Експериментальне дослідження статистичних і кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Морський гідрофізичний інститут

Національної академії наук України

УДК 551.466

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Експериментальне дослідження статистичних і кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль

04.00.22 - геофізика

Миронов Олексій Сергійович

Севастополь - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної Академії наук України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Дулов Володимир Олександрович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Мадерич Володимир Станіславович, Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, завідувач відділу;

доктор фізико-математичних наук, професор Єфімов Володимир Васильович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, завідувач відділу кінематичний атмосферний хвиля

Захист відбудеться 18 листопада 2009 р. о 13 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 50.158.02 в Морському гідрофізичному інституті Національної Академії наук України за адресою: 99011, Україна, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2, малий конференц-зал.

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

Автореферат розісланий «16» жовтня 2009 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д 50.158.02 кандидат фізико-математичних наук О.І. Кубряков

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Обвалення вітрових хвиль є одним з найважливіших явищ на поверхні Світового океану. Виникаючи при швидкості вітру більше 5-6 м/с, вони мають суттєвий вплив на хід практично всіх процесів верхнього шару океану. Під час обвалення хвиля захоплює атмосферне повітря, що призводить до інтенсифікації газо- тепло- і вологообміну між атмосферою і океаном. Утворення крапель і бризок внаслідок перекидання хвильових гребенів дає значний внесок у формування атмосферного аерозолю. Обвалення впливають на турбулентні процеси у верхньому шарі океану. Піна баранчика змінює значення альбедо морської поверхні. Також, відбивні властивості піни впливають на дані дистанційних досліджень кольоровості моря. Обвалення хвиль істотно діють на рівень і структуру сигналу радіолокатора. Просторові поля обвалень несуть інформацію про морські підповерхневі і атмосферні явища: внутрішні хвилі, зони конвергенції, атмосферні фронти, неоднорідності поля вітру. Таким чином, обвалення є основним механізмом, відповідальним за дисипацію енергії поверхневих вітрових хвиль.

Однак, не зважаючи на очевидну важливість обвалень вітрових хвиль, безліч аспектів цього фізичного явища вивчені відносно слабо. Велика кількість схожих вимірювань, виконаних різними дослідниками, не привела до ясного розуміння різних питань; оцінки значень багатьох параметрів і характеристик розрізняються на декілька порядків. Серед причин невідповідності результатів можна навести відсутність ясних і чітких критеріїв виділення обвалень хвиль на морській поверхні, що дозволяють однозначно зіставляти експериментальні дані з різних джерел, відсутність підходів і методів вимірювання, індивідуальних характеристиках обвалень, таких як швидкість і напрям руху баранчика, його еволюція в часі. Розбіжності фахівців щодо важливості та величини внеску різних механізмів хвильової взаємодії, що приводять до обвалення хвиль, і про ступінь нелінійності функції спектральної дисипації, також свідчать про нестачу експериментальних даних про характеристики обвалень вітрових хвиль в умовах відкритого океану. Всі перераховані факти визначають актуальність теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту НАН України в рамках наступних завершених та поточних науково-дослідницьких проектів:

«Фундаментальне дослідження змін клімату в системі океан - атмосфера - літосфера на глобальних і регіональних масштабах» (шифр «Океан - клімат»), ДР № 0101U001023, 2005 р., виконавець;

«Розробка дослідної системи прогнозу і контролю вітро-хвильових полів для регіонів газо- і нафтовидобутку в північно-західній частині Чорного моря» (шифр «Океан-нафта»), ДР № 0102U001495, 2005-2006 рр., виконавець;

«Фундаментальні і прикладні фізико-кліматичні дослідження морського середовища і кліматичної системи океан - атмосфера» (шифр «Клімат»), ДР № 0106U001407, з 2005 р. по теперішній час, виконавець;

«Фундаментальні дослідження фізичних процесів, що визначають стан морського середовища» (шифр «Фізика моря»), ДР № 0109U003178, з 2009 р. по теперішній час, виконавець;

Міжнародний науковий проект Європейського Союзу «Bound waves: dynamics and impact on remote sensing of the sea surface» (шифр «INTAS 05-1000008-8014»), ДР № 0108U002324, 2007 - 2009 рр., виконавець;

Міжнародний науковий проект Європейського Союзу «Development of Marine Oil Spills/slicks Satellite Monitoring System Elements Targeting the Black/Caspian/Kara/Barents Seas» (шифр «INTAS 9264_ DEMOSSS»), ДР № 0108U002327, 2007 - 2009 рр., виконавець;

Міжнародний науковий проект європейської програми FP6 «Monitoring the Marine Environment in Russia, Ukraine and Kazahstan using Synthetic Aperture Radar» (шифр «MONRUK»), контракт SST_ 5_ CT_ 2006_ 031001, ДР № 0108U002332, з 2007 р. по теперішній час, виконавець.

Мета і задачі дослідження. На основі нових експериментальних даних дослідити статистичні закономірності, що описують геометричні та кінематичні характеристики обвалень хвильових хвиль в натурних умовах.

В ході виконання роботи були вирішені наступні задачі.

- Розроблена методика, що дозволяє виконувати автоматичні вимірювання геометричних і кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль. Алгоритм методики базується на використанні фізичних уявлень про формування поля яскравості морської поверхні і дозволяє виключити суб'єктивний чинник при обробці вимірювань.

- Одержаний масив експериментальних даних, що містить інформацію про характеристики індивідуальних подій обвалень, в обсягу, достатньому для отримання статистично обгрунтованих висновків в широкому діапазоні метео-хвильових ситуацій.

Знайдені закономірності, що описують геометричні і кінематичні характеристики обвалень хвиль в натурних умовах.

