ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 527-542
УДК 551.466.8
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ КОРРЕЛЯЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИВОДНОГО ВЕТРА И ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ
© 2008 г. Ю. И. Троицкая, И. С. Долина, А. В. Ермошкин, В. В. Баханов, Э. М. Зуйкова, И. А. Репина, В. И. Титов
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: dolina@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 27.11.2007 г., после доработки 26.02.2008 г.
Проведен анализ взаимосвязи вариаций интенсивности поверхностного волнения и приводного ветра. Использовались данные измерений волнения и приводного ветра, полученные в натурных условиях в Черном море (июль 2004 г.) и в Норвежском море (июнь 2003 г., 16 рейс НИС "Академик Сергей Вавилов"). Обнаружено явление отрицательных корреляций интенсивности волнения и приводного ветра в областях существенной перестройки волнения в поле неоднородных течений: усиления волнения при ослаблении ветра и наоборот. Приведены примеры таких наблюдений, построена теоретическая модель наблюдаемого явления, получено хорошее согласие теории и эксперимента.
Хорошо известно [1-3], что неоднородное распределение ветра в приводном слое вызывает неоднородное распределение поверхностного волнения. Эмпирические зависимости коротковолновой части спектра поверхностного волнения от скорости ветра являются основой алгоритмов для дистанционного определения скорости ветра. В этих алгоритмах используется эмпирическая связь скорости ветра и интенсивности радиоизлучения, рассеянного морской поверхностью, которое, в свою очередь, определяется интенсивностью волнения на поверхности воды. В то же время неоднородное распределение волнения на поверхности моря может быть вызвано также процессами в толще океана, которые создают неоднородное течение на поверхности воды. Это течение может приводить к следующим эффектам: 1) вызывать неоднородное распределение поверхностных волн за счет кинематического эффекта [4], 2) приводить к модуляции приводного ветра и также вызывать неоднородное распределение ветровой накачки поверхностных волн [5]. Кроме того, неоднородности интенсивности поверхностного волнения могут быть вызваны присутствием пленок ПАВ [6], которые также переносятся в поле неоднородных течений и могут служить индикаторами их присутствия.
В то же время поверхностное волнение определяет аэродинамическое сопротивление морской поверхности, а значит, может оказывать воздействие на приводный ветер. При этом в отличие от неодно-родностей волнения, вызванных флуктуациями ветра, ослабление волнения (уменьшение шероховатости) должно вызывать усиление ветра и наоборот. Следовательно, можно ожидать отрицательных корреляций изменчивости ветра и волнения. Ана-
логом этого эффекта является усиление ветра над пленочными сликами (см., например, [7]).
В настоящей работе приводятся результаты натурных исследований изменчивости поля поверхностных волн и приводного ветра, в которых наблюдались подобные неоднородности, и было обнаружено явление отрицательных корреляций интенсивности волнения и приводного ветра. Приведены примеры таких наблюдений, построена количественная модель наблюдаемого явления, получено хорошее согласие теории и эксперимента.
Работа имеет следующую структуру. В разделе 1 приведены примеры натурных наблюдений изменчивости поля поверхностных волн и приводного ветра в присутствии неоднородных течений в различных районах Мирового океана. В разделе 2 кратко описана модель ветрового пограничного слоя над взволнованной водной поверхностью [5]. В разделе 3 приведены результаты расчетов модуляции скорости ветра над взволнованной водной поверхностью с учетом изменчивости спектров поверхностных волн и произведено их сравнение с результатами экспериментов.
1. ПРИМЕРЫ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
В настоящем разделе приведены результаты натурных исследований изменчивости поля поверхностных волн и приводного ветра в присутствии неоднородных течений, в которых наблюдались отрицательные корреляции изменчивости ветра и волнения. Наблюдения проводились в различных районах Мирового океана, в частности, в Норвежском и Черном морях, районы проведения экспедиций показаны на рис. 1а, 16.
80°N
75°N
70°N
65°N
60°N
(a)
15°E
-200
-500
-1000
-1500
-2000
-2500
-3000
-3500
-4000
-4500
45°E
(6)
45
73
г. Новороссийск
г. Геленджик
810
/ / А
181
Черное море
/ / /Ч/
1447 ■' .1179 .'
7 18
\
24 \
Рис. 1. а - Район проведения натурных исследований в июне 2003 г. в ходе 16 рейса НИС "Академик Сергей Вавилов". б - Район проведения натурных исследований в июне-июле 2004 г.
Для измерения параметров поверхностных волн сантиметрового и дециметрового диапазонов используется комплекс дистанционного оборудования, включающий в себя следующие приборы:
1. Доплеровский скаттерометр с длиной волны излучения 3.2 см, работающий на УУ поляризации,
для регистрации интенсивности резонансной ряби с длиной волн 1.5 см. Ширина диаграммы направленности у скаттерометра порядка 2 градусов.
2. Оптический спектроанализатор ДОСА для регистрации двумерного спектра морского волнения в диапазоне длин волн от 2 см до 60 см и на-
0
732
743
300
401
788
67
38
1750
660
правлений распространения волн в диапазоне ±60° относительно направления визирования ДОСА.
