Теоретические расчеты эксцесса возвышений морской поверхности

А. В. Гармашов, А. С. Запевалов*

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* e-mail: sevzepter@mail.ru

Аннотация

Эксцесс возвышений морской поверхности является предиктором возникновения аномально высоких волн. В работе верифицируются полученные для волнового спектра JONSWAP зависимости эксцесса от крутизны ε и от обратного возраста волн ζ. Для верификации используются данные прямых волновых измерений, проведенных со стационарной океанографической платформы, установленной в прибрежной зоне Черного моря. Показано, что в реальном поле морских волн эксцесс λ4E изменяется в значительно более широких пределах, чем предсказывается обеими модельными зависимостями. Коэффициент корреляции между λ4E и ε равен 0.06, между λ4E и ζ -- 0.05. Модельная зависимость обратного возраста волн λ4E от крутизны ε близка к линейной регрессии, построенной для ветровых волн, то есть позволяет описать только его средние изменения. Модельная зависимость эксцесса от обратного возраста волн завышает его средние значения приблизительно на 0.1, причем завышение зависит от ζ. Таким образом, построенные на основе спектра JONSWAP зависимости эксцесса возвышений морской поверхности от крутизны волн и обратного возраста волн не позволяют описать весь диапазон изменчивости эксцесса в реальном волновом поле. Аномальные волны наблюдаются в море при превышении λ4E порогового уровня 0.6--0.7, тогда как максимальные модельные значения эксцесса при предельной крутизне волны Стокса не превышают уровень 0.3.

Ключевые слова

моделирование ветровых волн, эксцесс, спектр поверхностных волн, крутизна волн, обратный возраст волн, Черное море, спектр JONSWAP, аномальные волны

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме FNNN-2024-0001 «Фундаментальные исследования процессов, определяющих потоки вещества и энергии в морской среде и на ее границах, состояние и эволюцию физической и биогеохимической структуры морских систем в современных условиях» и FNNN-2024-0014 «Фундаментальные исследования процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера, формирующих изменчивость физического состояния морской среды на различных пространственно-временных масштабах».

Для цитирования

Гармашов А. В., Запевалов А. С. Теоретические расчеты эксцесса возвышений морской поверхности // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2025. № 4. С. 64–75. EDN VCOCEY.

Garmashov, A.V. and Zapevalov, A.S., 2025. Theoretical Calculations of Sea Surface Elevation Excess Kurtosis. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (4), pp. 64–75.

