты, когда график дрейфового угла пересекает ось абсцисс, как раз соответствуют собственным векторам матрицы отклика, то есть направления дрейфа и ветра совпадают.
Величина вектора отклика в Комрво достигает максимального значения 6,8 % при этом угол направления ветра р равен 135 и 315, угол отклонения дрейфа от направления ветра в эти моменты составляет 27. На станции Одопту максимальная величина вектора отклика 4,0% при ср равном 120 и 300, при значении дрейфового угла 17. Это означает, что ветер со скоростью 10 м/с данных румбов будет вызывать дрейф льда в районе этой станции со скоростью около 4% от величины скорости ветра, то есть около 40 см/с.
Максимальный отклик не приходится на моменты, когда разница углов направления ветра и дрейфа равна 0, это значит, что собственные вектора не совпадают с направлениями полуосей эллипса отклика. Такое совпадение может наблюдаться в случае симметричной матрицы, в то время как рассчитанные матрицы отклика для разных станций и различных временных интервалов были ассиметричными, и во всех случаях выявлено преобладание сдвига по часовой стрелке. Наблюдаемая ассиметрия отклонения, вероятно, является следствием влияния вращения Земли. Можно ожидать, что с удалением от берега эта асимметрия будет возрастать, и на некоторой дистанции от берега
Абсолютная величина вектора отклика (мод), %, и углового сдвига между направлением дрейфа и ветра (угл-сдвиг), град. Направление скорости ветра меняется от 0 до 360. Матрица отклика рассчитана по данным 1992г. на РЛС Комрво я) и Одопту (б). собственные числа станут комплекснозначными, а направление дрейфового поворота станет во всех случаях одинаковым. Существование действительных собственных чисел и, соответственно, наличие таких направлений ветра, при которых дрейф формируется в том же самом направлении, является следствием установившегося баланса между воздействием береговой топографии и влиянием вращения Земли.
В то же время в более близких к берегу точках Si показатель асимметрии выше, чем в рассмотренных более детально удаленных. Это означает, что данный вопрос далеко не так прост, а на характер отклика ледяного покрова на воздействие ветра могут оказывать влияние и иные факторы, например, неоднородность концентрации льда на различном удалении от берега.
На станции Комрво величина углового сдвига и, что гораздо более существенно, ветрового коэффициента больше чем на Одопту. Возможно, это связано с тем обстоятельством, что первая станция находится в более глубоководном районе, вследствие чего влияние рельефа дна значительно слабее, в то время как РЛС Одопту находится вблизи области Пильтунского мелководья. Вообще, иных существенных различий в физико-географических условиях в районах расположения станций не обнаруживается. Хотя РЛС Комрво расположена значительно южнее, основные параметры ледяного покрова (сплоченность, тип, формы льда), измерявшиеся на расположенных вблизи обеих РЛС метеостанциях Сахалинского управления Росгидромета, отличаются незначительно и вряд ли могут быть причиной столь значительных расхождений в величине ветровых коэффициентов. Только по одному показателю - торосистости, есть значимое превышение в районе Одопту. Большая торосистость с одной стороны может приводить к более эффективному отклику на воздействие ветра вследствие увеличения парусности, однако в этом случае у льдин увеличивается и подводная часть, которая, наоборот, уменьшает реакцию на внешнее воздействие. К сожалению, не представилось возможности количественно оценить каким-либо способом влияние торосистости.
В результате воздействия матрицы А на распределенные по единичной окружности вектора ветра получены эллипсы, представляющие геометрическую интерпретацию распределения ветровых коэффициентов в зависимости от направления ветра.
Эллипсы отклика, построенные по результатам расчетов для обеих станций и различных временных интервалов (рис.3.3), ориентированы во всех случаях одинаково, их большие оси вытянуты в направлении северо-северо-запад - юго-юго-восток, что почти совпадает с расположением береговой линии рассматриваемого района (приливные эллипсы ориентированы примерно в том же направлении [38]). Для всех расчетов на РЛС Одопту отношение величина большой полуоси к малой составляет 5-6, на РЛС Комрво сжатие эллипса в приблизительно в полтора раза больше.
