Експериментальне дослідження статистичних і кінематичних характеристик обвалень вітрових хвиль - Автореферат

Під час обвалення хвиля захоплює атмосферне повітря, що призводить до інтенсифікації газо-тепло-і вологообміну між атмосферою і океаном. 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. 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;У вступі обговорюються актуальність і сучасний стан досліджень характеристик обвалень вітрового хвилювання, формулюються мета і задачі дисертації, показаний звязок 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. З метою збільшення масиву емпіричної інформації про характеристики обвалень вітрових хвиль в натурних умовах і визначення їх звязку 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. Одночасно здійснювалася реєстрація характеристик хвилювання за допомогою решіток резистивних хвильографів, а також температури води і повітря, швидкості і напряму вітру. Зокрема, обговорюються: помилки спричинені змінами освітленості морської поверхні, несприятливими погодними умовами, мінливістю, повязаною 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. 1 показане зіставлення одержаних даних з емпіричною параметризацією залежності частки активної піни баранчика від швидкості вітру, запропонованої в роботі (Monahan, and Woolf, 1986), , де - різниця температур повітря і води поблизу морської поверхні; розрахункові і експериментальні дані добре узгоджуються практично для всього діапазону швидкостей вітру.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. 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. 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.

Основний зміст роботи

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, повязаної 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 “Сич-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. ? 2008. ? 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. ? 2008. ? Вып. 16. ? С. 97-115.

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. 89-96.

7. Малиновский В.В. Влияние поверхностной пленкина небрегговскую компоненту радиолокационного рассеяния / В.В. Малиновский, А.С. Миронов, А.Е. Кориненко // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. трудов. - 2006. - С. 164-171.

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, 12-14 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, 12-14 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.