Особенности регистрации обрушений ветровых волн с беспилотных летательных аппаратов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Приводятся результаты использования беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для исследования процессов обрушения гравитационных волн. Эксперименты проводились в прибрежной зоне западного Крыма (район г. Севастополь) в диапазоне скоростей ветра от 5.5 до 9.5 м/с. Определение геометрических размеров обрушений и скоростей их движения осуществлялось по видеозаписям морской поверхности, полученных с БПЛА. Показано, что пространственное разрешение трансформированного изображения играет ключевую роль при разделения активной фазы обрушения и остаточной пены. При грубом пространственном разрешении возникают ошибки при определении кинематических характеристик барашков. Доля морской поверхности, покрытая пеной обрушающихся волн, отношение максимальной длины барашка к длине обрушивающейся волны, распределение суммарной длины обрушений в интервалах скоростей движения на единице поверхности, полученные с БПЛА при пространственном разрешении лучше 0.5 м, удовлетворительно соответствуют результатам других авторов. Анализ данных показывает, что использование беспилотных летательных аппаратов позволяет исследовать статистические характеристики и кинематику обрушений ветровых волн. В то же время, необходимо учитывать влияние пространственного разрешения в видеокадре, которое при значениях, сопоставимых или превышающих масштаб обрушения может приводить к искажению или пропуску данных измерений.

Об авторах

А. Е. Кориненко

Морской гидрофизический институт РАН; Российский государственный гидрометеорологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: korinenko.alex@mhi-ras.ru
Россия, Севастополь; Россия, Санкт-Петербург

В. В. Малиновский

Морской гидрофизический институт РАН; Российский государственный гидрометеорологический университет

