Экспериментальные исследования статистических характеристик обрушений ветровых волн

А. Е. Кориненко1,✉, В. В. Малиновский1, В. Н. Кудрявцев1,2

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

2 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия

✉ e-mail: korinenko.alex@gmail.com

Аннотация

Приводятся результаты анализа характеристик обрушений ветровых волн (длина, скорость, направление движения), которые были получены в Черном море в сентябре – октябре 2015 г. с океанографической платформы в Кацивели. Обрушения регистрировались видеокамерой синхронно с измерениями ветрового волнения и метеопараметров. Для идентификации обрушений по видеозаписям использовался алгоритм, основанный на расчете порога, который определяется при анализе функции распределения вариаций яркости видеосигнала. Используемая в эксперименте оптическая аппаратура позволяла надежно идентифицировать обрушения, генерируемые волнами с длинами более 4 м и фазовыми скоростями, превышающими 2,5 м/с. Полученные данные хорошо соответствуют модельным представлениям О. М. Филлипса, разработанным для равновесного интервала спектра ветровых волн. Приводятся гистограммы скоростей обрушений при скоростях ветра 10–16 м/с. Показано, что при развивающемся волнении фазовая скорость обрушивающихся волн может достигать скорости ветровых волн спектрального пика, в то время как при развитом волнении не наблюдалось обрушений со скоростями, превышающими половину фазовой скорости волн спектрального пика. Плотности вероятности длин обрушений в измеряемом диапазоне скоростей ветра описываются степенным законом с показателем степени –3,23. Распределение ориентаций обрушений хорошо описывается степенью косинуса угла, при этом показатель степени линейно уменьшается с 5 до 4 с ростом скорости ветра от 10 до 16 м/с.

Ключевые слова

обрушения ветровых волн, натурные исследования, ориентация обрушений волн, распределение длин обрушений, спектр ветровых волн

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме №0827-2018-0003 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования». В. Н. Кудрявцев отмечает финансовую поддержку гранта РНФ №17-77-30019.

Для цитирования

Кориненко А. Е., Малиновский В. В., Кудрявцев В. Н. Экспериментальные исследования статистических характеристик обрушений ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 6. C. 534–547. EDN YPUYXR. doi:10.22449/0233-7584-2018-6-534-547

Korinenko, A.E., Malinovsky, V.V. and Kudryavtsev, V.N., 2018. Experimental Research of Statistical Characteristics of Wind Wave Breaking. Physical Oceanography, 25(6), pp. 489-500. doi:10.22449/1573-160X-2018-6-489-500

DOI

10.22449/0233-7584-2018-6-534-547

Список литературы

  1. Environmental turbulent mixing controls on air-water gas exchange in marine and aquatic systems / C. J. Zappa [et al.] // Journal of Geophysical Research Letters. 2007. Vol. 34. L10601. https://doi.org/10.1029/2006GL028790
  2. Thorpe S. A. Energy Loss by Breaking Waves // Journal of Physical Oceanography. 1993. Vol. 23, no. 11. P. 2498–2502.
  3. On the Vertical Structure of Wind-Driven Sea Currents / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, no. 10. P. 2121–2144. https://doi.org/doi:10.1175/2008JPO3883.1
  4. On radar imaging of current features: 2. Mesoscale eddy and current front detection / J. A. Johannessen [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2005. Vol. 110, iss. C7. C07017. https://doi.org/10.1029/2004JC002802
  5. On radar imaging of current features. 1: Model and comparison with observations / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2005. Vol. 110, iss. C7. C07016. https://doi.org/10.1029/2004JC002505
  6. Yurovsky Y. Y., Malinovsky V. V. Radar backscattering from breaking wind waves: field observation and modelling // International Journal of Remote Sensing. 2012. Vol. 33, iss. 8. P. 2462–2481. https://doi.org/10.1080/01431161.2011.614966
  7. Churyumov A. N., Kravtsov Yu. A. Microwave backscatter from mesoscale breaking waves on the sea surface // Waves in Random Media. 2000. Vol. 10, iss. 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1088/0959-7174/10/1/301
  8. Бондур В. Г., Шарков Е. А. Статистические характеристики элементов линейной геометрии пенных структур на поверхности моря по данным оптического зондирования // Исследование Земли из космоса. 1986. № 4. С. 21–31.
  9. Миронов А. С., Дулов В. А. Статистические характеристики событий и диссипация энергии при обрушении ветровых волн // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2008. № 16. С. 97–115.
  10. Wave breaking in developing and mature seas / J. Gemmrich [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2013. Vol. 118, iss. 9. P. 4542–4552. https://doi.org/10.1002/jgrc.20334
  11. Gemmrich J. R., Banner M. L., Garrett C. Spectrally Resolved Energy Dissipation Rate and Momentum Flux of Breaking Waves // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 8, no. 6. P. 1296–1312. https://doi.org/10.1175/2007JPO3762.1
  12. Mironov A. S., Dulov V. A. Detection of wave breaking using sea surface video records // Measurement Science and Technology. 2008. Vol. 19, no. 1. 015405. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/1/015405
  13. Bulk Parameterization of Air-Sea Fluxes: Updates and Verification for the COARE Algorithm / C. W. Fairall [et al.] // Journal of Climate. 2003. Vol. 16. P. 571–591. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)0160571:BPOASF2.0.CO;2
  14. Phillips O. M. Spectral and statistical properties of the equilibrium range in wind-generated gravity waves // Journal of Fluid Mechanics. 1985. Vol. 156. С. 505–531. https://doi.org/10.1017/S0022112085002221
  15. Hanson J. L., Phillips O. M. Wind Sea Growth and Dissipation in the Open Ocean // Journal of Physical Oceanography. 1999. Vol. 29, no. 8. P. 1633–1648.
  16. Sutherland P., Melville W. K. Field measurements and scaling of ocean surface wave‐breaking statistics // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 12. P. 3074–3079. https://doi.org/10.1002/grl.50584
  17. Kleiss J. M., Melville W. K. Observations of Wave Breaking Kinematics in Fetch-Limited Seas // Journal of Physical Oceanography. 2010. Vol. 40, no. 12. P. 2575–2604. https://doi.org/10.1175/2010JPO4383.1
  18. Duncan J. H. An experimental investigation of breaking waves produced by a towed hydrofoil // Proceedings of the Royal Society A. 1981. Vol. 377, iss. 1770. P. 331–348. https://doi.org/10.1098/rspa.1981.0127
  19. Makin V. K., Kudryavtsev V. N. Coupled sea surface‐atmosphere model 1. Wind over waves coupling // Journal of Geophysical Research. 1999. Vol. 104, no. C4. P. 7613–7623.
  20. Donelan M. A., Hamilton J., Hui W. H. Directional spectra of wind-generated ocean waves // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 1985. Vol. 315, iss. 1534. P. 509–562. https://doi.org/10.1098/rsta.1985.0054
  21. Romero L., Melville W. K., Kleiss J. M. Spectral Energy Dissipation due to Surface Wave Breaking // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, no. 9. P. 1421–1444. https://doi.org/10.1175/JPO-D-11-072.1

Скачать статью в PDF-формате