6.3.2. Интерпретация волновых спектров
Анализ энергетических спектров волнения используется для более глубокого понимания серийных экспериментальных данных. Например, пики в спектре являются прямым свидетельством наличия большой энергии в узких частотных полосах вокруг пиков.
Спектры часто показывают такие регулярные черты, как области степенных законов, в которых S(ω) ~ (ω)a. Простой пример того, как вид спектра может быть связан с физикой изучаемого явления, получается при рассмотрении равновесной области спектра поверхностных гравитационных волн.
Большая
часть спектра (рис. 6.3.1), построенного в
логарифмических шкалах, дает резкую
зависимость типа 10-5. Этот
спектральный закон был обнаружен Р.
Филлипсом и может быть объяснен следующим
образом.
Рассмотрим волны достаточно больших длин и периодов, так что капиллярным эффектом можно пренебречь. В равновесных условиях такие волны будут терять энергию главным образом при обрушении с той же скоростью, с какой они получают ее от ветра. Скорость потери энергии при обрушении волн, зависящая только от g (ускорение силы тяжести) и ω (частоты), определяет форму спектра в этом диапазоне частот. Рассматривая S(ω) как спектр возвышений поверхности, видим, что S(ω) должно иметь размерность [L2T]
Здесь α — безразмерная постоянная, S(ω) является единственной комбинацией степеней g и ω с размерностью S(ω), коэффициент (2π)-4 вводится для удобства. В настоящее время наиболее широкое применение нашла аппроксимация частотного спектра ветрового морского волнения, предложенная Давиданом И. В., учитывающая разделение его гравитационной области на три частотных интервала. Она имеет следующий вид:
Параметрами в аппроксимации служат: частота основного спектрального максимума ωmax; верхняя и нижняя границы переходного интервала гравитационной области ωp1, ωn; нулевой момент спектра, усеченного на частоте ω = ωn и величина n. Через ωp2 обозначена верхняя граница равновесной области спектра.
На стадии развития волнения четыре из перечисленных параметров ωn, ωp1, m0(ωn) и n связаны с безразмерной частотой основного спектрального максимума ω̃max = U ωmax/g (U — скорость ветра на высоте 10 м) следующими соотношениями:
Из приведенных соотношений видно, что достаточно знать частоту основного спектрального максимума и скорость ветра, чтобы рассчитать частотный спектр ветровых волн.
Полезны и другие статистические распределения волновых полей. Например, важной статистической характеристикой при регистрации волны является распределение амплитуды смещений в анализируемом волновом поле. Это распределение может характеризоваться вероятностью того, что некоторая заданная волна имеет амплитуду, превышающую определенную величину. Аналогичные вероятностные распределения могут быть построены для волновых наклонов или для течений. Такого рода статистические характеристики имеют общепризнанный интерес в области теории и наблюдения гравитационных поверхностных волн.
7. Тропические циклоны
7.1. Классификация тропических циклонов
Тропическими циклонами называются крупные концентрированные атмосферные вихри (высотой 15–20 км и радиусом ~ 1000 километров) с низким давлением в центре, которые возникают и развиваются над тропическими океанами.
В процессе своего развития тропические циклоны проходят несколько стадий, различающихся по интенсивности и внешним проявлениям.
1. Тропическое возмущение. На космических снимках наблюдаются беспорядочно разбросанные кучевообразные, слоистые и перистые облака. Постепенно количество облаков увеличивается, мощность их возрастает, появляются облачные полосы. Вся облачная система имеет рыхлую неправильную форму, не симметричную по отношению к центру циклона. На синоптических картах наблюдается область пониженного давления с одной замкнутой изобарой, ветер слабый (до 10 м/с).
2. Тропическая депрессия. Постепенно плотность, количество облаков увеличиваются, облачная система приобретает вид «запятой», с выпуклой частью, обращенной к востоку. На картах появляется несколько замкнутых изобар, ветер усиливается до 15–20 м/с.
3. Тропический шторм. Облачная система становится более широкой и упорядоченной, образуется центральный облачный массив. В центре возможно образование «глаза» — темного пятна, прикрытого сверху перистой облачностью. Появляется четкая полоса конвективных облаков в виде витка спирали. Скорость ветра > 20 м/с.
4. Ураганная стадия. Скорость ветра превышает 32 м/с. Облачная система еще более уплотняется и увеличивается по площади. От центрального облачного массива, который становится более симметричным, могут отходить спиральные полосы (одна или несколько) шириной 100–200 км и длиной ~ 900 км. Полосы перистых облаков указывают на растекание воздуха в верхних слоях тропического циклона. Глаз бури в виде черного пятна отчетливо виден на фоне белого облачного массива.
5. Угасание (начало заполнения) циклона на спутниковых снимках обнаруживается по овальной форме облачной системы и по размытости ее границ.
Самые сильные тропические циклоны (ТЦ) в четвертой стадии в разных районах называют по разному. На Дальнем Востоке их называют тайфунами, в Северной Атлантике — ураганами, в Индийском океане — просто циклонами. Есть и менее распространенные названия: вилли-вилли (Австралия); вилли-вау (Океания), багио (Филиппины). Каждый сильный циклон (уже начиная с третьей стадии) получает свое имя. Раньше им давали только женские имена, в последнее время стали появляться и мужские.
Ежегодно образуются около 80 тропических штормов, из которых примерно 50 развиваются в ураганы. Самые интенсивные ураганы и в наибольшем количестве развиваются в конце лета — начале осени, когда поверхность океана максимально прогрета. Ураганы возникают между 22° ю. ш. и 35° с. ш. (за исключением узкой экваториальной полосы 2° ю. ш. – 2° с. ш.), причем их максимальное количество образуется между 10° и 20° широты. Около 75% всех ТЦ происходят в Северном полушарии.
Анализ статистических данных показывает, что основными условиями появления и дальнейшего развития ТЦ, по-видимому, являются:
— наличие большой области океана с достаточно высокой температурой поверхности (Ts > 27°С);
— превышение параметром Кориолиса f = 2ω sin φ некоторого критического значения (этим объясняется отсутствие ТЦ при φ < 2°).
Как показывают данные наблюдений, только эти факторы не являются достаточными для развития ТЦ и требуют целого ряда дополнительных условий, выявление которых составляет одну из основных задач в изучении тропических циклонов.