Вітрові хвилі в неоднорідному океані: вплив довгих хвиль, течій, термічних фронтів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Морський гідрофізичний інститут

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

04.00.22 - Геофізика

Вітрові хвилі в неоднорідному океані: вплив довгих хвиль, течій, термічних фронтів

Дулов Володимир Олександрович

Севастополь 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Доценко Сергій Пилипович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, головний науковий співробітник.

доктор технічних наук, професор Загородніков Олександр Андрійович, Інститут теоретичної фізики НАН України, Національний науково-дослідний центр оборонних технологій та воєнної безпеки України, начальник лабораторії.

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Зацепін Андрій Георгійович, Інститут океанології ім. П.П.Ширшова Російської академії наук, завідувач лабораторії.

Провідна установа: Одеський гідрометеорологічний інститут Міносвіти і науки України

Захист відбудеться “9 ” листопада 2001 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.158.02 Морського гідрофізичного інституту НАН України за адресою: 99011, м. Севастополь, вул. Капітанська,2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Морського гідрофізичного інституту НАН України за адресою: 99011, м. Севастополь, вул. Капітанська,2.

Автореферат розісланий “28” вересня 2001 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д50.158.02 доктор фіз.-мат.наук Суворов О.М.

1. Загальна характеристика роботи

океанський вітрова хвиля течія

Вітрові хвилі можна розділити на три діапазони - область спектрального піка, проміжний (або “рівноважний") інтервал і область коротких хвиль. Для характерних умов відкритого моря проміжний діапазон охоплює хвилі з довжинами від десятків метрів до дециметрів. Основною й традиційною проблемою в дослідженнях вітрових хвиль є фізичний опис розвитку хвиль околу спектрального піка під дією вітру. До теперішнього часу об'єднаними зусиллями фахівців ряду країн створена “WAM-модель третього покоління", яка пропонує розв'язання цієї задачі [Komen et al. 1994]. Останніми роками у зв'язку з розвитком засобів спостереження океану з космосу й експлуатацією космічних апаратів, а також у зв'язку з підвищеним інтересом до проблем формування клімату планети, інтенсивно розвиваються напрями досліджень вітрових хвиль, пов'язані з проміжним і короткохвильовим діапазонами. Нові розробки в техніці лабораторного експеримента дозволили провести надійні вимірювання спектрів коротких хвиль [Klinke, Jahne 1992; Zhang 1995; та ін.], що спричинило появу праць щодо фізичного моделювання спектра в цьому діапазоні [Donelan, Pierson 1987; Elfouhaily et al. 1997; Kudryavtsev et al. 1999; та ін.]. Емпіричному та фізичному опису спектра хвиль в проміжному діапазоні присвячені праці [Donelan et al. 1985; Phillips 1985; Banner 1990; Babanin, Soloviev 1998; та ін.].

При зростанні швидкості вітру, скажімо, від 5 до 12 м/с рівень спектра в проміжному діапазоні змінюється незначно, в той час як стан морської поверхні, що спостерігається візуально, досить сильно розрізняється - відбувається інтенсифікація обрушення хвиль, що і стабілізує спектральний рівень. Обрушення хвиль грає фундаментальну роль у динаміці проміжного діапазону. У працях [Melville, Rapp, 1985, 1990] експериментально показано, що втрати енергії при обрушенні хвиль дають визначальний внесок у величину повної дисипації енергії хвиль. У цей час обрушення хвиль інтенсивно вивчається також і як явище, що візуалізує обмінні процеси між атмосферою і океаном (див. напр. праці [Wu 1993; Бондур, Шарков 1982; Monahan et al. 1986, 1989; Бортковский 1983, 1987, 2001; Farmer et al., 1993, 1994, 1999; та ін.].

Середовище, в якому розповсюджуються вітрові хвилі, тобто приповерхневий шар реального океану, є неоднорідним як за простором, так і за часом. Для спектральної складової хвилювання з фіксованим хвильовим вектором усі інші спектральні складові грають роль випадкових неоднорідностей середовища, які впливають на фіксовану компоненту завдяки міжхвильовим взаємодіям. Брижі і довгі вітрові хвилі є крупномасштабними неоднорідностями відносно більш коротких хвиль і викликають їх модуляції. Неоднорідності можуть бути викликані підповерхневими динамічними явищами, такими як внутрішні хвилі, фронти, апвелінги, зони конвергенції тощо. Тоді, їх вплив на вітрові хвилі здійснюється через пов'язані з цими явищами приповерхневі течії. Термічний фронт на поверхні океану впливає на режим турбулентності в нижньому шарі атмосфери, що, у свою чергу, впливає на вітрові хвилі завдяки варіаціям потоку імпульсу з атмосфери до хвиль.

Вивчення реакції хвильових параметрів на океанічну неоднорідність різних масштабів дає підхід до поглиблення розуміння динаміки вітрових хвиль. Проблема модуляції коротких хвиль довгими є традиційним предметом досліджень в радіофізиці (див. напр. огляд [Plant 1989]). Проблема відображення крупномасштабної динаміки океану на його поверхні у вигляді варіацій хвильових параметрів часто розглядається з метою інтерпретації радіолокаційний зображень океану, отриманих з космосу (див. напр. праці [Hogan et al. 1994; Johannessen et al. 1996; Beal et al. 1997; та ін.]), а теоретичному моделюванню в цій галузі присвячені праці [Гутшабаш, Лавренов 1986; Irvin 1987; Holthuijsen, Tolman 1991; та ін.].

Ця дисертаційна робота, яка присвячена питанням впливу неоднорідностей середовища на вітрові хвилі, лежить на стику перерахованих вище напрямів досліджень. Хоч об'єкти дослідження, тобто вітрові хвилі трьох діапазонів, сильно розрізнюються за своїми масштабами, їх об'єднує спільність теоретичного опису - опису за допомогою кінетичного рівняння:

(1)

де n(k,х,t) - спектральна густина хвильової дії. Ліва частина рівняння описує просторово-часову мінливість хвиль (G - групова швидкість), а права - відповідно вплив на хвилі течій з вектором швидкості V, міжхвильові взаємодії (St - “інтеграл зіткнень"), генерацію хвиль вітром і дисипацію. Хвилі спектрального піка (для океану - це хвилі з довжинами ~100 м) досить слабо відчувають локальний вплив течій. Однак, якщо течія має досить великий просторовий масштаб, то локальні ефекти течії нагромаджуються, що призводить до важливих явищ відображення і захоплення хвиль течією. Ці явища досліджуються в дисертаційній роботі експериментально, а інтерпретація даних проводиться в адіабатичному наближенні - в правій частині рівняння (1) враховується тільки перший член. Для проміжного діапазону важливі всі члени в правій частині рівняння. При розгляді цього діапазону хвиль у дисертаційній роботі основна увага приділена реакції хвиль на неоднорідність у вигляді сильних варіацій інтенсивності їх обрушення. При цьому як неоднорідність розглядаються хвилі спектрального піка, течії різних видів і мезомасштабна фронтальна зона з неоднорідною температурою морської поверхні. Для короткохвильового діапазону в дисертації розглядаються взаємодії капілярних і гравітаційних хвиль, що описуються членом St. Перераховані явища відображають основні аспекти динаміки вітрових хвиль, пов'язані з неоднорідністю приповерхневого шара океану.

