Определение динамических характеристик морской поверхности радиолакационным методом

2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение ............................................. 6
!. Закономерности рассеяния радиоволн взволнованной
морской поверхностью, существенные при радиолокационном определении ее динамических характеристик .............................................. 15
:л. Основные сведения о морском волнении 15
!.1.1. Вероятностная структура взволнованной морской
поверхности ........................................... 15
.1.2. Спектральные характеристики морского волнения.... 18
•* г і
.1.3. Частотный энергетический спектр волнения ............... 19
.1.4. Пространственный и угловой спектры волнения...... 22
.2. Рассеяние радиоволн взволнованной морской
поверхностью .......................................... 24
.2.1. Радиолокационные характеристики объектов
дистанционного зондирования .......................... 24
.2.2. Механизм рассеяния радиоволн морской
поверхностью ......................................... 26
.2.3. Удельная ЭПР взволнованной морской поверхности.
Электродинамические модели морской поверхности... 27
.2.4. Влияние параметров морской поверхности и привод-
ной атмосферы на характеристики радиолокационного сигнала СВЧ-диапазона радиоволн .................. 35
.2.4.1. Амплитудная модуляция РЛ-сигнала, формируемого
морской поверхностью в присутствии крупных волн.. 35
.2.4.2. Зависимость удельной ЭПР морской поверхности от
скорости ветра ........................................ 43
.2.4.3. Поляризационная зависимость характеристик рас-
з . •
Стр.
сеянного морской поверхностью радиолокационного
сигнала ................................................. 48
.3. Выводы по главе ........................................... 53
Методические особенности исследования процесса формирования взволнованной морской поверхностью
радиолокационного сигнала ............................... 55
.1. Методика экспериментального исследования рассеяния радиоволн взволнованной морской поверхностью при высоком пространственном разрешении зондирующей
аппаратуры ........................................... 55
.1.1. Исследование структуры РЛ-сигнала при высоком пространственном разрешении зондирующей аппаратуры.... 56
.1.2. Особенности исследования рассеяния радиоволн на
пено-брызговых потоках, образующихся при интенсивном обрушивании морских волн............................. 62
.1.3. Методика исследования особенностей радиолокационного мониторинга морской поверхности .................... 64
.2. Аппаратура, примененная при исследовании структуры РЛ-сигнала, сформированного взволнованной
морской поверхностью .................................. 79
.2.1. Многочастотный широкополосный импульсный поляриметр 70
.2.2. Волноизмерительная приставка................'........... 74
.3. Выводы по главе ........................................... 79
Особенности обратного рассеяния радиоволн СВЧ-диа-пазона взволнованной морской поверхностью при ма -
лых углах скольжения .................................... 80
Л. Формирование взволнованной морской поверхностью РЛ-сигнала при высоком пространственном разрешении зондирующей аппаратуры ................................. 80
4
Стр.
1.1.1. Характеристики огибающей сформированных морской поверхностью РЛ-сигналов при вертикальной поляризации излучения .......................................... 80
1.1.2. Особенности характеристик РЛ-сигнала, формируемого
морской поверхностью при горизонтальной поляризации излучения ................................. 88
1.2. Поляризационные различия фазовых характеристик
рассеянных взволнованной морской поверхностью сигналов .............................................. 98
■.З. Рассеяние радиоволн СВЧ-диапазона взволнованной
морской поверхностью при интенсивном пено- и
брызгообразовании ..................■............. 106
.4. Выводы по главе ...................................... 119
Радиолокационное определение океанографических характеристик морской поверхности. Обще требования к радиолокационным радиоокеанографическим
системам.............................................. 122
.1. Радиолокационное определение основных характеристик энергонесущих составляющих морского волнения.. 122
.1.1. Экспериментальные радиоокеанографические системы.. 122
.1.2. Радиолокационное определение временных параметров
морского волнения с помощью некогерентных радиолокационных волноизмерительных средств ................. 126
.1.2.1. Определение параметров волнения по вариациям
"мгновенного" среднего уровня огибающей РЛ-сигнала 126 .1.2.2. Определение высоты морских волн по спектру
амплитудных флуктуаций РЛ-сигнала..................... 144
.1.3. Определение основных параметров волнения по фазовым характеристикам рассеянного сигнала ....................... 149
5
Стр.
