Актуальные аспекты интерпретации ветровых и гололедных нагрузок в Сахалинской области

Бернгардт Роберт Павлович, к.г.н, доцент, зам директора по науке Института педагогики Сахалинского государственного университета, ведущий научный сотрудник СКБ средств автоматизации морских исследований ДВО РАН и действительный член Русского географического общества. Научные интересы – климатология и исследования ветровых и гололедных нагрузок на инженерные сооружения. Автор изобретений «Защита линий электропередач», «Способ получения плавающего адсорбента нефтепродуктов». Преподаватель дисциплин: землеведение, экология, биомеханика, метрология, и др.

Сахалинский Государственный Университет.
СКБ средств автоматизации морских исследований ДВО РАН

Сахалинская область образована островом Сахалин, с прилегающими островами в Японском и Охотском морях, а также многочисленными Курильскими островами, находящимися на северо-восточной штормовой границе Тихого океана. Такое географическое положение обусловливает экстремальные явления на всех территориях островов, а также на морях, являющихся неотъемлемой частью социально-экономической жизни сахалинцев и курильчан. Штормовые и ураганные ветра, обледенение, сокрушительное волнение на море и наводнения на побережье с катастрофическими последствиями, потерей имущества и жертвами наблюдаются в Сахалинской области ежегодно.

Результаты расследования обстоятельств, при которых они развивались, показывают, что проблемы возникают всегда и только на тех объектах, которые были запроектированы и построены по изначально заниженным нормам ветровой, гололедной, сейсмической или иной нагрузки со стороны опасных природных явлений. Поэтому на Сахалине существует актуальнейшая проблема уточнения геофизических характеристик, используемых в качестве норм проектирования и технологии производственного процесса.

Предлагаемая статья содержит результаты исследований существующей информации о скорости ветра и обледенении, которые позволяют уточнить нормы ветровых и гололедных нагрузок на различные инженерные сооружения в Сахалинской области. Эти результаты открывают перспективу развития научных работ для качественного улучшения исходной информации о ветре, гололеде и волнении на море для предотвращения любых катастроф с потерями имущества и человеческими жертвами, как на суше, так и на море.

Формулировка проблемы

24-25 ноября 1989 года под действием гололедных и ветровых нагрузок было уничтожено свыше 80% линий электропередачи высокого напряжения. Результаты расследования показали, что все разрушенные объекты были спроектированы и построены по изначально заниженным нормам ветровой и гололедной. Уточнение климатических норм ветровых нагрузок возможно только при использовании однородные рядов измерения скорости ветра. Однако, существующие ныне ряды наблюдений за ветром не обладают достаточной однородностью из-за очень больших расхождений в показаниях различных анемометров при сильном ветре.

Так во время бури прошедшей 22-23 сентября 1981года в городе Александровске-Сахалинском с крыш многих зданий был сорван шифер, было разбито оконное остекление, поломаны деревья и столбы линий электропередачи, повалены заборы. Многие улицы с густым озеленением стали непроезжими и непроходимыми, так как на дорогах и тротуарах из поваленных ветром деревьев и столбов воздушных линий связи и электропередачи образовались завалы, накрепко спутанные обрывками проводов. При этом анеморумбометр М-63М1 потерял флюгарку, разодрав по «живому» металл корпуса. Одновременно ветер сорвал с заклепок лопасти флюгарок двух М-47, установленных рядом. Все названные приборы разрушились при средней скорости 16 м/с и в порыве 19 м/с, зарегистрированной перед поломкой М-63М1. В то же время указатель скорости флюгера Вильда отметил среднее значение – 40 м/с. (Важно заметить, что приборы М-63М1 и М-47 по документации должны были выдерживать ветровые нагрузки до 60 м/сек).

Зарегистрированные новым прибором показания 19 м/с, как оказалось, в сравнении с показаниями старого флюгера Вильда занижали показания при больших скоростях ветра более чем в 2 раза, т.е на больших скоростях ветрах, данные, полученные с прибора М-63М1, нуждаются в корректировке (приведении) в сторону увеличения реально наблюдаемой скорости ветра.

Таким образом формулируется задача на приведение показаний сетевых механических анеморумбометров для условий Сахалинской области, которые применяются как в системе Росгидромета, так и в других ведомствах России.

Краткое описание наиболее распространенных механических анемометров

1. Классификация механических анемометров.

