Опасные факторы на море.

Наиболее опасными для людей и имущества факторами тропического циклона представляются ураганные ветры, ураганные волны, штормовые нагоны и морские волны.

Транспортирующая и разрушительная сила ураганов, в основном, создается ветром огромной скорости, ветром, несущим большие массы воды, грязи и песка. Совместное действие ветра и воды — вот в чем заключается сила урагана.

Подсчитано, что ветер со скоростью 40 м/с оказывает давление 100 кГ/м². Поверхность площадью в несколько квадратных метров будет испытывать давление в тысячи килограммов, а во время сильных ураганов скорость отдельных порывов возрастает до еще больших цифр, порядка 120 м/с с давлением в 900 кГ/м². Такого страшного давления ничто не может перенести, и разрушаются все здания, даже каменные.

Любой ураган, независимо от того, где он происходит, обладает страшной разрушительной силой. Как пример можно взять ураган 11 января 1866 г. в Шербуре, на побережье Франции. В порту находилось тридцать два судна, двадцать два из них были разбиты бурей у стен города. Громадные глыбы весом в 2—3 т, лежавшие у основания мола, были подняты на высоту более 8 м и выброшены на поверхность мола. Волны, ударявшие о мол, давали каскады брызг высотой 50—60 м. Бешеный ветер подхватывал их и горизонтальным покровом уносил далеко в город.

Штормовые, ураганные волны — это поразительное, иногда потрясающее явление, нередко сопровождающее переход урагана с моря на сушу. Вступая на мелководье, ураган оказывает на воду чрезвычайно сильное давление, буквально выжимая ее перед собой. Образуется громадный, длинный водяной вал (волна), движущийся с большей скоростью перед ураганом и с меньшей по его бокам. Передняя волна всегда идет вместе с ураганом, сопровождаясь страшным ветром, ливнями и грозами. Боковые волны уходят в сторону от урагана и иногда обрушиваются на берег при полном затишье. Такие волны в Японии имеют особое название— «унэре». Они предупреждают о близости урагана.

Сильные ураганы образуют громадные волны еще в открытом океане. По расчетам В.В. Шулейкина (1960), ураган со скоростью ветра 60 м/с образует волну высотой 12.5—13 м и длиной 230 м. При приближении такой колоссальной волны к берегу сначала уровень воды поднимается медленно, постепенно. В определенный момент происходит скачок — уровень прыгает вверх, и вода обрушивается на сушу. Этот скачок вызывается волной, идущей перед центром урагана и достигающей наибольшей высоты (Понявин, 1965).

Размеры ураганной волны весьма различны, от нескольких десятков сантиметров до 12—14 м. Они зависят от силы урагана, от того, какая часть урагана проходит в данном месте — центр или периферия. Большое значение имеют географические условия.

Наибольших размеров штормовые волны достигают вдоль западного побережья Тихого океана. Рекордное количество жертв (300 000 человек) унес тайфун 1881 г. на побережье Северного Вьетнама, в районе Хайфона. Наибольшей высоты (14 м) волна достигала 30 июня 1905 г. на Маршалловых островах (Visher, 1925, р. 64).

Ураганные волны на побережье Китая нередко достигают высоты 2—3 м, а в отдельных случаях и значительно большей. Степень их разрушительной деятельности зависит от характера берега. Особенно велика она на низменных, густонаселенных участках. Так, например, в низменной дельте р. Хан, у города Шаньтоу, 2—3 августа 1922 г. ураган сопровождался сравнительно небольшим общим повышением уровня — 2.5 м, но отдельные волны достигали 7.5 м. Вода перекрыла всю дельту, поднявшись высоко по реке. Наводнение увеличилось еще больше благодаря страшному ливню. Ветер достигал ужасающей силы: в течение 2 ч его скорость превышала 150 км/ч. Разрушения были громадны, погибло около 60 000 человек (Visher, 1925).

Рис. 2.1.16. Ураганная волна высотой 6 м, надвигающаяся на берег в Новых Гебридах. (Rue, 1940, piс. IX).

Ураганная волна, стеной надвигающаяся на берег Ново-Гебридских островов, была высотой в несколько метров (рис. 2.1.16).

