Open with PDF - Институт по Океанология

10Трудове на Института по океанологияТом 4. Варна, 2003Българска академия на наукитеРазпределение на дълбоководните ветро-вълновихарактеристики в българския сектор на Черно мореЖивелина Ив. Чернева, Николай Н. Вълчев, Петя Г. Петрова,Наталия К. Андреева, Надежда Н. ВълчеваИнститут по океанология, БАН, Варна; e-mail: cherneva@io-bas.bgВъведениеПри проектирането, изграждането иподдръжката на бреговите съоръжения енеобходима точна оценка на обстановкатапо време на екстремални вълнови събития.За целта разпределението на ветровите ивълновите характеристики в дълбоководиетотрябва да бъде известно. Настоящотоизследване описва особеностите на ветровълновиярежим, определен по данни отнатурни измервания и резултатите отматематичното моделиране на процеса.Използвани са публикувани метеороложкиданни, за да се обобщят и доразвиятпредишни резултати (Kostichkova,C h e r n e v a, V e l c h e v a, 1997;C h e r n e v a et. al, 2002; C h e r n e v a,V a l c h e v, 2000), върху ветро-вълновитеусловия в българската част на Черно море.Дълбоководните региони, взети подвнимание в настоящата работа, саразположени пред бреговите метеороложкистанции Калиакра, Обзор и Бургас ипредставляват три обособени по своитехидродинамични условия зони от българскатачерноморска акватория.Разпределение на вятъраВетровият режим в българския секторна Черно море се определя от характернияза умерената зона на северното полукълбопренос на въздушни маси с посока запад -изток. Зимният сезон се характеризира съсзападни и северозападни ветрове каторезултат от нарастващата циклоналнаактивност над Средиземно море исъществуващите антициклони над ИзточнаЕвропа. Преходните сезони създаватблагоприятни условия за проявата наюгоизточни и източни ветрове, което сепредопределя от циклоните на полярнияфронт на север от България. Поради факта,че най-силните ветрове се наблюдават преззимата и есента, през тези сезони сарегистрирани и максимални ветрови вълни.Най-слабо е вълнението през лятото.Използвайки публикувани метеороложкиданни (Климатичен справочник,том 4 – Вятър) е направено сравнение навероятностното разпределение на вятъра попосока и скорост за всяка от избранитебрегови метеороложки станции. Резултатитеса показани на фиг. 1. От нея се вижда,че преобладаващите ветрове в българскиясектор на Черно море са от източнатаполовина. Най-силните ветрове са отсевероизток и север и имат най-голямаповторяемост за станция Калиакра.Измерванията на ветровите характеристикив Бургаския залив са повлияни оторографията. На този факт се дължиголемият брой случаи на ветрове с високискорости от изток и югоизток. За станцияОбзор най-силните ветрове са от юг июгозапад.Данни за вятъра от метеорологичнастанция КалиакраДруг масив от данни, използван заоценка на разпределението на вятъра,включва стандартни метеороложкиизмервания на скоростта и посоката навятъра на всеки 3 часа в станция Калиакраза период от 10 години (1972 - 1981). Шест

11Фиг. 1. Разпределение на вятъра F(V) по посоки за брегови станции:а) Калиакра; б) Обзор; в) Бургасгодини от този период (1972 - 1977) сехарактеризират с висока щормоваактивност, а в периода 1978 - 1981 г. сенаблюдава по-ниска щормова активност(Kostichkova, Cherneva,V e l c h e v a, 1997). Използваните експерименталниданни се приемат за пълни, тъйкато установените пропуски са спродължителност не повече от 36 часа.Този времеви интервал не е достатъчен запоявата и затихването на щорм, т. е. считасе, че не са пропуснати щормове вразгледаните дългопериодни редове.Климатичното разпределение на ветровитескорости е представено на фиг. 2.Най-големи скорости на вятъра са регистриранипрез месеците януари-февруари иоктомври-декември. През тези периодискорости на вятъра, по-високи от 15 m/s, сачесто явление както над морето, така и надсушата. Вероятността за възникването наветрове със скорост 3 - 6 m/s се увеличавапрез летните месеци.Резултатите за климатичното разпределениена вятъра по посоки са показани нафиг. 3 и потвърждават заключенията,направени по-горе.Разпределение на вълнитеНаличните данни от климатичниясправочник са обработени по модела наКрылов, С трекалов, Ц ыплухин(1976). Той предлага емпирична връзкамежду елементите на вълните и вълнообразуващитефактори, която се основавана съвместен анализ на натурни илабораторни измервания. В основата намодела стои известният филтрационенметод на Ржеплинский (1968),позволяващ от съвкупността от данни да сеотделят онези от тях, които отговарят на