Анемометр МС-13 Анеморумбометр М-63М Корабельный измеритель ветра КИВ

Анемометр АРИ-49 Анемометр М-25 Анеморумбометр М-47 Анемограф М-27С

Анемометр АСО-3 Анемометр М-95 Анеморумбограф М-64 Самописец ветра М-12 Ветромер 8ЮО1М

Анемометр М-61 Анемометр М-92 Анеморумбометр М-63 Флюгер ФВЛ, ФВТ

Рис 1. Различные виды измерителей скорости ветра, используемые в российской гидрометеорологии

Для корректной работы с историческими наблюдениями за ветром, необходимо сделать инвентаризацию различных механических анемометров, прежде всего всех тех приборов, данные измерений которыми имеются в государственном гидрометеорологическом фонде на условиях вечного хранения.

По принципу действия чувствительных элементов анемометры, показанные в таблице рисунков 1, подразделяются на группы:

1. Заторможенные или динамометрические анемометры. К ним относятся такие внешне совершенно непохожие приборы, как – трубки Пито - Прандтля, Ураганометр Гольцмана, Флюгер Вильда, ветромер Третьякова, М-Ю01М, М-27С и другие.
2. Вращающиеся анемометры: чашечные МС-13, АРИ-49, М-12, М-25, М-61, М-95, винтовые АСО-3, М-47, М-63, М-63М, М-63 М1, М-63МР, М-64 и другие.
3. Поплавковые анемометры. Возможность применения поплавковых анемометров при наземных измерениях показана в работе[3].

2.Принципы градуировки механических анемометров

Механический анемометр, как единое целое, состоит из трех основных частей. Приемного устройства, иначе называемого чувствительным элементом; вторичного преобразователя, представляющего собой механическую, пневматическую или электрическую машину, преобразующую, усиливающую и передающую деформацию чувствительного элемента к отсчетному устройству; отсчетного устройства в виде индикатора, указателя стрелки и шкалы, по которым, собственно, и определяется скорость ветра.

Лабораторное моделирование ветрового потока выполняется с помощью специальных машин: аппарат Комба – вращающий поверяемый прибор на штанге длиной 3 метра; или – аэродинамическая труба. Аппарат Комба обычно создает воздушный вихрь, в помещении в котором проводится поверка, что приводит к некоторой систематической ошибке. Поэтому, в настоящее время все градуировки анемометров осуществляются только с помощью аэродинамических труб.

Но реальный ветер всегда обладает сильными пульсациями скорости, степень восприятия которых у каждого типа анемометров различна, и которое невозможно смоделировать ни с помощью аппарата Комба, ни в аэродинамической трубе. Считается, что и вертушка анемометра обладает достаточным инерционным механизмом, сглаживающим быстроизменяющиеся ветровые пульсации. Однако, остается вопрос о корректности загрубления условий проведения градуировочного эксперимента, так как возникающие при разгоне-торможении ветровых датчиков переходные аэромеханические процессы довольно сложны и неоднозначны.

Если вспомнить главный принцип науки метрологии, который гласит, условия градуировки должны соответствовать условиям измерений, то тезис о необходимости пересмотра методик интерпретации гидрометеорологических данных усиливается. Создать в аэродинамической трубе пульсации скорости, идентичные естественным, сложно не столько в техническом, сколько в теоретическом плане, а в общем случае невозможно, так как условия работы измерителей скорости существенно зависят еще и от аэродинамических особенностей самой точки измерения на местности.

3. Проверка достоверности показаний механических анемометров на гидрометеорологических станциях

Поверка механических анемометров согласно Государственному стандарту включает в себя комплекс мероприятий, выполнение которых обеспечивает установление факта исправности прибора, как в целом, так и отдельных его частей, степени соответствия исправного прибора первоначальной конструкции и пригодности его к практическому использованию. Полную поверку все станционные анемометры проходят только в заводских условиях.

На гидрометеорологических станциях (ГМС) исправность анемометров определяется несколькими способами. В первых, оценивается исправность прибора по результатам внешних осмотров, проверки механических узлов и электрических цепей, во вторых, сравнивают показания прибора с показаниями заведомо исправного прибора,, в третьих сравнивают режим скорости ветра либо по кусту ГМС, либо по временному ходу метеорологического элемента.