Ураганные (ветровые) волны, вызываемые японскими тайфунами, и их разрушительная деятельность описаны Окута Минору (1963). Наиболее ужасным из них был тайфун Исэван (Вера, № 15) 26—27 сентября 1959 г. Высота ураганной волны достигла 5.2 м; она перекрыла дамбу высотой 4.8 м в районе гавани Нагойя и вызвала гибель 5500 человек (Arakawa, 1960).

Интересна повторяемость ураганных волн. За 50 лет (с 1900 г.) в заливе Токио их было пять, в заливе Осака — девять. В заливе Суруга, недалеко от Токио, число волн за 35 лет было восемь. Наибольшее число волн было в заливе Тояма: за 30 лет — 28 гигантских волн.

Японские ученые, подчеркивая громадные размеры ураганных волн, называют их «цунами», так же как и волны, возникающие во время землетрясений.

Штормовой нагон. Термином «штормовой нагон» обозначают подъем морских вод выше среднего уровня океана, который отмечается при ориентированном к берегу ветре (обычно при приближении циклонов). Собственно нагон происходит на участке шириной 15— 30 км. Период высокой воды может длиться примерно от 6 часов до нескольких дней в районах с плохим стоком. При этом может происходить засоление почв, и в результате они становятся непригодными для сельскохозяйственного использования.

В открытом море низкое атмосферное давление в центре шторма вызывает подъем воды выше уровня окружающей поверхности. При приближении шторма к побережью ветер может нагнать и без того высокую воду к берегу в зависимости от конфигурации последнего. Если это совпадает с высоким лунным приливом, подъем уровня моря над его обычным уровнем может достигать 7 метров и более, что приводит к быстрому затоплению низких участков побережья.

Имея в центре низкие значения давления, циклоны обеспечивают также изменения статического уровня поверхности океана. Стоит напомнить, что понижение давления на 1/10 стандартной атмосферы (100 гПа) обеспечивает подъем уровня на 1 м.

Штормовой нагон зависит от целого ряда факторов, таких как рельеф дна, конфигурация береговой линии, а также размер, интенсивность, направление и скорость движения ТЦ. Наиболее высокие нагоны бывают в заливах с широким устьем и резким уменьшением его глубины или ширины. Высота нагона при таких условиях может достигать 2 - 5,5 м, а его продолжительность – от нескольких десятков минут до нескольких суток. Значительные штормовые нагоны, вызванные тайфунами, бывают во многих местах побережья Японии. Так, во время катастрофического нагона высотой в 3,4 м, вызванного тайфуном Вера (1959 г.), затопило город Нагоя, что привело к гибели около 5 тыс. человек (Григоркина и Фукс, 1986).

Наличие низин, выходящих к мелководному побережью, при их затоплении приводило в истории наблюдений за ТЦ и к более тяжелым последствиям. Знаменитый Галвестонский ураган (штат Техас, США) 1900 г. вызвал гибель более 6 тыс. человек. Ураган Камилла 1969 г. вызвал в устье р. Миссисипи штормовую волну высотой более 7 м, погибло более 100 чел. и был причинен ущерб в 1 млрд долларов.

Штормовые нагоны, несомненно, представляют наиболее разрушительный фактор. 12 ноября 1970 г. тропический циклон в северной части Бенгальского залива вызвал 6-метровый подъем уровня моря, совпавший с высоким приливом. В результате этого урагана и возникшего наводнения погибло примерно 300 тыс. человек, и одни лишь потери урожая оцениваются в 63 млн. долл., но эти цифры не отражают всех последствий урагана. Погибло примерно 60% населения, занятого в прибрежной зоне ловом рыбы, уничтожено 65% рыболовецких судов в прибрежном районе, что существенно сказалось на снабжении белковыми продуктами всего района (Frank, Husain, 1971).

В сентябре 1954 г. вследствие сильного штормового нагона, совпадающего с полной водой астрономического прилива, с 23 ч 13 сентября до 19 ч 14 сентября уровень воды в бухте Золотой Рог поднялся на 1 м (Климат Владивостока, 1978). Ущерб не зафиксирован.

