Троицкая Юлия Игоревна

 
Доктор физико-математических наук
Область научных интересов

Гидрофизика, динамика волн, течений и турбулентности в атмосфере и гидросфере, спутниковые методы исследования водной поверхности.

Образование
  • 1983 – окончила ННГУ им. Н. А. Лобачевского по специальности «радиофизика».
  • 1983–1986 – аспирантура Института прикладной физики АН СССР.
  • 1987 – защита кандидатской диссертации в Институте прикладной физики АН СССР на тему «Кинетические модели взаимодействия волн, течений и турбулентности в океане» по специальности «геофизика».
  • 1998 – защита диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по теме «Диффузионные и радиационные эффекты при нелинейном резонансном взаимодействии волн с потоками» по специальности «радиофизика» в ИПФ РАН.
Педагогическая деятельность

С 1998 г. – настоящее время – профессор факультета Высшая школа общей и прикладной физики в ННГУ им. Н. А. Лобачевского. Читает курсы «Механика сплошных сред» и «Введение в геофизическую гидродинамику» в ННГУ им. Н. А. Лобачевского.

В аспирантуре ИПФ РАН и ННГУ подготовлены 12 кандидатов физико-математических наук.

  1. Резник С.Н. Резонансные эффекты при излучении волн в стратифицированных сдвиговых потоках, 1997
  2. Сергеев Д.А. Лабораторное моделирование течений в толще и на поверхности океана с использованием цифровой велосиметрии, 2006
  3. Ермакова О.С Физическое моделирование взаимодействия нелинейных поверхностных волн с турбулентностью в пограничных слоях атмосферы и океана, 2010
  4. Ежова Е.В. Нестационарная динамика вынужденных плавучих струй в стратифицированной жидкости, 2011
  5. Кандауров А.А. Лабораторное исследование взаимодействия ветра и волн в штормовых условиях, 2014
  6. Байдаков Г.А. Экспериментальное исследование взаимодействия ветрового потока и поверхностных волн на коротких разгонах, 2016
  7. Кузнецова А.М.Численное моделирование поверхностного ветрового волнения на коротких разгонах, 2019
  8. Козлов Д.С. Дробление по типу «парашют» как механизм образования брызг при ураганных ветрах и его роль в процессах обмена между океаном и атмосферой, 2021
  9. Вдовин М.И. Лабораторное моделирование обменных процессов в пограничном турбулентном слое атмосферы над океаном в широком диапазоне условий ветра и волнения, 2022
  10. Гладских Д.С. Исследование термогидродинамических и биогеохимических процессов во внутреннем водоеме на основе модифицированных моделей турбулентного переноса, 2022
  11. Поплавский Е.И. Восстановление параметров атмосферного пограничного слоя в морских штормах с помощью методов дистанционного зондирования, 2024
  12. Русаков Н.С. Исследование поляризационных характеристик рассеяния микроволнового излучения на повехности воды в условиях штормового ветра, 2024
Профессиональная карьера
  • 1987–2003 – научный сотрудник, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН).
  • 2003 г. – настоящее время – заведующая отделом Нелинейных геофизических процессов ИПФ РАН.
Членство в профессиональных организациях
  • Член редколлегии журнала «Известия РАН Физика атмосферы и океана».
  • Член докторских диссертационных Советов в Институте прикладной физики РАН по специальности «физика атмосферы и гидросферы» и в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева по специальности «механика жидкости, газа и плазмы».
  • Член экспертного совета Российского фонда фундаментальных исследований по Наукам о Земле, проводит экспертизы заявок и отчетов проектов в рамках научно-технических программ Министерства Образования и Науки РФ.
  • Аккредитована в Федеральном реестре экспертов научно-технической сферы.
  • Член Европейской академии по отделению наук о Земле и космических исследований.
Награды, премии, гранты
  • 2024 г. - премия им.Л.И.Мандельштама РАН за цикл работ «Пограничные слои атмосферы и океана при экстремальных условиях: физические механизмы взаимодействия и методы диагностики»
  • 2000 г. – грант Президента РФ «Молодые доктора наук».
  • 2008 г. – премия издательства МАИК-Наука за лучшую публикацию года.
  • 1999 г. – грант Президента РФ для молодых докторов наук.
Наиболее значительные работы и результаты

Основные научные результаты!

• выявлен доминирующий механизм генерации брызг при штормовом ветре, дробление по типу "парашют", предложено его теоретическое описание, показано что усиление тепломассообмена между атмосферой и океаном за счет брызг позволяет объяснить быстрое развитие интенсивных штормов.

• создана и верифицирована на основе натурных экспериментов, физического и прямого численного моделирования теоретическая модель и параметризация океанского атмосферного пограничного слоя, применимая при скоростях ветра от умеренных до ураганных. Показано, что ее использование в численной модели волнения позволяет заметно улучшить прогноз высоты и периода волн на малых и средних разгонах.