- Досліджений зв'язок характеристик обвалень з метеопараметрами і спектрами вітрових хвиль, а також виконаний аналіз відповідності одержаних експериментальних результатів і теоретичних уявлень про дисипацію енергії вітрового хвилювання.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження в даній роботі є морська поверхня, яка взаємодіє з атмосферою, тому постійно змінюється у просторі та часі і знаходиться у різних станах. Предметом дослідження дисертації є обвалення вітрових хвиль на морській поверхні, фізичні механізми, що впливають на їх статистичні і кінематичні характеристики.

Методи дослідження. Основними методами досліджень, що використовувалися в роботі, були: виконання натурних вимірювань із стаціонарної океанографічної платформи Експериментального відділення Морського гідрофізичного інституту в сел. Кацивелі (літньо-осінні періоди 2003, 2005 і 2006 рр.), оригінальна комп'ютерна методика обробки даних і відповідний програмний комплекс, описані в дисертаційній роботі, методи теоретичної фізики, вживані в теорії вітрового хвилювання. Фізико-математичний аналіз експериментальних даних проводився за допомогою персонального комп'ютера.

Наукова новизна. Наукові результати, одержані особисто здобувачем і що виносяться на захист.

- Розроблена і застосована методика автоматичного виділення активної фази обвалень вітрових хвиль з відеозаписів морської поверхні, заснована на фізичних уявленнях про механізми формування поля яскравості морської поверхні і еволюції баранчиків.

- Експериментально показано, що значення ексцентриситетів апроксимуючих баранчики еліпсів незалежно від розмірів баранчиків і метеохвильових умов в середньому складають 0.9, що свідчить про подібність (автомодельність) обвалень на різних масштабах вітрових хвиль.

- Вперше встановлено, що розподіл довжин гребенів, нормованих на їх середнє по реалізації значення, має універсальний вигляд і описується степеневим законом з показником -2.5 ± 0.3; розподілів тривалостей обвалень описується експоненціальним законом; розподіл просторово-часових обсягів подій обвалень описується степеневим законом з показником -1.25 ± 0.12. Ці результати носять пріоритетний характер.

- Вперше одержані кількісні оцінки варіацій статистичних характеристик обвалень вітрових хвиль (кількість обвалень, розподіл площ баранчиків) у присутності плівок поверхневих активних речовин на морській поверхні.

- Зміряні і проаналізовані розподіли обвалень по швидкостях і напрямах руху в натурних умовах, а також розподілу довжин ділянок гребенів, що обрушуються, по швидкостях їх руху.

Обгрунтованість і достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій. Дисертація є експериментальним дослідженням статистичних і кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль в натурних умовах. Достовірність експериментальних висновків і результатів базується на коректному застосуванні автором відомих математичних методів; використанні при вимірюваннях, обробці та інтерпретації даних спостережень фізичних підходів і уявлень про принципи і механізми формування реєстрованого сигналу; відповідності результатів дисертації встановленим раніше іншими авторами.

Обгрунтованість наукових результатів і висновків дисертації спирається на об'єктивність методики обробки даних; великий обсяг одержаних натурних даних, який обумовлює статистичну забезпеченість; детальний аналіз обмежень і помилок, які властиві методиці вимірювань.

Наукве значення роботи. Розв'язана проблема реєстрації статистичних і кінематичних характеристик індивідуальних подій обвалень вітрових хвиль завдяки запропонованому в роботі підходу до виділення обвалень вітрових хвиль з відеозаписів морської поверхні. Істотно розширений обсяг емпіричної інформації про явище обвалень вітрових хвиль.

- Показано, що форма зон активних пінних утворень, апроксимованих еліпсами, в середньому, подібна. Таким чином, одержана підстава для уявлень про подібність (автомодельність) обвалень хвиль різних масштабів.

- Одержані статистичні розподіли характеристик обвалень вітрових хвиль (довжин гребенів хвиль, що обрушуються, часів життя баранчика і інших просторово-часових характеристик подій-обвалень), необхідні для розвитку моделей динамічних процесів у верхньому шарі океану і приводному шарі атмосфери.

- Виконані оцінки варіацій статистичних характеристик обвалень в зоні штучного сліку, які важливі для розвитку теоретичних моделей взаємодії атмосфери і океану у присутності плівок поверхневих активних речовин.

- Одержані емпіричні розподіли довжин контурів обвалень по швидкостях їх руху (Л(c)- розподіл), які є складовими фізичних моделей, що враховують обвалення вітрових хвиль.

- Результати дисертації знайшли відображення в звітах за національними і міжнародними проектами, обговорені на міжнародних наукових конференціях, а також опубліковані у вітчизняних і зарубіжних наукових виданнях.

Практичне значення одержаних результатів.

- Запропонована в роботі методика виділення обвалень з відеозаписів морської поверхні дозволяє автоматизувати процес обробки даних і виключити вплив суб'єктивного чинника на кінцевий результат, що відкриває можливість її включення в системи контролю параметрів навколишнього середовища.

- Одержані в результаті експериментів дані, знайдені розподіли і параметризації можуть бути використані в прикладних моделях, що описують процеси в прикордонних шарах атмосфери і океану, а також формування сигналів, які реєструються дистанційними приладами на аерокосмічних носіях.

- Одержані оцінки варіацій статистичних характеристик обвалень в зоні штучного сліку можуть бути використані при розробці систем ідентифікації і моніторингу нафтових розливів дистанційними методами.

