Рассеяние ветровой волны - Wind-wave dissipation

Рассеяние ветровой волны или же "диссипация волн "это процесс, при котором волна, генерируемая погодной системой, теряет свою механический энергия, передаваемая из атмосферы через ветер. Ветровые волны, как следует из их названия, создаются ветром, передающим энергию из атмосферы на поверхность океана. капиллярные гравитационные волны играют важную роль в этом эффекте, «ветровые волны» или «зыбь» также известны как поверхностные гравитационные волны.

Общая физика и теория

Процесс рассеяния ветрового волнения можно объяснить, применяя теорию энергетического спектра таким же образом, как и для формирования ветрового волнения (обычно предполагая, что спектральное рассеивание является функцией спектра волн).[1] Однако, хотя даже некоторые из недавних инновационных усовершенствований для полевых наблюдений (например, Banner & Babanin et al.[2][3] ) способствовали разгадыванию загадок поведения при разрушении волн, но, к сожалению, до сих пор не было четкого понимания точных теорий процесса рассеяния ветровой волны из-за его нелинейного поведения. С помощью прошлых и настоящих наблюдений и производных теорий физику рассеяния океанской волны можно классифицировать по областям ее прохождения вдоль глубины воды. На глубокой воде рассеяние волн происходит под действием сил трения или сопротивления, таких как противоположно направленные ветры или силы вязкости, создаваемые турбулентными потоками - обычно нелинейные силы. На мелководье поведение рассеяния волн в основном связано с обрушением береговой волны (см. Типы обрушения волн). Некоторые из простых общих описаний рассеяния ветрового волнения (определенных Луиджи Кавалери и др.[1] ) были предложены, когда мы рассматриваем только поверхностные волны океана, такие как ветровые волны. Посредством простого, взаимодействия волн с вертикальной структурой верхних слоев океана игнорируются для упрощенной теории во многих предлагаемых механизмах.[1]

Источники рассеивания ветрового волнения

В общем понимании, физику диссипации волн можно разделить на категории, рассматривая их источники диссипации, такие как 1) обрушение волны 2) взаимодействие волна-турбулентность 3) модуляция волна-волна соответственно.[1] (описания этой главы ниже также следуют за ссылкой [1] )

1) диссипация за счет «обрушения волн»

Обрушение ветрового волнения в прибрежной зоне является основным источником рассеивания ветрового волнения. Ветровые волны теряют свою энергию на берегу или иногда обратно в океан, когда они разбиваются о берег. (см. дополнительные пояснения -> «Разрушение поверхностных волн океана»)

2) диссипация за счет «взаимодействия волны с турбулентностью»

Турбулентные ветровые потоки и вязкие водовороты внутри волн могут влиять на диссипацию волн. В самом начале понимания вязкость почти не могла влиять на ветровые волны, так что диссипация волн за счет вязкости также почти не рассматривалась.[4][5] Однако последние модели прогнозирования погоды начинают учитывать «взаимодействие волны и турбулентности» для моделирования волн.[6] До сих пор остается спорным вопрос о том, насколько диссипация, вызванная турбулентностью, вносит вклад в изменение волновых профилей в целом, но идеи взаимодействия волны и турбулентности для поверхностных вязких слоев и пограничных слоев на дне волны приняты недавно.

3) диссипация за счет «волновой модуляции»

Волновые взаимодействия могут влиять на диссипацию волн. В ранние эпохи идеи о том, что обрушение коротких волн может отбирать энергию у длинных волн посредством модуляции, были предложены Филлипсом (1963),[7] и Лонге-Хиггинс (1969) [8] также. Эти идеи обсуждались (новые результаты о том, что диссипация при взаимодействии между волновыми модуляциями должна быть намного слабее, чем у теории Филлипса) в работах Хассельмана (1971),[9] но в недавнем понимании, диссипация этих случаев обычно немного сильнее диссипации «взаимодействием волн с турбулентностью», когда реализованы разумные передаточные функции модуляции.[10] Большинство случаев рассеивания волн происходит из-за этого типа рассеяния.[1]

