Pomiar elementów fali, skala stanów morza






Katedra Meteorologii
i Oceanografii Nautycznej Wydziału Nawigacyjnego Wyższej Szkoły Morskiej
w Gdyni

5. Pomiar elementów fali. Skala
stanów morza
     Szacunek elementów fali stanowi jeden z trudniejszych
pomiarów hydrologicznych na morzu, wymaga sporego doświadczenia. Główną
przyczyną trudności jest to, że na morzu, wobec braku obiektów odniesienia
(przedmiotów terenowych) ocena odległości i różnic wysokości powierzchni
wody jest zawodna, utrudnia je dodatkowo kołysanie i ruch postępowy statku.
     DÅ‚ugość fali precyzyjniej ocenić można tylko
wtedy, gdy statek znaduje się w dryfie a długość fali jest mniejsza od
długości statku lub współmierna z długością statku. Długość statku stanowi
wtedy miarę odniesienia. W przypadku fal o większych długościach ich pomiar
(szacunek długości) nie jest ze statku możliwy (jest niewiarygodny). Z
tego względu szacunek długości fali nie jest w praktyce
stosowany (i nie zaleca się go prowadzić; tako rzecze instrukcja).
Ponieważ długość fali można w prosty sposób obliczyć z okresu fali (patrz
część wstępna), szacunek długości fali jest zastąpiony pomiarem okresu.
     Pomiar okresu
fali może być przeprowadzony ze statku w sposób względnie wiarygodny i
precyzyjny, zwłaszcza w sytuacji lepiej rozwiniętego falowania, w którym
niektóre, choćby pojedyńcze fale załamują się. Po załamaniu na powierzchni
wody tworzy się plama piany, utrzymująca się dość długo (kilkadziesiąt
sekund). Pomiar okresu fali polega na odnotowaniu momentu, w którym plama
piany znajdzie się na wierzchołku fali, w tym momencie włączamy stoper
(tu sekundomierz, nie stoper windy kowicznej !). ObserwujÄ…c nadal plamÄ™
piany notuje się następnie moment, przez wyłaczenie stopera, w którym znalazła
się ona na grzbiecie następnej fali. Tak zmierzony okres jest rzeczywistym
okresem fali, można z niego, posługując się omówionym już wcześniej formułami
[ 3 ,4 ], określić tak długość, jak i prędkość fali.
     Na wolno poruszajÄ…cym siÄ™ statku można dokonać
omówionej wyżej operacji mierząc czas, w którym plama piany znajdzie się
na trzecim kolejnym grzbiecie. Należy wtedy wybrać do pomiaru najwyższe
(środkowe) fale z grupy falowej. Po podzieleniu zmierzonego
czasu przez trzy uzyska się wtedy średni okres fali znacznej. Na
szybko poruszającym się statku należy mierzyć okres pojedyńczej fali, gdyż
istnieje ryzyko, że stracimy plamę piany z oczu lub nie będziemy jej już
mogli jednoznacznie zidentyfikować.
     Okres fali może być również oszacowany z dość
dużą dokładnością w czasie ruchu statku, gdy mierzyć się będzie odstępy
czasu, w jakich grzbiety kolejnych, nadchodzących fal dochodzić będą do
jakiegoÅ› charakterystycznego (stale tego samego) punktu statku (np. dziobu).
Pomiar ten jest pomiarem okresu pozornego. ZnajÄ…c okres pozorny (to,
sekundy), prędkość statku (Vs, węzły) i kąt kursowy
fali (kq, stopnie), okres rzeczywisty (t) oblicza
siÄ™:
 
  t = (( to
+ ( to^2 + 1.32*to * Vs
* cos (kq))^(1/2)) / 2                                       
[ 8 ]