Актуальність теми. Тема дисертації актуальна через її прямий зв'язок з методами дистанційних досліджень океану з супутників і літаків, оскільки динамічні особливості океану можуть спостерігатися радіолокаційною і оптичною апаратурою завдяки їх впливу на параметри вітрових хвиль і їх обрушення. Спостереження поверхневих відображень динамічних процесів дають ключ до розуміння реальної динаміки вод океану. У той же час ці спостереження цікаві для таких важливих практичних прикладень як глобальний і регіональний моніторинг морських акваторій і прибережних зон, моніторинг вод, що прилягають до узбережжя України, екологічний контроль за процесами перемішування і перенесення забруднень, пошук зон підвищеної біопродуктивності для потреб промислового рибальства.

Вітрові хвилі і їх обрушення є найважливішою ланкою обмінних процесів між атмосферою і океаном. Достовірні оцінки коефіцієнтів обміну імпульсом, теплом і газами виключно важливі для прогнозування змін клімату і стану морських екосистем. Але для таких оцінок необхідний надійний статистичний опис характеристик морської поверхні. Це визначає другий аспект актуальності дисертаційної роботи - в ній велика увага приділена натурним вимірюванням характеристик обрушення вітрових хвиль, їх зв'язків з фоновими метеопараметрами і їх реакції на океанічну неоднорідність.

Нагальною необхідністю для практичного використання отримуваної з космосу інформації про океан є розробка надійних радіофізичних моделей морської поверхні. Одна з найбільш актуальних задач e цій галузі - вдосконалення алгоритму відновлення поля приповерхневого вітру за скатерометричними даними. Зворотне розсіяння електромагнітних хвиль визначається спектром коротких вітрових хвиль, статистичними характеристиками баранців на гребенях хвиль, що обрушуються, інтегральними параметрами хвиль проміжного і енергонесучого діапазонів. У дисертаційній роботі досліджуються процеси енергоперенесення, що формують спектр коротких хвиль, статистика обрушення і варіації параметрів хвиль під впливом течій. Це визначає актуальність праці для радіофізичних прикладень і питань інтерпретації даних радіолокаційного зондування з космосу.

Коло розглянутих в роботі питань об'єднане загальною спрямованістю на просування в одному з фундаментальних напрямів сучасної гідрофізики - в проблемі опису механізмів формування образів підповерхневої динаміки океану на зображеннях його поверхні, що отримуються з космосу за допомогою тієї або іншої апаратури. Основні фізичні об'єкти представленого дослідження характеризуються параметрами, які можна реєструвати з космосу. Характеристики енергонесучих вітрових хвиль - їх висота і хвильовий вектор спектрального піка, реєструються відповідно альтиметром і радаром з синтезуванням апертури (SAR). Спектральна густина найбільш коротких вітрових хвиль, тобто гравітаційно-капілярних жмурів, це параметр, який визначає сигнали мікрохвильових радіолокаторів. На основі його реєстрації працюють скатерометри з метою оцінки з космосу швидкості вітру над океаном. Міри інтенсивності обрушення вітрових хвиль, такі як частка поверхні, покритої баранцями, частота подій обрушення, виявляються вельми чутливими до неоднорідності океанського середовища і їх також можна реєструвати дистанційно, принаймні з літака.

Україна вже запустила два вітчизняних супутники, оснащених радіолокаційною апаратурою (Сiч-1, Океан-О), і запланувала ще низку запусків (Сiч-1М, Сiч-2, Сiч-3). Переважну частину часу свого існування супутник проводить в польоті над світовим океаном. Тому збирання і використання інформації про океан є питанням ефективності експлуатації космічних апаратів. Звідси випливає актуальність дисертаційної роботи безпосередньо для інтересів України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів основних наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України в межах наступних проектів, госпдоговірних і науково-дослідних робіт, в яких автор брав участь як виконавець:

Проект “Хвиля" N0187.0018092;

Проект “Космос" N01.86.0096758;

Проект НАН України “Океан-атмосфера" ГР 0196U15535;

Проект НАН України “Супутникова океанологія", ГР 0196U015535;

Проект Національного космічного агентства України “Зондування", ГР 0194U040249;

Проект ЦНДІ “Комета" “Портрет" (N108 від 19 травня 1988 р);

Проект НВО “Севрыбпоиск" “Дідікон" (N36 від 7 березня 1990 р);

Проект НВО “Орбіта" “Середовище" ГР N210-98МГ;

Міжнародний проект Міжнародного Наукового Фонду Сороса ISF UD9000;

Міжнародний науковий проект Бюро Морських Досліджень Сполучених Штатів Америки NICOP N00014-98-1-1653;

Міжнародні наукові проекти Європейського Союзу:

INTAS 96-1817;

INTAS-OPEN-97-575;

INTAS/CNES 97-0222.

Мета і задачі роботи. Основна мета дисертаційної роботи - отримати емпіричний і теоретичний опис явищ динаміки вітрових хвиль, пов'язаних з найбільш важливими неоднорідностями океанського середовища, а саме:

- ефектів впливу на короткі хвилі хвиль більшого масштабу;

- ефектів впливу течій на обрушення хвиль;

- впливу на хвилі мезомасштабної динаміки океану.

Для досягнення цієї мети були поставлені і вирішені наступні наукові задачі:

- чисельно і аналітично дослідити трихвильові взаємодії в гравітаційно-капілярному діапазоні вітрових хвиль, отримати статистичний опис слабонелінійного впливу гравітаційних хвиль на капілярні для подальшого його використання в задачах фізичного моделювання спектра коротких хвиль;

- розробити методику реєстрації характеристик обрушення вітрових хвиль, провести вимірювання фонової залежності характеристик обрушення від швидкості вітру і стратифікації атмосфери, вивчити спектральний склад обрушуваних хвиль;

- провести вимірювання відгуку обрушення вітрових хвиль на неоднорідність швидкості течії різних просторових масштабів, отримати емпіричний опис ефектів впливу динаміки океану на обрушення і розробити їх теоретичні моделі;

- дослідити експериментально і теоретично поля характеристик вітрових хвиль і їх обрушення в мезомасштабній фронтальній зоні;

- експериментально перевірити можливість дистанційного виявлення динамічних особливостей відкритого океану по полю обрушення вітрових хвиль, тобто перевірити можливість застосування отриманих наукових результатів.