Рис. 2. Диаграмма числа случаев штормового (≥ 16 м/с) ветра за отдельные годы по группе метеорологических станций западного побережья острова Сахалин, из которой следует многократное «улучшение» ветрового режима после обновления ветроизмерительной техники

Известно, что на станциях в 1970-71 годах наблюдения проводились по ФВЛ и ФВТ, а в 1980-82 годах по М-63М1. Рисунок 2 показывает, что на всех станциях с переходом на наблюдения прибором М-63М1, повторяемости штормового ветра резко уменьшились.

4. Визуальные определения скорости ветра, Шкала Бофорта.

Изначально оценка силы ветра давалась по ощущению, по степени воздействия ветра на суше и море. Мореплаватели используют следующие оценки силы ветра: штиль; тихая погода; слабый ветер; небольшой бриз; малый ветер; свежий ветер; топсельный ветер; крепкий ветер; сильный шквал; свирепый ветер; шторм; ураган. Эти названия использовал адмирал Бофорт в шкале баллов.

Рис. 3. Шкала Бофорта в разные годы применения

В 1869 году шкала Бофорта получила численную оценку скорости ветра, соответствующую каждому баллу. Эти оценки, т.е. эквиваленты скорости баллам, были предложены Скоттом и применялись в английской метеорологической службе до 1909 года, а в русской до 1914 года. После эквивалентов Скотта применялись эквиваленты Кеппена и Симпсона, которые в 1913 году Римским собранием Постоянного метеорологического комитета были признанны наилучшими.

Графики рисунка 3 показывают, что согласно рекомендациям Всемирной гидрометеорологической организации (ВМО) с 1946 года применяются эквиваленты Симпсона.

На метеостанциях, при неисправном анемометре, скорость ветра также измеряют визуально с применением шкалы Бофорта. С целью количественной оценки, точности определения визуальной скорости ветра в Александровской ГМО было проведено длительное по времени наблюдение с использованием визуальных и приборных (М-63М1) оценок скорости ветра. Всего, в течение года, было проведено свыше 800 пар сравнительных наблюдений. Данные наблюдений были подвергнуты климатологической обработке.

Рис. 4. Годовой ход скорости ветра (м/сек)

Получилось, что визуальные наблюдения в среднем дают несколько заниженные оценки ветрового режима (рис.4). Попытка же сделать среднегодовое сопоставление данных визуальных и натурных наблюдений показала следующее распределение поправок в зависимости от скорости наблюдаемого метра (рис 5). По-видимому, такое сильное несоответствие оценок скорости ветра связано как с психологическими особенностями наблюдателя, но также и с особенностями анемометра М-63М1.

Рис.5. Ход поправки к визуальной скорости ветра.

В целом же, опыт показал, что систематизация наблюдений по шкале Бофорта позволяет правильно оценить режим скорости ветра, как в годовом ходе, так и в текущей погоде.

5. Сравнение синхронных показаний станционных анемометров в репрезентативных условиях метеорологической площадки.

Для измерения скорости ветра на ГМС применялись и применяются следующие анемометры: ФВЛ, ФВТ, М-63, М-63М, М-63М1, М-47, М-12, М-27С. Приборы М-12 и М-27С – анемографы. Они применялись на выборочной сети для непрерывной регистрации скорости ветра. Поэтому в качестве основных сетевых анемометров следует считать три прибора: 1. ФВЛ, ФВТ; 2. М-63;3. М-63М, М-63М1. Именно этими приборами измерялась и измеряется скорость ветра на сети метеорологических станций России [3]. Приборы М-63 и М-63М, М-63М1, несмотря на внешнее сходство, сходство в названиях, по сути, являются принципиально отличающимися друг от друга как по устройству вторичных преобразователей, так и по устройству винта.

За сравнительно небольшую историю своего применения винтовые анемометры подверглись существенным конструктивным изменениям, имеющим принципиальное значение. В отличие от них флюгеры ФВЛ и ФВТ, за более чем 130-летний период эксплуатации, конструктивно не изменились, а потому все полевые испытания новых анемометров выполнены в сравнении с их показаниями.

На рисунке 6 приведены графики сравнения средних скоростей ветра, полученные разными авторами по флюгеру и другими приборами в полевых, репрезентативных условиях метеоплощадки или специально оборудованного для этой цели полигона [3]. Следует сделать следующие выводы. Расхождения в показаниях флюгера и анемографа М-27С несущественны. ФВТ и М-27С динамометрические анемометры. Их показания автоматически приведены к стандартной плотности воздуха, и в расчетах ветровой нагрузки поправок не требуют. Показания ФВТ и М-27С, начиная со скорости ветра 10 м/сек, и при больших скоростях, оказываются завышенными по сравнению с показаниями таких вращающихся анемометров, как М-12, М-63М1. Абсолютная величина разности увеличивается с ростом скорости ветра, достигая 8-12 м/сек.