Дожди. Интенсивность осадков в тайфунах может превышать 1000 мм/сут. На Дальнем Востоке России при выходе тайфуна иногда выпадает дождей до 200 - 350 мм/сут. Осадки распределяются крайне неравномерно как по пространству, так и по времени. В среднем интенсивность осадков в развитом тайфуне в области радиусом до 200 км составляет 80 - 100 мм/сут.

Иногда во время тропического циклона может выпасть до 2500 мм осадков или ни капли, но довольно обычна величина 500 мм. Результатом выпадения большого количества осадков являются наводнения, особенно когда ураган пересекает горную местность. Так было, например, во время урагана «Камилла» в 1969 г., когда в течение 5 часов на уже насыщенную влагой почву выпало 790 мм осадков (U. S. Department of Agriculture, 1970).

Ветер. Максимальная скорость ветра в тропическом циклоне V_max при развитии над океанами может достигать свыше 100 м/с в Атлантике, и около 90 м/с в Тихом океане.

Для быстрого расчета максимальной приводной скорости ветра (v_m, м/с) по известному давлению в центре тайфуна (p_o, гПа) используются формулы:

v_max = 0,125 (1040 - p_o)^4/3 (Похил, 1985) или

v_max = 3,45 (1010 - p_o)^0.644 (Atkinson and Holliday, 1977) или

v_max = 3,40 (1010 - p_o)^0.648 (Dvorak, 1984) или

v_max = 4,89 (1010 - p_o)^0.577 (Fujita, 1971)

Во многих тайфунах ветер почти симметричен относительно оси вращения, по крайней мере, на первой стадии развития и по крайней мере в радиусе 300-400 км.

В настоящее время в Японском метеорологическом агентстве прогноз ветра в тайфуне на различные сроки заблаговременности (рис. 2.1.17).

Рис. 2.1.17. Прогноз ветра на 3.07 12 СГВ тайфуна Утор от Японского метеорологического агентства. (Обозначения: большое перо у стрелки обозначает 5 м/с, маленькое – 2.4 м/с, треугольник – 25 м/с, стрелка указывает направление откуда дует ветер.). Прогноз дан с суточной заблаговременностью.

Рис. 2.1.18. Средний и максимальный риск (х10^-2) встречи сильных ветров (>15 м/с) в сентябре (Тунеголовец, 2001).

Вероятность оказаться под воздействием сильных (более 15 м/с) или ураганных (более 25 м/с) ветров тайфунного происхождения зависит от времени года и местонахождения судна (Тунеголовец, 2001).

Наибольший риск (повторяемость) характерен летних месяцев при плавании и работах в северной части Филиппинского моря (рис. 2.1.18). Изменчивость количества тайфунов от года к году, как было показано, весьма существенна. Максимальное количество тайфунов было отмечено в 1967 г. (44), минимальное – в 1998 (21). По этой причине вероятность встречи сильных или ураганных ветров тайфунного происхождения оказывается также крайне изменчива.

Максимально возможная вероятность (риск) оказаться под воздействием сильных или ураганных ветров тайфунного происхождения в 2-3 раза превышает средние значения. В августе-октябре в некоторых районах северной части Филиппинского моря до 50% времени работ в течение месяца может оказаться в условиях сильного ветра и до 30% - в условиях ураганных ветров (Тунеголовец, 2001).

Волнение. Действие ветровых волн и зыби может распространяться на расстояние до 350 км от центра циклона. Совместное воздействие ветра, волн и волновых течений может вызывать размыв берега, в результате чего уничтожаются пляжи и сельскохозяйственные земли, постройки и города. Ущерб не сводится только к этому — и после затопления, при спаде воды, может происходить проседание земли и зданий.

О волнении в зоне урагана до сих пор имеются наиболее редкие и разноречивые сведения. Попутные судовые наблюдения являются почти уникальными, так как суда стараются по возможности избежать ураган, разойтись с ним. Даже в случаях встречи судна с ураганом измерения высоты волн производится очень редко и неточно.

Вышедший 16 сентября в 21 мск. 1959 г. на акваторию Японского моря через Корейский пролив тайфун очень медленно, в течение 36 часов, смешался в северо-восточном направлении, имея практически все время давление в центре 975 мб. Только в 15 мск. 18 сентября подойдя к Сангарскому проливу, тайфун начал заполняться. Наибольшая из расчетных средних высот волн составила 7.4м, что дает возможность говорить о максимально возможной высоте волны в 21м.