Особистий внесок здобувача. Результати дисертації одержані автором самостійно або на паритетних засадах. Автору належать:

участь в натурних експериментах по вимірюванню характеристик обвалень вітрових хвиль як для вільної морської поверхні в 2003 і 2005 рр., так і у присутності штучного сліку на морській поверхні в 2006 г.;

розробка оригінальної методики і програмного комплексу автоматичного виділення обвалень вітрових хвиль пороговим методом на основі фізичних уявлень про формування поля яскравості морської поверхні з подальшою фільтрацією викидів і розділенням виділеної піни на активну і залишкову складові;

обробка всього масиву експериментальних матеріалів;

тематична обробка масиву даних з метою виявлення емпіричних закономірностей, аналіз геометричних властивостей і кількісні оцінки виділених обвалень, в т.ч. за наявності плівок поверхневих активних речовин;

отримання експериментальних Л(c)-- розподілів, руху (Л(c) - розподілу), які є складовими фізичних моделей, що ураховують обвалення вітрових хвиль

У статтях, опублікованих із співавторами, внесок здобувача наступний:

у [1, 10] - участь в розробці методики обробки відеозаписів морської поверхні, створення програмних блоків для обробки даних і безпосередня обробка накопиченого експериментального матеріалу;

у [2, 3, 5, 6, 8] - участь в постановці задач і виконанні експериментальних робіт, в розробці методики виділення обвалень та їх характеристик з відеозаписів морської поверхні, в обробці і аналізі експериментального матеріалу, інтерпретації результатів і формулюванні висновків;

у [4, 7, 11-13] - участь в постановці задач і розробці схеми проведення експериментальних робіт, у виконанні натурних вимірювань, обробка одержаних даних, участь в аналізі результатів і формулюванні висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на Науковій конференції «Ломоносовські читання 2004» (Севастополь, 4-5 травня, 2004 р.); Міжнародному науково-технічному семінарі «Системи контролю навколишнього середовища 2004» (Севастополь, 1923 вересня, 2004 г.); Всеукраїнській науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих учених «Фізика. Біофізика 2005» (Севастополь, 49 квітня, 2005 г.); Міжнародній конференції «Сучасний стан екосистем Чорного і Азовського морів» (Донузлав, 13-16 вересня, 2005 р.); Міжнародній робочій групі за проектом «OSCSAR» (Санкт-Петербург, 16-17 лютого, 2005 р.); Міжнародному семінарі GMES Networking ECONET (CETP, 17 жовтня, Париж, 2006 р.); Міжнародному семінарі GMES Networking ECONET, (IRPHE, 24 жовтня, Марсель, 2006г.); Міжнародній конференції молодих учених «Сучасні проблеми раціонального природокористання в прибережних морських акваторіях України» (Севастополь - Кацивелі, 1214 червня, 2007 г.); Міжнародній науковій конференції по моделюванню вітрового хвилювання «WISE Meeting» (Хельсінкі, 15 червня, 2008 г.); Міжнародній робочій групі за проектом «DEMOSS» (Севастополь, 1617 вересня, 2008 г.); Міжнародній конференції Європейського геофізичного союзу «EGU General Assembley 2009» (Відень, 1924 квітня, 2009 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в співавторстві в 12 наукових роботах, зокрема 7 статей [1-7] в наукових журналах і збірках наукових праць і 5 [8-12] - в збірках матеріалів і тез конференцій різного рівня. Публікації [1-3] відповідають вимогам ВАК України до наукових видань, в яких можуть публікуватися основні результати дисертаційних робіт і повністю відображають основні результати дисертації.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, додатку і списку літератури і містить 134 сторінки тексту. Основна частина містить 113 сторінок машинописного тексту, 38 рисунків і одну таблицю. Додаток займає 5 сторінок, список літератури з 104 найменувань на 16 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обговорюються актуальність і сучасний стан досліджень характеристик обвалень вітрового хвилювання, формулюються мета і задачі дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами і планами Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України, викладені методи дослідження і наукова новизна одержаних результатів, положень і висновків, їх обгрунтованість і достовірність, описані наукове і практичне значення роботи, її апробація, обсяг публікацій і структура роботи.

Перший розділ дисертації присвячений опису схеми і умов проведення експериментів на океанографічній платформі, а також викладенню методики виділення обвалень (піни баранчика) вітрових хвиль з відеозаписів схвильованої морської поверхні. Підрозділи 1.1 і 1.2 присвячені огляду задач і проблем експериментального вивчення обвалень вітрових хвиль в натурних умовах, а також, опису існуючих експериментальних підходів до вимірювання характеристик обвалень вітрових хвиль. Велика частина опублікованих вимірювань характеристик обвалень виконувалася в лабораторних умовах, де можливо повністю контролювати параметри і хід експериментів, залучати до вимірювань складну апаратуру, тонкі експериментальні методики.

Проте результати вимірювань в лотках, часто, погано застосовні до умов океану. У свою чергу, реєстрація характеристик обвалень в натурних умовах є трудомісткою задачею, що вимагає рішення цілого ряду технічних і методичних проблем. Складні нестаціонарні гідрометеоумови, накладення безлічі сторонніх чинників істотно ускладнюють виконання експериментальних робіт. Нестача і обмеженість експериментальних даних про обвалення хвиль в натурних умовах є актуальною проблемою наукових і прикладних задач верхнього шару океану.

З метою збільшення масиву емпіричної інформації про характеристики обвалень вітрових хвиль в натурних умовах і визначення їх зв'язку з супутніми метеохвильовими характеристиками, на Океанографічній платформі Експериментального відділення МГІ НАН України в літньо-осінні періоди 2003 і 2005 рр. були виконані спеціальні експериментальні роботи, схема і умови яких приведені в підрозділі 1.3.

В рамках вимірювальних робіт за допомогою відеокамери здійснювався відеозапис морської поверхні. Одночасно здійснювалася реєстрація характеристик хвилювання за допомогою решіток резистивних хвильографів, а також температури води і повітря, швидкості і напряму вітру. В результаті виконаних робіт було одержано близько 40 годин відеозаписів, що містять інформацію про більше ніж 250 тис. індивідуальних подій-обвалень, які відповідають діапазону швидкостей вітру U10= 4 - 24 м/с, температурі води Tw= 18 - 25 , температурі навколишнього повітря Ta= 16 - 28 , віку хвиль 0.8 - 4.

