Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН СПЕКТРАЛЬНОГО ПИКА ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
|
1. Введение 3
1.1 Явление обрушения поверхностных волн 3
1.2 Обрушение доминантных волн 5
1.3 Видеосъемка морской поверхности как метод измерения 6
2. Материалы и методы 10
2.1 Экспериментальные данные 10
2.2 Оцениваемые параметры 14
2.2.1 Обработка волнограмм и спектры волнения 14
2.2.1 Интегральные параметры волн 22
2.2.2 Статистические параметры обрушения волн 26
2.1 Деление данных по интервалам времени и отбор этих интервалов 31
3. Результаты 36
3.1 Распределения Л(с) и q(c) 36
3.2 Зависимости Qp 39
3.3 Зависимости Lp 41
3.4 Вероятность обрушения доминантных волн 43
4. Обсуждение 47
4.1 Масштабирование Qp 47
4.2 Приложение к дистанционному зондированию 55
5. Заключение 57
6. Список использованных источников 59
Приложение B 70
Приложение С 72
1.1 Явление обрушения поверхностных волн 3
1.2 Обрушение доминантных волн 5
1.3 Видеосъемка морской поверхности как метод измерения 6
2. Материалы и методы 10
2.1 Экспериментальные данные 10
2.2 Оцениваемые параметры 14
2.2.1 Обработка волнограмм и спектры волнения 14
2.2.1 Интегральные параметры волн 22
2.2.2 Статистические параметры обрушения волн 26
2.1 Деление данных по интервалам времени и отбор этих интервалов 31
3. Результаты 36
3.1 Распределения Л(с) и q(c) 36
3.2 Зависимости Qp 39
3.3 Зависимости Lp 41
3.4 Вероятность обрушения доминантных волн 43
4. Обсуждение 47
4.1 Масштабирование Qp 47
4.2 Приложение к дистанционному зондированию 55
5. Заключение 57
6. Список использованных источников 59
Приложение B 70
Приложение С 72
Обрушение поверхностных волн - явление поверхностной динамики моря знакомое практически каждому наблюдателю, и не нужно специальной подготовки для того, чтобы качественно, хоть и не всегда верно, дать описание этого явления.
Обрушение волн представляет собой одну из самых интересных и сложных проблем как для механики жидкости, так и для физической океанографии. Обрушение поверхностных волн является фундаментальным механизмом диссипации волновой энергии, и к тому же самым эффективным, если проводить сравнение с такими процессами как вязкое затухание, взаимодействие волн с ветром, течениями, фоновой турбулентностью и другими механизмами, обеспечивающими постепенный сток волновой энергии. Научный усилия последних десятилетий привели к заметным успехам в области физики обрушения поверхностных волн и пролили некоторый свет на роль этого явления в других различных физических процессах .
Волновая энергия, медленно накапливающаяся под действием приводного ветра и распределяющаяся нелинейными волновыми взаимодействиями по спектру на временных масштабах порядка тысяч волновых периодов внезапно высвобождается в виде «барашков» за время меньшее периода волны. Понятно, что эта последовательность: возникновение гидродинамической неустойчивости поверхности, формирование обрушающегося гребня и распространение последнего по поверхности воды - является крайне нелинейным механизмом переноса волновой энергии и количества движения в другие движения, например поверхностную турбулентность. На данный момент адекватное математическое и физическое описание такого процесса еще отсутствует.
Распределение обрушающихся гребней на поверхности воды не является непрерывным, но его роль в поддержании баланса в непрерывном поле ветрового волнения имеет решающее значение. Процесс обрушения, статистически осредненный по пространству и времени, может иметь значительный вклад в потоки количества движения, тепла и газа, которые имеют место на границе раздела океан-атмосфера.
Если говорить о дистанционном зондировании поверхности океана, то обрушение волн играет важную роль в измерениях микроволновых радиометров и радаров. Активные и пассивные системы полагаются на модель шероховатости морской поверхности, для количественной интерпретации измеренного сигнала. Как показано в , включение обрушающихся волн как источника более коротких волн в модели поверхностного обратного рассеяния приводит к лучшей согласованности данных измерений и моделирования - это опосредованный механизм влияния. Образующиеся в результате обрушения «барашки» непосредственно выступают в роли элементарных рассеивателей и, следовательно, оказывают влияние на обратное рассеяние радиолокационного сигнала . Обрушение волн влияет на измерения пассивных микроволновых радиометров в основном за счет формируемой пены, а также через обогащение пузырями воздуха верхнего слоя воды, что приводит к изменению диэлектрических свойств приповерхностного слоя моря .