Максимальные и минимальные значения «ветровых коэффициентов» равны размеру полуосей эллипсов. Например, при определении регрессионной матрицы для станции Одопту по всему ряду данных за 1993 год, размер большой полуоси составляет около 4%, а малой - около 0,5%. При расчетах по данным каждого месяца отдельно выяснилось, что величина большой полуоси уменьшается существенно в мае, в конце ледового сезона. Аналогичная картина наблюдается и в Комрво - величина главной полуоси достигает 9% в феврале и уменьшается до 6% в мае. Наиболее вероятно, сжатие эллипсов отклика уменьшается вследствие уменьшения сплоченности в период интенсивного разрушения ледяного покрова.
Эллипсы, соответствующие изменению вектора скорости дрейфа при ветре различных направлений со скоростью 1 м/с, построенные по матрицам «ветровых коэффициентов». Расчеты производились по полным сериям данных 1992 и 1993 годов для РЛС Комрво (а) - 1992, (б) - 1993 и Одопту (в) - 1992, (г) - 1993г. Точками «С», «Ю», «В», «3» отмечено положение конца вектора скорости дрейфа, соответствующей северному, южному, восточному и западному ветрам.
Геометрическая интерпретация характера отклика даже в большей степени, чем сами регрессионные матрицы, показывает устойчивость результатов для каждой РЛС по отдельности. Основные различия относятся к величине малых полуосей, в большей степени для станции Комрво, что гораздо менее существенно, чем максимальные значения ветровых коэффициентов. Такая устойчивость полученных оценок достаточно неожиданна, трудно было ожидать подобного для столь сложного процесса, как дрейф льда под воздействием переменных ветров.
Оценка влияния Восточно-Сахалинского течения на дрейф льда в районе РЛС
Простое сложение максимальных значений скорости приливной и ветровой составляющих для РЛС Одопту дает величину около 2.1 м/с. Хотя обычно такой подход неприменим из-за отсутствия возможности определения вероятности полученных значений, в данном случае он дает достаточно разумную оценку (заметим, что максимальная скорость суммарного дрейфа за 12-летний период наблюдений составила для данной станции 1.8 м/с). Для РЛС Комрво получаем, соответственно, 1.7 м/с, для РЛС Левенштерна - 2.3 м/с (здесь, ввиду простого переноса оценки ветрового дрейфа, полученной для Одопту, погрешность может быть более значительной). Тем не менее, со сделанными оговорками, в качестве оценок предельных скоростей дрейфа данные величины могут быть использованы при расчете возможных нагрузок на сооружения нефтегазового комплекса.
Работа посвящена исследованиям особенностей дрейфа льда и деформационных характеристик ледяного покрова на северо-восточном шельфе о. Сахалин, выполненным на основе изучения экспериментальных данных наблюдений, полученных с помощью береговых радиолокационных станций.
Основными результатами работы являются:
1. Установлено, что высокие скорости дрейфа льда в рассматриваемом районе в значительной мере обусловлены влиянием суточных приливов - максимальные скорости приливного дрейфа могут достигать 130-140 см/сек. Эллипсы дрейфа льда для основных суточных гармоник хорошо согласуются с эллипсами приливных течений, измеренных в прилегающей области, что дает основание .. использовать полученные гармонические постоянные для предвычисления скорости дрейфа для морских нефтегазоносных площадей на любой момент времени.
Выявлено, что область высоких скоростей приливного дрейфа обусловлена влиянием суточных шельфовых волн и занимает прибрежную полосу от м. Елизаветы до зал. Луньский - скорости быстро уменьшаются при удалении от берега, а также в южном направлении.
На расстоянии около 3 по широте укладывается полная длина шельфовых суточных волн. На расстоянии половины длины волны приливные течения имеют противоположное направление, образуя зоны конвергенции и дивергенции.
2. Изучены изменения деформационных параметров, вызванные приливными явлениями. На каждой станции зависимость параметров деформации (дивергенция, ротор, скорости деформации растяжения и сжатия по главным осям) от фазы приливного цикла остается стабильной на протяжении всего периода измерений.
На всех трех РЛС зависимость деформационных параметров от направления и величины приливных течений имеет различный характер. На РЛС Левенштерна дивергенция находится в противофазе с меридиональной компонентой скорости дрейфа, на станции Комрво зависимость имеет противоположный характер. На РЛС Одопту максимальные значения дивергенции приходятся на моменты смены направления скорости приливного дрейфа.