Методи дослідження. Основний метод досліджень, використаний в роботі, це виконання натурних вимірювань. Експерименти проводилися в Центральній Атлантиці і в зоні Гольфстріму, в центральній області західної частини Чорного моря і його прибережній зоні, в Норвезькому морі. Роботи здійснювалися з суден (43-й рейс НДС “Михайло Ломоносов", 37-й, 39-й і 43-й рейси НДС Академік Вернадський, 17-й і 19-й рейси НДС "Професор Колесников"), літаків (експедиції 1987-1988 рр. у Чорному морі і експедиція 1990 р. в Норвезькому морі) і океанографічної платформи ЕВ МГІ в селищі Кацивелі (двомісячні експедиції 1993, 1994 і 1999 рр.).

У теоретичній частині роботи використані аналітичні методи і чисельні розрахунки на персональному комп'ютері.

Наукова новизна. У дисертаційній роботі вперше отримані наступні наукові результати:

- Запропоновано статистичний опис неконсервативного слабонелінійного впливу гравітаційних хвиль на капілярні. Для капілярних хвиль отримане рівняння типу Фоккера-Планка-Колмогорова.

- Зроблено висновок, що для характерних спектрів вітрових хвиль трихвильове перенесення енергії до капілярних хвиль, що виникає внаслідок їх взаємодії з гравітаційними хвилями, домінує над перенесенням енергії внаслідок взаємодій між самими капілярними хвилями.

- Виявлено трихвильове зворотне перенесення енергії від хвиль з довжинами ~1 см до хвиль ~4 см, що виникає через западину в хвильовому спектрі, яка спостерігається при слабих вітрах.

- Експериментально показано, що в характерних для океану умовах, коли хвилювання близьке до розвиненого, головний внесок в частку поверхні, вкритої баранцями, вносять не енергонесучі хвилі, а хвилі, довжини яких принаймні в 3 рази менше.

- Виявлені й емпірично описані модуляції обрушення вітрових хвиль енергонесучими поверхневими хвилями.

- Виміряний відгук обрушення вітрових хвиль на субмезомасштабну дивергенцію течії, зумовлену обтіканням рельєфу дна.

- Виміряний відгук обрушення вітрових хвиль на мезомасштабний зсув швидкості в струминній течії.

- Внаслідок натурних вимірювань виявлені енергонесучі вітрові хвилі, захоплені мезомасштабною струминнною течією.

- В полі обрушення вітрових хвиль виявлені ефекти трансформації атмосферного пограншару над мезомасштабними і субмезомасштабними неоднорідностями температури морської поверхні;

- Запропонована фізична концепція формування відображення мезомасштабної фронтальної зони в полі обрушення вітрових хвиль залежно від взаємної орієнтації напрямів течії і вітру.

У дисертації отримали подальший розвиток наступні наукові задачі:

- Поліпшена методика чисельного розрахунку інтеграла зіткнень для гравітаційно-капілярного діапазону вітрових хвиль. У результаті, чисельно досліджений вплив форми спектра на розподіл перенесення енергії.

- Запропонована методика оптичної реєстрації частки морської поверхні, вкритої баранцями, виникаючими на гребенях хвиль, що обрушуються. Внаслідок проведених натурних вимірювань істотно збільшений обсяг емпіричної інформації про залежність частки поверхні, вкритої баранцями, від швидкості вітру і стратифікації атмосфери.

- Запропонований емпіричний і теоретичний опис відгуку обрушення вітрових хвиль на внутрішні хвилі в залежності від періоду внутрішніх хвиль і швидкості вітру.

- Запропонована модель відгуку обрушення вітрових хвиль, близьких до розвинених, на субмезомасштабні неоднорідности течій. Ця модель, на відміну від раніше запропонованих, адекватно описує фізику явища, оскільки в ній явним образом пов'язані міра інтенсивності обрушення і швидкість дисипації енергії вітрових хвиль, а час релаксації вітрових хвиль визначається з емпіричних даних про залежність рівня спектра і коефіцієнта вітро-хвильової взаємодії від швидкості вітру.

- Експериментально показано, що ефекти рефракції енергонесучих вітрових хвиль на мезомасштабній течії можна в головних рисах описати в рамках рівнянь геометричної оптики. У той же час експериментально виявлений немаючий фізичного пояснення факт збільшення довжини захоплених течією хвиль порівняно з довжиною хвиль, що проходять.

- Описані вияви в обрушенні вітрових хвиль субмезомасштабних турбулентних динамічних структур, які грають важливу роль в процесах перемішування в прибережній зоні.

- Експериментально підтверджений запропонований раніше теоретичний висновок про можливість дистанційного виявлення особливостей мезомасштабної динаміки відкритого океану по полю обрушення вітрових хвиль.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Дисертація являє собою експериментально-теоретичне дослідження з проблеми впливу океанічних неоднорідностей на вітрові хвилі. Обґрунтованість наукових положень, достовірність результатів і висновків базуються на великому обсязі натурних даних, отриманих контактними і дистанційними методами у Центральній Атлантиці, на Гольфстрімі, в Чорному і Норвезькому морях. Достовірність чисельних розрахунків підтверджується тим, що під час чисельних експериментів вдається відтворити граничні випадки, для яких відомі аналітичні результати. Достовірність результатів теоретичного моделювання підтверджується їх відповідністю експериментальним даним.

Наукове значення роботи. Передусім результати даної роботи призначені для поглиблення розуміння фізичних основ тематичної обробки супутникової інформації, оскільки тут фундаментальну важливість представляє надійна інформація про кількісні характеристики образів динамічних явищ океану в полях параметрів, що дистанційно спостерігаються.

Наступні результати мають самостійне наукове значення.

Запропонований в роботі статистичний опис впливу довгих хвиль на капілярні хвилі, придатний в присутності в'язкого загасання і вітрової накачки, представляє важливість для використання при чисельному моделюванні спектра вітрових хвиль в гравітаційно-капілярному діапазоні.

