Статистические характеристики обрушений и их связь с диссипацией энергии ветровых волн по данным натурных измерений

А. Е. Кориненко1, ✉, В. В. Малиновский1, В. Н. Кудрявцев1,2, В. А. Дулов1

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

2 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия

✉ e-mail: korinenko.alex@gmail.com

Аннотация

Цель. Цель работы  исследовать геометрическое подобие обрушений ветровых волн в натурных условиях, оценить константу Дункана, связывающую диссипацию волновой энергии, обусловленную обрушениями, с распределением длин гребней обрушивающейся волны.

Методы и результаты. Натурные исследования характеристик обрушений проводились со стационарной океанографической платформы, расположенной в Голубом заливе в районе пгт. Кацивели. Геометрические размеры активной фазы обрушений, скоростей и направлений их движения определялись по видеозаписям морской поверхности. Одновременно с видеозаписями регистрировалась метеорологическая информация, а также измерялись характеристики поверхностного волнения. Всего было получено 55 видеозаписей морской поверхности длительностью от 40 до 60 мин каждая. Измерения проводились в широком диапазоне метеорологических условий и параметров волнения (скорость ветра варьировалась от 9,2 до 21,4 м/с, возраст волн менялся от 0,2 до 1,2).

Выводы. Установлено, что плотности вероятности отношения максимальной длины обрушения к длине обрушивающейся волны, полученные в различных ветровых и волновых условиях, подобны. Средняя величина этого отношения равна 0,1. Построены распределения суммарной длины обрушений в интервалах скоростей движения на единице поверхности. Показано, что экспериментальные оценки зависимости этих распределений от скорости ветра и скорости движения обрушения соответствуют теоретическим предсказаниям О. М. Филлипса (1985 г.), при этом зависимости от возраста волн не обнаружено. Получены количественные характеристики связи распределения длин обрушений с диссипацией энергии. Оценена константа Дункана, которая оказалась равной 1,8·10-3 и не зависящей от параметров состояния волнения и атмосферы.

Ключевые слова

обрушения ветровых волн, диссипация энергии, натурные исследования, спектр ветровых волн

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме 0827-2019-0003 «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 Российского научного фонда № 17-77-30019.

Для цитирования

Статистические характеристики обрушений и их связь с диссипацией энергии ветровых волн по данным натурных измерений / А. Е. Кориненко [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 5. С. 514–531. EDN RNDETW. doi:10.22449/0233-7584-2020-5-514-531

Korinenko, A.E., Malinovsky, V.V., Kudryavtsev, V.N. and Dulov, V.A., 2020. Statistical Characteristics of Wave Breakings and their Relation with the Wind Waves’ Energy Dissipation Based on the Field Measurements. Physical Oceanography, 27(5), pp. 472-488. doi:10.22449/1573-160X-2020-5-472-488