Email: korinenko.alex@mhi-ras.ru
Россия, Севастополь; Россия, Санкт-Петербург

А. А. Кубряков

Морской гидрофизический институт РАН

Email: korinenko.alex@mhi-ras.ru
Россия, Севастополь

Список литературы

  1. Бондур В.Г., Шарков Е.А. Статистические характеристики пенных образований на взволнованной морской поверхности // Океанология. 1982. Т. 22. № 3. С. 372–379.
  2. Бондур В.Г., Шарков Е.А. Статистические характеристики элементов линейной геометрии пенных структур на поверхности моря по данным оптического зондирования // Исслед. Земли из космоса. 1986. № 4. С. 21–31.
  3. Бортковский Р.С. К оценке среднего обмена кислородом и СO2 между океаном и атмосферой в ключевых районах океана // Изв. РАН. ФАО. 2006. Т. 42. № 2. С. 250–257.
  4. Шарков Е.А. Обрушающиеся морские волны: структура, геометрия, электродинамика. M.: Научный мир, 2009. 304 с.
  5. Anguelova M.D., Bettenhausen M.H. Whitecap fraction from satellite measurements: Algorithm description // J. Geophysical Research: Oceans. 2019 V. 124. Iss. 3. P. 1827–1857. https://doi.org/10.1029/2018JC014630
  6. Anguelova M.D., Webster F. Whitecap coverage from satellite measurements: A first step toward modeling the variability of oceanic whitecaps // J. Geophysical Research: Oceans. 2006. V. 111 Iss. C03017. P. 1–23. https://doi.org/10.1029/2005JC003158
  7. Babanin A.V. Breaking of ocean surface waves // Acta Phys. Slovaca. 2009. V. 59. № 4. P. 305–535. https://doi.org/10.2478/v10155-010-0097-5
  8. Bouguet J.Y. Camera Camera calibration toolbox for MATLAB, Computational Vision Group, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA, 2001.
  9. Brouwer R.L., de Schipper M.A., Rynne P.F., Graham F.J., Reniers A.J. H.M., MacMahan J.H. Surfzone Monitoring Using Rotary Wing Unmanned Aerial Vehicles // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2015. V. 32. Iss. 4. P. 855–863. https://doi.org/10.1175/jtech-d-14-00122.1
  10. Brumer S.E., Zappa C.J., Brooks I.M., Tamura H., Brown S.M., Blomquist B.W. Cifuentes-Lorenzen, A. Whitecap coverage dependence on wind and wave statistics as observed during SO GasEx and HiWinGS // J. Physical Oceanography. 2017. V. 47. Iss. 9. P. 2211–2235. https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0005.1
  11. Callaghan A.H., Deane G.B., Stokes M.D., Ward B. Observed variation in the decay time of oceanic whitecap foam // J. Geophysical Research: Oceans. 2012. V. 117. Iss. C9. https://doi.org/10.1029/2012JC008147
  12. Dulov V.A., Korinenko A.E., Kudryavtsev V.N., Malinovsky V.V. Modulation of Wind-Wave Breaking by Long Surface Waves // Remote Sens. 2021. V. 13. № 14. 2825. P. 1–15. https://doi.org/10.3390/rs13142825
  13. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Bol’shakov A.N. A field study of white caps coverage and its modulations by energy containing waves // In Gas Transfer at Water Surface. Geophys. Monogr. / Ed. Donelan M.A., Drennan W.M., Saltzman E.S., Wanninkhof R. AGU: Washington DC. USA, 2002. P. 187–192.
  14. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Sherbak O.G., Grodsky S.A. Observations of Wind Wave Breaking in the Gulf Stream Frontal Zone // Glob. Atmos. Ocean. Syst. 1998. V. 6. № 3. P. 209–242.
  15. Gemmrich J.R., Banner M.L., Garrett C. Spectrally resolved energy dissipation rate and momentum flux of breaking waves // J. Physical Oceanography. 2008. V. 8. Iss. 6. P. 1296–1312. https://doi.org/10.1175/2007JPO3762.1
  16. Holman R.A., Brodie K.L., Spore N.J. Surf Zone Characterization Using a Small Quadcopter: Technical Issues and Procedures // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. Iss. 4. P. 2017–2027. https://doi.org/10.1109/tgrs.2016.2635120
  17. Kleiss J.M., Melville W.K. Observations of wave breaking kinematics in fetch-limited seas // J. Physical Oceanography. 2010. V. 40. Iss. 12. P. 2575–2604. https://doi.org/10.1175/2010JPO4383.1
  18. Kleiss J.M., Melville W.K. The analysis of sea surface imagery for whitecap kinematics // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2011. V. 28. Iss. 2. P. 219–243. https://doi.org/10.1175/2010JTECHO744.1
  19. Klemas V.V. Coastal and environmental remote sensing from unmanned aerial vehicles: An overview. // J. Coastal Research. 2015. V. 31. № 5. P. 1260–1267. https://doi.org/10.2112/JCOASTRES-D-15-00005.1
  20. Korinenko A.E., Malinovsky V.V., Kudryavtsev V.N. Experimental Research of Statistical Characteristics of Wind Wave Breaking // Physical Oceanography. 2018. V. 25. Iss. 6. P. 489–500. https://doi.org/10.22449/1573-160X-2018-6-489-50