Рис. 6 Графики сравнений показаний сетевых анемометров в репрезентативных условиях .

О критериях опасной силы ветра

Так как при одной и той же силе ветра показания различных анемометров существенно отличаются друг от друга, возникает естественный вопрос, – как оценивать опасную силу ветра? Может ли скорость ветра служить надежным критерием опасной силы ветра? Для динамометрических анемометров ответ однозначен. В процессе измерения указанными приборами происходит автоматическое приведение их показаний к стандартной плотности воздуха, и такие показания могут служить критериями опасной силы ветра. Сказать то же самое про класс вращающихся анемометров нельзя. Во-первых, при использовании данных вращающихся анемометров нужно учитывать влияние плотности воздуха на оценку силового давления ветра.

Во-вторых, показания вращающихся анемометров зависят от структуры потока, его порывистости. Чем сильнее ветер, тем больше частота следования порывов и их размах, тем больше ошибка в оценке силового давления ветра. Для равнинной местности, где атмосферное давление близко к значению 760 мм. рт. столба, можно указать значения скорости, соответствующие равной силе ветрового воздействия. Эти критерии определены по обобщенным графикам соотношений средних скоростей и максимальных порывов ветра.

При составлении таблицы критериев за основу взяты показания скорости ветра по ФВТ, так как данные об опасной силе ветра получены на основе обобщений наблюдений по флюгеру [6], задолго до внедрения на сеть прибора М-63М1. После замены ФВТ на М-63М1 критерии опасной силы ветра оставлены без изменений [6] и потому они устарели.

Иными словами, имеется настоятельная необходимость в разработке современных критериев опасной силы ветра, которые учитывали бы особенности измерений скорости ветра не только анемометрами Росгидромета, но и анемометрами других ведомств, включая зарубежные приборы, ввезенные в Россию и применяемые на Сахалине в составе технологического оборудования.

Выводы

1.Информация о приземной скорости ветра сети ГМС Росгидромета сформирована на данных измерений анемометрами двух классов, из которых ФВЛ. ФВТ это класс заторможенных анемометров, а М-63, М-63М, М-63М1 – класс вращающихся анемометров. Базовым анемометром в системе Росгидромета в настоящее время является М-63М1.

2.Расхождения в показаниях анемометров обусловлены причинами, которые современными метрологическими средствами не поверяются, а потому не учитываются при проведении гидрометеорологических наблюдений на сети станций.

3.В зависимости от применяемого на сети наблюдения типа пробора, необходимо использовать поправки для приведения скорости ветра к единой шкале. Соответственно, там где используются винтовые анемометры, аналогичные поправки следует внести в оценки опасных и особо опасных скоростей ветра

Интерпретация гололедных нагрузок при обледенении внешних конструкционных элементов сооружений, установленных на сахалинских месторождениях нефти и газа шельфа Охотского и Японского морей

Ветровые нагрузки на морские инженерные сооружения, в том числе установленные на месторождениях нефти и газа шельфа Охотского и Японского морей, будут усугубляться в холодное время года чрезвычайно опасным явлением – обледенением. Обледенение это общее название замерзшей атмосферной влаги и морских брызг на поверхности различных объектов: в том числе на почвенном покрове, дорожном покрытии, деревьях, зданиях, опорах и линиях электропередач, а также портовых и инженерных сооружениях на шельфе.

Особенности условий обледенения приводят к различным видам накопления снежно-ледового покрова на открытых поверхностях инженерных сооружений, которые представлены на рисунках 7-10.Обычно это так называемый сублимационный и конденсационный лед, водный лед, мокрый снег, и различные их сочетания.

Рис. 9 Гололед волнистообразный

Сублимационный и конденсационный лед представленный на рисунке 7 кристаллической изморозью, имеет кристаллическое строение и небольшую плотность. Он образуется непосредственным переходом водяного пара в лед на уже имеющиеся кристаллы льда, при замерзании конденсационной влаги. Оба этих процесса идут одновременно, и отделить один от другого не представляется возможным.

Рис. 8. Зернистая изморозь на 5 мм тросе

Водный лед образует зернистую изморозь и гололед. Зернистая изморозь это снеговидный осадок льда зернистого строения и рыхлой структуры показана на рисунке 8. Гололед показан на рисунке 9, это слой плотного прозрачного или матового льда стекловидной структуры, образовавшийся на поверхности в результате замерзания осадка переохлажденных капель дождя, мороси или тумана.