Список литературы

  1. Григорьева В. Г., Гулев С. К., Шармар В. Д. Верификация глобальной спектральной волновой модели WAVEWATCH III по данным попутных судовых наблюдений // Океанология. 2020. Т. 60, № 1. С. 14–26. EDN JJZYRL. https://doi.org/10.31857/S003015742001013X
  2. Михайличенко С. Ю., Гармашов А. В., Фомин В. В. Верификация модели ветрового волнения SWAN по наблюдениям на стационарной океанографической платформе черноморского гидрофизического полигона РАН // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2016. № 2. С. 52–57. EDN WKTQOX.
  3. Stopa J. E., Cheung K. F. Intercomparison of wind and wave data from the ECMWF reanalysis interim and the NCEP climate forecast system reanalysis // Ocean Model. 2014. Vol. 75. P. 65–83. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2013.12.006
  4. Comparison and validation of physical wave parameterizations in spectral wave models / J. E. Stopa [et al.] // Ocean Model. 2016. Vol. 103. P. 2–17. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2015.09.003
  5. Longuet-Higgins M. S. The statistical analysis of a random, moving surface // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1957. Vol. 249, iss. 966. P. 321–387. https://doi.org/10.1098/rsta.1957.0002
  6. Goda Y. Random seas and design of maritime structures. Singapore : World Scientific Publishing Co., 2000. 443 p. (Advanced Series on Ocean Engineering ; vol. 15).
  7. Бабанин А. В., Полников В. Г. О негауссовости ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 1994. № 3. С. 79–82.
  8. Guedes Soares C., Cherneva Z., Antão E. M. Steepness and asymmetry of the largest waves in storm sea states // Ocean Engineering. 2004. Vol. 31, iss. 8–9. P. 1147–1167. https://doi.org/10.1016/J.OCEANENG.2003.10.014
  9. Zapevalov A. S., Garmashov A. V. Skewness and kurtosis of the surface wave in the coastal zone of the Black Sea // Physical Oceanography. 2021. Vol. 28, no. 4. P. 414–425. https://doi.org/10.22449/1573-160X-2021-4-414-425
  10. Запевалов А. С., Гармашов А. В. Появление отрицательных значений коэффициента асимметрии морских поверхностных волн // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2022. Т. 58, № 3. С. 310–317. https://doi.org/10.31857/S0002351522030130
  11. Stansell P. Distributions of freak wave heights measured in the North Sea // Applied Ocean Research. 2004. Vol. 26, iss. 1–2. P. 35–48. https://doi.org/10.1016/j.apor.2004.01.004
  12. Annenkov S. Y., Shrira V. I. Large-time evolution of statistical moments of wind-wave fields // Journal of Fluid Mechanics. 2013. Vol. 726. P. 517–546. https://doi.org/10.1017/jfm.2013.243
  13. Kharif C., Pelinovsky E., Slunyaev A. Rogue waves in the ocean. Berlin ; Heidelberg : Springer, 2009. 216 p. (Advances in Geophysical and Environmental Mechanics and Mathematics). https://doi.org/10.1007/978-3-540-88419-4
  14. Tomita H., Kawamura T. Statistical analysis and inference from the in situ data of the Sea of Japan with reference to abnormal and/or freak waves // Proceedings of the Tenth International Offshore and Polar Engineering Conference (May 28 – June 2, 2000, Seattle, Washington, USA). The International Society of Offshore and Polar Engineers. P. 116–122.
  15. Risk assessment of encountering killer waves in the Black Sea / V. A. Ivanov [et al.] // Geography, Environment, Sustainability. 2012. Vol. 5, no. 1. P. 84–111. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2012-5-1-84-111
  16. Запевалов А. С., Гармашов А. В. Вероятность появления аномальных волн в прибрежной зоне Черного моря у Южного берега Крыма // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2022. № 3. С. 6–15. EDN CCZQGI.
  17. Annenkov S. Y., Shrira V. I. Evolution of kurtosis for wind waves // Geophysical Research Letters. 2009. Vol. 36, iss. 13. L13603. https://doi.org/10.1029/2009GL038613
  18. Annenkov S. Y., Shrira V. I. Large-time evolution of statistical moments of wind-wave fields // Journal of Fluid Mechanics. 2013. 726. P. 517–546. https://doi.org/10.1017/jfm.2013.243
  19. Mori N., Onorato M., Janssen P. A. E. M. On the estimation of the kurtosis in directional sea states for freak wave forecasting // Journal of Physical Oceanography. 2011. Vol. 41, iss. 8. P. 1484–1497. https://doi.org/10.1175/2011JPO4542.1
  20. Janssen P. A. E. M. Nonlinear Four-Wave Interactions and Freak Waves // Journal of Physical Oceanography. 2003. Vol. 33, iss. 4. P. 863–884. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2003)33863:NFIAFW2.0.CO;2
  21. Annenkov S. Y., Shrira V. I. Evaluation of skewness and kurtosis of wind waves parameterized by JONSWAP spectra // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 6. P. 1582–1594. https://doi.org/10.1175/JPO-D-13-0218.1
  22. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) / K. Hasselmann [et al.] // Ergänzungsheft zur Deutschen Hydrographischen Zeitschrift Reihe A(8). 1973. Iss. 12. 95 p.
  23. Young I. R. Wind Generated Ocean Waves // Elsevier Ocean Engineering Series. Vol. 2. Amsterdam : Elsevier, 1999. 287 p.
  24. Pierson W. I., Moskovitz L. A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S. A. Kitaigorodskii // Journal of Geophysical Research. 1964. Vol. 69, iss. 24. Р. 5181–5190. https://doi.org/10.1029/JZ069i024p05181
  25. Donelan M. A., Hamilton J., Hui W. H. Directional spectra of wind-generated waves // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1985. Vol. 315, iss. 1534. P. 509–562. https://doi.org/10.1098/rsta.1985.0054
  26. О спектральных характеристиках ветровых волн в прибрежной зоне Черного моря / А. С. Запевалов [и др.] // Потоки и структуры в жидкостях = Fluxes and structures in fluids. Избранные доклады международной конференции. Санкт-Петербург, 22–26 июня 2003. Санкт-Петербург, 2004. С. 169–172.
  27. Толокнов Ю. Н., Коровушкин А. И. Система сбора гидрометеорологической информации // Системы контроля окружающей среды. 2010. Вып. 13. С. 50–53.
  28. Соловьев Ю. П., Иванов В. А. Предварительные результаты измерений атмосферной турбулентности над морем // Морской гидрофизический журнал. 2007. № 3. С. 42–61. EDN YOVLFR.
  29. Tayfun M. A., Alkhalidi M. A. Distribution of surface elevations in nonlinear seas // Proceedings of Offshore Technology Conference. Kuala Lumpur, Malaysia, 22–25 March 2016. 2016. P. 1274–1287. https://doi.org/10.4043/26436-MS
  30. Huang N. Е., Long S. R. An experimental investigation of the surface elevation probability distribution and statistics of wind-generated waves // Journal of Fluid Mechanics. 1980. Vol. 101, iss. 1. P. 179–200. https://doi.org/10.1017/S0022112080001590

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.