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: yuliya@hydro.appl.sci-nnov.ruu . Институт физики атмосферы РАН им. А.М. Обухова E- mail: repina@ifaran.ru Институт космических исследований РАН E- mail: olavrova@mx.iki.rssi.ru 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 a2.11.1; b2.50.1; 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.