Рис. 10. Мокрый снег

Мокрый снег, показанный на рисунке 10, образует осадок, обладающий способностью обволакивать круглые элементы конструкции и длительно существовать при положительной температуре воздуха от 0 до +1,4 градуса.

Наибольшую опасность представляют собой отложения гололеда, мокрого снега и зернистой изморози, так как они создают значительные весовые, ветровые и результирующие нагрузки инженерных сооружений. Но все виды обледенения в значительной степени ухудшают условия радиосвязи и увеличивают потери электроэнергии на коронные разряды в линиях электропередачи высокого напряжения.

В штормовой осенне-весенний период на морском шельфе Сахалина все мореплаватели обязательно встречаются с двумя классами обледенения:

Фото 11. Обледенение надстроек и палубных устройств корабля может наблюдаться при положительных температурах воздуха порядка +2-4°С и сильном ветре, что представляет большую опасность для мореплавателей

1. Набрызговым обледенением элементов конструкции расположенных в самом нижнем, приводном слое атмосферы.

2. Отложениями различных видов атмосферного льда: собственно гололеда, замерзшего мокрого снега, различных видов изморози, включая иней, на всех элементах конструкции.

Набрызговое обледенение представляет очень серьезную опасность для кораблей и судов, и наиболее активно такое обледенение проявляться при следующих сочетаниях метеоусловий:

1) большой скорости ветра;
2) с развитым на поверхности моря ветровым волнением;
3) температуре воздуха, которая близка к температуре замерзания морской воды.

В 1969 году в Татарском проливе по причине обледенения перевернулось и затонуло научно-исследовательское судно «Гидролог» Сахалинского Управления Гидрометслужбы. Экипаж «Гидролога» погиб. Но чаще всего обледеневают и гибнут суда рыбаков. Напоминанием о таких трагедиях служит памятник погибшим рыбакам установленный в г. Невельске.

Имеются так же данные о том, что набрызговое обледенение представляет угрозу даже для объектов удаленных от морского побережья. Процесс развивается по следующей схеме. Мельчайшие капли водяной пыли, сорванные ветром и поднятые в атмосферу с поверхности штормовых волн и волн прибоя, распространяются на десятки километров от моря вглубь острова Сахалин. Каждая такая пылинка, в атмосфере становится капелькой переохлажденной воды и активным ядром конденсации. Мириады пылинок инициируют процессы выпадения на Сахалине мощных ливневых осадков, в виде мокрого снега. Снежинки мокрого снега, содержащие переохлажденную воду, при контакте с поверхностью проводов, ветками деревьев мгновенно примораживаются к ним, образуя прочный осадок. Этот осадок в считанные минуты вырастает до огромных размеров, образуя не только весовую, но и растущую, за счет увеличения парусности, ветровую нагрузку. Результирующие нагрузки на провода электропередачи в такие мгновения могут достигать чудовищных величин – десятков килограмм силы на погонный метр.

Рис. 12. Показан рабочий процесс измерений различных характеристик набрызгового обледенения перил лестницы ведущей по внешней стороне на верхние этажи здания, расположенного на пирсе морского порта. Измерения проведены на высотах 5, 7, 9, 10 метров над средним уровнем поверхности моря.

Такое явление может наблюдаться и на шельфе, даже в том случае, если вокруг льды. Например, практически все метеостанции, расположенные на побережье Охотского моря зарегистрировали случаи скорости ветра больше 20 м/с при обледенении проводов. Наиболее опасные случаи обледенения из-за отложений мокрого снега, гололеда, зернистой изморози чаще всего происходят при восточном, юго-восточном и южном ветре. По данным береговых метеорологических станций они имеют два максимума повторяемости. Первый максимум наблюдается в ноябре – декабре, а второй с марта по май включительно.

При температуре воды ниже нуля градусов, выпавший на поверхность воды снег, не тает, но и не смерзается быстро в ледяные поля. Он пропитывается водой, уплотняется и представляет собой кашеобразную массу, именуемую снежурой. Если штормовая волна, несущая снежуру, начинает в открытом море захлестывать палубу корабля, трагедия не минуема.