:.2. Радиолокационное определение пространственных характеристик морского волнения................................ 154
:.3. Влияние тактико-технических данных радиоокеаногра-фической аппаратуры СВЧ-диапазона и условий зондирования морской поверхности на точность определения характеристик волнения................................... 161
.3.1. Влияние длины волны РЛС и условий наблюдения на
определение параметров волнения......................... 161
.3.2. Влияние разрешающей способности радиоокеанографи-ческой РЛС на определение характеристик энергонесущих составляющих волнения................................... 169
.4. Радиолокационный мониторинг морской поверхности..... 174
.4.1. Радиолокационное наблюдение нефтяных разливов 174
.4.2. Радиолокационное наблюдение сликовых областей
естественного происхождения............................ 180
.4.3. Влияние параметров РЛС на различимость (контраст) сликовых образований на радиоизображении морской
поверхности............................................ 188
,5. Основные требования к радиофизическим комплексам
дистанционного зондирования морской поверхности 190
.6. Выводы по главе.......................................... 198
Заключение ............................................. 200
, Литература................................................. 202
<5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации.
Мировой океан, занимающий свыше 70$ поверхности Земного шара, называет непосредственное влияние на формирование погоды и кли-ата Земли, на хозяйственную деятельность человека. Это стимули-,гет дальнейшее совершенствование методов и средств изучения оке-за. Перед современной физикой океана стоит актуальная задача сования термогидродинамической модели, объединяющей океан и атмо-]эеру над ним в единую систему [107], что позволило бы с единых эзиций описывать процессы, протекающие в океане и пограничных юях атмосферы, без чего, в конечном итоге, невозможен прогресс методах прогнозирования погоды.
Характерной особенностью пограничных слоев атмосферы и океа-а является волновое движение границы раздела - поверхностное элнение. Исследование поверхностных волн представляет интерес ак с точки зрения изучения самого явления, так и его влияния на ругие физические процессы, такие как ветровые течения, тепло- и ассообмен между океаном и атмосферой, формирование верхнего ква-иоднородного слоя и т.д. В изучении волнения достигнуты опреде-энные успехи. Однако, к настоящему времени раскрыты далеко не се его закономерности [20], систематическими наблюдениями охва-ены отдельные, как правило, прибрежные районы, что существенно атрудняет построение общей картины процессов, происходящих в кеане.
Для всестороннего решения стоящих перед физикой моря задач ребуется как систематическое наблюдение за поверхностью океана глобальных масштабах, так и исследование параметров волнения в кроком диапазоне их изменения - от мелкомасштабных капиллярных, пределяющих совместно с мелкими гравитационными волнами шерохо-
атость поверхности и, в конечном итоге, сток поглощаемой океа-ом энергии Солнца и ветра и условия рассеяния и отражения ра-доволн СВЧ-диапазона, до крупных, штормовых.
Поскольку методы и средства традиционной океанографии часто э обеспечивают получения необходимой информации о волнении (источая отдельные исследовательские установки, например: [39,40]),-се большее внимание океанологов привлекают новые методы и сред-тва изучения океана - методы и средства дистанционного зондиро-ания, имеющие в ряде случаев ощутимые преимущества перед тради-яонными [160] .
Оптические системы, обеспечивающие возможность определения яда пространственно-временных характеристик океанской поверхно-ти и ветра над ней [105,117,134] и широко применяемые в настоя-ее время в качестве аэрокосмических систем Землеобзора для рвения различных народно-хозяйственных задач [127] , обладая вы-оким пространственным разрешением и обеспечивая возможность ди-танционного определения характеристик не только поверхностных, о и внутренних слоев океана, в полной мере решению поставленной адачи не удовлетворяют, так как их возможности ограничены рядом пецифических недостатков, наиболее существенными из которых яв-яются:
- возможность проведения наблюдений только при определенных енитных углах светила, подсвечивающего морскую поверхность ;
- необходимость достаточной освещенности наблюдаемой по-ерхности;
- невозможность применения в сложных гидрометеорологических словиях, ограничивающих видимость (дождь, туман, дымка и т.д.).