Одна из крупных аварий, с большим количеством человеческих жертв, произошла в сентябре 1954 года с пассажирским судном «Тойя–мару» (4337 рег.т), курсировавшим через Сангарский пролив на линии Аомори-Хакодате. Капитан судна, дождавшись, когда пройдет ураган, поспешил в рейс при слабом ветре и ясном закате солнца. Но впоследствии оказалось, что это спокойствие было обманчивым – судно находилось в глазе тайфуна. «Тойя–мару» и 1719 человек погибли.

Подробные сведения о характеристиках тайфунов, выходящих на акваторию Японского моря, приводятся в статье Воронина («Расчет характеристик ветра и волн в морях с тропическими циклонами», тр. ГОИН, 1988). Один из наиболее мощных тайфунов “Phyllys” наблюдался в Японском море 12 сентября 1976 г. Рассчитанная в нем максимальная средняя высота волн составила 8,4 м, предельно возможная в этом шторме - 25 м.

Ветровое волнение, вызываемое тайфунами, имеет самый широкий спектр: от коротких гравитационных волн, вызванных местным ветровым режимом (рябь высотой в несколько мм), до волн длиной в несколько десятков метров. Режим волнения зависит от скорости ветра и допустимой степени разгона волн. Для состояния атмосферы в области тайфуна характерны быстрые и резкие изменения скорости ветра, что приводит к сложным интерферирующим системам ветрового волнения и зыби. Высота ветровых волн в глубоких тайфунах может достигать 10 - 15 м, а максимальные значения превышают 20 м (Григоркина и Фукс, 1986; Global guide ... , 1993).

Один из вариантов диагностики состояния океана в штормовых зонах возможен по определенным облачным структурам, обнаруживаемым на основе спутниковой информации (Похил, 1983). Получено (Похил, 1985), что при малой скорости перемещения центра циклона (10 - 20 км/ч) в открытом океане зона максимального волнения близка к центру циклона и находится на расстоянии 50 - 150 км от него. При увеличении скорости продвижения ТЦ зона штормового волнения отстает от его центра и смещается в правую тыловую часть относительно направления движения ТЦ. При регенерации ТЦ на атмосферном фронте скорость его перемещения увеличивается до 40 км/ч и более. Ускорение перемещения ТЦ происходит обычно на 35 - 38° с.ш. При выходе ТЦ на побережье или острова зона максимального волнения отстает от центра циклона и сдвигается в его тыловую часть.

По мере того как ветровые волны распространяются в океанические области, далекие от места их зарождения, т.е. от области штормового волнения, они постепенно превращаются в зыбь (swell). Волны зыби – это гравитационные волны, обладающие скоростью 40 - 80 км/ч, не связанной со скоростью преобладающих ветров в достигнутой ими зоне океана и значительно превышающей скорость перемещения самого тайфуна. Так, зыбь, которая распространяется от тайфуна, приближающегося к Японии, обычно опережает сам тайфун на 700 - 1500 км и выходит на побережье на несколько часов раньше него. Поэтому крупная зыбь иногда является как бы предвестником тайфуна и может служить признаком его существования в удаленном от наблюдения районе.

Волны зыби обычно на протяжении сотен миль довольно слабо затухают по высоте, которая может доходить до 3 - 6 м, а иногда и до 10 - 15 м. При этом известны случаи, когда зыбь отмечалась на еще больших (чем приведено выше) расстояниях от центра тайфуна, вплоть до 2000 -3000 км. Периоды зыби во время сильных тайфунов могут доходить до 15 с. Высокая зыбь от тайфунов на отдельных участках побережья, обращенных к открытому морю, создает сильнейший прибой, разрушающий берега и гидротехнические сооружения. На защиту берегов от таких волн государствами северо-западной части Тихого океана тратятся огромные средства (Григоркина и Фукс, 1986).

Еще в 1920 г. Клайн (по В.М. Лившицу, 1969) высказал мысль, что высочайшие волны урагана и зыбь возникают в правой тыловой четверти урагана и лишь затем проходят через небольшие волны передовых частей урагана, сохраняя направление движения времени образования.