Снежура, попавшая с гребня штормовой волны на палубу, задерживается у препятствий на ее поверхности, освобождается от воды и практически мгновенно смерзается, образуя вязкий и прочный лед. С каждой новой волной препятствий на палубе корабля от замерзшей снежуры становится больше и больше, интенсивность нарастания опасного льда быстро увеличивается.

На поперечном разрезе отложения льда (Рис.12) заметны четыре темные полосы. Очевидно, каждая темная полоса отражает время экспозиции осадка в промежутках между штормами, так как именно за время такой экспозиции происходило окрашивание сажей внешней стороны осадка. Эти полосы указывают на то, что данное набрызговое обледенение образовалось за 5 штормов. Таким образом, можно уверенно делать вывод о существовании интегральной зависимости весовой нагрузки набрызгового обледенения от числа штормов.

По форме, осадок льда, изображенный на рисунке 12, асимметричен центральной линии перил и по этой причине образует значительную, боковую составляющую силы, обращенную к внешней стороне здания и стремящуюся отломать перила от здания, что в конечном итоге нередко и происходит. Видно также, что в нижней части осадок имеет ноздреватую структуру и представляет собой множество смерзшихся сосулек.

В таблице приведены измеренные данные плотности, солености и веса отложения на высоте 0, 5, 7, 9, 10 метров над средним уровнем моря

Данные этой таблицы позволяют сделать следующие выводы:

1. Плотность льда при набрызговом обледенении меньше плотности морского льда и составляет в среднем 0,8 г/ см³. Наименьшая плотность льда в осадке наблюдается на высоте 5 метров над средним уровнем морской поверхности.
2. Соленость льда образовавшегося при набрызговом обледенении вначале уменьшается до высоты 7 метров, а затем возрастает при сравнении с соленостью на уровне 7 метров. С достаточной долей уверенности можно предположить, что на большей высоте осадок образуется мелкими каплями морской воды, которые имеют большую соленость из-за процессов испарения. Безусловно, определенная зависимость солености от высоты имеется.
3. Вес одного погонного метра наледи на перилах здания заметно уменьшается с ростом высоты над средним уровнем поверхности моря, и стремиться к пределу равному весовой нагрузки возникающей по причине отложения осадка атмосферного льда.
4. Существует слой атмосферы, в пределах которого обледенение элементов конструкции происходит и от брызг поднятых ветром при ударе волн о кромку сооружения, или непосредственно сорванных с гребня волн и в результате отложения различных видов атмосферного льда.

Выше данного слоя в атмосфере будет происходить обледенение элементов конструкции исключительно в результате отложений различных видов атмосферного льда, т.е. будет осуществляться другой вид опасного явления. Основными влияющими факторами на такой вид обледенения являются:

1. Температура воздуха ниже +1,4 градуса.
2. Наличие осадков в виде мокрого снега, ледяного дождя или переохлажденных капель дождя, мороси.
3. Наличие значительной скорости ветра.
4. Наличие смешанных осадков при температуре ниже нуля градусов.
5. Наличие дымки, тумана, низкой облачности, метели с выпадением снега.

О размерах и форме обледенения различных элементов конструкции высотного инженерного сооружения можно судить по рисунку 13. С ростом высоты над уровнем поверхности моря величина такой нагрузки будет уменьшаться.

Величину весовой нагрузки атмосферных видов обледенения можно оценить, опираясь на результаты более ранних научных исследований автора данной статьи по проблеме обледенения высотных сооружений в пределах Сахалинской области [3].

Расчеты гололедных нагрузок высотных сооружений были проведены с использованием данных аэрологических наблюдений по методике разработанной в Главной геофизической обсерватории доктором географических наук, профессором М.В. Завариной и доктором географических наук, профессором В. Г. Глуховым [5]. Согласно расчетам, ежегодно следует ожидать: на высоте 100 метров над средним уровнем моря весовую нагрузку атмосферного льда на одном погонном метре провода диаметром 10 миллиметров не менее 0,7 кг. В слое от 100 до 200 метров эта нагрузка возрастет незначительно и на высоте 200 метров составит всего 0,74 кг. На высоте 300 метров вес осадка возрастет до 1,1 килограмма, а на высоте 500 метров составит уже не менее 3 кг. На высоте 1000метров расчетная нагрузка ожидается не менее 3,8 кг.