Висновок про те, що головний внесок в частку поверхні, вкритої баранцями, вноситься неенергонесучими хвилями, важливий для побудови адекватної реальності джерела, що описує дисипацію в моделях розвитку спектра вітрового хвилювання. Факт сильної модуляції обрушення енергонесучими хвилями вказує на важливість врахування цього ефекту при описі процесу розвитку хвиль і формування рівня їх спектра.

Факт виявлення сильної модуляції обрушення енергонесучими хвилями важливий для вдосконалення фізичних моделей формування зворотного радіолокаційного розсіяння морської поверхні.

Субмезомасштабні турбулентні структури, виявлені за їх виявами в обрушенні вітрових хвиль, важливі при розгляді процесів перемішування в прибережній зоні.

Відображення мезомасштабної фронтальної зони в полі обрушення вітрових хвиль - це також відображення фронтальної зони в полі швидкостей газообміну через поверхню океану. Таким чином результати роботи пов'язані з моделюванням клімату.

Практичне значення отриманих результатів.

Запропонована і верифікована методика пошуку динамічних особливостей в океані за допомогою системи Дідікон, встановленої на літаку. Методика представляє практичне значення для промислового лову риби в океані.

Зроблений емпіричний висновок про те, що при напрямі вітру, зустрічному струменю мезомасштабної течії, в області струменя розповсюджуються захоплені хвилі, які можуть представляти небезпеку для суден. Цей результат може бути використаний для забезпечення безпеки мореплавства.

Запропонований метод радіолокаційного спостереження субмезомасштабних динамічних структур, який може бути використаний для моніторингу процесів перемішування в прибережній зоні.

Особистий внесок здобувача. Майже всі публікації, що відносяться до цієї роботи, пов'язані з натурними експериментами, тому загальне число співавторів становить 22 особи. У спільних роботах здобувач брав паритетну участь. Здобувач займався розробкою ідей проведення експериментів, планував експерименти, здійснював керівництво як начальник загону в суднових і літакових експедиціях, безпосередньо проводив вимірювання. Ним виконана основна частина роботи щодо обробки, аналізу і теоретичної інтерпретації представлених експериментальних даних, запропонований алгоритм обробки сигналу, реалізований в комплексі автоматичної реєстрації обрушення хвиль “Дідікон”. Теоретична частина роботи, присвячена слабонелінійним взаємодіям гравітаційно-капілярних хвиль, виконана особисто здобувачем.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були викладені і обговорені на наступних міжнародних наукових конференціях, симпозіумах і робочих семінарах: 3- й з'їзд радянських океанологів, Ленінград, Росія, 1987; Всесоюзна конференція “Вітрове хвилювання", Сочі, Росія, 1989; Семінар Лабораторії Прикладної Фізики (APL), університет Джонса Хопкінса, США, 1991; Конференція щодо нелінійних хвиль у воді, Брістоль, Великобританія, 1991; Заключне засідання групи SWADE, Вудс Хол, США, 1992; Осіння зустріч Американського Геофізичного Союзу, Сан-Франциско, США, 1992; Міжнародний симпозіум “Поверхня розділу повітря-вода: радіо- і акустичне зондування, турбулентність і хвильова динаміка", Марсель, Франція, 1993; Міжнародний симпозіум “Науки про Землю і дистанційне зондування" (IGARSS), Пасадена, США, 1994; Друга міжнародна конференція “Взаємодія океану і атмосфери і метеорологія і океанографія прибережної зони", Лісабон, Португалія, 1994; Міжнародний колоквіум “Дистанційне зондування субтропічних океанів з космосу", Тайпей, Тайвань, 1995; Міжнародна конференція “Системи контролю навколишнього середовища", Севастополь, Україна, 1998; Четвертий міжнародний симпозіум “Газоперенос через водну поверхню", Майямі Біч, США, 2000.

Публікації. Основні наукові результати дисертації викладені в 51 публікації. З них: 18 - статті в міжнародних і вітчизняних періодичних наукових виданнях, 1 - авторське свідоцтво, 10 - статті в збірниках наукових праць, 18 - тези доповідей.

Структура дисертації. Робота складається з Вступу, п'яти Розділів, Висновків, Додатків, Списку використаних джерел. Вона містить 300 сторінок машинописного тексту і включає 52 малюнки і 5 таблиць. Додаток займає 10 сторінок, список використаних джерел з 243 найменувань займає 23 сторінки.

2. Основний зміст

У Вступі описана тема роботи, пояснені її актуальність, зв'язок з науковими програмами і проектами, цілі і задачі роботи, методи дослідження, наукова новизна, обґрунтованість і достовірність наукових положень і висновків, наукове значення роботи, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, апробація результатів дисертації, обсяг публікацій, структура роботи і висловлена вдячність.

Перший Розділ присвячений розгляду слабонелінійних взаємодій в гравітаційно-капілярному діапазоні вітрових хвиль. У цьому діапазоні нарівні з такими механізмами формування спектра хвиль як приток енергії від атмосфери і загасання хвиль через в'язкість води виключно важливе нелінійне перенесення енергії від гравітаційних хвиль до капілярних. Без урахування цього перенесення не можна пояснити ні спостерігаємий рівень спектра капілярних хвиль, ні загасання коротких гравітаційних хвиль [Єрмаков та ін. 1986, Zhang 1995, Кудрявцев 1996, Kudryavtsev et al. 1999 та ін.]. Основні процеси, що здійснюють таке перенесення, це - (i) генерація паразитних капілярних жмурів загостреннями гребенів гравітаційних хвиль; (ii) резонансні трихвильові взаємодії в перехідній області між капілярними і гравітаційними хвилями і (iii) усереднений ефект модуляцій коротких (капілярних) хвиль вздовж профілю довгих (гравітаційних) хвиль. Феноменологічний статистичний опис першого з цих процесів запропонований в роботах [Кудрявцев 1996, Kudryavtsev et al. 1999]. Однак останнім часом в ряді робіт при чисельному моделюванні явища була отримана генерація жмурів хвилями зі схилами не близькими до граничним [Watson, McBride 1993; Fedorov, Melville 1998; та ін.], а лабораторні вимірювання дисперсійного співвідношення вітрових капілярних хвиль показують, що ці хвилі потрібно вважати швидше вільними, ніж паразитними (пов'язаними з несучою хвилею) [Rozenberg, Matusov, Melville 1999; Zhang, Klinke, Jahne 1999; та ін.]. Тоді генерація капілярної брижі гравітаційними хвилями повинна описуватися в першому наближенні як трихвильовий резонансний процес. Щоб врахувати механізм обміну енергією (ii), в фізичних моделях гравітаційно-капілярного спектра [Kudryavtsev et al. 1999; Zhang 1995], побудованих за допомогою кінетичного рівняння (1), трихвильові взаємодії були параметризовані за допомогою виразу St~k5n2, що виходить з міркувань розмірності. Цей вираз може неправильно описувати навіть знак енергопереносу. Механізм обміну енергією (iii) також в першому наближенні є трихвильовим процесом. Таким чином наведене в даному розділі дисертації дослідження взаємодій хвиль в слабонелінійному (трихвильовому) наближенні, тобто докладний розгляд члена St з рівняння (1), є природним кроком, а його результати призначені передусім для подальшого їх використання при вдосконаленні фізичних моделей спектра вітрових хвиль в гравітаційно-капілярному діапазоні.

