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

П'ятий Розділ роботи присвячений дослідженню поля інтенсивності обрушення вітрових хвиль в мезомасштабній фронтальній зоні. Тут представлені дані натурних вимірювань, отримані при дванадцяти перетинах Гольфстріму в квазіоднорідних вітрових умовах.

Реальна фронтальна зона впливає на інтенсивність обрушення вітрових хвиль як завдяки течії, так і за рахунок свого впливу на атмосферний пограншар (АПШ) завдяки термічному фронту на поверхні океану. АПШ підстроюється до температури підстилаючої поверхні, відповідно змінюється потік імпульсу від атмосфери до морської поверхні, а варіації притоку імпульсу відбиваються в мезомасштабних рисах поля обрушення. Аналіз даних дозволив виявити як ефекти підстроювання АПШ до варіацій температури поверхні, так і ефекти відгуку на це явище в інтенсивності обрушення (ефекти посилення обрушення в областях відносно теплої води), а також дати цим ефектам кількісні оцінки. Ефект трансформації АПШ зафіксований у вигляді корельованих з температурою води варіацій стратифікації повітря, вертикального зсуву швидкості вітру, і швидкості вітру на рівні вимірювань. З фізичної точки зору, зміни параметрів АПШ приводять до варіацій притоку енергії від вітру до хвиль, які компенсуються втратами енергії за рахунок обрушення хвиль, що зрештою і формує закономірну картину просторового розподілу обрушення хвиль у фронтальній зоні. У результаті частка морської поверхні Q, вкритої баранцями, падає в зонах, де поверхня океану відносно холодна. Такі явища спостерігалися як на масштабі всієї фронтальної зони, так і на субмезомасштабах (~10 км). У першому випадку Q на холодній стороні Гольфстріму падає в 3 рази порівняно з її величиною на теплій стороні. У другому випадку падіння Q в області відносно холодної води може бути двократним. Ці ефекти були змодельовані з використанням концепції внутрішнього пограншару [Garret, 1980].

Основна особливість струминної течії - мезомасштабні зсуви швидкості по обидва боки від стрижня, які, згідно з модельними уявленнями, повинні приводити до інтенсифікації обрушення з одного боку струменя і їх приглушення з іншого боку. Цей ефект виявився сильно замаскованим коливаннями інтенсивності обрушення, пов'язаними, мабуть, з наявністю в струмені зон конвергенцій і дивергенцій, що перемежаються. Об'єднання всіх даних дозволило описати ефект зсуву швидкості кількісно у вигляді лінійного зв'язку контрасту обрушення і градієнта швидкості. Таким чином був виміряний відгук обрушення вітрових хвиль на зсув швидкості в мезомасштабній струминній течії. Градієнти швидкості течії викликають рефракцію хвиль і змінюють приток енергії до вітрових хвиль, що локально компенсується варіаціями дисипації через обрушення хвиль. З аналізу інтегрального балансу енергії хвильового поля слідує, що сумарний вплив атмосфери і зсуву швидкості на частку поверхні, вкритої баранцями, описується співвідношенням:

Коефіцієнти в цій формулі були оцінені емпірично за отриманими даними:. . Їх величина узгодиться з модельною оцінкою.

Механізм впливу зсувів швидкості течії на полі обрушення може бути не тільки локальним. Коли струмінь течії захоплює вітрові хвилі, то хвильова енергія в області струменя, згідно з вимірюваннями, помітно зростає, а інтенсивність обрушення збільшується приблизно в 3 рази порівняно з випадками відсутності захоплених хвиль. Таким чином був експериментально виявлений ефект істотного посилення обрушення при зростанні енергії незавальних домінуючих поверхневих хвиль. Енергонесучі хвилі (брижі та розвинені вітрові хвилі) впливають на середню інтенсивність обрушення завдяки нелінійному перенесенню енергії в “інтервал дисипації". Тому трансформація енергонесучих хвиль на течії повинна приводити до варіацій обрушення. Цей ефект, на відміну від впливу зсуву, є нелокальним механізмом впливу течії на обрушення. Очевидний зв'язок аномалій інтенсивності обрушення і енергії поверхневих хвиль був виявлений в умовах, коли спостерігалися хвилі, захоплені течією. Величина ефекту відповідає інтенсифікації обрушення при збільшенні швидкості вітру на 30%.

