Асимметрия и эксцесс поверхностных волн в прибрежной зоне Черного моря

А. С. Запевалов✉, А. В. Гармашов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: sevzepter@mail.ru

Аннотация

Цель. Анализ изменчивости статистических моментов, характеризующих отклонения распределений возвышений морской поверхности от распределения Гаусса, – цель данной работы.

Методы и результаты. Натурные исследования характеристик поля морских волн проводились со стационарной океанографической платформы, расположенной на Черном море около Южного берега Крыма. Для анализа использовались данные, полученные в летний и в зимний периоды. Статистические моменты рассчитывались отдельно для ветровых волн и зыби. Измерения проводились в широком диапазоне метеорологических условий и параметров волнения (скорость ветра менялась в диапазоне 0–26 м/с, возраст волн 0–5,2, крутизна 0,005–0,095). Для ветровых волн коэффициенты корреляции асимметрии с крутизной и возрастом волн равны 0,46 и 0,38. Коэффициенты корреляции эксцесса с этими параметрами малы (0,09 и 0,07), но являются значимыми с доверительной вероятностью 99,8%. Для зыби коэффициенты корреляции в полтора-два раза ниже.

Выводы. Статистические моменты возвышений морской поверхности третьего и более высоких порядков являются индикаторами нелинейности волнового поля, которую необходимо учитывать при решении широкого круга прикладных и фундаментальных задач. Отклонения распределений возвышений поверхности от распределения Гаусса не описываются однозначно крутизной и возрастом волн. При фиксированных значениях этих параметров наблюдается большой разброс значений асимметрии и эксцесса возвышений поверхности. Это накладывает существенные ограничения на возможность использования в инженерных расчетах нелинейных волновых моделей, построенных на основе разложения волнового профиля по степеням малого параметра (крутизны).

Ключевые слова

морская поверхность, ветровые волны, зыбь, асимметрия, эксцесс, стационарная океанографическая платформа, Черное море

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0555-2021-0004 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования».

Для цитирования

Запевалов А. С., Гармашов А. В. Асимметрия и эксцесc поверхностных волн в прибрежной зоне Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 4. С. 447–459. EDN SKHDZD. doi:10.22449/0233-7584-2021-4-447-459

Zapevalov, A.S. and Garmashov, A.V., 2021. Skewness and Kurtosis of the Surface Wave in the Coastal Zone of the Black Sea. Physical Oceanography, 28(4), pp. 414-425. doi:10.22449/1573-160X-2021-4-414-425