У підрозділі 1.4 детально розглядаються етапи еволюції індивідуального обвалення, з такими основними фазами: активний баранчик - фаза «А» і залишкова, вільно дрейфуюча на морській поверхні - фаза «B». Сформульовані основні задачі експериментальної реєстрації обвалень вітрових хвиль.

Підрозділ 1.5 присвячений опису методики обробки відеозаписів морської поверхні. Методика виділення піни баранчика є багатоступінчатою схемою, яку можна умовно розділити на декілька основних етапів. Першим кроком обробки вимірювань стало видалення з відеоряду сторонньої інформації, що не відноситься до досліджуваних явищ: сонячні відблиски, флуктуації яскравості морської поверхні тощо. Оскільки області піни баранчика є яскравими і контрастними утвореннями, то їх можна ідентифікувати по перевищенню яскравістю заданого порогу. На основі аналізу одержаних відеозаписів в рамках фізичних уявлень про формування поля яскравості морської поверхні був запропонований метод автоматичного вибору порогу по середніх характеристиках даних. Застосування методу дозволяє зіставляти дані різних відеозаписів, оскільки виключає суб'єктивний внесок оператора. В результаті цього етапу обробки обсяг аналізованої інформації значно скорочується, що є особливо актуальним у випадках великих експериментальних масивів.

Далі інформація розділяється на просторово-часові групи, відповідні кожній із спостережуваних індивідуальних подій-обвалень. Наступний етап обробки - динамічна фільтрація, при якій на основі емпіричних критеріїв, відбиралася тільки та інформація, яка відноситься до активних баранчиків - фазі «А». Вимірювання характеристик індивідуальних обвалень, включаючи їх площу, геометричні характеристики, швидкість і напрям руху - кінцева мета процедури обробки відеозаписів морської поверхні.

Серед переваг запропонованої методики обробки відеоданих можна виділити наступні: автоматичне визначення порогового значення яскравості на основі фізичних уявлень про формування поля яскравості морської поверхні; можливість одержувати різні оцінки статистичних і кінематичних характеристик індивідуальних обвалень; можливість розділення активної і залишкової фаз морської піни, що дозволяє виконувати коректніше порівняння експериментальних даних з аналітичними оцінками; максимальна автоматизація, внаслідок чого вилучається суб'єктивність при обробці матеріалу.

У підрозділі 1.6 обговорюються загальні статистичні характеристики одержаного експериментального матеріалу, приведені кількісні діапазони реєстрованих значень для різних метеохвильових умов.

Останній підрозділ, присвячений обговоренню помилок і обмежень, обумовлених методами і умовами вимірювань. Зокрема, обговорюються: помилки спричинені змінами освітленості морської поверхні, несприятливими погодними умовами, мінливістю, пов'язаною з нестаціонарністю супутніх гідрометеорологічних процесів, модуляцією фазових швидкостей хвиль, що обрушуються, орбітальним рухом в довгих хвилях, спотвореннями реєстрованих швидкостей баранчиків вертикальними швидкостями морської поверхні, обмеженнями реєстрації для масштабів хвиль, що обрушуються. Також обговорюється методика розрахунку динамічної швидкості в повітрі і область застосовності одержаних оцінок для динамічної швидкості в повітрі (). Оцінка і розуміння можливостей використовуваного підходу до вимірювання обвалень необхідні для подальшої коректної інтерпретації результатів обробки одержаного експериментального матеріалу.

Другий розділ дисертації присвячений аналізу одержаних даних з метою виявлення статистичних закономірностей, яким підкоряються характеристики баранчиків. Розглянуті частка запіненої морської поверхні, геометрична форма баранчиків, розподіли довжин гребенів, що обрушуються, тривалість існування баранчиків, просторово-часові обсяги індивідуальних подій.

Після обговорення в підрозділі 2.1 актуальності вимірювань індивідуальних статистичних характеристик обвалень вітрових хвиль, в підрозділі 2.2 наведені експериментальні оцінки частки морської поверхні, покритої баранчиками, () залежно від різних супутніх метеохвильових параметрів.

Дані про частку морської поверхні, покритої піною баранчика, є найпоширенішими експериментальними вимірюваннями характеристик обвалень вітрових хвиль. Як приклад на рис. 1 показане зіставлення одержаних даних з емпіричною параметризацією залежності частки активної піни баранчика від швидкості вітру, запропонованої в роботі (Monаhan, and Woolf, 1986),

,

де - різниця температур повітря і води поблизу морської поверхні; розрахункові і експериментальні дані добре узгоджуються практично для всього діапазону швидкостей вітру. Також були виконані зіставлення експериментальних оцінок з емпіричними параметризаціями її залежності від (Дулов і ін., 1999), теоретичної залежності частки запіненості від віку хвиль (Janssen, 1996) і параметра Rb, запропонованого (Zhao, Toba, 2002). Емпіричні залежності, одержані різними авторами в різних роботах, виконаних як в умовах океану, так і в закритих морях, добре узгоджуються з експериментальними оцінками дисертаційної роботи.

У підрозділі 2.3 обговорюються геометричні характеристики індивідуальних обвалень. Оскільки пінні баранчики є складними за формою утворення, які важко піддаються геометричній формалізації, то кожному баранчику був зіставлений еліпс, що має такі ж середні статистичні другі моменти, як і пляма піни, що апроксимується. Ідея такої апроксимації запропонована в роботах (Бортковський, 1983), (Бондур і Шарков, 1982). Далі, як міра витягнутості баранчика аналізувалися ексцентриситети апроксимуючих еліпсів

,

де а і b - велика і мала осі еліпса.

