Волноизмерительный буй-логгер для прибрежных исследований

Ю. Ю. Юровский*, О. Б. Кудинов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* e-mail: y.yurovsky@mhi-ras.ru

Аннотация

Представлены прототипы волноизмерительных буев-логгеров, предназначенных для сбора исходных данных со встроенных в эти буи инерциальных датчиков без передачи информации на берег. Буи такого типа нуждаются в обслуживании, но имеют существенно более простую конструкцию и низкую стоимость по сравнению с необслуживаемыми аналогами, что может быть востребовано в различных прибрежных исследованиях. Цель работы – продемонстрировать в натурных условиях, что предлагаемый тип буев может эффективно использоваться для измерения характеристик волнения без потери качества данных. Испытания буев проведены в натурном эксперименте на Черноморском гидрофизическом подспутниковом полигоне Морского гидрофизического института РАН. В качестве референтной информации о волнах использованы данные измерений струнными волнографами, установленными на стационарной океанографической платформе (44.393047° с. ш., 33.984596° в. д.). Три одинаковых буя были установлены вблизи платформы с использованием разных вариантов удерживающего устройства: на массивном якоре с эластичной вставкой (амортизатором) и без нее, а также без якоря на подвесе с платформы. Непрерывные измерения велись в течение 7 сут, в течение которых высота значительных волн менялась от 0.2 до 1 м, скорость ветра от 0 до 15 м/с при его восточном, западном, северном направлениях. В этих условиях среднеквадратичная ошибка оценки высоты значительных волн составила не более 5–6 см (с амортизатором и без него) при отклонении коэффициента линейной регрессии от единицы не более чем на 5 %. Среднеквадратичные ошибки периода и направления волн спектрального пика составили 0.37–0.62 с и 50–65° соответственно при измерении буем с амортизатором и без него. Такие ошибки измерений сопоставимы с разрешающей способностью используемых методов и естественным статистическим разбросом средних оценок параметров волн.

Ключевые слова

буй, волнограф, инерциальные измерения, ветровые волны, параметры волн, океанографическая платформа, натурный эксперимент

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 24-27-00153 «Волнографические измерения с помощью малогабаритных буев: методология, валидация, перспективы миниатюризации».

Для цитирования

Юровский Ю. Ю., Кудинов О. Б. Волноизмерительный буй-логгер для прибрежных исследований // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2025. № 3. С. 115–127. EDN UVGARW.

Yurovsky, Yu.Yu. and Kudinov, O.B., 2025. Wave Buoy-Logger for Coastal Studies. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (3), pp. 115–127.