От перечисленных недостатков в значительной мере свободны адиофизические методы, использующие зависимости характеристик злученного (для пассивных систем) и переизлученного (для актив-
8
вс) поверхностью радиосигнала от ее физических параметров.
В настоящее время накоплен определенный опыт экспериментально использования радиофизических средств различных диапазонов »диоволн в качестве береговых, судовых и аэрокосмических систем «станционного зондирования поверхности океана*, показавший прин-апиальную возможность дистанционного определения основных гидро-ззических параметров океана и атмосферы над ним. Однако разра-отка и широкое внедрение радиофизических, особенно - радиолока-ионных,методов и средств дистанционного зондирования океана ус-ожняются недостаточной изученностью особенностей процесса форми-ования морской поверхностью радиосигналов в различных условиях олнообразования, особенно при интенсивном обрушивании морских олн.
Это и определяет необходимость дальнейшего изучения особен-:остей формирования взволнованной морской поверхностью радиоло-:ационных (РЛ) сигналов для создания эффективных средств и методов дистанционного зондирования океана с целью решения актуальных океанографических задач.
Постановка научных задач исследования.
Наиболее совершенная двухмасштабная электродинамическая модель взволнованной морской поверхности [б,137,164] удовлетворительно описывает процесс формирования РЛ-сигнала спокойной и умеренно-взволнованной поверхностью. При волнении свше трех баллов л горизонтальной поляризации зондирующих сигналов, как правило,
* Некоторые итоги исследования природной среды радиофизическими средствами можно найти в [і,2,7,103,113,145,157] ; эксперименты по зондированию поверхности Земли с помощью орбитальных радиофизических систем проводились на ОКС "Салют-6", " ЗкубаЬ ",
ИСЗ "Космос", "Оеоь ", "Мтвив", " $еа&аї " [96,104,106] .
9
габлюдаются значительные расхождения результатов натурных экспе-жментов и модельных расчетов.
Это указывает на то, что двухмасштабная модель учитывает 1алеко не все факторы, определяющие формирование РЛ-сигнала ВЧ-диапазона радиоволн взволнованной морской поверхностью.
Отмеченным определяется цель работы - экспериментальное и ?еоретическое исследование особенностей рассеяния радиоволн СВЧ -диапазона взволнованной морской поверхностью в условиях интен-;ивного обрушивания гребней морских волн. Намеченная программа [сследований включала решение следующих частных задач:
- разработку способов дистанционного определения параметров юлнения и динамических характеристик морской поверхности на ос-юве радиолокационного метода;
- определение, на основе теоретического и экспериментального юследования радиолокационного рассеяния, связей между характе-жстиками морской поверхности и рассеянного ею радиосигнала при [нтенсивном обрушивании гребней морских волн;
- исследование влияния условий радиолокационного наблюдения юрской поверхности и характеристик радиоокеанографической аппа->атуры на точность определения основных параметров энергоне-.ущих составляющих волнения;
- исследование возможности радиолокационного обнаружения загрязнений морской поверхности нефтепродуктами и другими поверх-юетно-активными веществами.
Рассматриваемый в работе круг вопросов ограничен, в основном, Фондированием морской поверхности под малыми углами скольжения ф 10°), что характерно для работы береговых, судовых и неко-юрых авиационных радиоокеанографических устройств, используе-ых в качестве неконтактных волноизмерительных средств как для :алибровки аэрокосмических систем дистанционного зондирования
.------Т-------------
О I х
Рис. I. Облучение плоского слоя вещества
Рис. 2. Цилиндрические фотореакторы с внешним (а) и внутренним (б) источником излучения
юверхности океана, так и в качестве самостоятельных радиоокеа-юграфических систем. Некоторое внимание уделено также вопросам юццирования морской поверхности под большими углами скольжения ф ^ 30 - 80° ).