Вираз для інтеграла пружних трихвильових зіткнень гравітаційно-капілярних хвиль має вигляд [Valenzuela, Laing 1972; Красильников, Павлов 1973; та ін.]

(2)

інтегрування проводиться по областях OS і OD, де виконані умови відповідно для сумарних

,

і різницевих

,

резонансних процесів, а хвилі підкоряються дисперсійному співвідношенню загального вигляду

g - прискорення вільного падіння, Т - кінематичний коефіцієнт поверхневого натягнення. Проблема розрахунку виразу (2) в тому, що на кожному кроці інтегрування треба чисельно визначати резонансну трійку (знаходити k2(k0, k1)), при цьому межі інтегрування зазделегідь не відомі (вони визначаються тим, чи існує рішення k2), але на невідомих межах інтегрування підінтегральні вирази сингулярні. Хоч уперше такий розрахунок реалізований ще в роботі [Valenzuela, Laing 1972], в цей час невідомі чисельні результати, порівнянні за надійністю і детальністю з їх аналогами для області спектрального піка гравітаційних хвиль, більше того, розрахунки аналогічні [Valenzuela, Laing 1972] без використання сильних додаткових наближень (наприклад, наближення однонапрямлених хвиль), мабуть, не проводилися, незважаючи на те, що у використаному в цій роботі виразі для St виявлені помилки [van Gastel 1987].

Параграф 1.1 присвячений аналітичним розглядам відомого виразу (2). По-перше, були знайдені в параметричній формі межі інтегрування: рішення для сумарного процесу має вигляд

а для різницевого процесу величини k1 і k0 міняються місцями. Як виявлено в роботі [Valenzuela, Laing 1972], залежність St(k0) розривна в точці

,

хвильове число мінімуму фазової швидкості. При внесок в St дають тільки різницеві процеси, а при на додаток до них “включаються" сумарні процеси, і розрив виникає через сингулярність на межі інтегрування. Фізично це відповідає резонансу хвилі

зі своєю другою гармонікою, виявленому в роботі [McGoldrick 1967]. У параграфі 1.1 для величини розриву отриманий аналітичний вираз

з якого слідує, що для реальних спектрів величина стрибка позитивна. Реальне співвідношення рівнів спектра в гравітаційному і капілярному інтервалах можна змоделювати задаючи спектр узвиш у вигляді

(3)

і зшиваючи його на межі між інтервалами. Для таких спектрів були отримані асимптотичні зв'язки між формою St і схилами спектра узвиш в гравітаційній (L) і капілярній (S) областях:

де Stcap - інтеграл зіткнень капілярних хвиль [Захаров, Філоненко 1968].

Отримані аналітичні результати були використані для розробки програми, що дозволяє виконувати чисельні розрахунки St на персональному комп'ютері. Ці розрахунки описані в параграфі 1.2, їх мета - вивчити залежність розподілу нелінійного перенесення енергії від форми спектра. При розрахунку сингулярності були виключені замінами змінної інтегрування в околах меж, а резонансні тріади обчислювалися за допомогою аналітичних формул. Інтегрування виконувалося адаптивним методом, який дозволив: 1.- задавати точність обчислення інтегралів; 2.- скоротити на порядок число обчислень підінтегрального виразу порівнянно з розрахунками [Valenzuela, Laing 1972], виконаними на фіксованій сітці. Для тестування програми використовувалися аналітичні результати.

При розрахунках схили спектра узвиш (L і S в формулі (3)) варіювалися в межах 3-6. Основні риси форми St(k) - це стік енергії в гравітаційній області (St<0 при k<kd); стрибкоподібний перехід до максимальних позитивних значень St при k=kd, що відповідає притоку енергії в капілярну область в околі kd (St>0 при k>kd); з подальшим зростанням k величина |St| прагне до нуля. Для спектрів виду (3) виявилося застосовним уявлення про “локальність взаємодій по куту", тобто величина St(k) визначається головним чином перетином спектра в напрямі k і для хвильових чисел порядку величини kd кутовий розподіл St приблизно повторює кутову залежність для квадрата спектра. Істотна особливість програми розрахунку полягає в тому, що вона дозволяє без втрати точності розглядати не тільки локальні в Фур'є-просторі процеси (нелінійні взаємодії між хвильовими компонентами з близькими хвильовими числами), але і нелокальні взаємодії між капілярними і гравітаційними хвилями. У капілярному діапазоні St можна представити у вигляді суми внесків Stgr+Stcap, що відповідають цим двом видам взаємодій. Внесок нелокальних в Фур'є-просторі процесів виявився домінуючим (|Stgr|>>|Stcap|) при L=4 для S>4.5 і при L=3.5 для S>4.75. Згідно з роботою [Zhang 1995] ці значення схилів спектра відповідають реальному хвилюванню. Таким чином в капілярному діапазоні трихвильові взаємодії з гравітаційними хвилями не менш важливі, ніж трихвильові взаємодії між самими капілярними хвилями.

У параграфі 1.3 наведені результати розрахунків St для спектра гравітаційно-капілярних хвиль, отриманого за допомогою фізичної моделі, яка запропонована в роботі [Kudryavtsev, Makin, Chapron 1999]. При слабих вітрах модель дає западину (“dip"), що спостерігається в експериментах в сантиметровому інтервалі спектра. При розрахунках St було виявлено, що западина викликає осциляції в картині нелінійного перенесення. Їх можна проінтерпретувати як “зворотний каскад" - трихвильове перенесення енергії від хвиль з довжинами меншими характерної довжини хвилі спектральної западини до хвиль з довжинами більшими цієї характерної довжини. Каскад працює незалежно від співвідношення рівнів спектрів коротких і довгих хвиль, важливо лише щоб рівень спектра проміжних хвиль (у западині) був багато нижче, ніж у інших хвиль, що беруть участь в перенесенні. Слабонелінійну взаємодію гравітаційних і капілярних хвиль не можна описувати нехтуючи в'язкістю води, якщо час в'язкого загасання коротких хвиль виявляється меншим періоду довгих хвиль. Тому в параграфі 1.4 були виведені вирази для інтегралів непружних трихвильових зіткнень гравітаційних і капілярних хвиль. Кінетичне рівняння для капілярних хвиль при цьому набуває форми рівняння Фоккера-Планка-Колмогорова

