Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 1. С. 270-285
Натурные измерения формы морской поверхности и одномерного пространственного спектра волнения
В.В. Стерлядкин
1 , К.В. Куликовский
1 , С.И. Бадулин
2, 3 1 МИРЭА — Российский технологический университет, Москва, Россия
2 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
3 Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия
Одобрена к печати: 08.12.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-1-270-285
Представлены результаты натурных измерений профилей морской поверхности, полученных с помощью сканирующего лазерного волнографа вдоль линии сканирования протяжённостью 1700 мм. Отмечается важность регистрации формы поверхности в задачах рассеяния электромагнитного излучения свободной поверхностью раздела. Получены частотные спектры волнения, профилограммы «время – высота», пространственные спектры, включающие капиллярные компоненты волнения. Обсуждается возможность измерения фазовых скоростей различных пространственных компонент волнения, которые можно выделять с помощью частотной фильтрации множества исходных профилей. Отмечается негауссовость распределения возвышений поверхности на основе анализа высших моментов распределений: skewness — коэффициента асимметрии вверх-вниз и коэффициента асимметрии вперёд-назад. Приводятся результаты расчёта пространственного спектра морской поверхности.
Ключевые слова: форма морской поверхности, частотный спектр, пространственный спектр, капиллярные волны, сканирующий лазерный волнограф
Полный текстСписок литературы:
- Бадулин С. И., Захаров В. Е. Спектр Филлипса и модель диссипации ветрового волнения // Теорет. и мат. физика. 2020. Т. 202. № 3. С. 353–363. DOI: 10.4213/tmf9801.
- Запевалов А. С. Влияние асимметрии и эксцесса распределения возвышений взволнованной морской поверхности на точность альтиметрических измерений ее уровня // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 2. С. 224–231. DOI: 0.1134/S0001433812020120.
- Запевалов А. С., Гармашов А. В. Асимметрия и эксцесс поверхностных волн в прибрежной зоне Чёрного моря // Морской гидрофиз. журн. 2021. Т. 37. № 4. С. 447–459. DOI: 10.22449/0233-7584-2021-4-447-459.
- Запевалов А. С., Большаков А. Н., Смолов В. Е. Исследование уклонов морской поверхности с помощью массива волнографических датчиков // Океанология. 2009. Т. 49. № 1. С. 37–44. DOI: 10.1134/S0001437009010044.
- Захаров В. Е., Филоненко Н. Н. Спектр энергии для стохастических колебаний поверхности жидкости // Докл. Акад. наук СССР. 1966. Т. 170. № 6. С. 1292–1295.
- Захаров В. Е., Филоненко H. H. Слабая турбулентность капиллярных волн // Приклад. механика и техн. физика. 1967. № 5. С. 62–67.
- Калинин С. А., Лейкин И. А. Измерение уклонов ветровых волн в Каспийском море // Изв. Акад. наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1988. Т. 24. № 11. С. 1210–1217.
- Караев В. Ю., Мешков Е. М. Способ определения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния. Патент РФ 2448324. Рег. 20.04.2012.
- Кузьмин А. В., Репина И. А., Садовский И. Н., Селунский А. Б.. Микроволновые радиометрические исследования морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 76–97.
- Мурынин А. Б. Методы анализа данных дистанционных измерений для исследования объектов земной поверхности и океана: дис. … д-ра техн. наук. М., 2023.
- Садовский И. Н., Кузьмин А. В., Поспелов М. Н. и др. Экспериментальные исследования коротковолновой части спектра ветровых волн: Предварительный анализ результатов дистанционных радиометрических измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 5. С. 55–67. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-5-55-67.
- Сазонов Д. С., Кузьмин А. В., Садовский И. Н. Экспериментальные исследования зависимости интенсивности радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности от скорости приводного ветра // Исслед. Земли из космоса. 2016. № 1–2. С. 25–34. DOI: 10.7868/S0205961416010127.
- Стерлядкин В. В. (2021а) Сканирующий оптический волнограф. Патент РФ № 2746186. Рег. 08.04.2021.
- Стерлядкин В. В. (2021б) Сканирующий лазерный волнограф с регистрацией «мгновенной» формы поверхности. Патент РФ № 2749727. Рег. 16.06.2021.
- Стерлядкин В. В., Куликовский К. В. Измерение капиллярных волн лазерным волнографом // Russian Technological J. 2022. Т. 10. № 5. С. 100–110. DOI: 10.32362/2500-316X-2022-10-5-100-110.
- Юровская М. В., Кудрявцев В. Н., Широков А. С., Надоля И. Ю. Натурные измерения спектра поверхностных волн по фотографиям с беспилотного мультикоптера // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 245–257. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-1-245-257.
- Aouf L., Hauser D., Chapron B. et al. New directional wave satellite observations: Towards improved wave forecasts and climate description in Southern Ocean // Geophysical Research Letters. 2021. No. 48. Article e2020GL091187. https://doi.org/10.1029/2020GL091187.
- Badulin S. I., Shrira V. I., Kharif C. A model of water wave ‘horse-shoe’ patterns // J. Fluid Mechanics. 1996. V. 318. P. 375–405. DOI: 10.1017/S0022112096007161.
- Banner M. L. Equilibrium spectra of wind waves // J. Physical Oceanography. 1990. V. 20. P. 966–984.
- Banner M. L., Jones I. S., Trinder J. Wavenumber spectra of short gravity waves // J. Fluid Mechanics. 1989. V. 198. P. 321–344. https://doi.org/10.1017/S0022112089000157.
- Bondur V., Dulov V., Kozub V. et al. Validation of the Satellite Method for Measuring Spectra of Spatially Inhomogeneous Sea Waves // J. Marine Science and Engineering. 2022. No. 10. Article 1510. https://doi.org/10.3390/jmse10101510.
- Bréon F. M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. No. 6. Article C06005. DOI: 10.1029/2005JC003343.
- Cavaleri L., Alves J.-H. G. M., Ardhuin F. et al. Wave modelling — The state of the art, Progress in Oceanography. 2007. V. 75. Iss. 4. P. 603–674. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2007.05.005.
- Chen K., Fung A., Amar F. An empirical bispectrum model for sea surface scattering // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1993. V. 31. Iss. 4. P. 830–835.
- Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter // J. Optical Society of America. 1954. V. 44. No. 11. P. 838–850.
- Elfouhaily T., Chapron B., Katsaros K., Vandemark D. A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves // J. Geophysical Research: Oceans. 1997. V. 102(C7). P. 15781–15796. https://doi.org/10.1029/97JC00467.
- Hasselmann K. On the nonlinear energy transfer in a gravity wave. Part 1. General theory // J. Fluid Mechanics. 1962. No. 12. P. 481–500.
- HovmÖller E. The trough-and-ridge diagram // Tellus. 1949. V. 1. No. 2. P. 62–66. DOI: 10.3402/tellusa.v1i2.8498.
- Hwang P. A., Wang D. W., Walsh E. J. et al. Airborne measurements of the wave number spectra of ocean surface waves. Part I: Spectral slope and dimensionless spectral coefficient // J. Physical Oceanography. 2000. V. 30. No. 11. p. 2753–2767. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2001)031<2753:AMOTWS>2.0.CO;2
- Komen G. J., Cavaleri L., Donelan M. et al. Dynamics and Modelling of Ocean Waves. N. Y.: Cambridge Univ. Press, 1994. 532 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511628955.
- Leykin I. A. Asymmetry of wind waves studied in a laboratory tank // Nonlinear Processes in Geophysics. 1995. No. 2. Article 2802289. DOI: 10.5194/npg-2-280-1995.
- Phillips O. The equilibrium range in the spectrum of wind-generated waves // J. Fluid Mechanics. 1958. No. 4. P. 426–434.
- Pushkarev A. N., Zakharov V. E. Turbulence of Capillary Waves // Physical Review Letters. 1996. V. 76. No. 18. P. 3320–3323. DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.3320.
- Sterlyadkin V. V., Kulikovskii K. V., Kuzmin A. V. et al. Scanning laser wave recorder with registration of “instantaneous” sea surface profiles // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2021. V. 38. No. 8. P. 1415–1424. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-21-0036.1.