Наблюдения показывают, что направление зыби отклоняется вправо от направления ветра. Наибольшее среднее отклонение в левой тыловой четверти, наименьшее в правой тыловой. Во фронтальных четвертях отклонения промежуточные между тыловыми. Это относится к случаю движущегося шторма. Стационарный шторм обладает почти симметричной картиной ветра и волн.

Аракава (1954) нашел, что в ограниченной районе правой тыловой четверти направление зыби отклоняется не вправо, а влево от направления ветра и что именно здесь путем взаимодействия зыби и ветровых волн возникают так называемые пирамидальные волны.

Так как при движении шторма усиливается ветер в правой его половине и увеличивается время его действия на волны, а также длина пути, на котором образовавшиеся волны продолжают получать энергию от ветра (разгон), картина волнения в урагане становится очень несимметричной. Умение правильно учесть этот факт может оказать неоценимую помощь судну, попавшему в ураган. По степени опасности обычно на первом месте стоит правая тыловая четверть урагана, затем правая фронтальная, левая фронтальная и левая тыловая. Эта схема не относится к моментам поворота или быстрого изменения скорости.

На рис. 2.1.19 приведены прогностические и фактические данные о волнении в тайфуне Утор (июль 2001 г.) от Японского метеорологического агентства. Скорость перемещения тропического циклона составляла 15-20 узлов. Отчетливо видна несимметричность распределения волнения в правой относительно движения части тайфуна. Максимальное волнение в циклоне превышает 8 м. При этом тропический циклон имел глубину 980 гПа и максимальную скорость ветра 50 узлов. Размеры зоны сильных ветров достигали 450 морских миль, а ураганных ветров – 50 миль.

Прогноз волнения на 3.07.01 00 СГВ тайфуна Утор

Фактическое волнение 3.07.01 00 СГВ в тайфуне Утор

Рис. 2.1.19. Прогностические и фактические данные о волнении в тайфуне Утор от Японского метеорологического агентства.

К приведенным данным о волнении в тропическом циклоне (ураган, тайфун) необходимо добавить следующее (Лившиц, 1969): «Уменьшение скорости ветра в глазе циклона не всегда означает уменьшение волнения. Состояние поверхности моря здесь меньше связано с характером ветра, а больше зависит от скорости движения самого циклона и волн. Наибольшее волнение возникает при совпадении или приближении скорости циклона и скорости волн. В циклоне малой скорости или стационарном волнении меньше, но в глазе такое же, как и в области сильного ветра. При очень большой скорости тайфуна или урагана волнение в его «глазе» отбудет сравнительно невелико».

Согласно расчетам академика В.В. Шулейкина (1960, 1975) в Атлантическом океане при скорости ветра, возрастающей в течение 5 часов от 0 до 60м/с волны 5%-ной обеспеченности имеют высоту - 12,6 м, длину - 230 м, период - 12,1 сек, фазовую скорость 19 м/сек. Аналогичный расчет проведен для волн тайфуна в Южно-Китайском море (Тайванский пролив): при глубине 60 м и максимальной скорости ветра 40 м/с за 35 ч развиваются волны высотой 9 м, длиной 160 м, периодом 10 сек. В.В. Шулейкин произвел также расчет затухающего волнения под действием встречного ветра. По расчету, за 4 часа при встречном ветре, ослабевающем от 60 до 10 м/о, высота волн уменьшается с 13 до 2 м.

Это указывает на возможность полного гашения зыби встречным ветром. Такое явление действительно было замечено судном "Ван Вервик" в Индийском океане. При прохождении судна по периферии урагана наблюдалось внезапное временное прекращение зыби.

Признаки приближения ТЦ

Можно наблюдать на значительном удалении от него. Так, например, зыбь, идущую не от того направления, от которого дует или дул ранее ветер, при глубоком ТЦ можно обнаружить на расстоянии до 1000 миль от центра, а на расстоянии 400-500 миль она ощущается при любых тропических циклонах. Ветры, связанные с ТЦ, распространяются на расстояние до 700 миль от его центра. Иногда отмечаются необычной окраски восходы и заходы Солнца, при которых небо принимает огненный или медно-красный цвет с разнообразными оттенками, а также необычная флуоресценция моря и ореолы вокруг Солнца и Луны.