Аналіз просторово-часової еволюції індивідуальних баранчиків, мінливості середніх значень підчас запису залежно від супутніх метеохвильових умов показав, що обвалення в середньому подібні і значення їх ексцентриситетів слабо міняються у всьому діапазоні умов, що спостерігалися. Середнє значення ексцентриситету для всіх наявних експериментальних реалізацій склало. Воно не залежить від масштабу хвиль, що обрушуються, від часу, що пройшов з моменту зародження баранчика, метео- і хвильових умов. Одержаний результат свідчить на користь гіпотези подібності хвиль (автомодельності), що обрушуються, - базового припущення більшості моделей верхнього шару океану. Експериментальна перевірка припущення про автомодельності обвалень в натурних умовах для такого широкого діапазону гідрометеумов виконана вперше.

У підрозділі 2.4 розглядаються статистичні характеристики довжин гребенів, що обрушуються. Для ряду прикладних задач, наприклад дистанційного зондування морської поверхні, статистичні характеристики довжин обвалень є важливим і інформативним параметром, що багато в чому визначає характеристики реєстрованого сигналу, сформованого морською поверхнею. Згідно експериментальним даним, розподіли довжин гребенів обвалень, нормованих на середню за реалізацію довжину, мають універсальний вигляд

,

де значення А визначається умовою нормування, - показник степеневої залежності, який, згідно зміряним даним, склав .

На рис. 2 наведені всі одержані наявні експериментальні розподіли . Добре видно відповідність розподілів степеневому закону при . Підрозділ також містить аналіз змін значень L залежно від метеохвильових умов. Відмічено, що спостерігається незначне зростання L із швидкістю вітру.

Підрозділ 2.5 присвячений аналізу розподілу обвалень по тривалостях їх існування. Час «життя» баранчика - ключова характеристика для цілого ряду наукових і прикладних задач і моделей верхнього шару океану. Як і у разі розподілів довжин гребенів, що обрушуються, одержані експериментальні розподіли добре описуються експоненціальним законом

,

де T - середня тривалість активного обвалення за експериментальну реалізацію. У роботі також приведені експериментальні значення T залежно від різних супутніх гідрометеоумов. Середній час життя для всього одержаного масиву експериментальних даних с.

У підрозділі 2.6 розглядаються розподіли нової, і, мабуть, практично не вивченої характеристики - просторово-часових обсягів індивідуальних подій-обвалень. Просторово-часовий обсяг обвалення визначається як

де А(t) - миттєва площа поверхні, зайнята індивідуальним баранчиком в кожен конкретний момент часу t. Характер, рівень і нахил розподілів просторово-часових обсягів обвалень для всіх записів був приблизно один і той же для переважної більшості наявних реалізацій. Розподіли добре описуються степеневим законом

де A0 - константа, що визначається умовами нормування, а показник ступеня рівний, в середньому, .

Підрозділ 2.7 присвячений обговоренню результатів спеціального експерименту по оцінці впливу штучних плівок поверхнево-активних речовин (ПАР) на статистичні характеристики обвалень вітрових хвиль. Згідно існуючим теоретичним уявленням гасіння капілярних і гравітаційно-капілярних хвиль поверхневою тонкою плівкою відбувається за рахунок сильного збільшення в'язкої дисипації в даному спектральному інтервалі. Проте обвалення спостерігаються для хвиль з довжинами більше 30-50 см, рівень спектру яких за наявності ПАР практично не міняється. З метою експериментальної оцінки перевірки впливу ПАР на характеристики обвалень вітрових хвиль в осінній період 2006 р. на Океанографічній платформі МГІ НАН України був виконаний спеціальний експеримент. В рамках цих робіт у зоні огляду відеокамери на морській поверхні створювалися штучні тонкі плівки (з пружністю мН/м). Подальша обробка відеоматеріалу здійснювалася згідно вищевикладеній методиці. Аналіз експериментальних даних показав, що кількість обвалень в зоні сліку зменшується, були зміряні відповідні контрасти кількості хвиль, які обвалюються в порівнянні з вільною поверхнею. Також встановлено, що спостережувані контрасти обумовлені змінами кількості хвиль, що обрушуються і відносяться до короткохвильового спектрального інтервалу.

Третій розділ присвячений аналізу кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль і виведенню наслідків з аналізу даних, що стосуються дисипації енергії вітрового хвилювання.

Підрозділи 3.1 і 3.2 містять огляд сучасних уявлень про дисипацію енергії вітрового хвилювання і огляд моделей спектральної дисипації, обумовленої обваленнями хвиль. Вид функції спектральної дисипації та її зв'язок із спектром вітрового хвилювання відносяться до найактуальніших задач фізики морського хвилювання. Недостатня вивченість механізму дисипації багато в чому обумовлена недостатнім обсягом експериментальних досліджень.

Швидкості руху баранчиків дозволяють пов'язати обвалення з масштабами хвиль, які обвалюються, і це відкриває спроможність виконати оцінки спектральної і інтегральної дисипації вітрового хвилювання за рахунок обвалень. Аналіз і обговорення експериментальних розподілів по швидкостях і напрямах руху баранчиків приведені в підрозділі 3.3. Одержані емпіричні розподіли для швидкостей в цілому узгоджуються з результатами паралельних досліджень інших авторів (Gemmrich et al., 2008).