• предложен и подтвержден в условиях масштабного физического моделирования механизм поверхностных проявлений подводных стоков пресных вод естественного и антропогенного происхождения, обусловленный генерацией внутренних волн плавучими струями.

• на основании спутниковых данных впервые обнаружены и обоснованы проявления волны цунами в радиолокационном изображении водной поверхности.

• разработан новый алгоритм восстановления скорости и касательного турбулентного напряжения ураганного ветра по измерениям рассеяния поверхностью океана микроволнового излучения на ортогональной поляризации.

• предложен и разработан новый адаптивный алгоритм определения уровня воды в прибрежной зоне и внутренних водоемах по данным спутниковой альтиметрии.

• Для проведения лабораторного моделирования взаимодействия атмосферы и океана в широком диапазоне скоростей ветра под руководством Ю.И. Троицкой в ИПФ РАН в 2009 г. был создан высокоскоростной ветроволновой канал с рекордными параметрами https://unu.ipfran.ru/pool.

Ниже представлено развернутое изложение результатов по разделам.

Наиболее значительные публикации с 2017 г.

Yu.I. Troitskaya, A.A. Kandaurov, O.S. Ermakova, D.S. Kozlov, D.A. Sergeev,S.S. Zilitinkevich,: Bag-breakup fragmentation as the dominant mechanism of sea-spray production in high winds Scientific Reports 2017, 7, p. 1614. https://www.nature.com/articles/s41598-017-01673-9

Troitskaya, Y., A. Kandaurov, O. Ermakova, D. Kozlov, D. Sergeev, and S. Zilitinkevich, 2018: The “bag breakup” spume droplet generation mechanism at high winds. Part I. Spray generation function.. J. Phys. Oceanogr., https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0104.1

Troitskaya, Y., O. Druzhinin, D. Kozlov, and S. Zilitinkevich, 2018: The “bag breakup” spume droplet generation mechanism at high winds. Part II. Contribution to momentum and enthalpy transfer.. J. Phys. Oceanogr., , https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0105.1

Druzhinin, O. A., Troitskaya, Y. I., & Zilitinkevich, S. S., 2018: The study of momentum, mass and heat transfer in a droplet‐laden turbulent airflow over a waved water surface by direct numerical simulation. Journal of Geophysical Research: Oceans, 123, 8346– 8365. https://doi.org/10.1029/2018JC014346

Troitskaya, Y., Abramov, V., Baidakov, G., Ermakova, O., Zuikova, E., Sergeev, D., et al. (2018). Cross‐polarization GMF for high wind speed and surface stress retrieval. Journal of Geophysical Research: Oceans, 123. https://doi.org/10.1029/2018JC014090

Troitskaya, Y., D. Sergeev, A. Kandaurov, M. Vdovin, and S. Zilitinkevich, 2019: The Effect of Foam on Waves and the Aerodynamic Roughness of the Water Surface at High Winds. J. Phys. Oceanogr., 49, 959–981, https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0168.1

Troitskaya, Y., Sergeev, D., Vdovin, M., Kandaurov, A., Ermakova, O., & Takagaki, N. 2020: A laboratory study of the effect of surface waves on heat and momentum transfer at high wind speeds. Journal of Geophysical Research: Oceans, 125, e2020JC016276. https://doi.org/10.1029/2020JC016276

Ermakova O.S., D. A. Sergeev, N. S. Rusakov, E. I. Poplavsky, G. N. Balandina and Y. I. Troitskaya, "Toward the GMF for Wind Speed and Surface Stress Retrieval in Hurricanes Based on the Collocated GPS-Dropsonde and Remote Sensing Data," in IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, vol. 13, pp. 4803-4808, 2020, https://ieeexplore.ieee.org/document/9170759

Troitskaya, Y., Kandaurov, A., Ermakova, O., Kozlov, D., Zotova, A., & Sergeev, D. (2022). The Small-Scale Instability of the Air–Water Interface Responsible for the Bag-Breakup Fragmentation, Journal of Physical Oceanography, 52(3), 493-517. https://doi.org/10.1175/JPO-D-21-0192.1

Troitskaya, Y., Druzhinin, O., Gladskikh, D. et al. Simulation of Inertial Droplet Dispersion and the Spray Mediated Fluxes in the Atmospheric Boundary Layer Above Waved Water Surface: A Lagrangian Stochastic Model Versus Direct Numerical Simulation. Boundary-Layer Meteorol 188, 135–158 (2023). https://doi.org/10.1007/s10546-023-00806-0

