Двумерные пространственные спектры коротких ветровых волн в натурных условиях

М. В. Косник, В. А. Дулов

Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь

Аннотация

Представлены оценки пространственных спектров коротких ветровых волн диапазона 6 мм – 30 см. Оценки выполнены путем обработки массивов стереофотографий морской поверхности, полученных на океанографической платформе МГИ НАН Украины в ходе экспедиций 2009 – 2010 гг. Применен новый подход к обработке – спектры волн, оцененные из стереопар фотографий, использованы для калибровки спектров, полученных Фурье-преобразованием поля яркости тех же изображений. Продемонстрировано соответствие полученных данных ранее предложенным физическим моделям и ряду экспериментальных результатов. Обсуждены форма спектров кривизны и зависимость спектрального уровня от скорости ветра.

Ключевые слова

спектры коротких ветровых волн, гравитационно-капиллярный интервал, стереофотографии морской поверхности, обработка изображений

Для цитирования

Косник М. В., Дулов В. А. Двумерные пространственные спектры коротких ветровых волн в натурных условиях // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2010. № 21. С. 103–116. EDN WYQVTR.

Kosnik, M.V. and Dulov, V.A., 2010. Two-Dimensional Wave Number Spectra of the Short Wind Waves in Field Conditions. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones and Comprehensive Use of Shelf Resources, 21, pp. 103–116 (in Russian).

