Спектральные контрасты коротких ветровых волн в искусственных сликах по фотографиям морской поверхности

В. А. Дулов, М. В. Юровская✉

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: mvkosnik@gmail.com

Аннотация

Цель. Целью работы является оценка контрастов двумерных спектров коротких ветровых волн между чистой морской поверхностью и поверхностью с тонкой пленкой растительного масла. Особый интерес представляет угловая зависимость контраста, которая на данный момент остается неясной. Работа призвана пополнить эмпирическую базу знаний о подавлении волн на пленках поверхностно-активных веществ в натурных условиях. Ее результаты могут быть интересны как для теоретического моделирования спектров коротких ветровых волн, так и для развития методов дистанционного мониторинга океана.

Методы и результаты. Оценки контрастов были выполнены путем анализа фотографий морской поверхности, сделанных с платформы Черноморского гидрофизического подспутникового полигона (пгт Кацивели) при проведении специализированных экспериментов с разливом растительного масла для получения искусственных сликов. Реализованный в работе простой метод оценок контрастов основан на предположениях о линейной связи между яркостью и уклоном морской поверхности и о неизменности передаточной функции, связывающей яркость и уклон при переходе от чистой поверхности к слику. Этот метод, в отличие от примененных ранее, дает возможность получать двумерные распределения спектральных контрастов одновременно по волновому числу и по направлению. Наибольшую техническую трудность представляет получение оценок для коротких волн. В данной работе спектральные контрасты оценены для ветровых волн с длинами от ~20 см до ~1 см.

Выводы. При умеренных ветрах со скоростями 6–8 м/c полученные контрасты монотонно возрастают с ростом волнового числа, достигая значений ~10. При почти штилевых условиях (скорость ветра 0,5 м/с) наблюдается максимум контраста ~30–50 на волновых числах ~100 рад/м, что качественно подтверждается оценками, полученными с помощью струнного волнографа. Эти результаты согласуются с измерениями, проведенными ранее другими авторами. Двумерные распределения контраста анизотропны с максимумом в направлении, перпендикулярном направлению ветра. При умеренных ветрах анизотропия усиливается с ростом волнового числа.

Ключевые слова

поверхностные пленки, короткие ветровые волны, спектр волнения, натурные измерения

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0555-2021-0005 и при поддержке гранта РФФИ № 19-05-00-752А.

Для цитирования

Дулов В. А., Юровская М. В. Спектральные контрасты коротких ветровых волн в искусственных сликах по фотографиям морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 3. С. 373–386. EDN IHERGJ. doi:10.22449/0233-7584-2021-3-373-386

Dulov, V.A. and Yurovskaya, M.V., 2021. Spectral Contrasts of Short Wind Waves in Artificial Slicks from the Sea Surface Photographs. Physical Oceanography, 28(3), pp. 348-360. doi:10.22449/1573-160X-2021-3-348-360

DOI

10.22449/0233-7584-2021-3-373-386

Список литературы

  1. Ермаков С. А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн. Нижний Новгород : ИПФ РАН, 2010. 165с.
  2. О возможностях радиолокационной диагностики зон эвтрофирования водоемов / С. А. Ермаков [и др.] // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 3. С. 336–343. doi:10.7868/S000235151303005X
  3. Cox C. S., Zhang X., Duda T. F. Suppressing breakers with polar oil films: Using an epic sea rescue to model wave energy budgets // Geophysical Research Letters. 2017. Vol. 44, iss. 3. P. 1414–1421. doi:10.1002/2016GL071505
  4. Remote Sensing of Organic Films on the Water Surface Using Dual Co-Polarized Ship-Based X-/C-/S-Band Radar and TerraSAR-X / S. A. Ermakov [et al.] // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 7. 1097. doi:10.3390/rs10071097
  5. Analysis of the effect of fish oil on wind waves and implications for air–water interaction studies / A. Benetazzo [et al.] // Ocean Science. 2019. Vol. 15. P. 725–743. https://doi.org/10.5194/os-15-725-2019
  6. Bondur V. G. Aerospace methods and technologies for monitoring oil and gas areas and facilities // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2011. Vol. 47. P. 1007–1018. https://doi.org/10.1134/S0001433811090039
  7. Joint sun-glitter and radar imagery of surface slicks / V. Kudryavtsev [et al.] // Remote Sensing of Environment. 2012. Vol. 120. P. 123–132. doi:10.1016/j.rse.2011.06.029
  8. Лаврова О. Ю., Митягина М. И., Костяной А. Г. Спутниковые методы выявления и мониторинга зон экологического риска морских акваторий. М. : ИКИ РАН, 2016. 335 с. URL: http://www.iki.rssi.ru/books/2016lavrova.pdf (дата обращения: 22.04.2021).
  9. Fingas M., Brown C. E. A Review of Oil Spill Remote Sensing // Sensors. 2018. Vol. 18, iss. 1. 91. doi:10.3390/s18010091
  10. Новые идеи в океанологии. Т. 1: Физика. Химия. Биология. М. : Наука, 2004. 351 с. URL: http://www.aerocosmos.info/pdf/2006/Bon_aero_2004.pdf (дата обращения: 22.04.2021).
  11. Интерпретация оптических спутниковых изображений Черного моря в зоне солнечного блика / М. В. Юровская [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 4. С. 68–82.
  12. Дулов В. А., Юровская М. В., Козлов И. Е. Прибрежная зона Севастополя на спутниковых снимках высокого разрешения // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 6. С. 43–60.
  13. On Capabilities of Tracking Marine Surface Currents Using Artificial Film Slicks / I. A. Kapustin [et al.] // Remote Sensing. 2019. Vol. 11, iss. 7. 840. doi:10.3390/rs11070840
  14. Cox C., Munk W. Measurement of the Roughness of the Sea Surface from Photographs of the Sun’s Glitter // Journal of the Optical Society of America. 1954. Vol. 44, iss. 11. P. 838–850. https://doi.org/10.1364/JOSA.44.000838
  15. Field investigations of the drift of artificial thin films on the sea surface / V. V. Malinovsky [et al.] // Izvestiya, Atmospheric and Ocean Physics. 2007. Vol. 43. P. 103–111. doi:10.1134/S0001433807010124
  16. Munk W. An Inconvenient Sea Truth: Spread, Steepness, and Skewness of Surface Slopes // Annual Review of Marine Science. 2009. Vol. 1. P. 377–415. doi:10.1146/annurev.marine.010908.163940
  17. Korinenko A. E., Malinovsky V. V. Field study of film spreading on a sea surface // Oceanologia. 2014. Vol. 56, iss. 3. P. 461–475. doi:10.5697/oc.56-3.461
  18. Ермаков С. А., Пелиновский Е. Н., Талипова Т. Г. О влиянии пленок поверхностно-активных веществ на изменения спектров ветрового волнения под действием внутренних волн // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1980. Т. 16, № 10. С. 1068–1076.
  19. Ermakov S. A., Salashin S. G., Panchenko A. R. Film slicks on the sea surface and some mechanisms of their formation // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1992. Vol. 16, iss. 3–4. P. 279–304. doi:10.1016/0377-0265(92)90010-Q
  20. On the Reduction of the Radar Backscatter by Oceanic Surface Films: Scatterometer Measurements and Their Theoretical Interpretation / M. Gade [et al.] // Remote Sensing of Environment. 1998. Vol. 66, iss. 1. P. 52–70. doi:10.1016/S0034-4257(98)00034-0
  21. Imaging of biogenic and anthropogenic ocean surface films by the multifrequency/multipolarization SIR-C/X-SAR / M. Gade [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1998. Vol. 103, iss. C9. P. 18,851–18,866. https://doi.org/10.1029/97JC01915
  22. Comparing Near-Coincident C- and X-band SAR Acquisitions of Marine Oil Spills / S. Skrunes [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2015. Vol. 53, iss. 4. P. 1958–1975. doi:10.1109/TGRS.2014.2351417