Обрушающиеся гребни поверхностных волн являются источником наибольших нагрузок на гидротехнические сооружения (ветряные мельницы, сооружения по добыче полезных ископаемых т. п.), поэтому качественное прогнозирование высоты волн и статистических характеристик обрушающихся гребней, нужно для оценки стойкости сооружений в море (см. и ссылки там же).
Таким образом, обрушение поверхностных волн играет очень важную роль в процессах взаимодействия океана и атмосферы, а также имеет большое значение для практических приложений, таких как прогнозирование состояния поверхности моря, дистанционное зондирование океана и гидротехническое строительство.
...
Обрушение волн представляет собой одну из самых интересных и сложных проблем как для механики жидкости, так и для физической океанографии. Обрушение поверхностных волн является фундаментальным механизмом диссипации волновой энергии, и к тому же самым эффективным, если проводить сравнение с такими процессами как вязкое затухание, взаимодействие волн с ветром, течениями, фоновой турбулентностью и другими механизмами, обеспечивающими постепенный сток волновой энергии. Научный усилия последних десятилетий привели к заметным успехам в области физики обрушения поверхностных волн и пролили некоторый свет на роль этого явления в других различных физических процессах .
Волновая энергия, медленно накапливающаяся под действием приводного ветра и распределяющаяся нелинейными волновыми взаимодействиями по спектру на временных масштабах порядка тысяч волновых периодов внезапно высвобождается в виде «барашков» за время меньшее периода волны. Понятно, что эта последовательность: возникновение гидродинамической неустойчивости поверхности, формирование обрушающегося гребня и распространение последнего по поверхности воды - является крайне нелинейным механизмом переноса волновой энергии и количества движения в другие движения, например поверхностную турбулентность. На данный момент адекватное математическое и физическое описание такого процесса еще отсутствует.
Распределение обрушающихся гребней на поверхности воды не является непрерывным, но его роль в поддержании баланса в непрерывном поле ветрового волнения имеет решающее значение. Процесс обрушения, статистически осредненный по пространству и времени, может иметь значительный вклад в потоки количества движения, тепла и газа, которые имеют место на границе раздела океан-атмосфера.
Если говорить о дистанционном зондировании поверхности океана, то обрушение волн играет важную роль в измерениях микроволновых радиометров и радаров. Активные и пассивные системы полагаются на модель шероховатости морской поверхности, для количественной интерпретации измеренного сигнала. Как показано в , включение обрушающихся волн как источника более коротких волн в модели поверхностного обратного рассеяния приводит к лучшей согласованности данных измерений и моделирования - это опосредованный механизм влияния. Образующиеся в результате обрушения «барашки» непосредственно выступают в роли элементарных рассеивателей и, следовательно, оказывают влияние на обратное рассеяние радиолокационного сигнала . Обрушение волн влияет на измерения пассивных микроволновых радиометров в основном за счет формируемой пены, а также через обогащение пузырями воздуха верхнего слоя воды, что приводит к изменению диэлектрических свойств приповерхностного слоя моря .
Обрушающиеся гребни поверхностных волн являются источником наибольших нагрузок на гидротехнические сооружения (ветряные мельницы, сооружения по добыче полезных ископаемых т. п.), поэтому качественное прогнозирование высоты волн и статистических характеристик обрушающихся гребней, нужно для оценки стойкости сооружений в море (см. и ссылки там же).
Таким образом, обрушение поверхностных волн играет очень важную роль в процессах взаимодействия океана и атмосферы, а также имеет большое значение для практических приложений, таких как прогнозирование состояния поверхности моря, дистанционное зондирование океана и гидротехническое строительство.
...
В настоящей работе был проведен анализ данных об обрушении поверхностных волн, натурных данных о спектральном составе волновых полей и ветровых условиях, полученных коллегами в рамках осенних экспериментальных программ Морского гидрофизического института, которые проводились на черноморской океанографической платформе, расположенной у южного побережья Крымского полуострова.
Центром внимания являлись ветровые волны в области спектрального пика (доминантные волны), - поведение статистических характеристик которых исследовалось в данной работе.