В отдельные, особо неблагоприятные годы, следует ожидать многократного превышения уровня гололедных нагрузок. Тем не менее, общая закономерность изменения гололедных нагрузок в атмосфере над районами с месторождениями нефти и газа на сахалинском шельфе определена достаточно надежно. На рисунке 14 приведен обобщенный график гололедных нагрузок (в логарифмическом масштабе) на отдельные элементы искусственных сооружений сахалинского шельфа. На высоте 26 метров происходит переход от набрызгового обледенения к обледенению, вызванному отложением атмосферного льда.

Особенности ветрового волнения на сахалинском шельфе Охотского моря (путевые наблюдения в экспедиции 2001 года)

При длительном безветрии, в отсутствие заметных волн зыби Охотское море становится ровным и зеркально гладким. Только дальняя океанская зыбь, да морские животные, птицы и корабли на непродолжительное время слегка его поверхность.

Внезапно, далеко у горизонта, появляются темные и светлые полосы, которые приближаются. И непонятно, то - ли корабль движется им навстречу, то - ли он притягивает их как магнит. Явление созерцают члены штурманской команды и участники экспедиции. Одни говорят, что у горизонта нас ждут отмели, а другие, - что это тени бегущих по небесному своду облаков. Череда полос быстро приближается. Подул тихий ветер и спор прекращается. Все видят, черные полосы - это ветровая рябь на вершинах длинных пологих волн зыби, пересекающих путь корабля, а светлые полосы - это незамутненные подошвы соседних волн. Суммируя среднюю ширину светлой и темной полосы, находим, что длина волн, настигших корабль, не менее 300метров.

Проходит еще немного времени, и полосы занимают все видимое пространство от горизонта до горизонта. «Море в тельняшке» – говорят бывалые моряки.

Рябь – это первая, начальная стадия образования ветровой волны. С десятиметровой высоты верхней палубы научно исследовательского судна «Павел Гордиенко» удобно и хорошо рассматривать ее структуру. Рябь удивительно похожа на крупноячеистую рыболовную сеть, свободно плавающую на поверхности воды. Шнуры сети, колеблются: изгибаясь и выравниваясь, делая ячейки ряби то округлыми, то ромбическими, то квадратными. В пересечениях шнуров, там, где находятся узлы, заметны поднимающиеся вверх бугорки растущих ветровых волн. Длина шнуров, ограничивающих ячейки ветровой ряби, составляет несколько порядков их ширины.

Ветер усиливается. Полосы светлой воды становятся узкими и вскоре совсем исчезают. Сети ряби на волнах зыби смыкаются, а водяные шнуры, обрамляющие ячейки, обретают разные размеры. Они тонкие у подошвы, и толстые, набухшие на вершинах волн. Узлы пересечения шнуров заметно поднимаются вверх.

Крепчает ветер, добавляя своей скорости 1-2 м/с. Узлы на месте пересечения шнуров сливаются, образуя настоящий фронт ветровой волны. Еще несколько мгновений и по морю бегут заметные, до 0,2–0,3 м высоты, ветровые волны. Расстояние между этими волнами небольшое, не более 1-2 метров, но оно неуклонно растет. Фронт ветровой волны, почти перпендикулярен направлению ветра, измеренному на высоте 18 метров над поверхностью моря. Фронт короткий. С флангов он круто обрывается, что бы вновь вздыбиться над пучиной моря новым коротким фронтом, новой волны. Море в подошвах ветровых волн неровное. Хорошо видно, как оно колеблется в такт, с другими, теперь уже пологими волнами, и по-прежнему покрыто сеткой ряби. Вершины, этих пологих волн, на одной линии с фронтальными разрывами ветровых волн. Длина пологих волн многократно превосходит длину ветровых волн. Однако фронты пологих волн можно определить весьма условно. Они коротки, прерывисты и перпендикулярны фронтам ветровых волн.

Проходит еще немного времени и вот уже умеренный ветер гонит караван ветровых волн. И в этот момент происходит чудо. Поверхность моря на склонах продольных волн внезапно покрывается чешуей мелкой ряби и будто вскипает. Одновременно стремительно растут их вершины. Они захватывают крутые вершины соседних ветровых волн, сливаются с ними, и новые, только что рожденные волны, клином, обгоняя ветер, стремительно движутся вперед, поглощая и опрокидывая гребни других ветровых волн, расчищая за собой большое пространство чистой, свободной от ветровых волн, воды. То тут, то там по морю бегут обгоняющие друг друга волны-стрелы. Проходит еще несколько мгновений и поверхность воды покрывается белопенными бурунами. «Море в барашках» – говорят бывалые моряки.