12Фиг. 2. Климатично разпределение F(V) [%] на скоростта на вятъра V[m/s] поградации за станция КалиакраФиг. 3. Климатично разпределение F(V) [%] на вятъра по посокиза станция Калиакра“идеалните” условия на вълнообразуване.Апроксимиращата функция на моделаобезпечава минимално квадратичноотклонение между натурните данни иданните, получени от филтрационнияметод. За целите на настоящото изследванезоната, в която се изчисляват характеристикитена ветровото вълнение, е изнесенав дълбоководието, при допускане за еднородностна ветровото поле. Разпределениетона ветровите вълни е пресметнато запериода 1931 - 1977 г. Пред станцияКалиакра най-вероятни са ветровите вълниот север, североизток и изток. В района предОбзор най-високи вълни могат да се очакватот североизток и изток, макар че той еоткрит за всички ветрове от източнатаполовина. Ветровото вълнение предакваторията на Бургаския залив сехарактеризира със същите особеностикакто пред Обзор.На фиг. 4 може да се види, че с найголямаповторяемост са вълните със среднависочина по-малка от 0.5 m, докато вълнисъс средна височина по-голяма от 3.5 m санай-вероятни само за района предКалиакра.Стълбовете на фиг. 5 представляватсума от стойностите на средната височинаи период на вълните с повторяемост веднъжна 20 години, получени за избранитестанции по метода, описан вСтроительные нормы и правила(1976). От нея може да се направи следнотозаключение: най-големите стойности навълновите характеристики с повторяемост

13Фиг. 4. Вероятност за повторяемост на вълнението по градации на среднатависочина на вълната, независимо от посоката, за дълбоководните зонипред станции Калиакра, Обзор и БургасФиг. 5. Стойности на средната височина H [m] и период T [s] с повторяемост веднъжна 20 години за дълбоководните зони пред станции Калиакра, Обзор и Бургасведнъж на 20 години могат да се очакват отсевер, североизток и изток, т. е. отвълноопасните посоки за западната част наЧерно море. Сравнително високистойности за средните вълнови периоди саполучени за южна посока.Оценка на ветро-вълнoвите условиячрез използване на данните за вятъра отстанция КалиакраКлиматичните характеристики нависочините на вълните, получени от данниза вятъра от станция Калиакра, сапредставени на фиг. 6 - 8. Показани са самоветровите вълни от вълноопасните посоки.Най-вероятни са ветрови вълни със среднависочина по-малка от 0.4 m, които сенаблюдават през лятото. През периода майавгуствълни със средна височина 2.0 m самалко вероятни. Силни щормове със среднависочина на вълните по-големи от 2.6 m сенаблюдават през периода октомври-март. Снай-голяма вероятност е ветровотовълнение от север-североизток, катосредните височини варират в голяминтервал. Противоположна е ситуацията завълните от юг: вълните с най-голямавероятност са по-ниски и варират в потесенинтервал на изменение.

14Фиг. 6. Климатично разпределение F(H) [%] на средномесечната средна височина навълните [m] от североизточна посока в средната част на Българското ЧерноморскокрайбрежиеФиг. 7. Климатично разпределение F(H) [%] на средномесечната средна височина навълните [m] от източна посока в средната част на Българското ЧерноморскокрайбрежиеФиг. 8. Климатично разпределение F(H) [%] на средномесечната средна височина навълните [m] от югоизточна посока в средната част на Българското Черноморскокрайбрежие