Troitskaya, Y., A. Kandaurov, A. Zotova, E. V. Korsukova, and D. Sergeev, 2023: Statistical Characteristics of Droplets Formed due to the “Bag Breakup” Fragmentation Event at the Interface between Water and High-Speed Air Flow. J. Phys. Oceanogr., 53, 2331–2352, https://doi.org/10.1175/JPO-D-23-0037.1

Ermakova, O.; Rusakov, N.; Poplavsky, E.; Sergeev, D.; Troitskaya, Y. Friction Velocity and Aerodynamic Drag Coefficient Retrieval from Sentinel-1 IW Cross-Polarization C-SAR Images under Hurricane Conditions. Remote Sens. 2023, 15, 1985. https://doi.org/10.3390/rs15081985

Русаков Н.С., Байдаков Г.А., Троицкая Ю.И. Композитная модель рассеяния радиоволн свч-диапазона на водной поверхности при экстремальных скоростях ветра // Доклады Российской академии наук. Науки о земле, 2023, том 513, № 1, с. 139–145 https://elibrary.ru/download/elibrary_54804971_77980325.pdf

Архив публикаций до 2017 г размещен по ссылке https://old.ipfran.ru/staff/Troitskaia_publ.html

Основные проекты

  1. Air-Sea Interaction under Stormy and Hurricane Conditions: Physical Models and Applications to Remote Sensing” FP7-PEOPLE-2013-IRSES, 2014-2018. , Project No. 612610, руководитель
  2. Взаимодействие атмосферы и гидросферы в морях Балтийского бассейна и Арктики: теоретические, лабораторные и натурные исследования поверхностных волн, сопротивления и тепло/массо-обмена. РФФИ, 2014-2016, руководитель,
  3. Разработка биогидрометеорологической модели озерной части равнинных водохранилищ на основе сопряженных численных моделей (на примере Горьковского водохранилища)." РФФИ, 2015-2017, руководитель
  4. Экспериментальные исследования и теоретические модели механизмов генерации брызг при сильном и ураганном ветре РФФИ, 2016-2018, руководитель
  5. Лабораторные исследования, численное моделирование и параметризация мелкомасштабного перемешивания и волновых процессов в верхнем слое океана и приводном слое атмосферы. РФФИ, 2016-2018, руководитель
  6. Оценка современного гидрологического состояния крупных озер и водохранилищ Восточно-Европейской равнины на основе численного моделирования и новых алгоритмов обработки данных спутникового микроволнового зондирования. РФФИ, 2017-2019, руководитель
  7. Разработка методов оценки и прогнозирования опасных метеорологических явлений в океане на основе инновационных микроволновых технологий и новых физических моделей взаимодействия атмосферы и океана при штормовых условиях, 2015-2016, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» и на (2013-2020), Мероприятие 2.2. «Поддержка исследований в рамках сотрудничества с государствами - членами Европейского союза» (2015-2016), контракт №14.616.21.0059 от 11.11.2015 г.
  8. Лабораторное моделирование сложных явлений в приводном пограничном слое атмосферы, ответственных за процессы турбулентного обмена при штормовых условиях. 2018-2019, руководитель
  9. Физические модели экстремальных морских погодных явлений, обусловленных изменением климата арктической зоны в первой половине XXI века. РФФИ, 2018-2021, руководитель
  10. Первичный морской аэрозоль: механизмы продукции и оценка влияния на климатическую систему и состояние окружающей среды РНФ, 2019-2021, руководитель
  11. Модернизация и развитие крупной уникальной научной установки Комплекс крупномасштабных геофизических стендов (УНУ ККГС) ИПФ РАН ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2013-2020. Мероприятие 3.1.1 "Поддержка и развитие уникальных научных установок", контракт №05.619.21.0011 от 08.11.2019, руководитель
  12. Влияние морских брызг на газообмен между атмосферой и океаном при сильных ветрах, РНФ, 2024-2026. Взаимодействие океана и атмосферы при штормовом ветре: физические механизмы и методы дистанционной диагностики

Развернутое представление результатов.

Морские брызги при сильном ветре: механизмы генерации, статистические свойства и роль в динамике и термодинамике штормов

C помощью скоростной видеосъемки выявлен доминирующий механизм генерации брызг при сильном ветре. Показано, что механизм связан с явлением дробления по типу «парашют», при котором вблизи гребней поверхностных волн на поверхности воды формируются и развиваются объекты, представляющие собой тонкостенные «мембраны», раздуваемые воздушным потоком, которые затем "взрываются" с образованием большого числа брызг. [1,2,4]. Полученный результат меняет современные представления о механизме генерации брызг при шторме. Построена количественная модель этого явления, в рамках которой можно развивать физически обоснованные модели переноса энергии между океаном и атмосферой при штормах, которые требуются для их прогноза. В частности, данное явление позволяет объяснить необычные особенности энергообмена атмосферы и океана при ураганном ветре [3,5].