Список литературы

  1. Dias F., Kharif C. Nonlinear gravity and capillary-gravity waves // Ann. Rev. Fluid Mech. – 1999. – 31. – P. 301–346.
  2. Zhang X. Capillary-gravity and capillary waves generated in a wind wave tank: observations and theories // J. Fluid Mech. – 1995. – 289. – P. 51–82.
  3. Ebuchi N., Kawamura H., Toba Y. Fine structure of laboratory wind-wave surfaces studied using an optical method // Boundary-Layer Meteor. – 1987. – 39. – P. 133–151.
  4. Zaneveld J.R.V., Boss E., Hwang P.A. The influence of coherent waves on the remotely sensed reflectance // Optics Express. – 2001. – 9, № 6. – P. 260–266.
  5. Donelan M., Wanninkhov R. Gas-transfer at water surfaces – concepts and issues / Gas-transfer at water surfaces. Eds. by M. Donelan et al. Geophysical Monograph 127. – Washington: American Geophysica Union, 2002. – P. 1–10.
  6. Hara T., Bock E.J., Donelan M. Frequency-wavenumber spectrum of wind-generated gravity-capillary waves // J. Geophys. Res. – 1997. – v. 102. – P. 1067–1072.
  7. Hwang P.A., Atakturk S., Sletten A., Trizna D.B. A study of the wavenumber spectra of short water waves in the ocean // J. Geophys. Res. – 1996. – 26. – P. 1266–1285.
  8. Jahne B., Riemer K.S. Two-dimensional wave number spectra of small-scale water surface waves // J. Geophys. Res. – 1990. – 95. – P. 11531–11546.
  9. Klinke J., Jahne B. 2D wave number spectra of short waves – results from wind wave facilities and extrapolation to the ocean, in Optics of the Air-Sea interface: Theory and Measurements // Proc. SPIE. Int. Soc. Optical Eng. – 1992. – v. 1749. – P. 245–257.
  10. Kitaigordskii S.A., Krasitskii V.P., Zaslavskii M.M. On Phillips' theory of equilibrium range in the spectra of wind-generated gravity waves // J. Phys. Oceanogr. – 1975. – 5. – P. 410–420.
  11. Hwang P.A. Doppler frequency shift in ocean wave measurements: frequency downshift of a fixed spectral wave number component by advection of wave orbital velocity // J. Geophys. Res. – 2006. – 111, C06033. – doi:10.1029/2005JC003072. – 4 p.
  12. Munk W. An Inconvenient sea truth: spread, steepness, and skewness of surface slopes // Ann. Rev. Marine Science. – 2009. – 1. – P. 377–415.
  13. Pierson W. The directional spectrum of a wind generated sea as determined from data obtained by the Stereo Wave Observation Project // Coll. Engng, N.Y.U. Met. Pap. – 1962. – 2, № 6.
  14. Holthuijsen L.H. Observations of the directional distribution of ocean-wave energy in fetch-limited conditions // J. Phys. Oceanogr. – 1983. – 13. – P. 191–207.
  15. Banner M.L., Jones I.S.F., Trinder J.C. Wavenumber spectra of short gravity waves // J. Fluid Mech. – 1989. – v. 198. – P. 321–344.
  16. Benetazzo A. Measurements of short water waves using stereo matched image sequences // Coast. Eng. – 2006. – 53. – P. 1013–1032.
  17. Weill A., Hauser D., Dupuis H. Stereo-photography techniques / Measuring and analyzing the directional spectra of ocean waves. Eds by D. Hauser, K. Kahma et al. – COST Action 714. – COST, Luxembourg, 2005. – P. 106–115.
  18. Косник М. В., Дулов В. А., Малиновский В. В., Смолов В. Е., Погребной А. Е. Оценка двумерных пространственных спектров коротких ветровых волн с помощью стереофотосъемки // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2009. – вып. 19. – С. 401–414.
  19. Tsubaki R., Fujita I. Stereoscopic measurement of a fluctuating free surface with discontinuities // Meas. Sci. Technol. – 2005. – v. 16. – P. 1894–1902.
  20. Mironov A.S., Dulov V.A. Detection of wave breaking using sea surface video records // Meas. Sci. Technol. – 2008. – v. 19, 015405.1–015405.10. – doi:10.1088/0957-0233/19/1/015405. – 10 p.
  21. Stilwell Jr. D. Directional energy spectra of the sea from photographs // J. Geophys. Res. – 1969. – 74. – P. 1974–1983.
  22. Sugimori Y. A study of application of the holographic method to the determination of the directional spectrum of ocean waves // Deep-Sea Res. – 1975. – 22. – P. 335–350.
  23. Monaldo F.M., Kasevich R.S. Daylight imagery of ocean surface waves for wave spectra // J. Phys. Oceanogr. – 1981. – 11. – P. 272–283.
  24. Большаков А. Н., Бурдюгов В. М., Гродский С. А., Кудрявцев В. Н. Двумерные спектры возвышений морской поверхности по данным аэрофотографирования // Изв. РАН. ФАО. – 1990. – т. 26. – С. 652–658.
  25. Cox C., Munk W. Measurement of the roughness of the sea surface from photographs of the Sun's glitter // J. Opt. Soc. Am. – 1954. – 44, № 11. – P. 838–850.
  26. Bouguet J.Y. Camera calibration toolbox for Matlab. – 2004. Personal web-site: http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/
  27. Малиновский В. В., Большаков А. Н., Смолов В. Е. и др. Методическое и техническое обеспечение калибровки РЛСБО ИСЗ “Сич-1м” для работ над морской поверхностью. Возможный подход // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2004. – вып. 11. – С. 236–251.
  28. Jahne B. Digital image processing. 5-th ed. – Springer-Verlag, 2002. – 585 p.
  29. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. – М.: Мир, 1989. – 540 с.
  30. Kudryavtsev V.N., Makin V.K., Chapron B. Coupled sea surface-atmosphere model. 2. Spectrum of short wind waves // J. Geophys. Res. – 1999. – 104, C4. – P. 7625–7639.
  31. Hwang P.A. Wave number spectrum and mean square slope of intermediate-scale ocean surface waves // J. Geophys. Res. – 2005. – 110, C10029. – doi:10.1029/2005JC003002.
  32. Elfouhaily T., Chapron B., Katsaros K., Vandemark D. A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves // J. Geophys. Res. – 1997. – 102. – P. 15781–15796.
  33. Дулов В. А., Косник М. В. Эффекты трехволновых взаимодействий в гравитационно-капиллярном интервале ветровых волн // Изв. РАН. ФАО. – 2009. – т. 45, № 3. – С. 408–419.
  34. Cox C., Munk W. Statistics of the sea surface derived from sun glitter // J. Mar. Res. – 1954. – 13. – P. 198–227.

Файлы

 Полный текст (русский)

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.