Простая схема выключателя пролива
Простая схема перестановочного выключателя
Простая схема импульсного выключателя

Обрушение волны на поверхности океана

Когда ветровые волны приближаются к прибрежной зоне из глубокой воды, волны меняют свою высоту и длину. Высота волны увеличивается, а длина волны становится короче, поскольку скорость волны замедляется, когда океанские волны приближаются к берегу. Если глубина воды достаточно мала, гребень волны становится круче, а желоб становится шире и мельче; наконец, океанские волны разбиваются о берег. Движения обрушения волн различаются в зависимости от крутизны берегов и волн, и их можно разделить на три типа.[11][12]

• Устройство для защиты от разлива

С более низким уклоном берега волны медленно теряют энергию по мере приближения к берегу. Волны проливают морскую воду на фронт волны, когда они разбиваются.


• Погружной прерыватель

При умеренно крутом уклоне берега волна быстро теряет энергию. Если берег достаточно крутой, гребень волны движется быстрее впадины. Гребень закручивается над фронтом волны, а после гребня погружает морскую воду в желоб. (Погружные молоты хороши для серфинга)

• Пульсирующий выключатель

При очень крутом береговом склоне (для экстремальной крутизны, например, дамбы), если береговая крутизна очень высока, волны не могут достигать критической крутизны для разрушения. Волны поднимаются по береговому склону и отдают энергию назад от берега. На нем никогда не видны изломы с белой каймой, но в случае экстремальной крутизны, такой как морская дамба, волны разбиваются с белой пеной.

Смотрите также

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Кавалери, Луиджи; Группа WISE (2006). «Волновое моделирование - современное состояние». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ Баннер, M.L .; и другие. (2000). «Вероятность разрушения доминирующих волн на поверхности моря». Журнал физической океанографии. 30 (12): 3145–3160. Дои:10.1175 / 1520-0485 (2000) 030 <3145: bpfdwo> 2.0.co; 2.
  3. ^ Баннер, M.L .; и другие. (2002). «Вероятности обрушения доминирующих поверхностных волн на воде конечной постоянной глубины». Журнал геофизических исследований. 106: 11659–11676. Дои:10.1029 / 2000jc000215. HDL:1885/8979.
  4. ^ Джеффри, Х. (1925). «Об образовании волн ветром. II». Труды Королевского общества. A110: 341–347.
  5. ^ Svedrup, H.U .; У. Х. Мунк (1947). «Ветер, море и зыбь: теория соотношений для прогнозирования». Отчет гидрографического управления ВМС США (601): 50.
  6. ^ Tolman, H.L .; Д.Чаликов (1996). «Источники в модели ветрового волнения третьего поколения». Журнал физической океанографии. 26 (11): 2497–2518. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1996) 026 <2497: stiatg> 2.0.co; 2.
  7. ^ Филлипс, О. (1963). «О затухании длинных гравитационных волн короткими обрушивающимися волнами». Журнал гидромеханики. 16 (3): 321–332. Дои:10.1017 / s0022112063000793.
  8. ^ Лонгетт-Хиггинс (1969). «Нелинейный механизм генерации морских волн». Труды Лондонского королевского общества. A311 (1506): 371–389. Дои:10.1098 / rspa.1969.0123.
  9. ^ Хазельманн, К. (1971). «О передаче массы и импульса между короткими гравитационными волнами и крупномасштабными движениями». Журнал гидромеханики. 50: 189–205. Дои:10,1017 / с0022112071002520.
  10. ^ Ardhuin, F .; А.Д. Дженкинс (2005). «О влиянии ветра и турбулентности на волну океана». Материалы 15-й Международной конференции по морской и полярной инженерии. III: 429–434.
  11. ^ Стюарт, Роберт H (2008). Введение в физическую океанографию.
  12. ^ Открытый университет. Приглашение к океанографии 3-е издание. Джонс и Бартлетт Издательство.