У підрозділі 3.4 викладений підхід до аналізу даних, вибраний в дисертаційній роботі як базовий і багато в чому заснований на теорії О. Філліпса (1985). В даний час особливо актуальна задача урахування обвалень вітрових хвиль в різних геофізичних і прикладних моделях, виходячи з сучасних хвильових моделей, таких як, наприклад, WAM. Методика такого урахування, яка слідує з робіт О. Філліпса (1985, 1988) і В.М. Кудрявцева (2003, 2006 і ін.), використовує спектральну дисипацію енергії хвиль, що включена в хвильову модель і обумовлена, головним чином, обваленнями. Перехід від дисипації до характеристик середовища, що цікавлять, здійснюється за допомогою лямбда-розподілів, де - сумарна довжина контурів, що припадає на одиницю площі морської поверхні, уздовж яких лежать баранчики, рухомі з швидкостями з інтервалу . Якщо c дорівнює фазовій швидкості хвилі, що обрушується, то лямбда-розподіл (з урахуванням дисперсійного співвідношення гравітаційних хвиль ) є спектральною характеристикою швидкості дисипації енергії вітрових хвиль. У зв'язку з цим експериментальне вивчення лямбда-розподілів має ключову важливість.

У роботі (Duncan, 1982) показано, що на одиниці довжини контуру, уздовж якого реалізується обвалення хвилі, за одиницю часу втрачається енергії, де b - константа. Таким чином, спектральна швидкість дисипації на одиниці площі і повна швидкість дисипації енергії через обвалення рівні

, (1)

. (2)

З другого боку дисипацію можна розрахувати по спектру вітрових хвиль, використовуючи відомі теоретичні уявлення. В рамках теорії О. Філліпса (1985) швидкість дисипації хвильової енергії на одиниці площі поверхні є

,

де - функція насичення, - безрозмірна константа, порядок величини якої ~ 100. Експериментально вимірюваний решітками хвилеграфів спектр рівний

Тоді формули для розрахунку спектральної і повної швидкості дисипації через обвалення мають вигляд

(3),

(4),

де - частота спектрального піку, а - частота короткохвильової межі рівноважного інтервалу.

Вирази (1), (2) і (3), (4) дозволяють оцінити дисипацію по двох незалежно одержаних наборах даних - по відеоданих про обвалення і по хвилеграфічних записах.

У підрозділі 3.5 викладена використовувана методика вимірювання хвильових спектрів і обговорена проблема розділення брижів і вітрових хвиль.

Підрозділи 3.6 і 3.7 присвячені розрахунку і аналізу емпіричних _ розподілів (див. рис. 3). Характерною особливістю одержаних розподілів є наявність піку. Праворуч від піку (при великих c) спад розподілів узгоджується з теоретичним прогнозом О. Філліпса (1985) . Показано, що повна довжина контурів, уздовж яких лежать баранчики, і середня швидкість руху баранчиків мають явно виражену залежність від u*.

В підрозділі 3.8 розглядається основна задача третього розділу - характеристики і властивості функції спектральної дисипації. Для розрахунку функції по формулі (3) значення константи b було прийняте рівним b=0.1. Розрахунки по формулах (1) і (3) дають один і той же інтервал, де локалізована дисипація енергії. На рис. 4 наведено порівняння інтегральних швидкостей дисипації розрахованих за допомогою формул (2) і (4). Графік показує явну кореляцію двох незалежно одержаних масивів даних. Збіг порядку величин забезпечений вибором значень невизначених констант і , що відповідає по порядку величинам значень, запропонованим в роботі Філіпса (1985).

У розділі Додаток приведені узагальнені дані про експериментальні реалізації, використані в дисертаційній роботі. Зокрема для кожної експериментальної реалізації вказані середня швидкість вітру, частота спектрального піку і значення зворотного віку вітрового хвилювання, середнє значення ексцентриситетів апроксимуючих обвалення еліпсів, середня довжина, тривалість і кількість зареєстрованих обвалень.

Висновки

Дисертаційна робота є підсумком натурного дослідження обвалень вітрових хвиль на морській поверхні. Основні результати і висновки роботи можуть бути сформульовані в наступному вигляді:

1. Розроблена методика і комплекс програм автоматичного виділення обвалень вітрових хвиль з відеозаписів морської поверхні. Обробка і фільтрація експериментального матеріалу відбувається на основі сучасних фізичних уявлень про формування поля яскравості морської поверхні і емпіричної інформації про кінематичні властивості баранчиків і дозволяє виділяти повну інформацію про події-обвалення, включаючи швидкість і напрям їх руху. Такий підхід дозволяє повністю автоматизувати процес обробки, мінімізує вплив людини на хід і кінцеві результати обробки і забезпечує відтворенність експериментальних результатів.

2. В ході експедиційних робіт 2003 і 2005 рр. істотно розширений масив емпіричної інформації про характеристики обвалень вітрових хвиль. Одержані експериментальні реалізації відповідають швидкості вітру в діапазоні 4 - 24 м/с, зворотному віку хвиль 0.8 - 4.2. Також в 2006 р. одержані експериментальні дані по вивченню впливу на характеристики обвалень тонкої поверхневої масляної плівки на морській поверхні.

3. В результаті аналізу статистичних характеристик обвалень вітрових хвиль, на основі одержаного експериментального матеріалу, показано, що значення ексцентриситетів апроксимуючих баранчики еліпсів незалежно від розмірів баранчиків і метеохвильових умов в середньому складають 0.9, що свідчить про подібність (автомодельність) обвалень на різних масштабах вітрових хвиль; вперше встановлено, що розподіл довжин гребенів, що обрушуються, нормованих на їх середнє по реалізації значення, має універсальний вигляд і описується степеневим законом з показником -2.5 ± 0.3; розподіл тривалостей обвалень описується експоненціальним законом; розподіл просторово-часових обсягів подій обвалень описується степеневим законом з показником -1.25 ± 0.12. Також, на основі даних, одержаних в ході окремого спеціалізованого експерименту, вперше одержані кількісні оцінки варіацій статистичних характеристик обвалень вітрових хвиль (кількість обвалень, розподіл площ баранчиків) у присутності плівок поверхнево-активних речовин на морській поверхні.