Углы визирования дистанционных приборов составляли 20 градусов. Сигналы приборов комплекса преобразуются в цифровые с помощью многоканальной платы ввода аналоговых сигналов и записываются на жесткий диск компьютера.
Для измерения параметров приводного слоя атмосферы используется оборудование, включающее в себя:
1. Акустический цифровой анемометр-термометр ацАт-зм.
2. Акустический термоанемометр USA-1 (ME-TEK).
Для проведения взаимного анализа изменчивости волнения и ветра производилась высокочастотная фильтрация полученных данных с помощью оконного осреднения с шириной окна 400 секунд. Ширина окна осреднения выбиралась из следующих соображений. Целью исследования является задача обнаружения взаимосвязи вариаций интенсивности поверхностного волнения и приводного ветра. При этом измерения параметров ветра производятся на высоте около 10 метров над ур. моря. Изменчивость свойств поверхности может в этом случае отобразиться в изменчивости ветра, если масштаб приводного пограничного слоя, обусловленного этими возмущениями, превосходит Н10. Масштаб приводного пограничного слоя возмущения, имеющего продольный масштаб Ь и скорость и, можно оценить как 5 ~ Ькм*/и, где щ - скорость трения ветра, к = 0.4 - постоянная Кармана (см., например, [5]). Принимая и = и(Н10) и учитывая, что и(Н10)/м* ~ 25-30 [8], получим оценку Ь/5 ~ 102. Условие 5 > Н10 выполняется для неоднородностей с горизонтальным масштабом Ь > 1000 м. При скорости движения судна до 6 м/с имеем временной масштаб больше 200 с. Исходя из этой оценки, было выбрано время осреднения 400 с, что позволяет выделить мезомасштабную составляющую сигнала.
В ряде наблюдений были получены отрицательные корреляции ветра и волнения, когда усиление волнения сопровождалось ослаблением ветра и, наоборот, ослабление волн - усилением ветра. Проводился взаимный анализ изменчивости волнения и ветра. Ниже приведено описание типичных случаев отрицательных корреляций изменчивости ветра и волнения в ряде районов Мирового океана.
Норвежское море, 2-3 июня 2003
(16 рейс НИС "Академик Сергей Вавилов")
В ходе 16 рейса НИС "Академик Сергей Вавилов" 2-3 июня 2003 г. судно проходило над областью свала глубин в Норвежском море (см. рис. 1а). Эхолотом ELAC LAZ 4700 было зарегистрировано
изменение глубины моря 2-3 июня 2003 г. с 2500 до 250 м на расстоянии 10 км.
Для определения профилей скорости и направления течения жидкости использовался штатный, установленный на судне, 4-х лучевой акустический доплеровский профилограф течений (ADCP) RD-VM0150 компании RD-Instruments. Этот прибор обеспечивает измерения до глубин 300-350 м, частота излучения 153.6 КГц, диапазон измеряемых скоростей от -10 м/с до +10 м/с. Профилограф установлен в специальную акустическую шахту судна. В районах, где глубина дна находится в пределах диапазона измерений профилографа, возможно измерение характеристик течений относительно дна без использования данных навигационных систем. Параллельно в навигационный файл записывались данные о курсе, скорости и местоположении судна. ДОСА устанавливалась на баке судна (высота над поверхностью моря равнялась 9.5 м), а 3.2-сантиметровый скаттерометр - на пе-ленгаторной палубе (высота над морем - 17 м). Направление визирования 3.2-сантиметрового скат-терометра составляло 45 градусов на правый борт, ДОСА - на носу судна.
На рис. 2а и рис. 26 показаны разрезы модуля скорости в приповерхностном слое и глубины. Экспериментальные данные показали, что в области свала глубин в приповерхностном слое около 200 м имеется неоднородное течение с максимальной скоростью около 70 см/с.
Анализ спутниковых данных показал наличие холодной аномалии температуры поверхности океана около 1°^ совпадающей с областью резкого изменения глубины. На рис. 3 показана карта температуры поверхности океана по данным Aqua-Modis (усреднение за период с 3 по 9 июня 2003 г.). На ней видно присутствие холодной аномалии, распложенной примерно над областью резкого изменения глубины моря. На рис. 3 также показано направление течения. Видно, что течение направлено приблизительно параллельно изотермам холодной аномалии. Это позволяет интерпретировать наблюдаемое течение как поток холодной воды. Усиление скорости течения, начиная с 23:40, вероятнее всего, связано с изменением глубины.
По данным судовой метеостанции средняя скорость ветра в районе маршрута судна составляла 11 м/с, направление ветра - северо-северо-запад-ное (см. рис. 3).
Далее строились разрезы мезомасштабной изменчивости ветра и волнения (которое характеризовалась мощностью отраженного радиолокационного сигнала в Х-диапазоне на УУ поляризации) вдоль маршрута движения судна и вычислялись коэффициенты корреляции для различных участков этих разрезов. На рис. 4 показаны разрезы мезомасштабной изменчивости скорости
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.