Исследование особенностей генерации инфрагравитационных волн в прибрежной зоне моря

Аномальные явления в океане и атмосфере

Вестник ДВО РАН. 2013. № 3

УДК 551.46

Д.П. КОВАЛЁВ, П. Д. КОВАЛЁВ

Исследование особенностей генерации инфрагравитационных волн в прибрежной зоне моря

Рассмотрены результаты исследований инфрагравитационных волн в прибрежной зоне по данным сети регистраторов уровня, установленных вблизи пос. Взморье (юго-восток о-ва Сахалин). Показано, что увеличение интенсивности волнения при шторме вызывает увеличение интенсивности генерации инфрагравитационных волн на периодах мод краевых волн.

Ключевые слова: инфрагравитационные волны, краевые волны.

Investigation of infragravity waves generation in the coastal area. D.P. KOVALEV, P.D. KOVALEV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Infragravity waves in the coastal zone sea level obtained by network of recorders that installed near Vzmorye settlement has been iinvestigated. It is shown that the increase of wave intensity during storm leads to the increase of the infragravity wave generation in the periods of edge waves modes.

Key words: infragravity waves, edge waves.

Длинные инфрагравитационные волны (ИГ-волны), обязанные своим происхождением нелинейному взаимодействию ветровых волн или зыби, порождают в прибрежной зоне разнообразные явления, такие как волновой нагон, разрывные течения, прибойные биения. ИГ-волны играют важную роль в формировании берегового и прибрежного рельефа [1], поэтому их изучение представляет не только научный, но и практический интерес.

Экспериментально показано, что вдольбереговая структура инфрагравитационных течений формируется преимущественно низшими модами краевых волн [4, 5]. В образовании волновой структуры в направлении поперек берега важная роль принадлежит излученным волнам. Изменчивость спектральной энергии, когерентности и фазовых соотношений в прибойной зоне для волновых движений с периодами от нескольких секунд до 2-3 мин очень хорошо соответствует теоретическим соотношениям для стоячих волн [2, 3, 8].

Натурные исследования ИГ-волн подтвердили полученные ранее результаты: около 69% общей волновой энергии вдольбереговых течений приходится на низшие моды краевых волн (n < 2); в течениях, нормальных берегу, на эти моды приходится только 17%, а в основном эти течения формируются излученными волнами, уносящими энергию ИГ волн в открытый океан [6, 7].

К настоящему времени выявлено, что структура ИГ-волн имеет достаточно сложный характер. Преобладание той или иной составляющей зависит от многих факторов, в частности от расстояния до берега (при приближении к берегу возрастает относительная роль краевых волн, при удалении - излученных и вынужденных). Однако основными являются

*КОВАЛЁВ Дмитрий Петрович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, КОВАЛЕВ Петр Дмитриевич - доктор технических наук, старший научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). *Е-тай: kovalevdp@imgg.ru

О 200 400 600 800 1000 м

I—J— i — it. I I

Q.5 О_____

Рис. 1. Батиметрическая карта и места постановки измерителей уровня вблизи пос. Взморье (юго-восток о-ва Сахалин). О - приборы, установленные в 2007 г., О - в 2010 г.

два фактора: характеристики внешних сил, генерирующих ИГ-волны, и орографические особенности района, прежде всего прибрежной зоны. Так, выполнение резонансных условий (что бывает сравнительно редко) приводит к генерации краевых ИГ-волн большой амплитуды, которые могут существовать достаточно долго. Усиление штормовой активности обычно увеличивает относительную роль излученных и вынужденных ИГ-волн. Настоящая работа посвящена изучению особенностей ИГ-волн при различных по интенсивности ветровом волнении и зыби и на разном расстоянии от берега.

Для исследований использовали записи поверхностного волнения с донных регистраторов (рис. 1, 2), установленных в прибрежной зоне вблизи пос. Взморье в 2007 г. (мыс Острый, оз. Изменчивое). Эти данные сравнивали с результатами наблюдений более поздних лет.