Список литературы

  1. Kuznetsov S., Saprykina Y. Nonlinear wave transformation in coastal zone: free and bound waves // Fluids. 2021. Vol. 6, iss. 10. 347. https://doi.org/10.3390/fluids6100347
  2. Brown A. C., Paasch R. K. The accelerations of a wave measurement buoy impacted by breaking waves in the surf zone // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9, iss. 2. 214. https://doi.org/10.3390/jmse9020214
  3. Masson D. A case study of wave-current interaction in a strong tidal current // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, iss 3. P. 359–372. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)026%3C0359:ACSOWI%3E2.0.CO;2
  4. Горячкин Ю. Н., Удовик В. Ф., Харитонова Л. В. Оценки параметров потока наносов у западного берега Бакальской косы при прохождении сильных штормов в 2007 году // Морской гидрофизический журнал. 2010. № 5. С. 42–51. EDN TOERXH.
  5. Saprykina Y. V., Samiksha S. V., Kuznetsov S. Yu. Wave climate variability and occurrence of mudbanks along the southwest coast of India // Frontiers in Marine Science. 2021. Vol. 8. 671379. https://doi.org/10.3389/fmars.2021.671379
  6. Influence of wave climate on intra and inter-annual nearshore bar dynamics for a sandy beach / N. Andreeva [et al.] // Geosciences. 2021. Vol. 11, iss. 5. 206. https://doi.org/10.3390/geosciences11050206
  7. Горячкин Ю. Н., Косьян Р. Д. Образование нового острова у берегов Крыма // Океанология. 2020. Т. 60, № 2. С. 323–330. EDN PGHSZT. https://doi.org/10.31857/S0030157420020033
  8. Influence of beach erosion during wave action in designed artificial sandy beach using XBeach model: profiles and shoreline / Y. Zhou [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2023. Vol. 11, iss. 5. 984. https://doi.org/10.3390/jmse11050984
  9. Ocean surface wind estimation from waves based on small GPS buoy observations in a bay and the open ocean / T. Shimura [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2022. Vol. 127, iss. 9. e2022JC018786. https://doi.org/10.1029/2022jc018786
  10. Дивинский Б. В., Куклев С. Б. Эксперимент по исследованию параметров ветрового волнения на шельфе Черного моря // Океанология. 2022. Т. 62, № 1. С. 14–19. EDN UWBPIX. https://doi.org/10.31857/S003015742201004X
  11. Measurements of nearshore ocean-surface kinematics through coherent arrays of free-drifting buoys / E. Rainville [et al.] // Earth System Science Data. 2023. Vol. 15, iss. 11. P. 5135–5151. https://doi.org/10.5194/essd-15-5135-2023
  12. Nearshore wave buoy data from southeastern Australia for coastal research and management / M. A. Kinsela [et al.] // Scientific Data. 2024. Vol. 11, iss. 1. 190. https://doi.org/10.1038/s41597-023-02865-x
  13. A surface kinematics buoy (SKIB) for wave-current interaction studies / P. Veras Guimarães [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 6. P. 1449–1460. https://doi.org/10.5194/os-14-1449-2018
  14. Yurovsky Y. Yu., Dulov V. A. MEMS-based wave buoy: Towards short wind-wave sensing // Ocean Engineering. 2020. Vol. 217. 108043. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108043
  15. OpenMetBuoy-v2021: an easy-to-build, affordable, customizable, open-source instrument for oceanographic measurements of drift and waves in sea ice and the open ocean / J. Rabault [et al.] // Geosciences. 2022. Vol. 12, iss. 3. 110. https://doi.org/10.3390/geosciences12030110
  16. The wavedrifter: a low-cost IMU-based Lagrangian drifter to observe steepening and overturning of surface gravity waves and the transition to turbulence / F. Feddersen [et al.] // Coastal Engineering Journal. 2024. Vol. 66, iss. 1. P. 44–57. https://doi.org/10.1080/21664250.2023.2238949
  17. Joosten H. Directional wave buoys and their elastic mooring // International Ocean Systems. 2006. Vol. 10, iss. 4. P. 18–21.
  18. Yurovsky Yu. Yu., Dulov V. A. Compact low-cost Arduino-based buoy for sea surface wave measurements // Proceedings of Progress in Electromagnetic Research Symposium – Fall (PIERS – FALL), 19–22 November 2017. Singapore : IEEE, 2017. P. 2315–2322. https://doi.org/10.1109/PIERS-FALL.2017.8293523
  19. Исследование спектров морского волнения в широком диапазоне длин волн по спутниковым и контактным данным / В. Г. Бондур [и др.] // Исследование Земли из космоса. 2016. № 1–2. С. 7–24. EDN VTOVJF. https://doi.org/10.7868/S0205961416010048
  20. Смолов В. Е., Розвадовский А. Ф. Применение платформы Arduino для регистрации ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 4. С. 467–479. EDN AKIIBG. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-4-467-479
  21. Longuet-Higgins M. S., Cartwright D. E., Smith N. D. Observations of the Directional Spectrum of Sea Waves Using the Motions of a Floating Buoy // Ocean wave spectra : Proceedings of a Conference, Easton, Maryland, May 1–4, 1961. Englewood Cliffs : Prentice-Hall, 1961. P. 111–132.
  22. Ashton I. G. C., Johanning L. On errors in low frequency wave measurements from wave buoys // Ocean Engineering. 2015. Vol. 95. P. 11–22. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2014.11.033
  23. Stewart R. H. A discus-hulled wave measuring buoy // Ocean Engineering. 1977. Vol. 4, iss. 2. P. 101–107. https://doi.org/10.1016/0029-8018(77)90013-0

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.