4. На основі одержаного експериментального матеріалу зміряні і проаналізовані розподіли обвалень по швидкостях і напрямах руху в натурних умовах, а також розподіли довжин ділянок гребенів, що обрушуються, по швидкостях їх руху.

За одержаними даними розраховані швидкості спектральної та інтегральної дисипації енергії вітрових хвиль, пов'язаної з обваленнями. Оцінки швидкостей спектральної та інтегральної дисипації виконані також по незалежних хвилеграфічних вимірюваннях. Зіставлення оцінок показало їх відповідність.

Основні роботи, опубліковані по темі дисертації

1. Методическое и техническое обеспечение калибровки РЛСБО ИСЗ “Cич-1м” для работ над морской поверхностью. Возможный подход / В.В. Малиновский, А.Н. Большаков, В.Е. Смолов, В.А. Дулов, А.С. Миронов, М.В. Иванчик // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - 2004. - Вып. 11. - С. 251.

2. Mironov A.S. Detection of wave breaking using sea surface video records /A.S. Mironov, V.A. Dulov // Measurement Science and Technology. Ї 2008. Ї V. 19. - P. 1-10. doi: 10.1088/0957-0233/19/1/015405.

3. Миронов А.С. Статистические характеристики событий и диссипация энергии при обрушении ветровых волн / А.С. Миронов, В.А. Дулов // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Ї 2008. Ї Вып. 16. Ї С. 97115.

4. Identification of oil spills based on ratio of alternating polarization images from ENVISAT / V.V. Malinovsky, S. Sandven, A.S. Mironov, A.E. Korinenko // Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS 2007. IEEE International. - 2007. - P. 1326-1329.

5. Выделение обрушений ветровых волн из видеозаписей морской поверхности / В.А. Дулов, А.С. Миронов, А.Н. Большаков, В.Е. Смолов // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. трудов. 2004. С. 124.

6. Миронов А.С. Методика определения кинематических свойств обрушений на основе видеозаписей морской поверхности/ А.С. Миронов, В.А. Дулов // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. трудов. 2006. С. 8996.

7. Малиновский В.В. Влияние поверхностной плёнки на небрегговскую компоненту радиолокационного рассеяния / В.В. Малиновский, А.С. Миронов, А.Е. Кориненко // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. трудов. 2006. С. 164171.

8. Миронов А.С. Определение характеристик обрушений ветровых волн из видеозаписей морской поверхности / А.С. Миронов, В.А. Дулов // Ломоносовские чтения 2004 года: научн. конф., 4-5 мая 2004 г.: материалы конф. - Севастополь, 2004. - С. 51.

9. Миронов А.С. Определение характеристик обрушений ветровых волн из видеозаписей морской поверхности / Актуальные вопросы теоретической и прикладной физики и биофизики «Физика. Биофизика - 2005»: научн.-техн. конф.: материалы конф. - Севастополь. - 2005. - С. 3-4.

10. Натурные исследования обрушений ветровых волн/ В.А. Дулов, А.С. Миронов, А.Н. Большаков, В.Е. Смолов, А.А. Кораблев // Современное состояние экосистем Черного и Азовского морей: междунар. научн. конф., 13-16 сентября 2005 г.: тезисы докладов. - Севастополь, 2005. - С. 122.

11. Кориненко А.Е. Влияние искусственных поверхностных пленок на ветровые волны дециметрового масштаба: I. Изменение небрегговской компоненты радиолокационного рассеяния / А.Е. Кориненко, А.С. Миронов // Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины: междунар. конф. молодых ученых, 1214 июня 2007 г.: тезисы докладов. - Севастополь, 2007. - С. 13-14.

12. Миронов А.С. Влияние искусственных поверхностных пленок на обрушения ветровых волн дециметрового масштаба: II. Экспериментальные исследования характеристик обрушений в зоне слика / А.С. Миронов, А.Е. Кориненко // Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины: междунар. конф. молодых ученых, 1214 июня 2007 г.: тезисы докладов. - Севастополь, 2007. - С. 20.

13. Dulov V.A. A field study of “lambda distribution” for breaking wave crests / V.A. Dulov, A.S. Mironov // EGU General Assembly 2009 - V. 11. - 19-24 april 2009.: Geophysical Research Abstracts. - Vienna, 2009. - 1 p.

Анотація

Миронов О.С. Експериментальне дослідження статистичних і кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль в натурних умовах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 04.00.22 - геофізика. - Морський гідрофізичний інститут НАН України, Севастополь, 2009.

Дисертаційна робота присвячена експериментальному дослідженню статистичних і кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль. Дослідження засноване на результатах натурних досліджень, виконаних із стаціонарної океанографічної платформи, і спрямовано на статистичні особливості різних просторово-часових характеристик обвалень вітрових хвиль на морській поверхні та їх зв'язку із спектром і дисипацією енергії вітрових хвиль.

Експериментальні дані були оброблені за допомогою оригінальної методики автоматичного виділення обвалень вітрових хвиль з відеозаписів морської поверхні. Всього було оброблено близько 40 годин відеозаписів, що містять інформацію про більш ніж 250 тисяч індивідуальних подій-обвалень, що відносяться до широкого набору метеохвильових ситуацій.

В рамках дисертаційної роботи виконані дослідження цілого ряду статистичних і кінематичних індивідуальних обвалень, включаючи оцінки частки запіненості морської поверхні, геометричні властивості баранчиків, розподіл довжин гребенів, що обрушуються, розподілу тривалостей і просторово-часових об'ємів подій, розподілу баранчиків по швидкості і напрямам їх руху. Одержані оцінки спектральної та інтегральної дисипації вітрового хвилювання.

Ключові слова: експериментальне дослідження, обвалення вітрових хвиль, статистичні характеристики морської поверхні, автомодельність, дисипація вітрових хвиль.

