1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Исследование Земли из Космоса
  4. № 3, 2023

Исследование Земли из Космоса, 2023, № 3, стр. 13-26

Особенности регистрации обрушений ветровых волн с беспилотных летательных аппаратов

А. Е. Кориненко a, b, *, В. В. Малиновский a, b, А. А. Кубряков a

a Морской гидрофизический институт РАН
Севастополь, Россия

b Российский государственный гидрометеорологический университет
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: korinenko.alex@mhi-ras.ru

Поступила в редакцию 14.10.2022

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.

Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты, дистанционное зондирование Океана, обрушения гравитационных волн, кинематические характеристики обрушений, доля морской поверхности, покрытая барашковой пеной

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 материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Исследование Земли из Космоса

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал