Список используемых сокращений 3
Введение 4
Глава 1. Короткопериодные внутренние волны и особенности гидрологических условий в исследуемых районах 8
1.1. Короткопериодные внутренние волны как предмет исследования 8
1.2 Физико-географическая характеристика объектов исследования 11
Глава 2. Материалы и методы 36
2.1 Материалы, используемые в настоящей работе 36
2.2 Методика обработки данных контактных измерений 40
2.3 Методика оценки ожидаемых высот внутренних волн 44
2.3 Методика оценки эффектов в придонном слое, вызванных экстремальными внутренними волнами 46
3. Особенности короткопериодных внутренних волн в приполярных и дальневосточных морях по данным экспериментальных исследований 48
3.1 Особенности короткопериодных внутренних волн в Белом море 48
3.2 Особенности короткопериодных внутренних волн в Баренцевом море. 53
3.3 Особенности короткопериодных внутренних волн в Охотском море... 57
3.4 Особенности короткопериодных внутренних волн в Авачинском
заливе 61
3.5 Оценки динамических эффектов, вызванных экстремальными
короткопериодными внутренними волнами в придонном слое 66
Заключение 69
Список используемой литературы
Совершенствование морской транспортной сети и разработка новейших нефтегазоносных месторождений Арктики и Дальнего востока играют ключевую роль для устойчивого экономического развития Российской Федерации [1]. Указанные мероприятия невозможно осуществлять без совершенствования гидрометеорологического обеспечения хозяйственной деятельности. В спектр задач гидрометеорологического обеспечения входит ледовая разведка, прогноз ледовой обстановки, анализ и прогноз морского волнения [2], то есть работа с процессами, происходящими на морской поверхности. Однако процессы, протекающие в деятельном слое моря, также могут вызывать неблагоприятные эффекты. Примером тому могут служить короткопериодные внутренние волны, принимающие вид интенсивных внутренних волн, которые отличаются высотой, превышающей 10 метров, сильной крутизной и нелинейностью [3]. Накопленный экспериментальный опыт показывает, что динамические эффекты от интенсивных внутренних волн затрудняют подводную навигацию [4], ограничивают управляемость подводных необитаемых аппаратов [5], способны размывать донный грунт [6], что может приводить к потере проектной устойчивости гидротехнических сооружений на шельфе [7]. Результаты натурных экспериментов показывают, что для шельфовых районов приливных морей характерна высокая интенсивность локальной изменчивости гидрофизических полей, посредством которой происходит передача энергии от приливных процессов короткопериодному внутреннему волнению [8]. Результаты современных численных экспериментов [9] показывают, что происходящие в настоящем глобальные изменения климата приводят к существенным изменениям в циркуляции и вертикальной структуре вод в приполярных бассейнах, что, в свою очередь, может приводить к увеличению числа мод и росту амплитуд внутренних волн. Таким образом, изучение интенсивных внутренних волн с целью получения их ожидаемых характеристик является весьма актуальной задачей в условиях современного меняющегося климата.
Появление во второй половине XX века спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой позволило обнаружить поверхностные проявления короткопериодных внутренних волн во многих районах Мирового океана. Результаты многолетних исследований при помощи радиолокаторов с синтезированной апертурой позволили выявить районы наибольшей встречаемости короткопериодного внутреннего волнения [10, 11, 12]. В Белом море внутренние волны регистрируются в теплое время года на южной границе пролива Горло и вокруг Соловецких островов; в Баренцевом море - около северного берега Кольского полуострова, южнее архипелага Шпицберген, западнее Земли Франца Иосифа, у пролива Карские ворота; в Охотском море - в шельфовой зоне острова Сахалин, в Курильских проливах; у Тихоокеанского побережья Камчатки - в Кроноцком и Авачинском заливах.
Несмотря на очевидные преимущества космических радиолокаторов с синтезированной апертурой, а именно всепогодность и широкий охват акваторий Мирового океана, физическая природа зондирования поверхности океана при помощи радиолокаторов не позволяет определить по радиолокационным изображениям такие важные характеристики, как высоты и периоды внутренних волн. В шельфовых районах арктических и дальневосточных морей проводились судовые экспедиционные исследования. По данным длительных измерений в Белом, Баренцевом и Охотском морях установлено, что для их шельфовых зон характерно наличие интенсивного внутреннего волнения, которое зачастую проявляется с приливной периодичностью [11, 13, 14]. Частое проявление интенсивных внутренних волн в исследуемых морях делает необходимым понимание возможной максимальной ожидаемой высоты внутренних волн для обеспечения безопасности экономической деятельности. Однако продолжительность судовых и буйковых измерений весьма ограничена, что делает затруднительным прогноз характеристик интенсивных волн, поскольку задача прогноза является многофакторной [15], так как характеристики волн зависят от особенностей стратификации вод, атмосферной циркуляции, величины прилива. При наличии массива высот короткопериодных внутренних волн по данным контактных наблюдений, можно оценить ожидаемые за некоторый период времени высоты волн, например, за месяц. При этом полагается, что различные волнообразующие факторы нивелируют свое действие, и оценка ожидаемых высот короткопериодных волн сводится к решению однофакторной задачи экстраполяции функции распределения наблюдаемых высот волн [16].
Как было сказано ранее, интенсивные внутренние волны вызывают динамические эффекты в придонном слое [6]. В нашей стране эффекты влияния внутренних волн на устойчивость морских сооружений не регламентируются и не рассматриваются в практике инженерных изысканий [17, 18]. Хотя существуют теоретические проработки этой проблемы [6, 19] в которых описываются динамические эффекты, возникающие под влиянием интенсивных внутренних волн. Результаты указанных теоретических исследований предполагают в качестве одного из предикторов для расчета придонных эффектов использовать амплитуду внутренних волн. Таким образом, информация об ожидаемых высотах короткопериодных внутренних волн позволяет оценить возможные динамические эффекты в придонном слое, возникающие при распространении внутренних волн, а также проанализировать их потенциальную опасность для рукотворных объектов.
Целью данной работы является обобщение сведений о характеристиках короткопериодных внутренних волн в шельфовых районах арктических и дальневосточных морей по результатам морских экспедиционных исследований и оценка возможных экстремальных динамических эффектов в придонном слое связанных с ними. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Обработать результаты контактных наблюдений за внутренними волнами в шельфовых районах Белого, Баренцева, Охотского морей и Авачинского залива Тихого океана.
2. Оценить характеристики короткопериодных внутренних волн, такие как высоты, периоды и фазовые скорости.
3. Оценить ожидаемые экстремальные высоты короткопериодных внутренних волн за месяц.
4. Оценить динамические эффекты в придонном слое, вызванные ожидаемыми экстремальными интенсивными внутренними волнами.
Данная работа состоит из введения на 4 страницах, 3 глав на 61 страницах, заключения на 2 страницах, списка использованной литературы из 55 наименований, из них на русском языке - 48, на английском языке - 7.
В ходе работы, в общей сложности, обработано порядка 900 часов записей колебаний температуры в области термоклина на 9 полигонах на акваториях Белого, Баренцева, Охотского морей, выделенных ранее по данным дистанционных наблюдений. На записях, полученных в летние сезоны 2010 - 2018 годов было идентифицировано более полутора тысяч внутренних волн высотами от 2 до 18 метров. Путем экстраполяции гистограммы повторяемости высот волн произведен расчет ожидаемых за один месяц высот КВВ.
В результате работы показано, что в районе Западной Соловецкой Салмы Белого моря, около мыса Свободный в Охотском море, вблизи мыса Шипунский в Авачинском заливе Тихого океана, ИВВ с высотами более 10 метров имеют высокую повторяемость. Один раз месяц в условиях сохранения существующих параметров вертикальной структуры вод в районе Западной Соловецкой Салмы может достигать высоты 28 метров, около мыса Свободный - 15 метров, около мыса Шипунский в Авачинском заливе Тихого океана - 23 метра. Представленные оценки справедливы в целом для прибрежной части арктических и дальневосточных морей России, однако, в отдельный местах, например, вблизи фронтальных разделов, эти характеристики могут заметно отличаться. Поэтому, важной задачей дальнейшего исследования представляется получение продолжительных записей колебаний термоклина на разных полигонах с целью верификации полученных результатов и усовершенствования используемой методики
По результатам обработки обширного массива данных экспедиционных наблюдений в Белом Баренцевом и Охотском морях, в Авачинском заливе Тихого океана сформировано представление о наблюдаемых и ожидаемых высотах короткопериодных внутренних волн. По результатам оценки динамических эффектов в придонном слое, создаваемых ожидаемыми экстремальными ИВВ, показано, что вариации придонного давления не будут оказывать существенного воздействия на морские сооружения. Придонное течение, индуцируемое ИВВ, может достигать 17 м/с и способно размывать илистые и песчаные грунты. В случае совместного действия приливного течения и ИВВ может наблюдаться размытие мелкого каменистого грунта, размером до 8 мм.
Полученные оценки характера влияния ИВВ на транспорт морских наносов показали, что его необходимо учитывать при проведении изысканий перед гидротехническим строительством на мелководных участках шельфа с ярко выраженной стратификацией вод, особенно в приливных морях для обеспечения последующей безопасности сооружаемых объектов. В перспективе дальнейших исследований намечается внедрение методики оценки фазовой скорости КВВ и динамических эффектов в придонном слое, индуцируемых ими, по данным реального непрерывного вертикального распределения плотности. Это позволит более точно оценивать возникающие от ИВВ динамические эффекты.
Результаты настоящей работы представлены на заседаниях Студенческого научного общества океанологического факультета РГГМУ в 2017-2019 годах, всероссийских молодежных конференциях «Комплексные исследования Мирового океана» в 2017-2019 годах, международном симпозиуме «Мезомасштабные и субмезомасштабные процессы в гидросфере и атмосфере» в 2018 году, всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» в 2018 году. Результаты настоящей работы опубликованы в двух статьях в рецензируемом журнале «Фундаментальная и прикладная гидрофизика», а также в пяти сборниках тезисов конференций:
Результаты настоящей работы опубликованы в двух статьях в рецензируемом журнале «Фундаментальная и прикладная гидрофизика» [49, 50], а также в пяти сборниках тезисов конференций [51 - 55]
Автор благодарен Зимину Алексею Вадимовичу, доктору географических наук, профессору СПбГУ, главе лаборатории СПбФ ИО РАН за предоставленную возможность участия в экспедиционных исследованиях.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