Важным признаком приближающегося ТЦ на расстояниях до 1500 миль от центра циклона может служить появление перистых облаков в виде тонких прозрачных полос, перьев или хлопьев, которые хорошо видны при восходе и заходе Солнца. Когда эти облака кажутся сходящимися в одной точке за горизонтом, то можно считать, что на расстоянии около 500 миль от судна в направлении сходимости облаков расположен центр ТЦ. На расстоянии 300 миль от центра ТЦ полосы перистых облаков обычно вытянуты в направлении движения ТЦ. Однако на расстояниях, превышающих 250 миль от центра, признаки приближения ТЦ нельзя считать безусловными. Более надежные признаки приближающегося ТЦ можно установить с расстояния около 200 миль. Сила ветра составляет 6-7 баллов; появляются разорванно-кучевые облака; наблюдается значительная зыбь, направленная от центра ТЦ. Движение мелких одиночных кучевых облаков обычно надежно указывает на направление движения центра ТЦ. Если стать навстречу движению кучевых облаков, то в северном полушарии центр ТЦ будет расположен справа, а в южном полушарии - слева. Так как зыбь распространяется по радиусам от центра ТЦ, то по направлению распространения зыби можно судить о положении центра, а по изменению этого направления составить представление о направлении его движения.

С приближением ТЦ происходит уплотнение облачности, усиление ветра и зыби, быстрое падение температуры воздуха. На расстояниях 100-150 миль от центра наблюдается заметное падение атмосферного давления, кучевые облака заволакивают все небо, начинаются сильные ливневые дожди. На расстояниях менее 100 миль от центра ТЦ происходит резкое падение атмосферного давления. В 10-60 милях падение давления может достигать 10-20 гПа (мб) в час. Ветер продолжает усиливаться, достигая 12 баллов в 30-35 милях от центра. Наиболее сильное волнение образуется: в северном полушарии - в правой задней четверти ТЦ, в южном полушарии - в левой задней четверти.

После прохождения центра ТЦ наблюдаются те же метеорологические явления только в обратной последовательности и с большей скоростью их смены. Для нахождения центра ТЦ можно использовать штормовую картушку (рис. 2.1.20).

Рис. 2.1.20. Штормовая картушка для северного полушария (справа) и расхождение судна с тропическим циклоном (слева).

Обнаружив первые признаки приближающегося ТЦ, нужно считать себя находящимися между внешней и второй снаружи окружностями 1 и 2, а при падении барометра от 1 до 2 гПа в час - между окружностями 2 и 3. Считая местом судна то место на картушке, где направление вектора ветра совпадает с истинным, определяют направление на центр циклона как на центр картушки. Для расхождения с ТЦ прежде всего необходимо определить, в какой его половине находится судно. Если ветер меняется по часовой стрелке, то судно находится справа от пути ТЦ, если против, - слева (рис. 42).

В северном полушарии, если судно находится в правой половине ТЦ и не может пересечь его движение заблаговременно, следует привести ветер на носовые курсовые углы правого борта и идти этим курсом до тех пор, пока давление не начнет повышаться. Если судно находится в левой половине или на пути ТЦ, следует уйти от центра ТЦ курсом, перпендикулярным его движению, приведя ветер по правому борту, и идти так, пока давление не начнет повышаться.

В южном полушарии в левой половине ТЦ следует привести ветер на носовые курсовые углы левого борта и идти так, пока не начнет повышаться давление. В правой половине или на пути движения ТЦ следует привести ветер на траверз левого борта, а если судно не может удерживаться на таком курсе, то на кормовые углы левого борта, и идти этим курсом, пока ТЦ не удалится.

Моряки различают безопасный для плавания полукруг, располагающийся к экватору от траектории циклона (при движении его на запад), и опасный полукруг, в котором ветер несет судно к передней части циклона и в котором направление ветра и движение циклона совпадают. Существуют подробные инструкции для моряков относительно того, как распознать приближение тропического циклона и что нужно сделать, чтобы избежать попадания в опасный полукруг и в центр циклона, если судно находится вблизи него (см.: Meteorology for Manners. Met. Office 593, а также лоции).