З представленого аналізу слідує, що образ мезомасштабної фронтальної зони в полі обрушення вітрових хвиль формується внаслідок дії трьох перерахованих вище механізмів, а напрям вітру відносно фронту визначає, який з цих механізмів грає головну роль в конкретній ситуації. На закінчення розділу сформульована концепція вияву мезомасштабної океанічної фронтальної зони в полі обрушення вітрових хвиль. Головні межі образу фронтальної зони формуються під дією трьох чинників: вітрового впливу, підстроєного до температури поверхні; градієнтів поверхневих течій; енергонесучих хвиль, трансформованих течією. Роль кожного чинника в конкретному випадку визначається напрямом вітру відносно течії. Якщо повітряний потік перетинає фронтальну зону приблизно перпендикулярно їй, то головний чинник - підстроювання АПШ до температурного фронту. При інших напрямах вітру обрушення хвиль керується головним чином локальним зсувом течії. Однак коли вітер спрямований проти течії, обрушення залежить від енергії захоплених течією хвиль.

Мета розділу Додатки - показати реальність практичних прикладеньотриманих результатів. У Додатку А наведені теоретичні оцінки, які показують, що субмезомасштабні динамічні структури в прибережній зоні, де інтенсифікуються вертикальні рухи води (ці структури описані в Розділі 3), можна спостерігати з берега за допомогою радіолокатора.

У Додатку Б описаний досвід пошуку зон вірогідного скупчення риби по спостереженнях за полем обрушення вітрових хвиль. Перевірка можливості дистанційного спостереження нерегулярних динамічних утворень відкритого океану стикається з природною трудністю контактної ідентифікації таких утворень. Тут використано той факт, що динамічні особливості є місцями вірогідних скупчень промислової риби [Uda, 1957], тому їх місцеположення або відомо рибалкам, або може бути верифіковано шляхом контрольного лову. У Норвезькому морі був проведений експеримент з літака, де була встановлена оптична система реєстрації обрушення вітрових хвиль Дідікон, при одночасній роботі суден рибальської флотилії. Шляхом обробки даних Дідікона вдалося виділити області, де ловилася риба, і таким чином, непрямим шляхом показати можливість дистанційного виявлення динамічних особливостей у відкритому океані по полю обрушення вітрових хвиль.

Основні результати роботи перераховані в розділі Висновки, який закінчується формулюванням Положень, що виносяться на захист.

Висновки

Внаслідок досліджень, проведених в дисертаційної роботі, встановлені закономірності впливу приповерхневих неоднорідностей океану (довгих хвиль, течій, термічних фронтів) на енергетику вітрових хвиль, інтенсивність їх обрушення і просторовий розподіл хвильових параметрів. Основні результати праці:

1. На основі аналітичних розглядів поліпшена методика чисельного розрахунку інтеграла зіткнень для гравітаційно-капілярного діапазону вітрових хвиль. Досліджений вплив форми спектра на розподіл перенесення енергії. Показано, що перенесення для хвильового числа k визначається перетином спектра в напрямі k. Виявлено, що западина в хвильовому спектрі, яка спостерігається при слабих вітрах, викликає трихвильове зворотне перенесення енергії від хвиль з довжинами ~1 см до хвиль з довжинами ~4 см.

2. Запропонований статистичний опис неконсервативного слабонелінійного впливу гравітаційних хвиль на капілярні. Для капілярних хвиль отримане рівняння типу Фоккера-Планка-Колмогорова. Зроблений висновок, що трихвильове перенесення енергії до капілярних хвиль, виникаюче внаслідок їх взаємодії з гравітаційними хвилями, домінує над перенесенням енергії, пов'язаним з взаємодіями між самими капілярними хвилями.

