Экспериментальное исследование коэффициента сопротивления морской поверхности при сильных ветрах

И.А. Репина✉, А.Ю. Артамонов, М.И. Варенцов, А.В. Козырев

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия

✉ e-mail: repina@ifaran.ru

Аннотация

По данным измерений в прибрежной зоне и в открытом море рассматривается изменчивость коэффициента сопротивления морской поверхности в различных фоновых условиях. По экспериментальным данным, полученным при измерениях с борта судна, подтверждается уменьшение его значений при скоростях ветра больше 25 м/с. Исследуются особенности взаимодействия атмосферы и морской поверхности в прибрежной зоне. Отмечено, что при береговых ветрах значение коэффициента сопротивления морской поверхности возрастает, что связано с порывистостью береговых ветров и формированием внутренних пограничных слоев в приводном слое атмосферы. При направлении ветра с открытого моря коэффициент сопротивления также больше, чем в открытом океане. Это объясняется влиянием донной топографии и структуры береговой линии на характеристики морского волнения, а также малым разгоном волн в замкнутых морях. Следовательно, применение коэффициента сопротивления для открытого моря при моделировании штормовых условий в прибрежных зонах приводит к недооценке в этих зонах ветрового сопротивления.

Ключевые слова

штормовые ветры, коэффициент сопротивления, прибрежные районы, взаимодействие атмосферы и морской поверхности

Для цитирования

Экспериментальное исследование коэффициента сопротивления морской поверхности при сильных ветрах / И. А. Репина [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 1. С. 53-63. EDN VBUSPT. doi:10.22449/0233-7584-2015-1-53-63

Repina, I.A., Artamonov, A.Yu., Varentsov, M.I. and Kozyrev, A.V., 2015. Experimental Study of High Wind Sea Surface Drag Coefficient. Physical Oceanography, (1), pp. 49-58. doi:10.22449/1573-160X-2015-1-49-58