В спокойную погоду в записях преобладают приливные колебания, при усилении волнения стационарный характер колебаний нарушается. Видно, что период наблюдений был достаточно активным, отмечено несколько сильных штормов. Эти данные позволили провести анализ генерации ИГ-волн для различной интенсивности поверхностного волнения.

<5 1200 т о о.

>

608

26 08 15.09

Дата

5 10

2510

Рис. 2. Образцы синхронных записей на датчиках (а - № 24, б - № 26), установленных в прибрежной зоне в районе пос. Взморье в 2007 г.

а

б

При обработке вначале из исходных записей вычли предвычисленный прилив, затем из полученных рядов непериодических вариаций морской поверхности отобрали последовательные отрезки по 8 тыс. отсчетов во время шторма, включая его развитие. Для сравнения был выбран участок тихой погоды. По всем участкам были рассчитаны спектры колебаний уровня (рис. 3). Спектры, полученные для других районов наблюдений и для различного волнения на море, имеют в диапазоне ИГ-волн схожий характер.

В диапазоне существования ИГ-волн (0,3-5 мин [1]) при шторме наблюдается значительный - на 1,5-2 порядка - подъем уровня волновой энергии, что свидетельствует об активной генерации ИГ-волн при возрастании энергии ветровых волн и зыби в прибрежном районе (106-108-й километры автомобильной дороги г. Южно-Сахалинск- г. Оха).

В указанном диапазоне периодов при штормовых ситуациях с поверхностным волнением примерно до 3 м в спектрах ИГ-волн наблюдаются устойчивые мощные пики на периодах около 170 и 95 с, превышающие 95%-й доверительный интервал. Отметим, что в спектрах колебаний уровня при штормах в 2009 и 2010 гг. в районе Взморья (при ином расположении датчиков) также наблюдалась четко выраженная модовая структура инфра-гравитационных волн с пиками на близких периодах. Это свидетельствует о генерации краевых волн, причем их пространственная структура с периодом около 170 с хорошо согласуется с характерным расстоянием между фестонами и их продолжением в море.

Известно, что интенсивность проявления краевых ИГ-волн существенно зависит от места установки датчиков, в частности она обычно возрастает при приближении к берегу [1]. Тем не менее в нашем случае близкие к берегу датчики показали меньшую интенсивность ИГ-волн (рис. 4, см. вклейку), что связано, скорее всего, с направлением ветра во время шторма (со стороны берега) и поэтому меньшей интенсивностью ветровых волн и зыби на приборах № 32 и 38 по сравнению с дальними.

Существует еще одна особенность формирования ИГ-волн, отмеченная при анализе результатов обработки данных. Как в энергетических, так и в текущих спектрах (см. рис. 4, см. вклейку) обращает на себя внимание тот факт, что при штормах средней интенсивности (высота волн до 3 м) пики с периодами около 170 и 95 с в энергетических спектрах максимальные, в текущих же спектрах хорошо видна дискретная, модовая, структура ИГ-волн (23 и 29 сентября). При сильном волнении картина меняется: спектры содержат незначимые пики, а наибольший подъем энергии отмечен примерно посредине диапазона существования ИГ-волн.

Исходя из того, что вдольбереговая структура инфрагравитационных течений формируется преимущественно низшими модами краевых волн [5], рассчитали дисперсионную диаграмму краевых волн для указанных выше периодов. Совпадение периодов ИГ-волн и краевых волн должно подтвердить, что при средней силы штормах ИГ-волны образуются преимущественно краевыми волнами.