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

4. 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 з довжинами в 3 рази меншими. Виявлені і емпірично описані сильні модуляції обрушення вітрових хвиль енергонесучими поверхневими хвилями.

5. Запропонована модель відгуку обрушення вітрових хвиль, близького до розвинених, на субмезомасштабні неоднорідності течій, в якій 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.

6. Емпірично і теоретично описаний відгук обрушення вітрових хвиль на внутрішні хвилі в залежності від їх періоду і швидкості вітру. Виміряний відгук обрушення на субмезомасштабну дивергенцію течії, зумовлену обтіканням рельєфу дна.

7. Виконане експериментальне дослідження рефракції вітрових хвиль на мезомасштабній струминній течії. Уперше при натурних вимірюваннях виявлені енергонесучі хвилі, захоплені течією. Показано, що ефекти рефракції енергонесучих хвиль 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. В області захоплених хвиль виявлене збільшення енергії хвиль і інтенсифікація обрушення.

8. Виконане експериментальне дослідження поля обрушення хвиль у фронтальній зоні Гольфстріму. Виміряний відгук обрушення вітрових хвиль на мезомасштабний зсув швидкості в струминній течії. У 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.

9. Описані вияви в обрушенні вітрових хвиль слабодосліджених субмезомасштабних турбулентних динамічних структур, яке важливе в процесах перемішування в прибережній зоні.

10. Експериментально показана можливість дистанційного виявлення особливостей мезомасштабної динаміки відкритого океану по полю обрушення вітрових хвиль.

Положення, що виносяться на захист

1. Висновок про визначальну роль гравітаційних хвиль в слабонелінійних процесах в капілярному діапазоні - приток енергії до капілярних хвиль внаслідок їх взаємодій з гравітаційними хвилями, домінує над перенесенням енергії, викликаним взаємодіями між самими капілярними хвилями.

2. Висновок про те, що в умовах стабільного вітру головний внесок в частку морської поверхні, вкритої баранцями, дають обрушення не хвиль околу спектрального піка, а хвиль з рівноважного інтервалу. Роль енергонесучих хвиль полягає в тому, що вони викликають модуляції обрушення більш коротких хвиль - інтенсифікацію на гребенях і приглушення у западинах довгих хвиль.

3. Модель впливу течій на обрушення вітрових хвиль, яка була експериментально підтверджена на течіях, пов'язаних з внутрішніми хвилями, з довгими енергонесучими гравітаційними хвилями, з обтіканням рельєфу дна в прибережній зоні, а також на мезомасштабній зсувовій течії.

4. Висновки про наявність в натурних умовах ефектів захоплення енергонесучих поверхневих хвиль мезомасштабною течією і про сильну інтенсифікацію обрушення вітрових хвиль в області захоплених хвиль.

5. Фізична концепція формування образу мезомасштабної фронтальної зони в полі обрушення залежно від напряму вітру відносно океанічного фронту. Експериментальний висновок про те, що термічний фронт впливає на поле обрушення вітрових хвиль.

Основні праці, опубліковані по темі дисертації

1. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Sherbak O.G., Grodsky S.A. Odservation of wind wave breaking in the Gulf Stream frontal zone // The Global Atmosphere and Ocean System, - 1998, - v. 6, - P. 209-242.

2. Kudryavtsev V.N., Grodsky S.A., Dulov V.A., Bol'shakov A.N. Observations of Wind Waves in the Gulf Stream Frontal Zone // J. Geophys. Res., - 1995, - C10, - P. 20,715-20,728.

3. Beal R.C., Kudryavtsev V.N., Thompson D.R., Grodsky S.A., Tilley D.G., Dulov V.A., Graber H.C. The influence of the marine atmospheric boundary layer on ERS-1 synthetic aperture radar imagery of the Gulf Stream // J. Geophys. Res., - 1997, - 102, - P. 5799-5814.