  21. Korinenko A.E., Malinovsky V.V., Kudryavtsev V.N., Dulov V.A. Statistical Characteristics of Wave Breakings and their Relation with the Wind Waves’ Energy Dissipation Based on the Field Measurements. // Physical Oceanography. 2020. V. 27. Iss. 5. P. 472–488. https://doi.org/10.22449/1573-160X-2020-5-472-488
  22. Korinenko A.E., Malinovsky V.V., Dulov V.A., Kudryavtsev V.N. Estimation of the “Whitecap” Lifetime of Breaking Wave // Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022. V. 15. № 1. P. 61–72. https://doi.org/10.48612/fpg/5g5t-4mzd-94ab
  23. Kubryakov A.A., Kudryavtsev V.N., Stanichny S.V. Application of Landsat imagery for the investigation of wave breaking // Remote Sens. Environ. 2021. V. 253. P. 112144. https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.112144
  24. Kubryakov A.A., Lishaev P.N., Chepyzhenko A.I., Aleskerova A.A., Kubryakova E.A., Medvedeva A.V., Stanichny S.V. Impact of Submesoscale Eddies on the Transport of Suspended Matter in the Coastal Zone of Crimea Based on Drone, Satellite, and In Situ Measurement Data // Oceanology. 2021. V. 61. № 2. P. 159–172. https://doi.org/10.1134/S0001437021020107
  25. Kudryavtsev V.N, Dulov V.A, Shrira V., Malinovsky V.V. On vertical structure of wind-driven sea surface currents. // J. Phys. Oceanogr. 2008. V. 38. Iss. 10. P. 2121–2144. https://doi.org/10.1175/2008JPO3883.1
  26. Melville W.K., Matusov P. Distribution of breaking waves at the ocean surface // Nature. 2002. V. 417. Iss. 6884. P. 58–63. https://doi.org/10.1038/417058a
  27. Mironov A.S., Dulov V.A. Detection of wave breaking using sea surface video records // Measurement Science and Technology. 2008. V. 19. № 1. 015405. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/1/015405
  28. Monahan E.C., O’Muircheartaigh I.G. Whitecaps and the passive remote sensing of the ocean surface. // Int. J. Remote Sens. 1986. V. 7. Iss. 5. P. 627–642. https://doi.org/10.1080/01431168608954716
  29. Osadchiev A., Barymova A., Sedakov R., Zhiba R., Dbar, R. Spatial structure, short-temporal variability, and dynamical features of small river plumes as observed by aerial drones: Case study of the Kodor and Bzyp river plumes // Remote Sensing. 2020. V. 12. № 18. 3079. P. 1–30 https://doi.org/10.3390/rs12183079
  30. Phillips O.M. Spectral and statistical properties of the equilibrium range in wind-generated gravity waves // J. Fluid Mech. 1985. V. 156. P. 505–531. https://doi.org/10.1017/S0022112085002221
  31. 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 // J. Physical Oceanography. 2001. V. 31. Iss. 2. P. 450–460. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2001)031<0450:HRRRMO>2.0.CO;2
  32. Pivaev P.D., Kudryavtsev V.N., Korinenko A.E., Malinovsky V.V. Field Observations of Breaking of Dominant Surface Waves // Remote Sens. 2021. V. 13. № 16. 3321. https://doi.org/10.3390/rs13163321
  33. Schwendeman M., Thomson J., Gemmrich J.R. Wave breaking dissipation in a young wind sea // J. Physical Oceanography. 2014. V. 44. Iss. 1. P. 104–127. https://doi.org/10.1175/JPO-D-12-0237.1
  34. Sutherland P., Melville W.K. Field measurements and scaling of ocean surface wave-breaking statistics // Geophysical Research Letters. 2013. V. 40. Iss. 12. P. 3074–3079. https://doi.org/10.1002/grl.50584
  35. Sutherland P., Melville W.K. Field Measurements of Surface and Near-Surface Turbulence in the Presence of Breaking Waves // J. Physical Oceanography. 2015. V. 45. Iss. 4. P. 943–965. https://doi.org/10.1175/jpo-d-14-0133.1
  36. Thorpe S.A., Belloul M.B., Hall A.J. Internal waves and whitecaps // Nature. 1987. V. 330. P. 740–742. https://doi.org/10.1038/330740a0
  37. 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. V. 1. № 4. P. 353–384. https://doi.org/10.1016/0278-4343(83)90003-1
  38. Wu L., Rutgersson A., Sahl’ee E. Upper-ocean mixing due to surface gravity waves // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. Iss. 12. P. 8210–8228. https://doi.org/10.1002/2015JC011329
  39. Yurovskaya M., Rascle N., Kudryavtsev V., Chapron B., Marié L., Molemaker J. Wave spectrum retrieval from airborne sunglitter images // Remote sensing of Environment. 2018. V. 217 P. 61–71. https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.07.026
  40. Yurovsky Y.Y., Kubryakov A.A., Plotnikov E.V., Lishaev P.N. Submesoscale Currents from UAV: An Experiment over Small-Scale Eddies in the Coastal Black Sea // Remote Sensing. 2022. V. 14. № 14. 3364. P. 1–18. https://doi.org/10.3390/rs14143364

Дополнительные файлы


© А.Е. Кориненко, В.В. Малиновский, А.А. Кубряков, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».