 (Uwaga: ze wzglÄ™du na brak możliwoÅ›ci zapisania
formuły
w HTML-u przyjęto symbolikę operatorów stosowaną w programowaniu
(np. QBASIC-u) gdzie znak  ^ oznacza potÄ™gowanie, znak *  mnożenie,
znak  /  dzielenie. PamiÄ™taj, ze n^(1/2) [ n do jednej drugiej] 
= pierwiastek kwadratowy z n, zwracaj uwagę na liczbę i kolejność nawiasów)
    Ta ostatnia metoda pomiaru może być zastosowana zarówno
w dzień, jak i - co istotne w nocy lub też w warunkach bardzo słabej widoczności.
Jej jedyną wadą jest potrzeba wykonania dość skomplikowanych obliczeń (warto
wzór zapisać w programowalnym kalkulatorze). Wymaga ona jednak dobrej oceny
kÄ…ta kursowego fali (nie gorszej niż 10°). JeÅ›li fala podchodzi z sektorów
rufowych i porusza się szybciej od statku istnieje możliwość, przy złym
pomiarze okresu pozornego (często kilkadziesiąt i więcej sekund !) lub
złej ocenie kąta kursowego, otrzymania absurdalnych wyników. Z tego względu,
każdorazowo należy ocenić uzyskany z obliczeń wynik pod kątem jego realności.
     Wysokość fali szacujemy
w ten sposób, że wybieramy trzy największe fale w grupie falowej i szacujemy
kolejno ich wysokość z dokładnością do połowy metra. Przykładowo będą to
kolejno oszacowane wysokości 2 m, 3 m i 3 m. Wysokości te następnie dodajemy
do siebie i dzielimy przez trzy (średnia arytmetyczna, w tym wpadku 8 /
3 = 2.66...) a następnie zaokrąglamy uzyskaną wartość do pełnych połówek
metra (2.5 m). Oszacowana w ten sposób wysokość fali
jest wysokością fali znacznej (h 1/3). W przypadku mniejszych wysokości
fal możemy odnieść szacunek wysokości fali do burty statku, pamiętając
jednak, aby szacować wysokość fali w momencie, gdy statek nie znajduje
się w przechyle. Również i w tym przypadku szacujemy wysokość fali z dokładnością
do połowy metra i z taką samą dokładnością (zaokrąglenie) podajemy średnią.
Wobec niewielkiej dokładności takiego rodzaju szacunków, taka właśnie dokładność
(0.5 m) jest wymagana przez instrukcjÄ™
     Każdorazowo, gdy szacuje siÄ™ wysokość fali
należy pamiętać, że linia horyzontu (widnokręgu) wyznacza poziom, nie zaś
ustawienie pokładu statku. Nie uwzględnienie tego prowadzi do rażących
błędów szacunku wysokości fali. Również wysokość obserwatora nad poziom
morza doprowadza często do przeszacowania lub niedoszacowania wysokości
fali. Analiza zapisów w Dziennikach Okrętowych Obserwacji Hydrometeorologicznych
wskazuje, że szacunki wysokości fal wykonane z pokładu małych jednostek
wykazują większe wysokości fal niż występowały w rzeczywistości (+1 m),
zaś takie same szacunki wykonane z jednostek, w których obserwator znajdował
się na wysokości 25 m nad powierzchnią wody znacznie pomniejszały wysokości
fal, nawet o 3 do 4 metrów.
     Kierunek przemieszczania
się fali najwygodniej określić posługując się namiernikiem. Wizujemy
przez przeziernik namiernika, ustawiając go równolegle do grzbietów fal,
następnie dokonujemy odczyt kierunku i dodajemy bądź odejmujemy od odczytanej
wartoÅ›ci 90°, w zależnoÅ›ci od kierunku przemieszczania siÄ™ fali (należy
pamiętać o uwzględnieniu CP, jeśli jest duża). Określenie kierunku rozchodzenia
siÄ™ falowania tÄ… metodÄ… daje na ogół dokÅ‚adność lepszÄ… od 10°, co jest
zupełnie wystarczające. Kierunek falowana określa się bowiem z dokładnością
10°. Dla przypomnienia - kierunek fali okreÅ›la siÄ™ jako ten, z którego
fala nadchodzi (tak samo jak wiatr).
     Oprócz szacowania wysokoÅ›ci i okresu fali na
morzu znajduje powszechne zastosowanie skala stanów
morza. Skala stanów morza stanowi skalę umowną, nieliniową, za pomocą
której określamy wysokość fali w przedziałach. Skala stanów morza ma 10
stanów (stopni) - od 0 do 9. Jest stosowana m.in. w prognozach przekazywanych
otwartym tekstem (np. "...sea - 5...", "...Zatoka Gdańska 2-3..." ), w
zapisach w dziennikach okrętowych.
     Granice przedziałów wysokoÅ›ci fal w niżej
przedstawionej skali stanów morza pochodzą z "The Mariner's Handbook" (NP
100, Sixth Ed., 1989), polskie określenia z instrukcji do Dziennika Okrętowego
(polskiego)
Tabela 4. Skala stanów morza
 