15Диагностициране на ветровото вълнениеСъвременните технологии за използване набреговата зона и прилежащата акваторияизисква познаване на количественитехарактеристики на вятъра и вълните.Липсата на непрекъснати данни заветровото вълнение в условията на силнищормове е пречка за непосредственотоизползване на експериментални данни приопределяне на разпределението навълновите характеристики. Използванетона математичен модел позволява оценка навълнението в дълбоководието въз основа наданни за полето на атмосферното наляганеи възпроизвеждане на пространственитехарактеристики на вълновия процес. Затовав настоящото проучване са дискутирани ирезултатите от приложението на хибриденпараметричен модел (Давидан, ред.,1988). Входна информация за модела саданните за баричното поле над Черно морепрез 3 часа. Те обхващат 59 щорма, запериода 1952 - 1969 година. Подробнаинформация за модела и проверка навалидността му в българския сектор наЧерно море е дадена в Белберов идр. (1992), B e l b e r o v et al. (1997).Моделните резултати са обработенистатистически с цел да се получат максималнитегодишни стойности на среднитевисочини и периоди на вълните.Впоследствие този масив е разширен свсички щормови максимуми, за да сеизбегне ниската статистическа достоверностна редовете с малка дължина.Съдържанието на обобщените данни завятъра и вълнението са разгледани по-долу.Североизточните ветрове преобладавати тяхната скорост е най-висока в сравнениес източните и северните ветрове. Среднитемаксимални скорости на вятъра получени,следвайки модела, са 28.4 m/s, 24.5 m/s и31.4 m/s за избраните дълбоководнирегиони съответно.Вълните от североизток представляват72.9 - 76.3 % за всички случаи на ветровивълни; 55.9 - 83.1 % за мъртво вълнение и66.1 - 71.2 % за смесено вълнение. Що сеотнася за други посоки на подход навълните, те не превишават 27.1 % за посокасевер (пред Калиакра) и 10.2 % за посокаизток (пред Обзор). Южни и югоизточнивълни са рядко срещани и не превишават5 % от всички данни, поради което неподлежат на статистическа обработка. Найголемитесредни височини и периоди саполучени за щормови вълни от североизток.Максималните средни височини навълните са: 4.6 m, 2.9 m и 3.8 m, на коитосъответстват периоди: 8.4 s, 7.7 s, 8.2 s, заизбраните региони. Фиг. 9 дава примери засъвместното разпределение на среднитевисочини и периоди на вълните. Екстремалнитезначения на вълновите характеристикиса представени през интервали от0.5 m и 1 s, съответно. По-голямата част отданните (15 - 25 % в зависимост отизвадката) са концентрирани винтервалите: 1.0 - 1.4 m и 5.0 - 5.9 s, кактоби следвало да се очаква.Въз основа на статистическия анализ намоделните резултати може да се обобщи,че най-суровите ветро-вълнови условия сенаблюдават в северната част на БългарскотоЧерноморско крайбрежие. Всредната част условията са сравнителноумерени. Това може да се обясни секспозицията на брега.Изчисляване на вълните в дълбоководиетоТо се състои в оценка на повторяемосттана средните височини и периодиведнъж за определен интервал от време,т. е. за различни проектни периоди. Зацелта се намира най-вероятноторазпределение на редицата от екстремалнистойности на вълновите параметри, коитоса апроксимирани с познатите функции наразпределение: Фишер-Типет, тип I,Вейбулово и Логнормално. Методиката приекстремния статистически анализ еизложена във Valchev, Cherneva(2002) и е подобна на тази, представена отM u i r, S h a a r a v i (1986).Резултатите показват, че когато се използватредове с голяма продължителност,средните височини най-често следватЛогнормалното разпределение, а среднитепериоди - разпределението на Вейбул. Товае валидно за всички годишни и щормовимаксимуми на вълнението от североизток ичастично от север. Когато щормовитевълни са от изток, средните периоди иматразпределение на Фишер-Типет, тип I.Съответните средни височини обаче сеподчиняват на разпределенията на Вейбули Логнормалното разпределение. Сравне-

16Фиг. 9. Съвместно разпределение на получените от модела средни височини ипериоди на вълните със североизточна посока на разпространение за тритедълбоководни региона пред: а) Калиакра; б) Обзор; в) Бургас