Для расчета дисперсионной диаграммы краевых волн использовали уточненное Урселом [9] дисперсионное соотношение для краевых волн Стокса

ю\ = gk sin [(2 л + 1) в],

которое представляет собой дискретный набор отдельных мод краевых волн,

Спектр, см2с

\i

4 3

\ 2 Оч/Ч А \

1 \

1024,0 170,7 64,0 32,0 16,0 8,0

Период, с

Рис. 3. Спектры записей придонного гидростатического давления датчика № 24. 1 - спокойная погода (28 августа), 2, 3 - развитие шторма (7-8 сентября), 4 - сильный шторм (8 сентября). Число степеней свободы - 34

отображаемых дисперсионной кривой ю (k) на плоскости (ю, k). Номер моды соответствует числу нулей функции Z(x) - смещения поверхности моря в направлении поперек берега.

С использованием приведенного выше уравнения для угла наклона дна в районе пос. Взморье в ~ 0,035 рассчитана дисперсионная диаграмма для краевых волн. Обнаруженным максимумам в энергетическом спектре ИГ-волн с периодами около 170 и 95 с соответствуют моды краевых волн.

В то же время, как следует из текущих спектров и дисперсионной диаграммы краевых волн, генерация ИГ-волн происходит не только на двух первых, низших, модах [6], но и на более высоких.

Таким образом, результаты исследований позволяют заключить, что прибрежное поле ИГ-волн при штормовом волнении средней интенсивности (высота волн до 3 м) формируется преимущественно низшими модами краевых волн, поскольку именно на модовых периодах краевых волн происходит их активная генерация.

С использованием теоретической модели показано, что для угла наклона дна в районе пос. Взморье в ~ 0,035 обнаруженным максимумам в энергетических спектрах ИГ-волн с периодами около 170 с и 95 с соответствуют моды краевых волн. При большой интенсивности ветрового волнения и зыби во время шторма энергия в диапазоне ИГ-волн распределяется равномерно без сильно выраженных пиков, что может являться следствием увеличения роли излученных ИГ-волн, спектр которых не является модовым.

Наши выводы подтверждаются анализом данных, полученных в 2009-2011 гг. в других прибрежных районах - вблизи оз. Изменчивое, мыса Острый и пос. Взморье.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение. Л.: Гидрометеоиздат, 1993. 325 с.

2. Guza R.T., Thornton E.B. Observations of surf beat // J. Geophys. Res. 1985. Vol. 90, N C2. P. 3161-3172.

3. Mizuguchi M. A field observation of wave kinematics in the surf zone // Coastal Eng. in Japan. 1982. Vol. 25. P. 91-107.

4. Munk W.H., Ig1esias H.V., Folson T.R. An instrument (for recording ultra-low-frequency ocean waves // Rev. Sci. Instrum. 1948. Vol. 19, N 10. P. 654-658.

5. Munk W.H. Surf beats // Trans. Am. Geophys. Union. 1949. Vol. 30, N 6. P. 849-854.

6. Oltman-Shey J., Guza R.T. Infragravity edge wave observationson two California beaches // J. Phys. Oceanogr. 1987. Vol. 17, N 5. P. 644-663.

7. Oltman-Shey J., Howd P.A., Birkemeier W.A. Shear instabilities of the mean longshore current. 2. Field observation // J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94, N C12. P. 18031-18042.

8. Suhayda J.N. Standing waves on beaches // J. Geophys. Res. 1974. Vol. 79, N 21. P. 3065-3071.

9. Ursell F. Edge waves on a sloping beach // Proc. R. Soc. London. 1952. Vol. A214. P. 79-97.

К статье Д.П. Ковалёва, П.Д. Ковалёва «Исследование особенностей генерации инфрагравитационных волн в прибрежной зоне моря»

К статье А.В. Лоскутова «Исследование цунами по данным глубоководных и прибрежных регистраторов»

Рис. 4. Текущие спектры колебаний уровня моря с секундной дискретностью и вычтенным приливом для датчиков № 22 (а), № 26 (б), № 38 (в), установленных на различном расстоянии от берега

Рис. 5. Пространственная структура основных мод бухты Крабовая, рассчитанная при помощи численного моделирования отклика бухты на случайный волновой шум на входе. Шкалы отражают градацию коэффициента усиления