stan morza



określenie stanu morza



wysokość fali w metrach





0



lustrzana gładź (Calm-glasy)



0





1 ( I )



zmarszczki (Calm-rippled)



0,0 - 0,1





2 ( II )



 bardzo Å‚agodne (Smooth wavelets)



0,1 - 0,5





3 ( III )



Å‚agodne (Slight) 



0,5 - 1,25





4 ( IV )



umiarkowane (Moderate)



1,25 - 2,5





5 ( V )



 wzburzone (Rough) 



2,5 - 4,0





6 ( VI )



bardzo wzburzone (Very rough)



4,0 - 6,0





7 ( VII)



wysokie (High)



6 - 9





8 ( VIII )



bardzo wysokie (Very high)



9 - 14





9 ( IX )



niezwykłe (Phenomenal)



ponad 14




     Stan morza okreÅ›la siÄ™ wedÅ‚ug wysokoÅ›ci najwiÄ™kszych,
najbardziej rozbudowanych fal. Rodzaj występującego na morzu falowania
nie odgrywa żadnego znaczenia dla określenia stanu morza. Jeśli wysokość
najwyższych fal może być oszacowana na 4.5 - 5 m, to stan morza wynosi
6 i jest przy tym sprawą obojętną czy fale te są falami wiatrowymi, falami
rozkołysu czy też występuje falowanie zinterferowane. Również jest sprawą
obojętną gdzie obserwuje się fale o takiej wysokości - na środku Atlantyku,
czy na Bałtyku. Przy podanej wysokości fali (4.5 - 5 m) stan morza będzie
zawsze 6. Ta ostatnia uwaga wynika z zamieszczonego w instrukcji do wypełniania
polskich dzienników okrętowych (pkt. 17) głupawego odnośnika, mylącego
stan morza ze skalą siły wiatru (Skalą Beauforta).
     Stan morza może wykazywać zwiÄ…zek z prÄ™dkoÅ›ciÄ…
/ siłą wiatru (tak się może dziać na otwartych przestrzeniach oceanicznych
po upływie pewnego czasu, w którym wiatr utrzymuje swoją prędkość / siłę),
ale nie musi. Może występować wysoki stan morza przy całkowitym braku wiatru
(martwa fala), na niektórych akwenach wiatr może osiągać siłe huraganu
i wiać z tą siłą bardzo długo, a stan morza nie osiągnie nigdy większych
wartości (np. ze względu na zbyt małą długość rozbiegu fali). Dla wyjaśnienia
ewentualnych niezgodności między siłą wiatru notowanego w Dzienniku okrętowym
(strona lewa, rubryka 16) a stanem morza (rubryka 17), w momencie gdy siła
wiatru jest niska a stan morza wysoki należy przy zapisie stanu morza dodać
oznaczenie literowe "mf" (martwa fala; np. 5-6 mf), objaśniające przyczynę
tej niezgodności.
     Nagminnym bÅ‚Ä™dem popeÅ‚nianym
przy opisie stanu morza jest mylenie skali siły wiatru
Beauforta ze skalą stanów morza. Siłę wiatru oceniamy z wyglądu
powierzchni morza (tworzenie się fali, załamywanie się fali, tworzenie
piany, układanie się piany w pasma, porywanie piany i bryzgów w powietrze,
etc. - patrz Skala Beau- forta w TN). Stan morza nie może przekroczyć IX,
podanie że stan morza wynosi np. 4°B jest wÅ‚aÅ›ciwie tym samym, co okreÅ›lenie,
że jest zegar wskazuje aktualnie 1234 węzła czy kilometra na godzinę.
AAM