Новые результаты и научные выводы.
1. На основе радиолокационного метода разработаны способы >пределения основных параметров энергонесущих составляющих вол-1бния и динамических характеристик морской поверхности.
2. Модифицирована модель рассеяния радиоволн СВЧ-диапазона )зволнованной морской поверхностью, что позволяет учесть влияние >брушивания гребней морских волн на формирование морской поверх-юстью радиолокационного сигнала.
3. Определены основные особенности радиолокационного мони-■оринга морской поверхности.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. При зондировании морской поверхности под малыми углами •кольжения радиолокационный (РЛ) сигнал в СВЧ-диапазоне форми-уется не только "резонансными" рассеивателями (рябью), но и :оверхностью клиноподобных гребней обрушивающихся морских волн. Причиной "аномального" увеличения ЭПР морской поверхности и час-оты допплеровского смещения РЛ-сигнала при горизонтальной поля-мзации излучения в условиях значительного, свыше 3-х баллов, олнения являются поляризационные различия в дифракции радиоволн :а заостренных гребнях.
2. При высоком пространственном разрешении, когда размеры лемента разрешения меньше характерных размеров морских волн, одиолокационные системы СВЧ-диапазона позволяют, с достаточной дя решения практических задач точностью, определять основные сространственно-временные характеристики поля энергонесущих
и
юлн. Вследствие неустойчивости статистических связей между вы-;отой И и периодом Т морских волн, при оценке И по ширине яектра амплитудных флуктуаций РЛ-сигнала, необходим учет периодов энергонесущих морских волн.
3. Пленки поверхностно-активных веществ ( в том числе -[ефтепродуктов ), имеющие толщину Ипл> 0,1 мкм, уверенно обна-оуживаются радиофизическими СВЧ-средствами мониторинга по значи-'ельному изменению уровня РЛ-сигнала. Котраст РЛ-изображения лика определяется как концентрацией ПАВ, так и величиной элемен-■а разрешения РЛС. Для распознавания пленок нефтепродуктов необ-:одимо комплексное использование аппаратуры, работающей в различай участках спектра электромагнитных волн.
4. Определены требования к радиоокеанографическим РЛС СВЧ-иапазона. Разработаны методики определения основных океаногра -ических параметров поля энергонесущих морских волн. Создано уст-ойство океанографической обработки РЛ-сигнала (волноизмеритель-:ая приставка к РЛС), позволяющее определять пространственно -ременные параметры поля волнения по флуктуационным характерис-икам РЛ-сигнала.
Практическая значимость работы. Предложения по использованию результатов диссертационной работы.
В диссертационной работе рассмотрены и объяснены, на осно-ании экспериментальных и теоретических исследований, физические роцессы формирования морской поверхностью радиолокационного ВЧ-сигнала в условиях интенсивного обрушивания морских волн, то ранее в рамках существующих электродинамических моделей юрской поверхности не объяснялось.
Разработанные методики и аппаратура радиолокационного оп-еделения динамических характеристик морской поверхности апро-
У2
ированы в широком диапазоне гидрометеорологических условий -ри скорости ветра до 23 м/с и высоте волн до 10 м. Экономичес-ий эффект от внедрения волноиэмерительной приставки оценива-тся специалистами Госкомгидромет’а в 45 тыс. рублей (исх. ГОИН > 30/167 от 23.01.74 г., № 90/22 от 04.01.77 г. ).
Результаты диссертационной работы могут быть использованы организациях, осуществляющих систематические измерения дина-ических характеристик морской поверхности (институты АН СССР,
Н УССР, Госкомгидромет’а), осуществляющих контроль за состоя-ием природной среды (Госкомгидромет), разрабатывающих морскую адиолокационную, радиоокеанографическую аппаратуру.
Апробация результатов диссертации.