DOI

10.22449/0233-7584-2015-1-53-63

Список литературы

  1. Garratt J.R. Review of drag coefficients over oceans and continents // Mon. Wea. Rev. — 1977. — 105. — P. 915 — 929.
  2. Large W.G., Pond S. Open ocean momentum flux measurements in moderate to strong winds // J. Phys. Oceanogr. — 1981. — № 11. — P. 324 — 336.
  3. Taylor P.K., Yelland M.J. The dependence of sea surface roughness on the height and steepness of the waves // Ibid. — 2001. — 31, № 2. — P. 572 — 590.
  4. Репина И.А. Исследование динамических характеристик и температурного режима водной поверхности в Каспийском море // Метеорология и гидрология. — 2000. — № 10. — С. 15 — 27.
  5. Repina I.A., Artamonov A.Yu., Chukharev A.M. et al. Air-Sea interaction under low and moderate winds in the Black Sea coastal zone // Eston. J. Engineer. — 2012. — № 2. — P. 3 — 18.
  6. Emanuel K.A. Sensitivity of tropical cyclones to surface exchange coefficients and a revised steady-state model incorporating eye dynamics // J. Atmos. Sci. — 1995. — 52. — P. 3969 –3976.
  7. Black P.G., D’Asaro E.A., Drennan E.A. et al. Air-Sea Exchange in Hurricanes. Synthesis of Observations from the Coupled Boundary Layer Air-Sea Transfer Experiment // Bull. Amer. Meteorol. Soc. — 2007. — № 3. — P. 357 — 374.
  8. Powell M.D., Vickery P.J., Reinhold T.A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones // Nature. — 2003. — 422. — P. 279 — 283.
  9. Donelan M.A., Haus B.K, Reul N. et al. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds // Geophys. Res. Lett. — 2004. — 31. — L18306.
  10. Andreas E.L. Spray stress revised // J. Phys. Oceanogr. — 2004. — 34. — P. 1429 — 1440.
  11. Makin V.K. A note on drag of the sea surface at hurricane winds // Bound.-Lay. Meteorol. — 2005. — 115, № 1. — P. 169 — 176.
  12. Kudryavtsev V.N. On the effect of sea drops on the atmospheric boundary layer // J. Geophys. Res. — 2006. — 111. — C07020.
  13. Бютнер Э.К. Динамика приповерхностного слоя воздуха. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 156 с.
  14. Moon I.-J., Ginis I., Hara T. Effect of surface waves on air-sea momentum exchange. Part II: Behavior of drag coefficient under tropical cyclones // J. Atmos. Sci. — 2004. — 61. — P. 2334 – 2348.
  15. Семёнов О.Е. Об ускорении потока во время сильных песчаных и пылевых бурь // Гидрометеорология и экология. — 2000. — № 3 — 4. — C. 15 — 27.
  16. Barenblat G.I., Golitsyn G.S. Local structure of mature dust storms // J. Atmos. Sci. — 1974. — 3, № 7. — P. 1917 — 1933.
  17. Lykossov V.N. Numerical modelling of interaction between the atmospheric boundary layer and the Antarctic ice shelf // Russ. J. Numer. Anal. Math. Model. — 2001. — 16. — P. 315 — 330.
  18. Троицкая Ю.И., Рыбушкина Г.В. Квазилинейная модель взаимодействия поверхност-ных волн с сильными и ураганными ветрами // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. – 2008. — 44, № 5. — С. 670 — 694.
  19. Miyamoto Y., Ishikawa H., Takemi T. Modelling the air-sea-wave interaction under typhoon conditions: model development and a preliminary result for typhoon Ioke // Proceeding at the 8-th WRF users workshop. — Boulder: NOAA, 2007. — P. 1 — 13.
  20. Polyakov I.V., Timokhov L., Dmitrenko I. et al. Observational program tracks Arctic Ocean transition to a warmer state // Eos, Transactions, Amer. Geophys. Union. — 2007. — 88. — P. 398 — 399.
  21. Foken T. Micrometeorology. — Springer, 2008. — 308 p.
  22. Burba G. Eddy Covariance Method for Scientific, Industrial, Agricultural, and Regulatory Applications: A Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates. — Lincoln, NE, USA: LI-COR Biosciences, 2013. — 331 p.
  23. Moat B.I., Yelland M.J., Pascal R.W. Quantifying the airflow distortion over merchant ships. Part 1: Validation of a CFD model // J. Atmos. Ocean. Technol. — 2006. — 23. — P. 341 — 350.
  24. Edson J.B., Hinton A.A., Prada K.E. et al. Direct covariance flux estimates from mobile platforms at sea // Ibid. — 1998. — 15. — P. 547 — 562.
  25. Fairal C.W., Larsen S.E. Inertial-dissipation method and turbulent fluxes at the air-ocean interface // Bound.-Lay. Meteorol. — 1986. — 34. — P. 287 — 301.
  26. Китайгородский С.А., Волков Ю.А. О параметре шероховатости морской поверхности и расчете турбулентных потоков количества движения в приводном слое атмосферы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. — 1965. — 1, № 9. — С. 15 — 23.
  27. Drennan W.M., Graber H.C., Hauser D. et al. On the wave age dependence of wind stress over pure wind seas // J. Geophys. Res. — 2002. — 108. — C3 8062. — doi:10.1029/2000JC000715.
  28. Волков Ю.А. Спектры пульсаций скорости и температуры воздушного потока над взволнованной поверхностью моря // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. — 1969.– 5. — С. 7 — 12.
  29. Donnelan M.A., Drennan W.M., Katsaros K. The air-sea momentum flux in conditions of wind sea and swell // J. Phys. Oceanogr. — 1997. — 27. — P. 2087 — 2099.
  30. Drennan W.M., Kahma K.K., Donelan M.A. On momentum flux and velocity spectra over waves // Bound.-Lay. Meteorol. — 1999. — 92, № 3. — С. 489 — 515.
  31. Bye J.A.T., Jenkins A.D. Drag coefficient reduction at very high wind speeds // J. Geophys. Res. — 2006. — 111. — C03024. — doi:10.1029/2005JC003114.
  32. Gao Z., Wang Q., Zhou M. Wave-dependence of friction velocity, roughness length, and drag coefficient over coastal and open water surfaces by using three databases // Adv. Atmos. Sci. – 2009. — 26, № 5. — P. 887 — 894.
  33. Artamonov A.Yu., Buchnev I.A., Repina I.A. et al. Turbulent fluxes of heat and momentum and statistical characteristics of turbulence in the near-surface air in near-shore and deep-water zones of the Black Sea // Oceanology. — 2005. — 45, suppl. 1. — P. S27 — S38.
  34. Соловьев Ю.П., Иванов В.А. Предварительные результаты измерений атмосферной турбулентности над морем // Морской гидрофизический журнал. — 2007. — № 3. — C. 42 – 61.
  35. Соловьев Ю.П. Характеристики внутреннего пограничного слоя над морем при ветре с берега, имеющего горный рельеф // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. — Севастополь: МГИ НАН Украины, 2010. — Вып. 21. — C. 74 — 87.
  36. Soloviev Y.P., Kudryavtsev V.N. Wind-speed undulations over swell: field experiment and interpretation // Bound.-Lay. Meteorol. — 2010. — 136, № 3. — P. 341 — 363.
  37. Иванов В.А., Соловьев Ю.П. Методика и предварительные результаты измерений атмосферной турбулентности в прибрежной зоне Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. — Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. — Вып. 10. — С. 78 — 102.
  38. Anctil F., Donelan M.A. Air-water momentum flux observations over shoaling waves // J. Phys. Oceanogr. — 1996. — 26. — P. 1344 — 1353.
  39. Vickery P.J., Skerlj P.F. Elimination of exposure D along the hurricane coastline in ASCE 7 // J. Struct. Eng. — 2000. — 26. — P. 545 — 549.
  40. Thornton E.B., Guza R.T. Energy saturation and phase speeds measured on a natural beach // J. Geophys. Res. — 1982. — 87. — P. 9499 — 9508.
  41. Holman R.A., Sallenger A.H. Setup and swash on a natural beach // Ibid. — 1985. — 90. — P. 945 — 953.
  42. Dean R.G., Dalrymple R.A. Water wave mechanics for engineers and scientists. — Singapore: World Scientific, 1991. — 368 p.
  43. Holland K.T., Raubenheimer B., Guza R.T. et al. Runup kinematics on a natural beach // J. Geophys. Res. — 1995. — 100. — P. 4985 — 4993.
  44. Banner M.L., Melville W.K. On the separation of air flow over water waves // J. Fluid Mech. — 1976. — 77. — P. 825 — 842.
  45. Kawamura H., Toba Y. Ordered motion in the turbulent boundary layer over wind waves // Ibid. — 1988. — 197. — P. 105 — 138.
  46. Munk W.H., Traylor M.A. Refraction of ocean waves: a process linking underwater topography to beach erosion // J. Geology. — 1947. — 55. — P. 1 — 26.
  47. Westerink J.J., Feyen J.C., Atkinson J.H. et al. A basin to channel scale unstructured grid hurricane storm surge model applied to southern Louisiana // Mon. Wea. Rev. — 2008. — 136(3). — P. 833 — 864.

Скачать статью в PDF-формате