де N(K) - спектр хвильової дії гравітаційних хвиль з хвильовими числами K і частотами Щ(K), G(k) - групова швидкість капілярних хвиль, е - різниця між декрементом в'язкого загасання (4нk2) і коефіцієнтом вітрохвильової взаємодії б(k). Для гравітаційних хвиль

Ці вирази були отримані в наближенні геометричної оптики. Вони переходять у відповідні асимптотики формули (2) при прагненні e до нуля. З їх використанням була розроблена тримасштабна чисельна модель для обліку трихвильового перенесення енергії від гравітаційних хвиль до капілярних в присутності в'язких втрат і накачки від вітру. Застосування моделі до спектрів хвиль виду (3) показало, що і при урахуванні неадіабатичності міжхвильових взаємодій залишається справедливим висновок про те, що приток енергії в капілярний діапазон внаслідок слабонелінійних взаємодій зумовлений прямим впливом гравітаційних хвиль (|Stgr|>>|Stcap|).

У другому Розділі праці описане експериментальне дослідження обрушення вітрових хвиль і ефектів впливу на них незавальних енергонесучих поверхневих хвиль. У параграфі 2.1 описані принципи праці спеціально сконструйованої оптичної системи “Дідікон", яка реєструє в автоматичному режимі баранці на гребенях хвиль, що обрушуються і дозволяє вивчати як двомірну (в xt-площині) еволюцію окремого баранця, так і, після усереднення, міру інтенсивності обрушення вітрових хвиль - частку морської поверхні Q, покритої баранцями. Представлені масиви даних про фонову залежність Q від швидкості вітру, динамічної швидкості в повітрі і параметра стратифікації атмосфери. Дані узгоджуються з результатами Монахана [Monahan, Woolf 1989, та ін.] та інших дослідників. Експериментально підтверджена залежність частки поверхні, вкритої баранцями, від стратифікації атмосфери, висновок про наявність якої запропонований в роботі [Wu 1988]. Дані, зібрані в районі Гольфстріму і в Чорному морі, описуються формулою

де Q виражена в процентах, динамічна швидкість в повітрі - в м/с.

У параграфі 2.2 представлене експериментальне дослідження, внаслідок якого було показано, що в умовах, характерних для океану, частка морської поверхні, вкритої баранцями, формується не за рахунок обрушення енергонесучих хвиль, а за рахунок обрушення хвиль проміжного діапазону. У лабораторних умовах можна вивчати лише вітрові хвилі, які характеризуються малим розгоном (молоді хвилі або ті, що розвиваються). Особливість молодого хвилювання в тому, що хвилі області спектрального піка інтенсивно обрушуються. У натурних умовах предметом досліджень часто є випадки розвитку хвиль від берега у бік відкритого моря, оскільки саме в цих випадках удається контролювати величину розгону хвиль. При цьому в прибережній частині спостерігаються молоді хвилі, і відповідно, спостерігається обрушення хвиль спектрального піка. У ситуаціях шквалів і ураганів у відкритому морі спостерігається істотно нестаціонарне хвилювання, що розвивається і характеризується обрушенням хвиль околу спектрального піка, довжини яких можуть досягати вже сотні метрів і більше. Однак у відкритому океані істотно нестаціонарні вітро-хвильові умови (тобто повороти вітру, періоди зміни метеоситуацій, урагани) спостерігаються значно рідше, ніж ситуації з стійким вітром і хвилями, близьким до розвинених. Зазначимо, що саме цей факт і обумовлює можливість дистанційних спостережень підповерхневої динаміки, оскільки при нестійких вітро-хвильових ситуаціях образ океанського динамічного явища в полі характеристик хвиль виявиться замаскованим ефектами, не пов'язаними безпосередньо з динамікою океану. Отже характерними умовами відкритого океану є стійкі вітро-хвильові ситуації, вони і розглядаються в дисертаційній роботі. У цих умовах хвилі спектрального піка не обрушуються, а обрушення зосереджене в проміжному (“рівноважному") діапазоні вітрових хвиль. Експериментальне підтвердження цьому наведено в першій частині параграфа 2.2.

У натурних умовах (Чорне море, океанографічна платформа в сел. Кацивелі) був досліджений розподіл за швидкостями руху для баранців, які утворюються на гребенях вітрових хвиль, що обрушуються. Щоб зв'язати швидкість баранця з певним масштабом хвилі, що обрушується, було прийнято, слідуючи роботі [Phillips 1985] і даним лабораторних досліджень [Rapp, Melville 1990], що швидкість баранця С пов'язана з частотою f хвилі, що обрушується відповідно до дисперсійного співвідношення для гравітаційних хвиль:

Рис. 1 Частотний спектр (F, суцільна лінія) і внески в частку морської поверхні, вкритої баранцями (Р, діаграмні стовпці)



Якщо баранці рухаються з меншою швидкістю, ніж фазова швидкість хвиль спектрального піка, це означає, що баранці породжуються не хвилями околу спектрального піка, а хвилями з проміжного інтервалу. На рис. 1 показані характерні для цього експерименту дані - частотний спектр хвиль і процентні внески в повну величину Q від різних частотних смуг хвилювання. Тут головний внесок в Q йде не від домінуючих хвиль, а від істотно більш коротких хвиль, що обрушуються. Цей факт був виявлений у всіх даних, які були зібрали у випадках вітрового хвилювання, близького до розвиненого (відношення швидкості вітру до фазової швидкості хвиль спектрального піка або “зворотний вік хвиль" близький до одиниці: U/Cp~1). Хвилі в діапазоні хвильових чисел k>3kp (де kp - хвильове число спектрального піка) дають більш, ніж 90% від загальної величини Q, а внесок енергонесучих хвиль в цю величину незначний. У той же час у випадках молодого хвилювання (U/Cp=4-5, хвилі розганяються від берега) головний внесок в Q давав окіл спектрального піка вітрових хвиль.