Начинает дуть сильный ветер. Чаще и стремительней летают по морю волны - стрелы, генерируя длинные волны ветровой зыби, как в продольном, так и в поперечном направлениях ветру. Ложбины, между соседними волнами зыби, имеют сравнительно ровную поверхность и похожи на небольшие футбольные поля. Эти поля при дневном освещении дают яркие блики и кажутся покрытыми серебристой травой. На самом деле это крупная рябь и мелкие ветровые волны. Все чаще и чаще корпус корабля принимает на себя удары крупных волн моря. Корпус гремит, дрожит и вибрирует. Усиливаются бортовая и килевая качки. Не закрепленные предметы живают. Всем членам экипажа все чаще приходится хвататься за поручни, удерживая равновесие на кренящейся палубе корабля.

Сильный ветер продолжает дуть несколько часов и вдруг при сильнейшем ударе волны прибор - эхолот, указатель глубины моря, начинает подавать сигнал тревоги и обращает на себя внимание штурманской команды. Вахтенный штурман сердито отключает зуммер эхолота. Но проходят мгновения, вновь удар волны и эхолот вновь подает сигнал тревоги. Вахтенный вновь отключает зуммер.

Сигнал зуммера эхолота обычно указывает, что под днищем корабля очень мелко, или корабль совершает попятное движение. При попятном движении корабля турбулентные вихри идущие от винта не пропускают ультразвуковые волны, и эхолот зуммером сигнализирует о таком явлении. Однако корабельный лаг исправно показывает скорость и отсчитывает пройденные мили. Глубина свыше ста метров.

Прошу вахтенного не отключать зуммер и определяю моменты удара волн и длительность сигнала зуммера эхолота.

5 часов 26 минут 15 секунд – удар волны, зуммер сигналит 5 секунд.

5 часов 44 минуты 45 секунд – мощнейший удар волны и сильный крен корабля. Зуммер тревожно сигналит и мигает красными лампочками 15 секунд.

6 часов 54 минуты 50 секунд – удар волны и крен корабля. Сигнал – 5 секунд.

7 час. 10 минут 35 секунд - удар. Корабль на мгновение останавливается, зависает и с шумом проваливается в бездну. Раскаленные лампы эхолота мигают кровавым цветом. Зуммер отчаянно верещит 10 секунд.

7 часов 20 минут 50 секунд – удар волны. Зуммер гудит всего три секунды.

Ветер заметно стихает, и атаки штормовых волн на корабль слабеют.

Удивительно, как быстро гаснет ветровое волнение моря. Скорость ветра 10 м/с., а «барашки» уже исчезли. При скорости ветра - 5 м/с. практически исчезает рябь.

Только длинные волны зыби плавно поднимают, и затем медленно опускают корабль, укачивая, словно бы убаюкивая всех членов экипажа.

Между крупными волнами зыби море колеблется мелкими волнами, создающими углубления матово - оловянного цвета на его поверхности. «Море в ложке» – говорят бывалые моряки.

Скорость ветра уменьшается до 3-4 м/с. Море приобретает новый вид. Будто множество кривых зеркал плавает и качается на его поверхности.

Мерно работают машины и корабль уверенно, неуклонно через царство «Кривых зеркал» идет к своей цели.

Список литературы

1. Бернгардт Р. П., Заварина М. В. Климатологическая оценка точности измерения больших скоростей ветра. Труды ГГО, 1974, вып. 333. с.121-129
2. Бернгардт Р.П. Восстановление однородности рядов максимальных скоростей ветра. Труды ГГО, 1983, вып.475.с. 51-55
3. Бернгардт Р.П. Силы ветра (мера, расчет, польза) Александровск-Сахалинский. 1994г. 180 с.
4. Бучинский В. Е. Атлас обледенения проводов. Л. Гидрометеоиздат, 1966. 114 с.
5. Заварина М. В. Строительная климатология. Л., Гидрометиздат, 1976. 312с.
6. Инструкция гидрометеорологическим станциям (АМСГ и постам) по информации об опасных гидрометеорологических явлениях. М., Гидрометиздат, 1972, 1984.14с.
7. Красный М.Л. и др. Пути создания системы мониторинга шельфа Сахалинской области.Южно-Сахалинск . 1998. 207с.
8. Хргиан А. Х. Очерки развития метеорологии Изд. 2. Л., Гидрометиздат, 1969.428с.
9. Wild (H) Windfahne mit enfachen Windstarkemesser. St. Pet. 1875. 18с.