Основные результаты работы доложены на Научной сессии Отде-ения общей физики и астрономии АН СССР (Москва, 1975 г.), на аучно-технических конференциях ИРЭ АН УССР, на 1-ом (Севасто -оль, 1973 г.), 2-ом (Севастополь, 1975 г.) и 5-ом (Москва,1983) оесоюзных семинарах по неконтактным методам измерения океаногра-аческих параметров, на 1-ом съезде Советских океанологов (Моск-а, 1977 г.) на Х1-ой Всесоюзной конференции по распространению адиоволн (Казань, 1975 г.), на III Всесоюзной научно-технической энференции "Технические средства изучения и освоения океана, яеанотехника - 81" (Севастополь, 1981 г.).
По материалам выполненной работы опубликовано II статей, препринта.
Структура и содержание диссертационной работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и шска литературы, включающего 166 наименований, в том числе ) - зарубежных авторов. Основное содержание работы изложено
43
а 146 страницах машинописного текста, работа иллюстрируется 51 исунком и 13 таблицами. Общий объем работы - 219 страниц.
В первой главе работы с учетом характеристик высокочастотных оставляющих волнения рассмотрены основные закономерности рас-еяния радиоволн СВЧ-диапазона взволнованной морской поверхно-тью под малыми углами скольжения ( Ф ^ 10°). Показано, что экс-ериментальные результаты в основном удовлетворительно объяснятся в рамках электродинамической модели "рябь на крупной волне", днако при горизонтальной поляризации зондирующих сигналов в риеме согласованной по поляризации составляющей рассеянного игнала при скорости ветра VI > 3 м*с-^ наблюдаются значительные асхождения теории и эксперимента.
Во второй главе работы рассмотрены методики эксперименталь-ых исследований особенностей формирования РЛ-сигнала взволнован-ой морской поверхностью. Дано описание экспериментальной радио-лзической аппаратуры: широкополосного СВЧ-поляриметра и волно-змерительной приставки к радиолокационным станциям (РЛС). Опи-аны алгоритмы обработки результатов измерений, методика калиб-эвки аппаратуры.
В третьей главе изложены результаты экспериментального ис-педования процесса формирования морской поверхностью РЛ-сигнала условиях значительного волнения. Исследовано рассеяние радио-элн СВЧ-диапазона: гребнями обрушивающихся морских волн; пено-рызговыми потоками прибойной зоны; капельно-брыэговыми облака-л штормового моря.
Предложена модель поверхности, учитывающая поляризационные азличия дифракции СВЧ-радиоволн на заостренных гребнях обруши-ающихся морских волн и в рамках этой модели объяснены "аномаль-эе" увеличение ЭПР поверхности и частот смещения РЛ-сигнала, аблюдаемые при горизонтальной поляризации излучения.
-/4
Четвертая глава работы посвящена исследованию радиолокаци-
нного метода определения динамических характеристик взволнован-
ой морской поверхности. В ней анализируется влияние характери-
гик аппаратуры дистанционного зондирования на достоверность оп-
еделения основных параметров волн энергонесущей части спектра
орского волнения. Рассматриваются: радиолокационное обнаружение
эверхностных проявлений течений, внутренних волн, особенности
0
ценки степени загрязнения морской поверхности нефтепродуктами и ругими поверхностно-активными веществами. Показано, что для центификации "сликовых" областей на морской поверхности необхо-лмо комплексное использование аппаратуры дистанционного зонди-ования, работающей в различных участках спектра электромагнитах волн. Сформулированы основные требования, предъявляемые к кеанологическим РЛС.
В заключении диссертации приведены основные результаты проеденных в работе исследований.
По мере изложения материала диссертации дается необходимый бзор исследований других авторов, и на их фоне представляются обственные результаты, которые в конце каждой главы суммируются кратко излагаются в разделах "Выводы по главе".
Экспериментальный комплекс радиофизической аппаратуры (по-яриметр), применявшийся при выполнении работы разработан совестно с группой сотрудников ИРЭ АН УССР.