DOI

10.22449/0233-7584-2021-4-447-459

Список литературы

  1. Measurement of the dispersion relation for random surface gravity waves / T. M. A. Taklo [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 2015. Vol. 766. P. 326–336. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.25
  2. Longuet-Higgins M. S. The effect of non-linearities on statistical distributions in the theory of sea waves // Journal of Fluid Mechanics. 1963. Vol. 17, iss. 3. P. 459–480. https://doi.org/10.1017/S0022112063001452
  3. Phillips О. М. On the dynamics of unsteady gravity waves of finite amplitude. Part 2. Local properties of a random wave field. // Journal of Fluid Mechanics. 1961. Vol. 11, iss. 1. P. 143–155. doi:10.1017/S0022112061000913
  4. Probability distributions of surface gravity waves during spectral changes / H. Socquet-Juglard [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 2005. Vol. 542. P. 195–216. https://doi.org/10.1017/S0022112005006312
  5. Бабанин А. В., Полников В. Г. О негауссовости ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 1994. № 3. С. 79–82.
  6. Запевалов А. С., Большаков А. Н., Смолов В. Е. Моделирование плотности вероятностей возвышений морской поверхности с помощью рядов Грама-Шарлье // Океанология. 2011. Т. 51, № 3. С. 432–439.
  7. Song J.-B., Wu Y.-H., Wiwatanapataphee B. Probability distribution of random wave forces in weakly nonlinear random waves // Ocean Engineering. 2000. Vol. 27, iss. 12. P. 1391–1405. doi:10.1016/s0029-8018(99)00067-0
  8. Agarwal P., Manuel L. On the Modeling of Nonlinear Waves for Prediction of Long-Term Offshore Wind Turbine Loads // Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2009. Vol. 131, iss. 4, 041601. https://doi.org/10.1115/1.3160647
  9. Rogue wave occurrence and dynamics by direct simulations of nonlinear wave-field evolution / W. Xiao [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 2013. Vol. 720. P. 357–392. https://doi.org/10.1017/jfm.2013.37
  10. Luxmoore J. F., Ilic S., Mori N. On kurtosis and extreme waves in crossing directional seas: a laboratory experiment // Journal of Fluid Mechanics. 2019. Vol. 876. P. 792–817. https://doi.org/10.1017/jfm.2019.575
  11. ENVISAT Radar Altimeter Tracker Bias / J. Gomez-Enri [et al.] // Marine Geodesy. 2006. Vol. 29, iss. 1. P. 19–38. https://doi.org/10.1080/01490410600582296
  12. Запевалов А. С. Влияние асимметрии и эксцесса распределения возвышений взволнованной морской поверхности на точность альтиметрических измерений ее уровня // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 2. С. 224–231.
  13. Janssen P. A. E. M. Nonlinear Four-Wave Interactions and Freak Waves // Journal of Physical Oceanography. 2003. Vol. 33, iss. 4. P. 863–884. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2003)33863:NFIAFW2.0.CO;2
  14. Gao Z., Sun Z., Liang S. Probability density function for wave elevation based on Gaussian mixture models // Ocean Engineering, 2020. Vol. 213. 107815. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.107815
  15. Запевалов А. С., Ратнер Ю. Б. Аналитическая модель плотности вероятностей уклонов морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. 2003. № 1. С. 3–17.
  16. Jha A. K., Winterstein S. R. Nonlinear random ocean waves: prediction and comparison with data // Proceedings of the 19th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium. ASME, 2000. Paper No. OMAE 00-6125.
  17. Huang N. Е., Long S. R. An experimental investigation of the surface elevation probability distribution and statistics of wind-generated waves // Journal of Fluid Mechanics. 1980. Vol. 101, iss. 1. P. 179–200. https://doi.org/10.1017/S0022112080001590
  18. Statistical distribution of nonlinear random water wave surface elevation / H. Yijun [et al.] // Chinese Journal of Oceanology and Limnology. 2006. Vol. 24. P. 1–5. https://doi.org/10.1007/BF02842767
  19. Probability distributions of surface gravity waves during spectral changes / Socquet-Juglard H. [et al.] // Journal of Fluid Mechanics. 2005. Vol. 542. P. 195–216. https://doi.org/10.1017/S0022112005006312
  20. Tayfun M. A., Alkhalidi M. A. Distribution of Surface Elevations in Nonlinear Seas // Offshore Technology Conference, Asia, Kuala Lumpur, Malaysia. 2016. OTC-26436-MS. https://doi.org/10.4043/26436-MS
  21. Ефимов В. В., Комаровская О. И. Возмущения, вносимые Крымскими горами в поля скорости ветра // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 2. С. 134–146. doi:10.22449/0233-7584-2019-2-134-146
  22. Соловьев Ю. П., Иванов В. А. Предварительные результаты измерений атмосферной турбулентности над морем // Морской гидрофизический журнал. 2007. № 3. С. 42–61.
  23. Соловьев Ю. П. Измерения атмосферной турбулентности в прибрежной зоне моря при слабом ветре с горного берега // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 3. С. 344–357. doi:10.7868/S0002351513030140
  24. Wave modelling in coastal and inner seas / Cavaleri L. [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 164–233. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2018.03.010
  25. Толокнов Ю. Н., Коровушкин А. И. Система сбора гидрометеорологической информации // Системы контроля окружающей среды. 2010. Вып. 13. С. 50–53.
  26. Thomas B. R., Kent E. C., Swail V. R. Methods to homogenize wind speeds from ships and buoys // International Journal of Climatology. 2005. Vol. 25, iss. 7. P. 979–995. https://doi.org/10.1002/joc.1176
  27. Donelan M. A., Hamilton J., Hui W. H. Directional spectra of wind-generated waves // Philosophical Transactions of the Royal Society. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1985. Vol. 315. P. 509–562. http://doi.org/10.1098/rsta.1985.0054
  28. Young, I. R., Donelan, M. A. On the determination of global ocean wind and wave climate from satellite observations // Remote Sensing of Environment. 2018. Vol. 215. P. 228–241. https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.06.006

Скачать статью в PDF-формате