Далі в параграфі 2.2 наведений опис дослідження впливу на обрушення енергонесучих хвиль. Для виявлення модуляцій обрушення, викликаних домінуючими хвилями, використано процедуру фазового усереднення. Характерний розподіл величини Q вздовж середнього профілю довгої хвилі наведений на рис. 2. Обрушення істотно інтенсифікуються на гребенях довгих хвиль і заглушуються в їх западинах. Ефект був описаний модуляційною передавальною функцією (МПФ) аналогічно з описом модуляцій довгими хвилями зворотного радіолокаційний розсіяння. Визначена величина МПФ: 24 - для частки поверхні, вкритої баранцями, і ~7 - для частоти обрушення. Це означає, що відносні варіації частки поверхні, вкритої баранцями, в 24 рази більше, ніж крутість модулюючих хвиль. Виявлена залежність МПФ від зворотного віку модулюючих хвиль (U/Cp): чим “старші" домінуючі хвилі (чим нижче величина U/Cp), тим сильніше модуляції обрушення.

Той факт, що хвилі спектрального піка не обрушуються в цікавлячих нас ситуаціях, важливий для розуміння подальшої частини роботи. Однак він не є загальноприйнятим. Частково це пов'язано з уявленнями про океанську поверхню, породженими спостереженнями в лабораторіях або в прибережній зоні, або ж враженнями від ситуації урагану. Менш тривіальна причина можливих помилок у тому, що довгі енергонесучі хвилі впливають на обрушення коротких хвиль таким чином, що обрушення коротких хвиль концентрується на гребенях довгих хвиль. Внаслідок чого їх можна прийняти за обрушення самих хвиль спектрального піка.

Рис. 2 Розподіл Q вздовж довгої хвилі. Переривистою лінією показаний безрозмірний середній профіль узвиш (KZ), його амплітуда рівна крутості довгих хвиль. ф - фаза хвилі, ділена на 2р

Третій Розділ роботи присвячений ефектам впливу течій на обрушення вітрових хвиль. Класичний адіабатичний опис еволюції монохроматичної поверхневої хвилі на течії наведений в книзі Філліпса [1980]. Для опису реальних вітрових хвиль із широким спектром важливо враховувати неадіабатичність процесу їх поширення за течією, тобто вирішувати кінетичне рівняння (1) з повним урахуванням його правої частини - генерації хвиль вітром, дисипації та нелінійних взаємодій. У цей час для розв'язання цієї задачі за відсутності течій запропонована WAM-модель третього покоління. У даній роботі, щоб просунутися в фізичному описі еволюції вітрових хвиль на течіях, головна увага приділена обрушенню хвиль.

Вплив течій на хвилі складається передусім у зміні спектральної густини енергії хвиль. Воно описується першим членом у правій частині кінетичного рівняння (1), куди входить тензор градієнта швидкості приповерхневої течії. Таким чином вплив течій зумовлений їх просторовою неоднорідністю. Далі сукупна дія генерації хвиль вітром, дисипації, а також нелінійного перенесення енергії по спектру приводить до стабілізації спектрального рівня. Однак для здійснення стабілізації спектральна густина швидкості дисипації хвиль повинна змінитися - підстроїтися під вплив течії, щоб виконався баланс правої і лівої частин рівняння. Обрушення вітрових хвиль візуалізує процес дисипації. У результаті на морській поверхні виникає образ течії в полі обрушення хвиль. Це явище, тобто “візуалізація течії", з одного боку полегшує експериментальне дослідження динаміки хвиль на течіях, з іншого боку практично цікаво як засіб ідентифікації самої течії.

У параграфі 3.1 представлена теоретична модель для опису впливу течій на обрушення вітрових хвиль. Якщо WAM-модель третього покоління призначена для опису хвиль околу спектрального піка, то модель, що пропонується тут, описує проміжний (або рівноважний) інтервал вітрових хвиль, який відповідальний за обрушення в характерних для океану умовах. До розробки теоретичної моделі впливу неоднорідності течій на характеристики обрушення хвиль можна підійти таким чином: 1) - розрахувати еволюцію спектра хвиль Е(k,х,t) на заданій неоднорідній течії; 2) -розрахувати по відомому спектру хвиль просторовий розподіл статистичної міри інтенсивності обрушення Q(х,t). Такий підхід був реалізований в кандидатській дисертації автора [1986], де заходи інтенсивності обрушення розраховувалися на основі критерію порогового вертикального прискорення [Snyder, Kennedy 1983]. Це дозволило відтворити на якісному рівні особливості спостерігаємих варіацій частоти обрушення на короткоперіодних внутрішніх хвилях. Однак обрушення хвиль - це основний фізичний процес, завдяки якому здійснюється дисипація енергії у вітрових хвилях [Melvillе, Rapp 1985, 1990]. Тому у фізично обґрунтованій моделі швидкість дисипації і міра інтенсивності обрушення повинні бути явним образом пов'язані. Щоб задовольнити цій вимозі, тут представлена нова модель відображення течій в обрушенні хвиль. Центральним моментом в ній є розгляд швидкості дисипації енергії хвиль (D). Її зв'язок зі спектром хвиль описується суворо із закону збереження енергії. При досить великих швидкостях вітру (більше за 3-7 м/с) саму швидкість дисипації можна розглядати як статистичну міру обрушення, яка, згідно [Wu 1979, Phillips 1985] пропорційна частці поверхні, вкритій баранцями Q. Просторовий розподіл D(х,t) (або Q(х,t)) дає відображення течії в обрушенні.

Теоретична модель призначена для опису впливу течій на обрушення вітрових хвиль близьких до розвинених (U/Cp~1). Вона побудована на основі наступної концепції:

- для хвилювання близького до розвиненого частка поверхні, вкритої баранцями, визначається дисипацією енергії в “рівноважному інтервалі" (або “інтервалі дисипації"), що не включає область спектрального піка;

- повна швидкість дисипації в цьому інтервалі визначається із закону збереження енергії, що не вимагає роздільного розгляду нелінійного перенесення і втрат на обрушення хвиль і, таким чином, не вимагає введення моделі джерела, що описує спектральну дисипацію в кінетичному рівнянні;

- збурення спектра хвиль в інтервалі дисипації, викликані течією, визначаються з рівняння релаксації, головний параметр якого, спектральний час релаксації ф можна оцінити з емпіричних даних про залежність рівня спектра E0 і коефіцієнта вітро-хвильової взаємодії б0 від швидкості вітру:

У параграфі 3.2 наведені натурні дані про обрушення вітрових хвиль на течії, індукованій внутрішніми хвилями.

Дані зібрані в трьох океанських експедиціях і включають 84 години одночасних записів швидкості вітру, інтенсивності обрушення та сигналу з розподіленого датчика температури. У записах виділяються модуляції інтенсивності обрушення короткоперіодними (5-30 хв.) і довгоперіодними (1-3 години) внутрішніми хвилями, що виражаються в інтенсифікації обрушення в околі лінії конвергенції течії, індукованої внутрішньою хвилею.