  23. Wave Breaking in Slicks: Impacts on C-Band Quad-Polarized SAR Measurements / M. W. Hansen [et al.] // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2016. Vol. 9, iss. 11. P. 4929–4940. doi:10.1109/JSTARS.2016.2587840
  24. Ермаков С. А., Сергиевская И. А., Гущин Л. А. Пленки на морской поверхности и их дистанционное зондирование // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2006. Вып. 3. Т. 2. С. 86–98. URL: http://jr.rse.cosmos.ru/article.aspx?id=231 (дата обращения: 22.04.2021).
  25. Оценка контрастов спектра ветровых волн в сликах, вызванных биогенными и нефтяными пленками / В. Н. Кудрявцев [и др.]. Н. Новгород, 2008. 30 с. (Препринт № 765 / ИПФ РАН).
  26. Stilwell D. Directional energy spectra of the sea from photographs // Journal of Geophysical Research. 1969. Vol. 74, iss. 8. P. 1974–1986. https://doi.org/10.1029/JB074i008p01974
  27. Ермаков С. А., Зуйкова Э. М., Салашин С. Г. Трансформация спектров коротких ветровых волн в пленочных сликах // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1987. Т. 23, № 7. С. 707–715.
  28. Двумерные спектры возвышений поверхностных волн по данным аэрофотосъемки / А. Н. Большаков [и др.] // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т. 26, № 6. C. 652–658.
  29. Определение спектра энергонесущих поверхностных волн по изображению солнечного блика. Сопоставление с контактными данными / А. Н. Большаков [и др.] // Исследование Земли из космоса. 1990. № 1. С. 20–27.
  30. Лупян Е. А. Восстановление углового распределения энергии в двумерном спектре возвышений морской поверхности по ее оптическому изображению // Исследование Земли из космоса. 1988. № 3. С. 31−35.
  31. Kosnik M. V., Dulov V. A. Extraction of short wind wave spectra from stereo images of the sea surface // Measurement Science and Technology. 2011. Vol. 22, iss. 1. 015504. doi:10.1088/0957-0233/22/1/015504
  32. Sun glitter imagery of ocean surface waves: Part 1. Directional spectrum retrieval and validation / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 2. P. 1369−1383. doi:10.1002/2016JC012425
  33. Мурынин А. Б. Восстановление пространственных спектров морской поверхности по оптическим изображениям в нелинейной модели поля яркости // Исследование Земли из космоса. 1990. № 6. С. 60–70.
  34. Исследование спектров морского волнения в широком диапазоне длин волн по спутниковым и контактным данным / В. Г. Бондур [и др.] // Исследование Земли из космоса. 2016. № 1–2. С. 7–24. doi:10.7868/S0205961416010048
  35. Monaldo F. M., Kasevich R. S. Daylight Imagery of Ocean Surface Waves for Wave Spectra // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol, 11, iss. 2. P. 272–283. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)0110272:DIOOSW2.0.CO;2
  36. Chapman R. D., Irani G. B. Errors in estimating slope spectra from wave images // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 20. P. 3645–3652. https://doi.org/10.1364/AO.20.003645
  37. Сергиевская И. A. O вoзмoжнocтяx использования оптического спектрального анализа для оценки характеристик волнения в присутствии пленок на морской поверхности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46, № 1. С. 131–137.
  38. Directional short wind wave spectra derived from the sea surface photography / M. V. Yurovskaya [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 9. P. 4380–4394. doi:10.1002/jgrc.20296
  39. Spectral Characteristics of Gravity-Capillary Waves, With Connections to Wave Growth and Microbreaking / N. J. M. Laxague [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018. Vol. 123, iss. 7. P. 4576–4592. https://doi.org/10.1029/2018JC013859
  40. Retrieval of short ocean wave slope using polarimetric imaging. / C. J. Zappa [et al.] // Measurement Science and Technology. 2008. Vol. 19. 055503. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/5/055503
  41. Yurovsky Yu. Yu., Dulov V. A. MEMS-based wave buoy: Towards short wind-wave sensing // Ocean Engineering. 2020. Vol. 217. 108043. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108043
  42. Jähne B. Digital Image Processing. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag, 2002. 528 p. doi:10.1007/3-540-27563-0
  43. Bendat J. S., Piersol A. G. Random Data: Analysis and Measurement Procedures. New York : Wiley, 2010. 640 p.
  44. 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
  45. Дулов В. А., Косник М. В. Эффекты трехволновых взаимодействий в гравитационно-капиллярном интервале ветровых волн // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45, № 3. С. 408–419.
  46. Kudryavtsev V., Johannessen J. On effect of wave breaking on short wind waves // Geophysical Research Letters. 2004. Vol. 31, iss. 20. L20310. doi:10.1029/2004GL020619

Скачать статью в PDF-формате