4. Гродский С.А., Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Наблюдение рефракции поверхностных волн на Гольфстриме // Доклады РАН, - 1992, - т.322, - N6, - C. 1162-1167.

5. Kudryavtsev V.N., Grodsky S.A., Dulov V.A., Malinovsky V.V. Observation of atmospheric boundary layer evolution above the Gulf Stream frontal zone // Boundary Layer Meteor., - 1996, - v.79, - P. 51-82.

6. Дулов В.А. Слабонелинейный перенос энергии в гравитационно-капиллярном интервале поверхностных волн. Влияние формы спектра // Морской гидрофизический журнал, - 2001, -N1, - C. 21-31.

7. Дулов В.А., Запевалов А.С., Большаков А.Н., Смолов В.Е. Проявление динамики воды в прибрежной зоне в поле обрушений ветровых волн // Морской гидрофизический журнал, - 1999, - N4, - C.3-17.

8. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Обрушения ветровых волн в условиях неоднородных течений и атмосферного погранслоя // Морской гидрофизический журнал, - 1995, - N6, - C. 17-32.

9. Блинков В.А., Дулов В.А., Шульгин О.В. Экспериментальные исследования гидрофизических характеристик и динамики вод в северо-западной части Основного Черномоского течения // Морской гидрофизический журнал, - 1991, - N5, - C. 45-60.

10. Дулов В.А., Клюшников С.И., Кудрявцев В.Н., Щербак О.Г., Шульгин О.В. Отображение неоднородностей пограничного слоя атмосферы и океана на синоптических масштабах в интенсивности обрушений поверхностных волн // Морской гидрофизический журнал, - 1990, - N4, - C. 20-30.

11. Гродский С.А., Дулов В.А., Кудрявцев В.Н., Шульгин О.В. Экспериментальные исследования эволюции ветровых волн на неоднородных течениях // Морской гидрофизический журнал, - 1989, - N5, - C. 36 - 46.

12. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Отображение неоднородностей течений в состоянии поверхности океана // Морской гидрофизический журнал, - 1989, - N4, - C. 3-12.

13. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Влияние внутренних волн на интенсивность обрушений ветровых волн. Теоретический анализ // Морской гидрофизический журнал, - 1988, - N2, - C. 9-15.

14. Бурдюгов В.М., Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Наблюдения эволюции поверхностных волн на течениях Черного моря // Морской гидрофизический журнал, - 1987, - N3, - C. 28-35.

15. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Влияние внутренних волн на интенсивность обрушений ветровых волн. Частота обрушений на единице площади наблюдаемой поверхности // Морской гидрофизический журнал, - 1987, - N6, - C. 22-29.

16. Дулов В.А., Клюшников С.И., Кудрявцев В.Н. Влияние внутренних волн на интенсивность обрушений ветровых волн. Натурные наблюдения // Морской гидрофизический журнал, - 1986, - N6, C. 14-21.

17. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н., Суетин В.С. Неоднородности океанических течений и радиояркостная температура // Исследование Земли из космоса, - 1990, - N1, - C.14-19.

18. Гродский С.А., Дулов В.А., Кудрявцев В.Н. Связь зон ослабления РЛ сигнала с конвергенцией поверхностных течений // Исследование Земли из космоса, - 1992, - N3, - C.10-15.

19. Dulov V., Grodsky S., Kudryavtsev V. Effect of ocean non-uniformities on wave-breaking / In “The Air-Sea Interface, Radio and Acoustic Sensing, Turbulence and Wave Dynamics”, eds., M.A. Donelan, W.H. Hui and W.J. Plant, - Miami (US): RSMAS, Univ. Miami (ISBN 0-930050-2).- 1996. - P. 283-288.