3. Получены средние и максимальные значения скоростей деформации сжатия и растяжения, достигающие на станции Одопту значений 2,3-10" с"1 - скорость деформации растяжения, и -2,45-10"5 с"1 - скорость деформации сжатия. На РЛС Левенштерна максимальная скорость деформации растяжения ЫО"5 с"1, сжатия -0,95-10"5 с"1; на РЛС Комрво, соответственно, 0,95-10"5 с 1 и-0,95-10"5 с"1.
4. Для различных фаз приливного цикла построены эллипсы деформации, позволяющие оценить направления максимальных сжатий. В большинстве случаев наличие процесса растяжения соответствует южному и юго-восточному направлениям скорости дрейфа, а процесса сжатия - северо-западному.
5. Выяснено, что деформационные характеристики достигают наибольших значений в прибрежной зоне и уменьшаются с удалением от берега на станциях Одопту и Левенштерна. На РЛС Комрво эта зависимость выражена в меньшей степени.
6. Проанализированы векторные ряды значений непериодической составляющей скорости дрейфа льда и синхронные ряды скорости и направления ветра на РЛС Одопту и Комрво (1992-1993гг.). Получены оценки максимальных скоростей непериодической компоненты дрейфа льда, составляющие для южного и юго-восточного направлений 120-130 см/сек.
7. Для определения характера отклика ледяного покрова на шельфе на воздействие ветра предложена двумерная регрессионная модель, которая в различных вариантах расчетов объясняет от 60 до 80% дисперсии непериодической компоненты дрейфа льда. Как для прибрежных, так и для наиболее удаленных точек наблюдения и для двух различных лет элементы регрессионных матриц имеют близкие значения, но отличаются на разных РЛС.
8. Введена геометрическая характеристика двумерной модели в виде эллипса отклика - образа единичной окружности. Все полученные эллипсы ориентированы в направлении север-северо-запад - юг-юго-восток. Большие полуоси означают наибольшую скорость дрейфа при фиксированной скорости ветра и отвечают направлениям, которые можно назвать «эффективными», соответственно малые полуоси отвечают «неэффективным» направлениям, при которых отклик ледяного покрова минимален. Регрессионные матрицы имеют действительные собственные числа, что указывает на существование собственных направлений, для которых дрейфовый угол равен нулю.
В 1992 г. значения «ветровых коэффициентов» для РЛС Комрво для «эффективных» направлений ветра составили 7,5% и около 1% для «неэффективных», для РЛС Одопту соответствующие значения равны 4,5% и 1%. В 1993 году величины этих коэффициентов составили для Комрво 7% для «эффективных» и 0,5% для «неэффективных» направлений, для РЛС Одопту 4% и 0,7% соответственно.
9. Максимальные значения ветровых коэффициентов на РЛС Комрво существенно, примерно в 1,5 раза превышают таковые для РЛС Одопту. Причина этих различий связана с отличием характера рельефа дна в районах станций наблюдения (в Комрво более приглубый шельф с невыраженной кромкой).
10. Устойчивость матриц «ветровых коэффициентов», полученных за разные периоды времени на каждой РЛС, позволяет использовать их (совместно с предвычисляемой приливной компонентой) при прогнозировании дрейфа льда и ледовых нагрузок на объекты нефтегазового комплекса на северо-восточном шельфе о. Сахалин.
11. Изучен характер ветрового воздействия на изменение деформационных параметров ледяного покрова. Получены оценки максимальных значений дивергенции поля векторов скорости ветрового дрейфа льда, ротора, скорости деформации сжатия и растяжения. На РЛС Одопту максимальная скорость деформации растяжения 3,5-10"5 с" , скорость деформации сжатия -2, 45-Ю 5 с-1. НаРЛСКомрво, соответственно, эти значения составили 1-Ю"5 с"1 и -0,95-10"5 с"1.
Деформационные характеристики изменяются синфазно или в противофазе со скоростью ветра в зависимости от его направления. Деформации растяжения преобладают при северных и северо-западных ветрах, сжатия - при ветрах южных и юго-восточных румбов.