В обеспечении экспериментальных работ принимали участие отрудники ИРЭ АН УССР Галаев Ю.М., Курекин A.C., Левантовский .D., Лемента D.A., Пичугин А.П., МГИ АН УССР Большаков A.H., ванчик М.В., Кровотынцев В.А., Терехин D.B. и ГОИН Госкомгид-омета Киреев И.В., Свечников A.B.
Основные результаты выполненной работы изложены ниже.
15
I. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАССЕЯНИЯ РАДИОВОЛН ВЗВОЛНОВАННОЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ, СУЩЕСТВЕННЫЕ ПРИ РАДИОЛОКАЦИОННОМ ОПРЕДЕЛЕНИИ ЕЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
1.1. Основные сведения о морском волнении
1.1.1.Вероятностная структура взволнованной морской поверхности
Взволнованная морская поверхность имеет весьма сложный, из-:еняющийся как во времени, так и в пространстве, характер. Много-бразие внешних факторов, определяющих процессы развития, рас-ространения и затухания морских волн придают морскому волнению татистический, вероятностный характер.
Однако многие основополагающие характеристики волнения с остаточной для практического использования точностью определятся в рамках гидродинамических моделей, рассматривающих регу-ярные волновые движения идеальной ( лишенной трения ) жидкости о свободной поверхностью [75] . Так, в рамках гидродинамической еории установлено, что:
- волнение подчиняется дисперсионному соотношению
= ^92 Ні 96И , ( І.І )
оторое на глубокой воде ( 36 Я » I ) принимает вид
- с^26 ; ( 1.2 )
- существует зависимость периода Т волны и скорости ее аспространения ТУ от длины А , описываемая соотношениями
Т2 = 5ЬГ^'ХА ік зеЯ , ( 1.3 )
^ = у(2г)'£Л-ЬЬэеН ( 1.4 )
16
це ££ — % - волновое число морской волны, ^ - ее круговая астота, - ускорение силы тяжести, Н - глубина моря.
Согласно (1.3; 1.4) для морского волнения в области крупных олн характерны:
- независимость периода волн и скорости их распространения т глубины моря при Н*— ^/а А 0,5 ;
- независимость периода волн и скорости их распространения 1Т длины волны при Н*^ 0,03.
Для мелкомасштабных составляющих волнения (ряби) необходим гчет влияния сил поверхностного натяжения. Фазовая скорость юлн (1.4) в этих условиях определяется соотношением
23Г <рЛ а*Ь)
где оСн - коэффициент поверхностного натяжения, ^ - плотность жидкости. Нетрудно видеть, что при достаточно большой длине волны соотношение (1.5) переходит в (1.4).
Реальная морская поверхность описывается весьма сложной функцией координат и времени, представляемой в рамках линейной спектральной теории [77] совокупностью большого числа элементарных морских волн, одновременно существующих на поверхности и имеющих различные (случайные) амплитуды Я- , волновые числа эе-и (частоты ), направления распространения 0- и случайные начальные фазы , равномерно распределенные на интервале (0...2 Я)
К(хд1)===££я..со5[эе.(хсоз0. + У8сп^)--лФ - X.] Ц.6)
При этом, морская поверхность, как совокупность видимых волн, и морская волна, как геометрический объект, описываются системой величин: высотой К , длиной волны А , периодом Т , длиной
17
’ребней Ьгр* скоростью распространения 2^ и т.д. Статистические )акономерности изменчивости элементов морских волн (в предположении квазистационарности волнения) описываются интегральной
[ дифференциальной р(жх)=~^ функциями распределения.
о
Заметим, что в океанографической литературе интегральные функции распределения называют функциями обеспеченности, а дифференциальные - функциями повторяемости элементов волн.
При описании распределений элементов морских волн наиболее добными являются распределения типа Вейбулла
Ы) -ехр[-ЛР($)Пр] ,
р^х-
ра)^р^ехр[-ЯР(|/Р] ,
де ftp и Пр - параметры функции распределения, зависящие от осо-енностей волнения на различных акваториях.
