Натурные исследования геометрических размеров обрушений гравитационных волн

А. Е. Кориненко✉, В. В. Малиновский

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: korinenko.alex@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Цель работы исследовать временную изменчивость геометрических размеров обрушений ветровых волн в натурных условиях и оценить долю морской поверхности, покрытой пеной, используя распределение длин гребней обрушивающихся волн.

Методы и результаты. Натурные исследования характеристик обрушений проводились со стационарной океанографической платформы, расположенной в 500 м от берега в районе пгт Кацивели (Черноморский гидрофизический подспутниковый полигон). Определение геометрических размеров обрушений в активной фазе и скоростей их движения осуществлялось по видеозаписям морской поверхности. В результате обработки последовательностей видеокадров сформированы массивы длин гребней, ширины и площадей пенных структур, изменяющихся во времени. Одновременно с видеозаписями регистрировалась метеорологическая информация.

Выводы. Экспериментально установлена не зависящая от ветровых и волновых условий связь геометрических размеров барашка с длиной обрушивающейся волны: средняя ширина обрушения пропорциональна длине обрушивающейся волны, средняя площадь – квадрату длины несущей волны. Значения этих отношений равны 0,03 и 0,002 соответственно, что подтверждает геометрическое подобие обрушений. Показано, что длина и ширина индивидуального барашка увеличиваются с постоянной скоростью, значение которой определяется масштабом обрушивающейся волны. Геометрические характеристики обрушений, нормированные на длину обрушивающейся волны, линейно зависят от безразмерного времени и не зависят от масштабов и скоростей обрушивающихся волн. Для расчета доли морской поверхности, покрытой пеной, использовалось распределение длин обрушений. Показано, что значения натурных данных удовлетворительно согласуются с расчетами по модели, предложенной О. М. Филлипсом.

Ключевые слова

обрушения ветровых волн, натурные исследования, распределение длин обрушений, подобие обрушений, доля морской поверхности, покрытая барашковой пеной, скорость роста линейных размеров обрушения

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-1700236, https://rscf.ru/project/21-17-00236/. В работе использованы архивные данные, полученные в рамках темы госзадания FNNN-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

Кориненко А. Е., Малиновский В. В. Натурные исследования геометрических размеров обрушений гравитационных волн // Морской гидрофизический журнал 2023. Т. 39, № 6. С. 814–830. EDN WBNQUS.

Korinenko, A.E. and Malinovsky, V.V., 2023. Field Investigations of the Geometric Features of Wind Wave Breaking. Physical Oceanography, 30(6), pp. 776-791.

Список литературы

  1. Бондур В. Г., Шарков Е. А. Статистические характеристики пенных образований на взволнованной морской поверхности // Океанология. 1982. Т. 22, № 3. С. 372–378. EDN TRTLBH.
  2. Monahan E. C., Woolf D. K. Comments on "Variations of whitecap coverage with wind stress and water temperature" // Journal of Physical Oceanography. 1989. Vol. 19, iss. 5. P. 706–709. doi:10.1175/1520-0485(1989)019%3C0706:COOWCW%3E2.0.CO;2
  3. Шарков Е. А. Обрушающиеся морские волны: структура, геометрия, электродинамика. Москва : Научный мир, 2009. 303 c. EDN QKILDL.
  4. Duncan J. H. An experimental investigation of breaking waves produced by a towed hydrofoil // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1981. Vol. 377, iss. 1770. P. 331–348. doi:10.1098/rspa.1981.0127
  5. 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. doi:10.1017/S0022112085002221
  6. Phillips O. M. Radar returns from the sea surface–bragg scattering and breaking waves // Journal of Physical Oceanography. 1988. Vol. 18, iss. 8. P. 1065–1074. doi:10.1175/15200485(1988)018%3C1065:RRFTSS%3E2.0.CO;2
  7. A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface. 1. Background model / V. N. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C3. 8054. doi:10.1029/2001JC001003
  8. Статистические характеристики обрушений и их связь с диссипацией энергии ветровых волн по данным натурных измерений / A. E. Кориненко [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 5. С. 514–531. doi:10.22449/0233-7584-2020-5-514-531
  9. Estimation of the “whitecap” lifetime of breaking wave / A. E. Korinenko [et al.] // Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022. Vol. 15, iss. 1. P. 61–72. doi:10.48612/fpg/5g5t-4mzd-94ab
  10. Шарков Е. А. Экспериментальные исследования времени жизни дисперсной фазы обрушивающейся гравитационной волны // Известия Академии наук. Физика атмосферы и океана. 1994. T. 30, № 6. C. 844–847.
  11. 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. EDN TOYRTB.
  12. Callaghan A. H., Deane G. B., Stokes M. D. Laboratory air-entraining breaking waves: Imaging visible foam signatures to estimate energy dissipation // Geophysical Research Letters. 2016. Vol. 43, iss. 21. P. 11320–11328. doi:10.1002/2016GL071226
  13. Ka-band radar cross-section of breaking wind waves / Y. Y. Yurovsky [et al.] // Remote Sensing. 2021. Vol. 13, iss. 10. 1929. doi:10.3390/rs13101929
  14. On Doppler shifts of breaking waves / Y. Y. Yurovsky [et al.] // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, iss. 7. 1824. doi:10.3390/rs15071824
  15. 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. doi:10.1175/15200442(2003)016%3C0571:BPOASF%3E2.0.CO;2
  16. Mironov A. S., Dulov V. A. Detection of wave breaking using sea surface video records // Measurement Science and Technology. 2008. Vol. 19, iss. 1. 015405. doi:10.1088/09570233/19/1/015405
  17. 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. doi:10.1175/2010JPO4383.1
  18. 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. doi:10.1175/2010JTECHO744.1
  19. 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. 38, iss. 6. P. 1296–1312. doi:10.1175/2007JPO3762.1
  20. Schwendeman M. S., Thomson J. Sharp-crested breaking surface waves observed from a shipbased stereo video system // Journal of Physical Oceanography. 2017. Vol. 47, iss 4. P. 775– 792. doi:10.1175/JPO-D-16-0187.1
  21. 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. doi:10.1175/1520-0485(2001)031%3C0450:HRRRMO%3E2.0.CO;2

Скачать статью в PDF-формате