Введение к работе
Актуальность темы. Гидрометеорологическое обеспечение судоходства является традиционно актуальной темой морского судовождения, несмотря на успехи судостроения в создании всепогодных судов неограниченного района плавания. По данным Гидрометцентра РФ, около половины аварий на морском флоте происходит по причине гидрометеорологических условий, или в косвенной связи с ними, или отягощено ими. Кроме того, в последние полвека активно развивается морское судоходство на судах смешанного река-море плавания (ССП), которые обладают существенно большей гидрометеозависимостью, чем морские суда. Так, к морскому плаванию эти суда допускаются только с ограничением по высоте волны в районе плавания и с ограничением маршрута по удалению от порта-убежища. Следовательно, актуальность прогноза гидрометеоусловий (ГМУ) для безопасного плавания ССП многократно возрастает по сравнению с морскими судами.
Обеспеченность морского судовождения информацией по анализу и прогнозу ГМУ в настоящее время можно считать достаточной только для отдельных районов Мирового океана. В районах с недостаточной обеспеченностью существенно возрастает роль судового прогноза ГМУ. Но судовой прогноз ГМУ необходим также и в районах с хорошим покрытием прогностической информацией гидрометцентров различных стран в силу специфики судовождения, высокого уровня ответственности судоводителей за принятие управленческих решений, необходимостью оценивать динамику изменений ГМУ в сложных гидрометеорологических условиях чаще, чем с принятой в гидрометцентрах дискретностью в 6-24 часа, а также в связи с необходимостью хотя бы ориентировочной проверки справедливости прогнозов гидрометцентров.
Прогнозы гидрометцентров различных стран, в том числе и Гидрометцентра РФ, строятся на основе численного решения уравнения баланса волновой энергии для спектральных составляющих или для параметров спектра волнения. Это требует сложного вычислительного оборудования, баз данных по исходным ГМУ в узлах сеточной области на обширные районы Мирового океана, больших затрат машинного времени и высокого профессионализма персонала. Поскольку в судовых условиях отсутствуют все составляющие этого процесса, также как и необходимость получения прогноза по всей акватории Мирового океана или моря, судовой прогноз ГМУ должен строиться на альтернативной методологии. Такую возможность для получения прогноза ГМУ в отдельных точках маршрута плавания судна даёт синоптический метод, основной проблемой в котором является прогноз перемещения синоптического объекта (СО) – циклона, антициклона, атмосферного фронта, воздушной массы и т.п.
Традиционно применяемые в судовождении методы графической линейной или криволинейной экстраполяции движения СО не обладают достаточной точностью для заблаговременности прогноза свыше 12-18 часов. Поэтому актуальной задачей для судового синоптического прогноза является повышение его точности.
Для решения практических задач судовождения, связанных с учётом ГМУ для обеспечения гидрометеорологической безопасности плавания, необходима разработка судоводительских приёмов решения задач относительного перемещения судна в ветро-волновом поле СО с учётом ветро-волновых потерь скорости судна, что также актуально в современном судовождении.
Цель работы. Основными целями диссертационной работы являются:
- разработка доступного в судовых условиях метода повышения точности прогноза положения СО и, следовательно, их барических полей, определяющих ветро-волновые условия плавания;
- разработка основных задач судоводительского использования гидрометеорологического прогноза положения СО в интересах безопасности судовождения.
Для достижения поставленных целей потребовалось решение следующих основных задач:
- выбор способа судового прогноза перемещения СО;
- выявление причин недостаточной точности прогноза традиционным в судовождении способом;
- разработка и анализ способов сглаживания исходной информации о движении СО и способа прогноза сглаженных элементов его перемещения;
- статистическая оценка точности разработанных видов формального прогноза по архивным материалам;
- разработка основных задач прогноза относительного перемещения судна в поле СО с графическим и аналитическим решением, обеспечивающих безопасное плавание при наличии в СО опасных волновых зон.
Степень проработанности проблемы. Прогноз ГМУ уже давно находится в поле зрения метеорологов и океанологов, а также моряков и учёных, работающих на нужды судостроения и судовождения. Их трудами созданы удовлетворительные по точности методы прогноза метеовеличин и параметров волнения, применяющиеся в синоптической метеорологии и в современных численных методах, представлено воздействие ГМУ на судно.
Однако, судоводительская практика продолжает испытывать дефицит достаточно простых, применимых в судовых условиях, и в то же время достаточно точных методов прогноза ГМУ, а также методов их использования для обеспечения безопасности плавания.
Объект исследования: перемещение СО со свойственными им гидрометеорологическими условиями.
Предмет исследования: моделирование прогностического перемещения СО и относительного положения движущегося судна в ветро-волновом поле этого СО.
Методы исследования. Для описания движения СО в основном использованы методы навигационного аналитического счисления. Для сглаживания параметров движения циклона – метод наименьших квадратов. Для оценки точности прогноза применены методы сравнения с архивными материалами и статистический анализ. Для решения задач относительного перемещения судна применены штурманские методы графической прокладки относительного движения и методы аналитической геометрии.
Научная новизна. Выполнен сопоставительный анализ точности графического и аналитического прогноза перемещения СО, показавший невозможность достижения требуемой точности при традиционном графическом прогнозе.
Разработан математический аппарат аналитического счисления для описания предшествующего движения и прогноза движения СО.
Разработан метод сглаживания исходной информации о движении СО аппроксимирующей функцией с использованием метода наименьших квадратов.
Получены статистические оценки точности прогноза движения СО на архивном материале северной части Тихого океана, на основе которых выбраны лучшие по точности аппроксимирующие функции.
Разработаны способы графического решения и намечены пути аналитического решения трёх основных задач прогноза относительного перемещения судна в ветро-волновом поле СО с учётом ветро-волновых потерь скорости судна.
Практическая ценность работы. Создана методология повышения точности прогноза перемещения СО, пригодная для использования в судовых условиях.
Разработано графическое решение основных задач относительного перемещения судна в ветро-волновом поле СО с учётом потери скорости судна, что способствует повышению уровня безопасности плавания.
За сезон максимальной штормовой активности северной части Тихого океана (январь-март 2006 г.) получена большая статистика положений идентифицированных СО за последовательные сроки наблюдений.
Результаты работы внедрены в учебный процесс на судоводительском факультете ФБОУ ВПО НГАВТ, а также в виде разработанных рекомендаций на судах.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Применение сглаживания исходной гидрометеоинформации путём её аппроксимации методом наименьших квадратов с последующим применением аппроксимирующей функции для прогноза перемещения СО.
-
Статистика позиций идентифицированных СО северной части Тихого океана по последовательным срокам наблюдений.
-
Среднестатистические значения ошибок прогноза положения циклонов северной части Тихого океана на срок от 6 до 36 часов различными методами аппроксимации и выбор наилучшей аппроксимации.
-
Постановка прямой и двух обратных задач относительного перемещения судна в поле СО с разработанным методом графического решения и подходом к аналитическому решения.
Достоверность результатов достигается применением апробированного математического и программного аппарата, а также достигнутым удовлетворительным для практики результатом сравнения полученных оценок с архивными гидрометеорологическими материалами.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО НГАВТ в 2007, 2009, 2011 годах.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах, в том числе в 4 статьях периодических изданий по перечню ВАК. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста и содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы и 2 приложения на 18 страницах, в том числе 22 рисунка, 17 таблиц, 139 литературных источников.
