ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ В ПОЛЕ НЕОДНО- НИЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ.

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ В ПОЛЕ НЕОДНОРОДНЫХ ТЕЧЕНИЙ: ПРИМЕРЫ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ.
Ю.И. Троицкая1, В.В. Баханов1, И.А. Репина2, О.Ю. Лаврова3
1.
2.
3.
Институт прикладной физики РАН, E- mail: [email protected]
. Институт физики атмосферы РАН им. А.М. Обухова E- mail:
[email protected]
Институт космических исследований РАН E- mail: [email protected]
Процессы в верхнем слое океана проявляются в радиолокационных изображениях его поверхности за счет неоднородности распределения интенсивности
ветрового волнения, вызванной неоднородным течением. В тоже время, поверхностное волнение определяет аэродинамическое сопротивление морской поверхности, и в областях сильной трансформации волнения в поле неоднородных
течений можно ожидать существенной перестройки поля приводного ветра. В
настоящей работе представлены результаты комплексных натурных исследований взаимодействия приводного слоя атмосферы и морского волнения в присутствии неоднородных течений на морской поверхности, а также предложена
теоретическая модель атмосферного пограничного слоя над взволнованной водной поверхностью для их количественной интерпретации.
Натурные измерения проводились в различных районах Мирового океана с разных платформ: в Черном море с борта судна (на базе ЮО ИОРАН) и с
гидрофизических платформ (МГИ НАН Украины, Узкий мол, Феодосия); в Норвежском море в ходе 16 рейса НИС «Академик Сергей Вавилов». Для измерения
параметров поверхностных волн см- и дм- диапазонов использовался комплекс
дистанционного оборудования, включавший в себя: скаттерометры с длиной
волны излучения 3,2 см и 8 мм с для регистрации ряби с длинами волн 1.5 см и
4 мм; оптический спектранализатор ДОСА для регистрации двумерного спектра
0
волнения в диапазоне длин волн от 5 см до 1 м в диапазоне  60 относительно
направления визирования ДОСА; две оптические линейки ПЗС для регистрации
кинематических характеристик поверхностных волн длиной более 2м. Для из-
мерения параметров приводного слоя атмосферы использовались акустический
цифровой анемометр-термометр ADAT-3М и акустический термоанемометр
USA-1 (METEK). Во время измерений с борта судна рельеф дна регистрировался с помощью эхолота, скорость течения – с помощью буксируемого ADCP, параметры водной толщи - с помощью SVP\CTD зонда. В 2007 и 2008 г. измерения сопровождались получением радиолокационного изображения данного
участка моря со спутника ENVISAT.
Анализ полученных данных осуществлялся в рамках модели ветрового
пограничного слоя над взволнованной поверхностью моря. Модель основана на
решении уравнений Рейнольдса, замыкаемых в рамках градиентной аппроксимации с учетом вязкого подслоя вблизи поверхности воды. Взаимодействие ветра и волн рассматривается в квазилинейном приближении. Использовалось два
варианта аппроксимации высокочастотной части спектра поверхностного волнения: спектр Elfouhaily (1997) и текущий спектр, измеренный с использованием
ДОСА. Модель позволяет рассчитывать параметры приводного слоя атмосферы
по текущим параметрам ветра и волнения. На основании расчетов в рамках модели предложены аппроксимации основных параметров приводного пограничного слоя атмосферы (параметра шероховатости z0 и коэффициента сопротивления CD) через скорость ветра и интегральные параметры спектра ветрового
волнения, применимые в широком диапазоне скоростей ветра:


2
0
.
3
5
z

a
U
g

U
c
H
k



,
0
1
0
1
0
m
s
p
где a2.11.1; b2.50.1;
0
.
3

b
2
b
c
2

2
3
с
м
/
с
g

m
, Hs существенная высота волн, U10 – скорость ветра на
1
/4
высоте 10 м, Н10=10 м, g=9.81 м/с2 – ускорение силы тяжести, = U10/ср – параметр возраста волнения,
2 2
C

l
n
H
.
D
1
0z
0
Проверка модели осуществлялась на основе сравнения с данными натурных
экспериментов в условиях изменчивости ветра и волнения. На рис.1 видно хорошее согласие теории и эксперимента.
В ходе экспериментов обнаружено явление отрицательных корреляций
интенсивности волнения и приводного ветра в областях существенной перестройки волнения в поле неоднородных течений [1]. На рис.2 приведен пример
наблюдения, произведенного в ходе 16 рейса НИС «Академик Сергей Вавилов»
в Норвежском море 2-3 июня 2003 г, когда судно проходило над областью свала
глубин (от 2500 м до 250 м на расстоянии 20-30 км). Анализ спутниковых данных показал наличие холодной аномалии температуры поверхности океана около 1оС, совпадающей с областью резкого изменения глубины. При этом в области между 17 и 18 градусами долготы (см.рис.2а), совпадающей с максимумом
градиента скорости течения, усиление ветра сопровождалось ослаблением волнения и наоборот, коэффициент корреляции составлял –0.67.
(а)
(б)
Рис.1. Сравнение расчетов в рамках предложенной параметризации с
данными измерений на полигоне ЮО ИОРАН (август 2007 г.). а) пример разреза скорости ветра (голубая линия), температуры воздуха (желтая линия), скорости течения в интервале глубин 13-17 м (зеленая линия), температуры воды (лиловая линия) и профиль интенсивности изображения, характеризующей изменчивость спектральной плотности поверхностных волн на длине волны 7.2 см
(красная линия) б) сравнение теории и эксперимента.
(а)
(б)
Рис.1 а) Разрезы вариаций скорости ветра, сигнала скаттерометра Х-диапазона и
скорости течения в приповерхностном слое (данные судового ADCP); б) измеренные и рассчитанные мезомасштабные вариации скорости ветра для участка
отрицательных корреляций между ветром и волнением.
Предложено объяснение явления отрицательных корреляций ветра и
волнения за счет модуляции аэродинамического сопротивления морской поверхности. Расчет скорости ветра в присутствии изменчивости волнения в рамках модели находится в хорошем согласии с натурными данными (рис.2б).
Литература:
1. Ю. И. Троицкая, И. С. Долина, А. В. Ермошкин, В. В. Баханов, Э. М.
Зуйкова, И. А. Репина, В. И. Титов Отрицательные корреляции мезомасштабной изменчивости ветра и волнения: примеры натурных наблюдений и теоретическая модель.// Известия РАН ФАО, т.43, №4, с.1-10.