Оценка времени жизни «барашка» обрушивающейся волны

Представлены результаты исследования времени жизни обрушений ветровых волн (барашков) и пространственного распределения моментов зарождения обрушений по профилю длинной поверхностной волны, полученные в ходе специализированных экспериментов с океанографической платформы в Черном море. Регистрация барашков осуществлялась по видеозаписям морской поверхности. Одновременно с видеозаписями измерялись характеристики поверхностного волнения, а также регистрировалась метеорологическая информация. Показано, что распределение времени жизни барашка хорошо описывается экспоненциальным законом. Установлено, что отношение времени жизни индивидуального барашка к периоду обрушивающейся волны равно 0,3, а распределения этого отношения подобны для различных ветровых и волновых условий. Показано, что зарождение барашков происходит преимущественно в районе гребня длинной волны со смещением на ее передний склон в среднем на 9,6° фазы длинной волны. Возникнув на переднем фронте, барашек за время жизни смещается на задний фронт длинной волны, так что разность фаз между зарождением обрушения и максимумом доли поверхности, занятой барашками, составляет 21,6°.

1. Zappa C.J., McGillis W.R., Raymond P.A., Edson J.B., Hintsa E.J., Zemmelink H.J., Dacey J.W.H., Ho D.T. Environmental turbulent mixing controls on air-water gas exchange in marine and aquatic systems // Journal of Geophysical Research Letters. 2007. Vol. 34, No 10. doi: 10.1029/2006GL028790

2. Thorpe S.A. Energy loss by breaking waves // Journal of Physical Oceanography. 1993. Vol. 23, No 11. P. 2498–2502. doi: 10.1175/1520-0485(1993)023<2498:ELBBW>2.0.CO;2

3. Kudryavtsev V.N., Shrira V., Dulov V.A., Malinovsky V.V. On the vertical structure of wind-driven sea currents // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, No 10. P. 2121–2144. doi: 10.1175/2008JPO3883.1

4. Troitskaya Y., Kandaurov A., Ermakova O., Kozlov D., Sergeev D., Zilitinkevich S. Bag-breakup fragmentation as the dominant mechanism of sea-spray production in high winds // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. 1614. doi: 10.1038/s41598-017-01673-9

5. Kudryavtsev V., Chapron B. On growth rate of wind waves: impact of short-scale breaking modulations // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46, No 1. P. 349–360. doi: 10.1175/JPO-D-14-0216.1

6. Troitskaya Y., Sergeev D., Kandaurov A., Vdovin M., Zilitinkevich S. The effect of foam on waves and the aerodynamic roughness of the water surface at high winds // Journal of Physical Oceanography. 2019. Vol. 49. doi: 10.1175/JPO-D-18-0168.1

7. Thorpe S.A., Belloul M.B., Hall A.J. Internal waves and whitecaps // Nature. 1987. Vol. 330. P. 740–742. doi: 10.1038/330740a0

8. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Sherbak O.G., Grodsky S.A. Observations of wind wave breaking in the gulf stream frontal zone // The Global Atmosphere and Ocean System. 1998. Vol. 6, No 3. P. 209–242.

9. Kubryakov A.A., Kudryavtsev V.N., Stanichny S.V. Application of Landsat imagery for the investigation of wave breaking // Remote Sensing of Environment. 2021. Vol. 253. 112144. doi: 10.1016/j.rse.2020.112144

10. Бондур В.Г., Шарков Е.А. Статистические характеристики пенных образований на взволнованной морской поверхности // Океанология. 1982. Т. 22, № 3. С. 372–378.

11. Monahan E.C., Woolf D.K. Comments on «Variations of whitecap coverage with wind stress and water temperature» // Journal of Physical Oceanography. 1989. Vol. 19, No 5. P. 706–709. doi: 10.1175/1520-0485(1989)019<0706:COOWCW>2.0.CO;2

12. Шарков Е.А. Обрушающиеся морские волны: структура, геометрия, электродинамика. M.: Научный мир, 2009. 304 c.

13. Phillips O.M. Radar returns from the sea surface — Bragg scattering and breaking waves // Journal of Physical Oceanography. 1988. Vol. 18, No 8. P. 1065–1074. doi: 10.1175/1520-0485(1988)018<1065:RRFTSS>2.0.CO;2

14. Kudryavtsev V.N., Hauser D., Caudal G., Chapron B. A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface 1. Background model // Journal of Geophysical Research. 2003.Vol. 108, No C3. doi: 10.1029/2001JC001003

15. Шарков Е.А. Экспериментальные исследования времени жизни дисперсной фазы обрушивающейся гравитационной волны // Известия АН. ФАО. 1994. T. 30, № 6. C. 844–847.