Відгук обрушення на внутрішні хвилі був описаний комплексною передавальною функцією Ш, яка має значення відношення контрастів інтенсивності обрушення до безрозмірної дивергенції течії:



Рис. 3 Коефіцієнт передачі градієнта течії в контраст обрушення. Символи - експериментальні оцінки, криві - модельний розрахунок. 1,2 - частота обрушення, 3 - частка поверхні, вкритої баранцями. Швидкість вітру дорівнює 9м/с (1,3) і 4 м/с (2)

Т - період внутрішніх хвиль.

,

(U) - незбурена течією міра інтенсивності обрушення, у якості якої використовувалася частоти обрушення, або частка поверхні, вкритої баранцями. Модуль Ш має порядок величини 103. Рис. 3 показує виявлену залежність цієї величини від масштабу внутрішніх хвиль (чим довше хвилі, тим сильніше відгук на них). Зі зростанням безрозмірного періоду внутрішніх хвиль на півтора порядки величини коефіцієнт передачі зростає приблизно на порядок. Області максимальної інтенсифікації обрушення відстають від ліній конвергенції швидкості течії (фазовий зсув для короткоперіодних внутрішніх хвиль дорівнює 20-40°С, але із зростанням періоду внутрішніх хвиль фазовий зсув прагне до нуля - зони інтенсифікації обрушення зміщаються із западин ізоліній температури води на їх передній схил. Величина відгуку росте із зменшенням параметра U/с, де с - фазова швидкість внутрішніх хвиль. Відгук для частки поверхні, вкритої баранцями, в 3 рази перевищує відгук для частоти обрушення, що узгоджується з вимірюваннями модуляцій обрушення енергонесучими поверхневими хвилями (Розділ 2). На рис. 3 на експериментальні точки накладені модельні криві. Теоретична модель дозволяє проінтерпретувати дані, а модельний розрахунок дає згоду з вимірюваннями як по величині відгуку, так і по фазовому зсуву. Модель описує залежність відгуку від періоду внутрішніх хвиль і від параметра U/с.

У параграфі 3.3 описані вияви в обрушенні субмезомасштабних динамічних структур у прибережній зоні. Внаслідок експериментального дослідження обрушення вітрових хвиль в прибережній зоні були виявлені підповерхневі гідрофізичні структури з часовим масштабом (~1год. і просторовим - 100-1000 м, в яких горизонтальні градієнти швидкості течії досягають величин 0.001 с-1, а вертикальні швидкості - 1см/с. Такі утворення виразно виділяються по полю обрушення вітрових хвиль, збільшуючи частку поверхні, вкритої баранцями, в 2-4 рази. Ці структури грають важливу роль в процесах перемішування в прибережній зоні, особливо в процесах газообміну, оскільки саме над ними має місце інтенсифікація обрушення. У рамках того ж експерименту був виміряний відгук обрушення вітрових хвиль на дивергенцію течії з просторовим масштабом 0.1-1 км, викликану обтіканням рельєфу дна в прибережній зоні. Контраст частки поверхні, вкритої баранцями, можна оцінити за усередненою залежністю

де дивергенція швидкості течії виражена в зворотних секундах. Дані про відгук обрушення на дивергенцію течії, пов'язану з обтіканням рельєфу дна, узгоджуються з модельним розрахунком.

У параграфі 3.4 описаний вияв в обрушенні складної мезомасштабного динамічного утворення у відкритому морі (системи грибоподібних течій). Мезомасштабні аномалії обрушення у відкритому морі були зареєстровані з літака. Одночасно були проведені ретельні підлітакові вимірювання течій, підтверджені вимірюваннями солоності і прозорості води, супутниковими даними AVHRR NOAA, а також радіолокаційними вимірюваннями з літака. Незважаючи на складність виявленої системи течій поле контрастів обрушення показало явну кореляцію з полем дивергенції горизонтальної швидкості течії. В областях конвергенції обрушення вітрових хвиль інтенсифікувалося, в областях дивергенції - приглушувалися. Хоч в цьому експерименті не отримано кількісних зв'язків обрушення з течіями, тут важливий сам факт експериментального підтвердження можливості дистанційної ідентифікації нерегулярних мезомасштабних процесів відкритого океану за їх виявами в полі обрушення вітрових хвиль.

Четвертий Розділ роботи присвячений сильним ефектам впливу течії на енергонесучі поверхневі хвилі - відбиванням і захопленню хвиль. Теоретичному розгляду цих ефектів присвячені праці [Kenyon 1971; Гутшабаш, Лавренов 1986; Irvin 1987; Holthuijsen, Tolman 1991]. У розділі представлені натурні дані про мінливість спектрів вітрових хвиль упоперек струмені мезомасштабної океанічної течії (Гольфстріму) з одночасно отриманими контактними даними про поле швидкості течії. Спектри хвиль отримані за допомогою радіолокаційної станції, встановленої на кораблі. Такі спектри дозволяють визначати положення спектрального піка (або піків) в k-площині. Результатам вимірювань дана інтерпретація на основі променевого опису поширення хвиль через струмінь течії (тобто в наближенні геометричної оптики). Виявлені ефекти, як відображення хвиль течією, так і хвилеводного поширення хвиль проти течії, тобто захоплення хвиль течією. Захоплення хвиль мезомасштабною течією виявлене за допомогою контактних вимірювань уперше. Він можливий в умовах вітру, зустрічної течії. Спостерігалися як захоплені хвилі, згенеровані в області струменя вітром, так і локально захоплені хвилі, що входять в струмінь нижче за течією в області її меандру.

Реальна картина поширення хвиль через течію виявилася сильно відмінною від ідеалізованої задачі, в якій струмінь течії однорідний вздовж заданого напряму. Ряд особливостей цієї картини вдалося пояснити викривленням струменя. Неадіабатичність поширення хвиль на мезомасштабах також може бути істотна: наприклад, спостерігалися захоплені течією хвилі, які розвинулися під дією вітру в межах струменя. Однак головні межі явища - положення спектральних піків на k-площині, можна описати кількісно в рамках рівнянь геометричної оптики. У той же час спостерігалося непояснене теорією збільшення довжини захоплених хвиль порівняно з тими, що проходять. В областях захоплених хвиль зафіксована різка зміна стану поверхні океану, що виражається в посиленні качання судна і інтенсифікації обрушення хвиль. Цей результат підтверджує гіпотезу [Гутшабаш, Лавренов 1986, Irvin 1987] про те, що причина катастроф танкерів поблизу мису Голкового - хвилі, захоплені інтенсивною течією.

...