20. Grodsky S., Dulov V., Kudryavtsev V. Wind waves in the Gulf Stream frontal zone / In “The Air-Sea Interface, Radio and Acoustic Sensing, Turbulence and Wave Dynamics”, eds., M.A. Donelan, W.H. Hui and W.J. Plant, - Miami (US): RSMAS, Univ. Miami (ISBN 0-930050-2).- 1996. - P. 221-228.

21. Dulov V., Grodsky S., Kudryavtsev V., Beal R. Atmosphere boundary layer transformation at the Gulf Stream temperature front: observations and model / In “The Air-Sea Interface, Radio and Acoustic Sensing, Turbulence and Wave Dynamics”, eds., M.A. Donelan, W.H. Hui and W.J. Plant, - Miami (US): RSMAS, Univ. Miami (ISBN 0-930050-2).- 1996. -P. 587-592.

22. Dulov V., Kudryavtsev V. Wave breaking and non-uniformities of atmosphere and ocean / In “Nonlinear Water Waves”, ed. D.H. Peregrine, - Bristol (UK): Univ. Bristol (ISBN 0-86292-390-5), - 1992, - P. 75-82.

23. Дулов В.А., Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Обрушения ветровых волн как индикатор динамических особенностей в воде. Приложение к РЛ-мониторингу прибрежной зоны / В сборн. “Системы контроля окружающей cреды”, ред. Гайский В.А., - Севастополь: МГИ НАН Украины (ISBN 966-02-0733-6), - 1998, - C.178-184.

24. Dulov V., Kudryavtsev V., Malinovsky V., Rodin A. Search of ocean convergence zones via the observation of whitecap coverage. Application to fishery / In “Space Remote Sensing of Subtropical Oceans”, eds. Cho-Teng Liu, J. Apel, - Oxford (UK): Elsevier Science (ISBN: 0-08-042850-9), - 1997, - P. 255 - 259.

25. Grodsky S., Kudryavtsev V., Malinovsky V., Dulov V., Kikhai Yu., Solov'iev D. Surface “roughness” of the oceanic frontal zones, with application to radar observations / In “Space Remote Sensing of Subtropical Oceans”, eds. Cho-Teng Liu, J. Apel, - Oxford (UK): Elsevier Science (ISBN: 0-08-042850-9), - 1997, - P. 137 -142.

26. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н., Малиновский В.В., Нелепо Б.А., Родин А.В. Способ определения параметров течений на морской поверхности (Патент Российской Федерации N2036430) // Бюлл. изобр. и открытий, - 1995, - N15.

27. Beal R.C., Kudryavtsev V., Thompson D., Grodsky S., Tilley D.G., Dulov V. Large and small scale circulation signatures of the ERS-1 SAR over the Gulf Stream // Proc. Second ERS-1 Symposium (11-14 Oct.1993), Hamburg (Germany): - ESA SP-36, - 1994, - P.340-346.

28. Дулов В.А., Кудрявцев В.Н., Гродский С.А., Щербак О.Г. Наблюдения обрушений ветровых волн во фронтальной зоне Гольфстрима / Препринт, - Севастополь: МГИ НАН Украины, -1996 - 42с.

29. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Bolshakov A.N. An experimental estimate of the small scale wave breaking modulations by dominant surface waves / Gas Transfer at Water Surfaces Symposium, Program and Abstracts. - Miami Beach (USA): RSMAS, Univ. Miami - 2000, - P. 85.

Анотація

Дулов В.О. Вітрові хвилі в неоднорідному океані: вплив довгих хвиль, течій, термічних фронтів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика (фізика моря). - Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь, 2001.