17нието между разпределенията на годишнитеи щормовите максимуми на вълновитехарактеристики показва, че годишнитемаксимуми на средните периоди саразпределени по Вейбул, а среднитепериоди не се подчиняват на строгоопределен закон, особено при смесеновълнение. Характеристиките на щормовитемаксимуми имат главно Логнормалноразпределение. Като цяло ясно изразенообособяване на акватории с различнихидродинамични условия въз основа нанай-вероятното разпределение навълновите характеристики е трудно да сеоткрие. Това вероятно се дължи насравнително малките по обхват региони,предмет на настоящото изследване.ЗаключениеПолучени са разпределенията на вятъраи вълнението в три дълбоководни зони отбългарския сектор на Черно море. Натурнитеметеороложки данни и резултатите отприлагането на математичния модел састатистически обработени. Сравнени савероятностните разпределения на вятъра попосока и скорост. След обработка наданните от баричното поле и пресмятане навятъра се установява, че най-силнитеветрове в българския сектор на Черно мореса от североизток и север и имат найголямаповторяемост за станция Калиакра.Това се съгласува добре с резултатите,получени за климатичното разпределениена вятъра за станция Калиакра. Ветровитевълни от север, североизток и изток са снай-голяма повторяемост, което се потвърждаваот оценките за повторяемосттана средните височини на вълните веднъжна 20 години.Екстремният анализ на резултатите отдиагностичния модел потвърждава заключниятаот климатичното разпределение.Кривите, съответстващи на стойностите нагодишните максимуми с различна повторяемост,са по-стръмни в сравнение с тезина щормовите максимуми. Това разширявадиапазона на очакваните стойности кактона средните височини, така и на среднитепериоди. При това очакваните стойноститеза годишните максимуми са по-високи,особено за по-големи проектни периоди.Тази тенденция се запазва, когато сеобработват редове от данни с по-голямадължина. Всички използвани методикиводят до сходни резултати и заключения.ЛИТЕРАТУРАБелберов, З., И. Давидан,Д. Костичкова, И. Лавренов,Л. Лопатухин, Ж. Чернева.1992. Основные принципи созданиянового ветро-волнового атласа Болгарскогосекторa Черного моря. Трудове наИО, том. 1, 5-12.Давидан, И. (ред.) 1988. Теоретическиеосновы и методы расчета ветровоговолнения, Л. Гидрометеоиздат, 263.Климатичен справочник на България.1982. том. 4, Вятър, ИК “Наука иизкуство”, 383.Крылов, Ю., С. Стрекалов,В. Цыплухин. 1976. Ветровыеволны и их воздействие на сооружения,Л. Гидрометеоиздат, 256.Ржеплинский, Г. В., Ю. М. Кры-лов, Г. В. Матушевский,С. С. Стрекалов, Л. Н. Наза-ретский. 1968. Новый методанализа и расчета элементов ветровыхволн. Труды ГОИН, вып. 93, 5-52.Строительные нормы и правила.1976. Москва, Госстрой.B e l b e r o v, Z., Z. C h e r n e v a,D. Kostichkova, I. Davidan,I. Lavrenov, L. Lopatoukhin.1997. Verification of the hybrid wavemodel for the western Black Sea, Proc. of4 th Int. Tech. Conf. on Ocean Eng. andMarin Tech. “Black Sea'97”, 11-16.C h e r n e v a, Z., N. V a l c h e v. 2000.Wind-wave characteristics in a deep waterpoint in the Western Black Sea, Proc. of 5 thInt. Conf. on Marine Sciences andTechnologies "Black Sea 2000", 77-80.C h e r n e v a, Z., N. V a l c h e v,N. A n d r e e v a, P. P e t r o v a. 2002.Wind wave regime in Western part of the

18Black Sea derived from the coastalmeteorological stations data, Proc. of 6 thInt. Conf. “BLACK SEA’2002”, Varna,Bulgaria, 312-318.Kostichkova, D., Z. Cherneva,A. V e l c h e v a. 1997. Wind WaveClimate of the Western Black Sea, Proc. of4 th Int. Tech Conf. on Ocean Eng. and Mar.Techn. "Black Sea'97", 17-22.M u i r, L., A. E l-S h a a r a w i. 1986. Onthe calculation of extreme wave heights: Areview, Ocean Eng., Vol. 13, No. 1, 93-118.Valchev, N., Z. C h e r n e v a. 2002.Wave regime in open sea in front of theBulgarian coast on the basis of hindcastdata, Proc. of 4 th Int. Conf. On MarineIndustry “MARIND’2002”, Varna,Bulgaria, 325-330.Постъпила на 27.01.2002 г.Offshore Wind Wave Distribution in Bulgarian Part of theBlack SeaZhivelina Cherneva, Nikolay Valchev, Petya Petrova, Natalia Andreeva,Nadezhda Valcheva(Summary)The present paper reveals some of wind wave regime particularities in the Bulgarian BlackSea part on the basis of data sets obtained thorough real measurements, applying of traditionalengineering methods and hincasting. The attention is stressed on the wind wave conditions inKaliakra meteorological station where the severest winds have been registered. Hindcast dataseries are characterized quantitatively. Subsequently, wave regime in three deep-water areas iscompared taking into consideration most probable parent distribution of wind wavecharacteristics annual and storm maxima. Calculation of offshore waves is implemented bymeans of return values of mean wave heights and periods. The conclusion is that differentmethodics give similar results.