Распределение периодов Т морских волн, определяемых как [31] нтервал времени между прохождением двух смежных волн ( I.I6 ) врез фиксированную вертикаль, описывается соотношениями (1.7 и .8 ), в которых йр = 0,172 4- 0,655 и пр = 3 f 4 [28 , 34] .
Для морского волнения в области энергонесущих волн харак -ерно различие среднего видимого периода Т и периода Тпах , со-тветствующего частоте jumox главного максимума спектральной лотности в энергетическом спектре волнения. Так, для спектра еймана [ПО] Wp = 1,41. Экспериментальные исследования по-азывают, что отношение Хюк/^ практически не зависит от стадии азвития волнения, однако различие Тта!( иТ несколько меньше, ем это следует из спектра Неймана - 1 та< /Т = 1,25 [77] .
Согласно (1.7) распределение периодов развитого волнения дномодально, однако, при наличии сложных систем волнения функ-ия распределения плотности периодов волнения может быть и мно-
18
-'омодальной [72] .
Другой, не менее важной характеристикой морских волн явля -зтся высота - превышение на волновом профиле вершины волны над зоседней подошвой [31] .
Если функция распределения периодов морских волн в зоне мелководья не трансформируется, .то для функции распределения вы-зот волн характерна зависимость от И* и приН/Н = 0,5 она описы-зается соотношениями (1.7, 1.8), в которых Др = 3? / 4,8 , пр = 4, при Ь/(_1 = 0,1 - соответственно Др = йГ / 4,16, Пр = 2,2.
При описании волнения в отечественной литературе широко ис-юльзуется понятие "высота волн 3% обеспеченности И 3% (в зару -зежной литературе - средняя высота одной трети наиболее высоких золн )". Величины Из2,, Н(/ьи Н , как следует из (1.8), на глубокой воде связаны между собой соотношениями:
Нъ% = 2МЬ и \\ь% = >1.5ЗИ1/5 .
Распределения длин волн и длин их гребней, в предположении допустимости применения соотношений классической гидродинамики (1.1 + 1.4) к отдельным морским волнам, также описываются закономерностью (1.7, 1.8) при (\р = ЯГ / 4 ипр=2 [29] . При этом эбычно считается, что для развитого трехмерного волнения [_,гр зоставляет 2+3 длины волны А
1.1.2. Спектральные характеристики морского волнения
Применение к морскому волнению наглядных методов спектрального анализа предполагает его локальную однородность, стационарность и эргодичность. Строго говоря, морское волнение не является таковым. Однако, в целях упрощения анализа, оно считается однородным и стационарным на расстояниях 5 * 10 км в направлении распространения морских волн (20 + 40 мин при анализе временных реализаций) [34] .
19
Наиболее полную информацию о волнении содержит пространст-энный спектр, определяющий распределение волновой энергии по ча-готам // и направлениям 0 распространения морских волн. Спектр аписывается обычно в координатах {^,0}
представляется в виде функции с разделяющимися переменными
£(^,0) = &<(/*) • ^2(в), (1<9)
де В{(у)= 0) 0.0 - частотный энергетический спектр;
°оо
02(0)= ] - одномерный угловой спектр волнения,
о
веденный в практику океанографических исследований Г.В.Матушев-■ким. Знание явного вида энергетического спектра волнения позво-:яет определять ряд важных характеристик морского волнения:
- среднюю высоту волновых колебаний
Ьг ‘2хб*-§?\ $,С/)4у. ;
О ©о
2
- их дисперсию бг ч?
о
- средний видимый период морских волн
оо <х>
Т = 2пг С 5 5< (^) / 5 3 (у)^20]Д )
%
Л т.д.
1.1.3. Частотный энергетический спектр волнения.
Частотный энергетический спектр морского волнения ди) В настоящее время является наиболее изученным в сравнении с пространственным 0) и угловым ш спектрами. В спектре различают, несколько интервалов, отличающихся факторами, обус-