У роботі досліджується вплив неоднорідностей океанського середовища на вітрові хвилі. Як неоднорідності розглянуті мезомасштабна фронтальна зона, струминна течія, внутрішні хвилі, зони конвергенції, а також самі вітрові хвилі, що впливають на хвилі меншого масштабу. Представлене експериментальне дослідження еволюції хвиль околу спектрального піка на мезомасштабній течії. Виявлені ефекти захоплення хвиль течією. Виконане експериментальне і теоретичне дослідження еволюції вітрових хвиль проміжного (рівноважного) інтервалу на неоднорідність океану різних масштабів. Основна увага приділена реакції вітрових хвиль у вигляді варіацій інтенсивності їх обрушення. Виявлені ефекти: модуляції інтенсивності обрушення енергонесучими поверхневими хвилями, вплив на обрушення горизонтальних зсувів швидкості течії, варіації температури поверхні океану, захоплені течією хвилі. Виконане теоретичне дослідження трихвильових взаємодій в гравітаційно-капілярному інтервалі вітрових хвиль. Показано, що взаємодії капілярних хвиль з гравітаційними на багато сильніше, ніж взаємодії між самими капілярними хвилями.

Ключові слова: вітрові хвилі, обрушення хвиль, розповсюдження хвиль в неоднорідному середовищі, міжхвильові взаємодії, взаємодія океану та атмосфери, дистанційне зондування океану.

Abstract

Dulov V.A. Wind waves in the non-uniform ocean: the influence of long waves, currents, thermal fronts. - Manuscript.

The thesis to deserve the academic degree of doctor for physical and mathematical sciences on the speciality 04.00.02 - geophysics. - Marine Hydrophysical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2001.

An influence of oceanic non-uniformities on wind waves is investigated. The following non-uniformities are considered: a mesoscale frontal zone, jetlike currents, internal waves, convergence zones, and wind-generated waves which affects the smaller waves. An experimental study of a propagation for the spectral peak waves through the mesoscale current is presented. Waves trapped by the current are revealed. An experimental and theoretical study of the equilibrium range wind-generated waves under the influence of oceanic non-uniformities of various scales is carried out. The main goal of that is to study a wave breaking response to the non-uniformities. The following effects are revealed. Energy-containing surface waves cause the modulations of wavebreaking. Horizontal current velocity shears, variations of sea surface temperature, and waves trapped by a current influence the whitecap coverage distinctly. A theoretical study of three-wave interactions for capillary-gravity range is performed. It is shown, that the interactions between capillary and gravity waves are much stronger that the interactions of capillary waves themselves.

Key words: wind-generated waves, wavebreaking, wave propagation in a non-uniform environment, wave- wave interactions, air-sea interactions, remote sensing of the ocean.

Аннотация

Дулов В.А. Ветровые волны в неоднородном океане: влияние длинных волн, течений, термических фронтов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика (физика моря). - Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь, 2001.

В работе исследуется воздействие неоднородностей океанской среды на ветровые волны и их обрушения. В качестве неоднородностей рассмотрены мезомасштабная фронтальная зона, струйное течение, внутренние волны, зоны конвергенции, а также сами ветровые волны, влияющие на волны меньшего масштаба. Основная направленность исследования - описание механизмов формирования образов приповерхностной динамики океана на его поверхности.

В первом разделе представлено теоретическое исследование трехволновых взаимодействий в гравитационно-капиллярном интервале ветровых волн. Аналитически и численно рассмотрено влияние формы спектра на распределение переноса энергии. Обнаружено, что впадина в волновом спектре, наблюдающаяся при слабых ветрах, вызывает трехволновый обратный перенос энергии от волн с длинами ~1см к волнам с длинами ~4см. Предложено статистическое описание слабонелинейного воздействия гравитационных волн на капиллярные при учете вязкого затухания и ветровой накачки в капиллярном диапазоне. Для капиллярных волн получено уравнение типа Фоккера-Планка-Колмогорова. Показано, что трехволновый перенос энергии к капиллярным волнам, возникающий в результате их взаимодействия с гравитационными волнами, доминирует над переносом энергии, связанным с взаимодействиями между самими капиллярными волнами. Эти результаты предназначены для совершенствования физической модели спектра самых коротких ветровых волн.