DOI

10.22449/0233-7584-2020-5-514-531

Список литературы

  1. On the vertical structure of wind-driven sea currents / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 10. P. 2121–2144. https://doi.org/doi:10.1175/2008JPO3883.1
  2. Environmental turbulent mixing controls on air-water gas exchange in marine and aquatic systems / C. J. Zappa [et al.] // Geophysical Research Letters. 2007. Vol. 34, iss. 10. L10601. https://doi.org/10.1029/2006GL028790
  3. Thorpe S. A. Energy loss by breaking waves // Journal of Physical Oceanography. 1993. Vol. 23, iss. 11. P. 2498–2502. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1993)0232498:ELBBW2.0.CO;2
  4. Melville W. K., Matusov P. Distribution of breaking waves at the ocean surface // Nature. 2002. Vol. 417, iss. 6884. P. 58–63. https://doi.org/10.1038/417058a
  5. 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, iss. 6. P. 1296–1312. https://doi.org/10.1175/2007JPO3762.1
  6. Kleiss J. M., Melville W. K. Observations of wave breaking kinematics in fetch-limited seas // Journal of Physical Oceanography. 2010. Vol. 40, iss. 12. P. 2575–2604. https://doi.org/10.1175/2010JPO4383.1
  7. Kleiss J. M., Melville W. K. The analysis of sea surface imagery for whitecap kinematics // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2011. Vol. 28, iss. 2. P. 219–243. https://doi.org/10.1175/2010JTECHO744.1
  8. 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
  9. Phillips O. M. Spectral and statistical properties of the equilibrium range in wind-generated gravity waves // Journal of Fluid Mechanics. 1985. Vol. 156. P. 505–531. https://doi.org/10.1017/S0022112085002221
  10. Phillips O. M., Posner F. L., Hansen J. P. High range resolution radar measurements of the speed distribution of breaking events in wind-generated ocean waves: Surface impulse and wave energy dissipation rates // Journal of Physical Oceanography. 2001. Vol. 31, iss. 2. P. 450–460. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2001)0310450:HRRRMO2.0.CO;2
  11. Thomson J., Gemmrich J. R., Jessup A. T. Energy dissipation and the spectral distribution of whitecaps // Geophysical Research Letters. 2009. Vol. 36, iss. 11. L11601. https://doi.org/10.1029/2009GL038201
  12. Melville W. K. Energy dissipation by breaking waves // Journal of Physical Oceanography. 1994. Vol. 24, iss. 10. P. 2041–2049. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1994)0242041:EDBBW2.0.CO;2
  13. Banner M. L., Peirson W. L. Wave breaking onset and strength for two-dimensional deep-water wave groups // Journal of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 585. P. 93–115. https://doi.org/10.1017/S0022112007006568
  14. Drazen D. A., Melville W. K., Lenain L. Inertial scaling of dissipation in unsteady breaking waves // Journal of fluid mechanics. 2008. Vol. 611. P. 307–332. https://doi.org/10.1017/S0022112008002826
  15. Romero L., Melville W. K., Kleiss J. M. Spectral energy dissipation due to surface wave breaking // Journal of Physical Oceanography. 2012. Vol. 42, iss. 9. P. 1421–1444. https://doi.org/10.1175/JPO-D-11-072.1
  16. Wave breaking in developing and mature seas / J. Gemmrich [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 9. P. 4542–4552. https://doi.org/10.1002/jgrc.20334
  17. Schwendeman M., Thomson J., Gemmrich J. R. Wave breaking dissipation in a young wind sea // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 1. P. 104–127. https://doi.org/10.1175/JPO-D-12-0237.1
  18. On the variation of the effective breaking strength in oceanic sea states / C. J. Zappa [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, iss. 7. P. 2049–2061. https://doi.org/10.1175/JPO-D-15-0227.1
  19. Bulk parameterization of air-sea fluxes: updates and verification for the COARE algorithm / C. W. Fairall [et al.] // Journal of Climate. 2003. Vol. 16, iss. 4. P. 571–591. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)0160571:BPOASF2.0.CO;2
  20. Large W. G., Pond S. Sensible and latent heat flux measurements over the ocean // Journal of Physical Oceanography. 1982. Vol. 12, iss. 5. P. 464–482. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1982)0120464:SALHFM2.0.CO;2
  21. Phillips O. M. The equilibrium range in the spectrum of wind-generated waves // Journal of Fluid Mechanics. 1958. Vol. 4, iss. 4. P. 426–434. https://doi.org/10.1017/S0022112058000550
  22. Hanson J. L., Phillips O. M. Wind sea growth and dissipation in the open ocean // Journal of Physical Oceanography. 1999. Vol. 29, iss. 8. P. 1633–1648. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1999)0291633:WSGADI2.0.CO;2
  23. Observed variation in the decay time of oceanic whitecap foam / A. H. Callaghan [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C9. C09015. https://doi.org/10.1029/2012JC008147
  24. Rapp R. J., Melville W. K. Laboratory measurements of deep-water breaking waves // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1990. Vol. 331, iss. 1622. P. 735–800. https://doi.org/10.1098/rsta.1990.0098
  25. Stansell P., MacFarlane C. Experimental investigation of wave breaking criteria based on wave phase speeds // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 5. P. 1269–1283. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)0321269:EIOWBC2.0.CO;2
  26. Duncan J. H. An experimental investigation of breaking waves produced by a towed hydrofoil // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1981. Vol. 377, iss. 1770. P. 331–348. https://doi.org/10.1098/rspa.1981.0127
  27. Jessup A. T., Phadnis K. R. Measurement of the geometric and kinematic properties of microscale breaking waves from infrared imagery using a PIV algorithm // Measurement Science and Technology. 2005. Vol. 16, no. 10. P. 1961–1969. https://doi.org/10.1088/0957-0233/16/10/011
  28. 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
  29. Waves and the equilibrium range at Ocean Weather Station P / J. Thomson [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 11. P. 5951–5962. https://doi.org/10.1002/2013JC008837
  30. Plant W. J. A relation between wind stress and wave slope // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1982. Vol. 87, iss. C3. P. 1961–1967. https://doi.org/10.1029/JC087iC03p01961
  31. Meirink J. F., Makin V. K., Kudryavtsev V. N. Note on the growth rate of water waves propagating at an arbitrary angle to the wind // Boundary-Layer Meteorology. 2003. Vol. 106, iss. 1. P. 171–183. https://doi.org/10.1023/A:1020835211837
  32. 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. doi:10.22449/0233-7584-2018-6-534-547

Скачать статью в PDF-формате