Характеристики обрушения ветровых доминантных волн по данным видеосъемки

Доминантные волны – волны спектрального пика – содержат большую часть энергии морской взволнованной поверхности. Развиваясь под влиянием экстремальных атмосферных систем синоптического масштаба, они могут достигать аномальных высот, представляя серьезную угрозу прибрежным районам и судоходству в открытом море.

Моделирование развития таких волн, особенно в условиях сильного ветра, является приоритетной задачей. Среди источников энергии, определяющих динамику спектрального пика: нелинейные взаимодействия, приток энергии от ветра и диссипация энергии за счет обрушения – последний является единственным членом, точный вид которого остается неизвестным, что привело к появлению параметризаций, основанных на различных физических подходах (см. раздел II.4 в Komen et al., 1994). Фактически, описание диссипации за счет обрушения волн пока что имеет полуэмпирический характер. Обычно диссипационный член служит подгоночной функцией, обеспечивающей согласованность между результатами моделирования волнения и данными наблюдений . В связи с этим разработка реалистичного и физически обоснованного описания обрушения доминантных волн очень желательна и ценна как для моделирования волнения, так и для микроволновых методов дистанционного зондирования.

Целью настоящего исследования является изучение свойств барашков, образующихся в результате обрушения доминантных волн, а также изучение взаимосвязей между свойствами этих барашков, скоростью ветра и свойствами самих волн. Основным методом измерения обрушения волн является видеосъемка морской поверхности в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Различение между барашками доминантных волн и барашками более коротких ветровых волн производится по скорости их прямолинейного движения, т. е. согласно подходу О. Филлипса (Phillips, 1985).

В настоящей работе обрабатываются и анализируются данные, полученные во время осенних экспериментов в 2013–2015, 2018 и 2019 годах на черноморской океанографической платформе, расположенной в 400 м. от берега в районе пгт. Кацивели, Крым. Видеосъемка поверхности сопровождалась синхронными измерениями волн и скорости ветра. Скорость ветра после фильтрации массива данных лежала в диапазоне 8.7–18.1 м/с, а обратный возраст волн в диапазоне от 1.6 до 6.0.

На основе измеренных кинематических характеристик барашков (длина, площадь, скорость движения) строились спектральные распределения их длин и относительной площади покрытия поверхности. По этим распределениям рассчитывались интегральные характеристики обрушения доминантных волн, которые впоследствии сравнивались со скорость ветра, обратным возрастом волн и крутизной доминантных волн.

Было обнаружено, что вклад доминантных волн в долю поверхности моря, покрытой барашками, зависит от степени развитости волнения и может меняться от 55.5% до 69.3%, когда волны молодые, и от 0.3% до 3.2%, когда волны более развитые. Доля поверхности моря, покрытой барашками доминантных волн, обнаруживает пропорциональность крутизне волн в степени 6. Такой показатель степени согласуется с результатами недавнего исследования (Kudryavtsev et al., 2021), а также с параметризацией диссипации, используемой в модели WAM.

В работе предлагается полуэмпирическая модель для доли поверхности моря, покрытой барашками ветровых волн, в которой производится описание обрушения доминантных волн и волн равновесного интервала по отдельности.

Данное исследование было выполнено при поддержке Российского научного фонда в рамках проектов № 21-17-00236 (получение данных) и №. 21-47-00038 (обработка и анализ данных) и государственного знания 0555-2021-0004.