Во втором разделе предложена методика оптической регистрации доли морской поверхности, покрытой барашками, возникающими на гребнях обрушивающихся волн. Представлены данные натурных измерений зависимости доли поверхности, покрытой барашками, от скорости ветра, динамической скорости в воздухе и стратификации атмосферы. Рассмотрен спектральный состав обрушивающихся ветровых волн. Показано, что в характерных для океана условиях, когда волнение близко к развитому, главный вклад в долю поверхности, покрытой барашками, вносят волны не из окрестности спектрального пика, а из равновесного интервала. Обнаружены и эмпирически описаны сильные модуляции обрушений ветровых волн энергонесущими поверхностными волнами.

В третьем разделе предложена модель отклика обрушений ветровых волн, близких к развитым, на субмезомасштабные неоднородности течений, в которой явным образом связаны мера интенсивности обрушений и скорость диссипации энергии ветровых волн, а время релаксации ветровых волн определяется из эмпирических данных о зависимостях уровня спектра и коэффициента ветро-волнового взаимодействия от скорости ветра. Представлены и проанализированы экспериментальные данные о модуляции интенсивности обрушений ветровых волн внутренними волнами. Выявлена зависимость отклика обрушений на внутренние волны от периода внутренних волн и скорости ветра. Описаны проявления в обрушениях ветровых волн субмезомасштабных турбулентных динамических структур в прибрежной зоне. Измерен отклик обрушений на субмезомасштабную дивергенцию течения, обусловленную обтеканием рельефа дна. Описаны наблюдения проявления системы грибовидных течений в поле обрушений ветровых волн.

В четвертом разделе описано экспериментальное исследование рефракции ветровых волн на мезомасштабном струйном течении. Впервые при натурных измерениях обнаружены энергонесущие волны, захваченные течением. Показано, что эффекты рефракции энергонесущих волн можно в главных их чертах описать в рамках уравнений геометрической оптики. В области захваченных волн обнаружено увеличение энергии волн и интенсификация обрушений.

В пятом разделе описано экспериментальное исследование поля обрушений волн во фронтальной зоне Гольфстрима. Измерен отклик обрушений ветровых волн на мезомасштабный сдвиг скорости в струйном течении. В поле обрушений ветровых волн выявлены эффекты трансформации атмосферного погранслоя над мезомасштабными и субмезомасштабными неоднородностями температуры морской поверхности. Таким образом обнаружен и эмпирически описан эффект влияния термического фронта на ветровые волны. Предложена физическая концепция формирования отображения мезомасштабной фронтальной зоны в поле обрушений ветровых волн в зависимости от взаимной ориентации направлений течения и ветра: если воздушный поток пересекает фронтальную зону примерно перпендикулярно ей, то главный эффект обусловлен вариациями температуры поверхности океана, при других направлениях ветра обрушения волн управляются локальным сдвигом течения, но когда ветер направлен против течения, обрушения зависят от энергии захваченных течением волн. Эти исследования показывают возможность дистанционного обнаружения особенностей мезомасштабной динамики открытого океана по полю обрушений ветровых волн.

В приложении предложен метод берегового радиолокационного мониторинга субмезомасштабных динамических структур в прибрежной зоне, в которых интенсифицируются вертикальные движения воды, и описан опыт поиска зон вероятного скопления рыбы по наблюдениям за полем обрушений ветровых волн, проводимым с самолета.

Затронутые в диссертационной работе вопросы представляют важность для интерпретации данных зондирования океана из космоса, мониторинга морских акваторий и прибрежных зон, климатического моделирования обменных процессов между океаном и атмосферой, совершенствования радиофизических моделей морской поверхности, разработки методов экологического контроля за процессами перемешивания и переноса загрязнений, а также методов поиска зон повышенной биопродуктивности для нужд промыслового рыболовства.

Ключевые слова: ветровые волн, обрушения волн, распространение волн в неоднородной среде, межволновые взаимодействия, взаимодействие атмосферы и океана, дистанционное зондирование океана.

Размещено на Allbest.ru