Аннотация

Миронов А.С. Экспериментальное исследование статистических и кинематических характеристик обрушений ветровых волн в натурных условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь, 2009.

Диссертация посвящена экспериментальному изучению статистических и кинематических характеристик индивидуальных событий-обрушений ветровых волн в натурных условиях. Исследование выполнено на основе данных, полученных в рамках натурных экспериментов со стационарной океанографической платформы, и направлено на изучение статистических особенностей различных пространственно-временных характеристик обрушений волн на морской поверхности, включая кинематические характеристики, а также их связи со спектрами и диссипацией энергии ветровых волн.

В первом разделе описана схема и условия проведения экспериментальных работ в летне-осенние периоды 2003 и 2005 гг. на Океанографической платформе Экспериментального отделения МГИ НАН Украины. В результате выполненных экспериментов был получен массив видеозаписей морской поверхности (общая продолжительность около сорока часов), соответствующий широкому диапазону метео-волновых ситуаций и содержащих информацию о более чем 250 тыс. индивидуальных событиях-обрушениях.

Экспериментальные материалы были обработаны при помощи оригинальной методики автоматического выделения обрушений из видеозаписей морской поверхности. Алгоритм обработки представляет с собой многоступенчатую систему выделения и фильтрации барашковой пены, на основе физических представлений о формировании поля яркости морской поверхности и эмпирической информации о кинематических свойствах барашков. Среди основных достоинств предлагаемой методики можно отметить следующее: автоматическое выделение и обработка данных, позволяют исключить субъективный фактор при обработке экспериментального материала; возможность обрабатывать большие массивы видеоданных; возможность выделения индивидуальных событий-обрушений с сохранением их детальной структуры, включая скорость и направление движения.

Во втором разделе представлены результаты измерений и анализа статистических характеристик барашков. Изменчивость доли морской поверхности покрытой барашковой пеной в зависимости от сопутствующих гидрометеоусловий является одним из наиболее изученных разделов, посвященных статистическим характеристикам обрушений ветровых волн. Сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами других исследований показало эффективность методики обработки видеоданных, а также позволило выполнить проверку существующих эмпирических параметризаций, полученных при существенно более узком наборе экспериментальных условий.

С целью получения оценок геометрических свойств барашков все обрушения аппроксимировались эллипсами. Анализ эксцентриситетов аппроксимирующих эллипсов показал, что форма пенных барашков, движущихся с различными скоростями, в среднем одинакова. Полученные результаты свидетельствуют о подобии обрушений, а, следовательно, и обрушивающихся волн различных масштабов (автомодельности) - базового предположения для целого ряда аналитических расчетов, посвященных описанию верхнего слоя океана.

В результате статистического анализа экспериментальных данных удалось установить: распределение длин обрушений, нормированных на среднее за реализацию значение, может быть описано степенным законом; распределение обрушений по длительностям существования описывается экспоненциальным законом; распределение пространственно-временных объемов обрушений описывается степенным законом. Получены соответствующие экспериментальные оценки для параметров распределений, а также изменчивости средних за реализацию значений характеристик обрушений в зависимости от сопутствующих метео-волновых условий.

По результатам отдельного эксперимента по изучения влияния на характеристики обрушений тонких пленок поверхностно-активных веществ на морской поверхности удалось получить оценки изменения количества событий-обрушений в зоне искусственного слика. Также показано, что наличие тонкой пленки ПАВ на морской поверхности преимущественно сказывается на обрушениях, относящихся к коротковолновой части спектра ветрового волнения.

В третьем разделе рассматриваются распределения барашков по скоростям и направлениям их движения. Знание кинематических характеристик барашков представляет интерес, в первую очередь, для получения экспериментальных оценок диссипации энергии ветрового волнения из-за обрушений. В диссертационной работе получены распределения длин контуров, вдоль которых происходят обрушения, по скоростям их движения (лямбда-распределения, Филлипс(1985)). Получены оценки скоростей спектральной и интегральной диссипации энергии ветровых волн, вызванной обрушениями, для различных метео-волновых ситуаций. Оценки тех же величин выполнены также по независимым волнографическим измерениям. Сопоставление оценок показало их соответствие.

Ключевые слова: экспериментальное исследование, обрушения ветровых волн, статистические характеристики морской поверхности, автомодельность, диссипация ветровых волн.

Summary

Mironov A.S. Experimental study of statistical and kinematical properties of breaking waves in field conditions. - Manuscript.

Thesis for the degree of the candidate of physical and mathematical sciences on speciality 04.00.22 - geophysics, - Marine Hydrophysical Institute, National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2009.

This thesis is based on the data of field measurements of statistical and kinematical properties of breaking wind waves conducted from the Black Sea Oceanographic Platform in Katzively, Crimea. It considers various time-spatial characteristics of the sea surface breaking waves and examines their relationship with the spectrum and energy dissipation of breaking waves.

Field data has been processed based on the original method of automatic whitecap detection using the sea surface video records. This technique allows discrimination of breaking events depending on their properties, including speed and direction of propagation. We have collected around 40 hour long video record that includes more than 250,000 individual breaking events corresponding to a wide range of wind and wave conditions.

This thesis presents and examines the statistics and kinematics of breaking waves. Specifically, it focuses on whitecap coverage and spatial/temporal characteristics of whitecaps including the length of breaking crests, their lifetime, time-spatial volume distributions, wave breaking speed and direction of propagation. Analysis of the spectral and integral wave dissipation rates has been performed using the remote (camera recorded) and in-situ (wave gauge) whitecap observations. It reveals good agreement between results inferred from the two datasets.

Key words: experimental study, wind waves breaking, statistical properties of sea surface, self-similarity, wind waves dissipation.

Размещено на Allbest.ru

...