Основной этап работы состоял в оценке распределений суммарных длин обрушающихся гребней, Л (с), и площадей барашков волн, q(c), по скоростям движения барашков. Этих распределения представляли основу для расчета статистических параметров обрушения доминантных волн.
К основным результатам работы можно отнести следующие положения:
1) Вклад доминантных волн в долю поверхности моря, покрытой барашками, меняется с возрастом волн, достигая более 60% в условиях молодого ветрового волнения.
2) Доля поверхности моря, покрытой барашками доминантных волн, не зависит от скорости ветра. Однако, если рассматривать обрушение молодых и более развитых доминантных волн по отдельности, то поведение этой статистической характеристики, по-видимому, указывает на некоторую корреляцию со скоростью ветра.
3) Данная статистическая характеристика обнаруживает яркую соизменчивость со степенью развитости волнения и крутизной доминантных волн, при этом показатель степень последней согласуется с результатами недавних теоретических исследований.
4) Вероятность обрушения доминантных волн, рассчитываемая без привлечения объективного критерия классификации обрушающихся волн по масштабу, может испытывать значительную переоценку
В работе также была отмечена целесообразность разделения доли поверхности моря, покрытой барашками доминантных волн и волн равновесного интервала спектра, поскольку, как было указано в недавнем теоретическом исследовании и было частично подтверждено в нашей работе, обрушение волн спектрального пика может главным образом зависеть от крутизны и степени развитости волнения, в время как интенсивность обрушения волн равновесного интервала, по-видимому, управляется скоростью ветра. В рамках этой гипотезы было получено полуэмпирическое выражение, связывающее полную долю поверхности моря, покрытой барашками, со скоростью ветра и обратным возрастом волн. Выражение воспроизводит основные закономерности в покрытии поверхности моря активной пеной и может претендовать на объяснение известного разброса экспериментальных данных.
Кроме этого, обсуждались потенциальные приложения полученных результатов к методам дистанционного зондирования поверхности океана из космоса.
Результаты настоящей работы, связанные с количественной оценкой свойств обрушения доминантных волн, имеют скорее фундаментальный характер и могу послужить опорной точкой для дальнейших более подробных исследований в этой области.
Центром внимания являлись ветровые волны в области спектрального пика (доминантные волны), - поведение статистических характеристик которых исследовалось в данной работе.
Основной этап работы состоял в оценке распределений суммарных длин обрушающихся гребней, Л (с), и площадей барашков волн, q(c), по скоростям движения барашков. Этих распределения представляли основу для расчета статистических параметров обрушения доминантных волн.
К основным результатам работы можно отнести следующие положения:
1) Вклад доминантных волн в долю поверхности моря, покрытой барашками, меняется с возрастом волн, достигая более 60% в условиях молодого ветрового волнения.
2) Доля поверхности моря, покрытой барашками доминантных волн, не зависит от скорости ветра. Однако, если рассматривать обрушение молодых и более развитых доминантных волн по отдельности, то поведение этой статистической характеристики, по-видимому, указывает на некоторую корреляцию со скоростью ветра.
3) Данная статистическая характеристика обнаруживает яркую соизменчивость со степенью развитости волнения и крутизной доминантных волн, при этом показатель степень последней согласуется с результатами недавних теоретических исследований.
4) Вероятность обрушения доминантных волн, рассчитываемая без привлечения объективного критерия классификации обрушающихся волн по масштабу, может испытывать значительную переоценку
В работе также была отмечена целесообразность разделения доли поверхности моря, покрытой барашками доминантных волн и волн равновесного интервала спектра, поскольку, как было указано в недавнем теоретическом исследовании и было частично подтверждено в нашей работе, обрушение волн спектрального пика может главным образом зависеть от крутизны и степени развитости волнения, в время как интенсивность обрушения волн равновесного интервала, по-видимому, управляется скоростью ветра. В рамках этой гипотезы было получено полуэмпирическое выражение, связывающее полную долю поверхности моря, покрытой барашками, со скоростью ветра и обратным возрастом волн. Выражение воспроизводит основные закономерности в покрытии поверхности моря активной пеной и может претендовать на объяснение известного разброса экспериментальных данных.
Кроме этого, обсуждались потенциальные приложения полученных результатов к методам дистанционного зондирования поверхности океана из космоса.
Результаты настоящей работы, связанные с количественной оценкой свойств обрушения доминантных волн, имеют скорее фундаментальный характер и могу послужить опорной точкой для дальнейших более подробных исследований в этой области.
