Исследование формирования океанских волн улучшает прогнозирование для защиты побережья от наводнений

Учёные из лаборатории взаимодействия нагона, конструкций и атмосферы (SUSTAIN) им. Альфреда К. Гласселла-младшего при Университете Майами провели первое в своём роде исследование того, как формируются и усиливаются волны в условиях сильного ветра и ураганов. Работа, в которой реконструирован двумерный профиль давления и воздушного потока над волнистой поверхностью, даёт новое понимание роста океанских волн и его последствий для прогноза погоды и устойчивости побережья.

Исследовательская группа одновременно измеряла давление воздуха, воздушный поток и высоту воды в контролируемой среде, фиксируя до 1000 точек данных в секунду. Проанализировав эти данные, учёные изучили, как различные факторы — высота и частота волн, сила ветра — влияют на движение воздуха и перенос импульса между атмосферой и поверхностью океана.

Опираясь на эти высокоточные измерения, исследователи использовали возможности ветроволнового бассейна SUSTAIN, способного моделировать ветра ураганной силы 5-й категории, для реконструкции картин воздушных потоков, которые вызывают рост волн при сильном ветре. Применение термоанемометрии постоянной температуры для фиксации быстрых изменений потока, визуализации скоростей частиц для отслеживания движения воздуха и воды и многолучевой визуализации для картирования структуры волн позволило глубже понять динамическое взаимодействие, формирующее океанские волны.

"Давление ветра действует как топливо для океанских волн — более высокое давление толкает переднюю часть волны, заставляя её расти выше и двигаться быстрее", — сказал Пейсен Тан, ведущий автор исследования и недавний выпускник докторантуры Школы морских, атмосферных и земных наук им. Розенштиля Университета Майами.

Исследователи обнаружили, что традиционные модели (где воздушный поток следует за водой) правильно предсказывают более 90% переноса импульса в воздушном потоке над водой до момента его отрыва. Однако, когда воздушный поток отделяется на подветренной стороне волн, эти модели недооценивают перенос импульса более чем на 30%.

"Это исследование знаменует значительный шаг в понимании переноса импульса на границе воздух-море", — отметил профессор Брайан Хаус, соавтор работы. — Наш экспериментальный подход позволил реконструировать двумерный профиль давления и воздушного потока над волнистыми поверхностями — достижение, которое, насколько нам известно, является прорывом. Эти данные могут помочь усовершенствовать численные модели волн, включив в них эффекты отрыва воздушного потока".