16. Callaghan A.H., Deane G.B., Stokes M.D., Ward B. Observed variation in the decay time of oceanic whitecap foam // Journal of Geophysical Research. 2012. Vol. 117, No C9. doi: 10.1029/2012JC008147

17. Ding L., Farmer D.M. Observation of breaking surface wave statistics // Journal of Physical Oceanography. 1994. Vol. 24, No 6. P. 1368–1387. doi: 10.1175/1520-0485(1994)024<1368:OOBSWS>2.0.CO;2

18. Bortkovskii R.S., Novak V.A. Statistical dependences of sea state characteristics on water temperature and wind-wave age // Journal of Marine Systems. 1993. Vol. 4, No 2–3. P. 161–169. doi: 10.1016/0924-7963(93)90006-8

19. Phillips O.M., Posner F.L., Hansen J.P. High range resolution radar measurements of the speed distribution of breaking events in wind-generated ocean waves: Surface impulse and wave energy dissipation rates // Journal of Physical Oceanography. 2001. Vol. 31, No 2. P. 450–460. doi: 10.1175/1520-0485(2001)031<0450:HRRRMO>2.0.CO;2

20. Миронов А.С., Дулов В.А. Статистические характеристики событий и диссипация энергии при обрушении ветровых волн // Сборник научных трудов. Вып. 16. НАН Украины, МГИ, Севастополь, 2008. С. 97–115.

21. Thorpe S.A., Hall A.J. The characteristics of breaking waves, bubble clouds, and near-surface currents observed using side-scan sonar // Continental Shelf Research. 1983. Vol. 1, No 4. P. 353–384. doi: 10.1016/0278-4343(83)90003-1

22. Pivaev P.D., Kudryavtsev V.N., Korinenko A.E., Malinovsky V.V. Field observations of breaking of dominant surface waves // Remote Sensing. 2021. Vol. 13, No 16. 3321. doi: 10.3390/rs13163321

23. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Bol’shakov A.N. A field study of whitecap coverage and its modulations by energy containing surface waves // Gas Transfer at the Water Surface. Geophys. Monogr. 127 / Ed. Donelan M.A., Drennan W.M., Saltzman E.S., Wanninkhof R. AGU: Washington DC. USA, 2002. P. 187–192. doi: 10.1029/GM127p0187

24. Yurovsky Y.Y., Kudryavtsev V.N., Chapron B. Simultaneous radar and video observations of the sea surface in field conditions // Proceedings of the Electromagnetics Research Symposium — Spring (PIERS). St. Petersburg, 2017. P. 2559– 2565. doi: 10.1109/PIERS.2017.8262183

25. Dulov V.A., Korinenko A.E., Kudryavtsev V.N., Malinovsky V.V. Modulation of wind-wave breaking by long surface waves // Remote Sensing. 2021. Vol. 13, No 14. 2825. doi: 10.3390/rs13142825

26. Longuet-Higgins M.S., Stewart R.W. Changes in the form of short gravity waves on long waves and tidal currents // Journal of Fluid Mechanics. 1960. Vol. 8. P. 565–583. doi: 10.1017/S0022112060000803

27. Phillips O.M. On the response of short ocean wave components at a fixed wave number to ocean current variations // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14, No 9. P. 1425–1433. doi: 10.1175/1520-0485(1984)014<1425:OTROSO>2.0.CO;2

28. Fairall C.W., Bradley E.F., Hare J.E., Grachev A.A., Edson J.B. Bulk parameterization of air–sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm // Journal of Climate. 2003. Vol. 16, No 4. P. 571–591. doi: 10.1175/1520-0442(2003)016<0571:BPOASF>2.0.CO;2

29. Кориненко А.Е., Малиновский В.В., Кудрявцев В.Н. Экспериментальные исследования статистических характеристик обрушений ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 6. C. 534–547. doi: 10.22449/0233-7584-2018-6-534-547

30. Кориненко А.Е., Малиновский В.В., Кудрявцев В.Н., Дулов В.А. Статистические характеристики обрушений и их связь с диссипацией энергии ветровых волн по данным натурных измерений // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 5. С. 514–531. doi: 10.22449/0233-7584-2020-5-514-531

31. Mironov A.S., Dulov V.A. Detection of wave breaking using sea surface video records // Measurement Science and Technology. 2008. Vol. 19. P. 015405. doi: 10.1088/0957-0233/19/1/015405

32. Kleiss J.M., Melville W.K. Observations of wave breaking kinematics in fetch-limited seas // Journal of Physical Oceanography. 2010. Vol. 40, No 12. P. 2575–2604. doi: 10.1175/2010JPO4383.1

33. Kleiss J.M., Melville W.K. The analysis of sea surface imagery for whitecap kinematics // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2011. Vol. 28, No 2. P. 219–243. doi: 10.1175/2010JTECHO744.1

34. Phillips O.M. Spectral and statistical properties of the equilibrium range in wind-generated gravity waves // Journal of Fluid Mechanics. 1985. Vol. 156. P. 505–531. doi: 10.1017/S0022112085002221