Восстановление спектра ветрового волнения на основе данных натурных волнографических измерений

Разработка новых подходов и методов в изучении и понимании природных явлений, физических процессов и их закономерностей невозможно осуществить без постановки натурных экспериментов, т.к. проведение измерений в лабораторных условиях не могут в полной мере отразить сущность изучаемых процессов или явлений.
Настоящая работа посвящена обработке данных натурных волнографических измерений. Для анализа использованы данные, полученные в рамках международного натурного эксперимента «CAPMOS’07», проведенного на стационарной океанографической платформе ЭО МГИ НАНУ (экспериментальное отделение Морского гидрофизического института Национальной академии наук Украины), расположенной у южного берега Крыма вблизи п. Кацивели. В эксперименте использовался 5-ти струнный волнограф, а анализируемые в работе данные были получены в период с 13 по 21 августа 2007 г.
В ходе работы были рассмотрены вопросы, связанные с калибровкой волнографа, восстановления спектра возвышений взволнованной водной поверхности, дисперсии уклонов крупных волн и переходом от частотного спектра к спектру волновых чисел.
При анализе, экспериментальные данные были разбиты на дискретные последовательности из 1024 отсчетов, что составляет 1 мин. и 42 сек. записи волнения, при частоте дискретизации регистрирующего устройства волнографа, равной 10 Гц. Для восстановления спектра использовался фильтровой алгоритм вычисления сглаженной оценки спектра, основанный на вычислении преобразования Фурье (БПФ) от входной последовательности, возведения результата в квадрат и сглаживание с помощью специальной сглаживающей функции. В ходе работы были восстановлены спектры возвышений взволнованной морской поверхности в интервале [3.54*10-5; 0.018] рад/см. Верхний предел восстанавливаемых значений был ограничен половиной частоты дискретизации, равной 5 Гц или 0.018 рад/см. Переход от частотного спектра к спектру волновых чисел осуществлялся на основе известных дисперсионных соотношений. Кроме того, пространственное расположение струн позволило восстановить значения уклонов и дисперсию уклонов крупных волн с длинами более 10 и 30 см.
Восстановленные спектры возвышений и значения дисперсии уклонов коррелируют со скоростью приповерхностного ветра. Также было произведено сравнение формы восстановленного спектра возвышений с известными в литературе модельными спектрами.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №09-02-00780-а, №11-05-00493-а, №11-05-90407-Укр_ф_а и №11-02-10007-к.