  1. Yu. Troitskaya, A. Kandaurov, O. Ermakova, D. Kozlov, D. Sergeev, S. Zilitinkevich, 2017: Bag-breakup fragmentation as the dominant mechanism of sea-spray production in high winds Sci. Rep. 7, 1614 https://www.nature.com/articles/s41598-017-01673-9
  2. Ю.И Троицкая, O.С. Ермакова, А.А. Кандауров, Д.М.Козлов, Д. А. Сергеев, С.С. Зилитинкевич. Дробление типа "парашют" - механизм генерации морских брызг при сильных и ураганных ветрах // Доклады академии наук, 2017, том 477, № 2, с. 226–232.
  3. Ю.И Троицкая, O.С. Ермакова, А.А. Кандауров, Д.М.Козлов, Д. А. Сергеев, С.С. Зилитинкевич. Немонотонная зависимость коэффициента сопротивления поверхности океана от скорости ураганного ветра - эффект генерации брызг за счет дробления типа "парашют"// Доклады академии наук, 2017, том 477, № 3, с. 357–362.
  4. Troitskaya, Y., A. Kandaurov, O. Ermakova, D. Kozlov, D. Sergeev, and S. Zilitinkevich, 2018: The “bag breakup” spume droplet generation mechanism at high winds. Part I. Spray generation function.. J. Phys. Oceanogr., https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0104.1
  5. Troitskaya, Y., O. Druzhinin, D. Kozlov, and S. Zilitinkevich, 0: The “bag breakup” spume droplet generation mechanism at high winds. Part II. Contribution to momentum and enthalpy transfer.. J. Phys. Oceanogr., https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0105.1

Построена теоретическая модель инициации дробления по типу «парашют» на границе раздела воды и воздуха - основного механизма генерации брызг при штормовом ветре, объясняющая экспериментально наблюдаемые особенности этого явления [1,2]. Показано, что неустойчивость Кельвина-Гельмгольца в системе вода-воздух под действием сильного ветра приводит к быстрому развитию мелкомасштабных возмущений в приповерхностном слое воды, в котором присутствует ветровое дрейфовое течение. Слабая дисперсия возмущений позволяет описать нелинейный этап их эволюции с помощью уравнения простой волны Римана, модифицированного с учетов возрастания возмущений. Найдено его решение в форме нарастающих волн с укручающимся задним склоном, благоприятной для дробления по типу "парашют". Полученные решения позволяют объяснить наблюдаемые масштабы возмущений и размеры брызг, развивающихся при их дроблении. Модель создает возможность переносить результаты лабораторных экспериментов по изучению характеристик брызг на натурные условия.

  1. Kozlov, D.S., Troitskaya, Y.I. On the Role of the Explosive Interaction of Three Surface Waves at the Initial Stage of Spray Generation in Strong Winds. Izv. Atmos. Ocean. Phys. 57, 180–191 (2021). https://doi.org/10.1134/S0001433821020080
  2. Troitskaya, Y., Kandaurov, A., Ermakova, O., Kozlov, D., Zotova, A., & Sergeev, D. (2022). The Small-Scale Instability of the Air–Water Interface Responsible for the Bag-Breakup Fragmentation, Journal of Physical Oceanography, 52(3), 493-517. https://doi.org/10.1175/JPO-D-21-0192.1

Создана установка для создания и исследования одного изолированного события фрагментации по типу "парашют". Исследованы детали процесса дробления по типу "парашют", которые определяют размер капель. Выявлен ряд отличий от аналогичных событий фрагментации, таких как вторичная фрагментация капель в газовых потоках и разрыв пузырьков. Установлено, что распределение капель по размерам представляет собой сумму трех логнормальных распределений, соответствующих трем механизмам образования капель. Построена функция генерации брызг для лабораторных условий, которая верифицирована путем сравнения с независимыми экспериментальными данными [1]. Показано, что вертикальная скорость инжекции капель при дроблении по типу "парашют" достигает 4-5 u* (u* - динамическая скорость). Эта величина существенно превышает традиционно принимаемую скорость инжекции порядка орбитальной скорости волны [2].

  1. Troitskaya, Y., A. Kandaurov, A. Zotova, E. V. Korsukova, and D. Sergeev, Statistical Characteristics of Droplets Formed due to the “Bag Breakup” Fragmentation Event at the Interface between Water and High-Speed Air Flow.// J. Phys. Oceanogr., 2023, V. 53, P. 2331–2352, https://doi.org/10.1175/JPO-D-23-0037.1.
  2. Sergeev D, Kandaurov A, Vdovin M, Troitskaya Y. Detailed Investigation of the Droplet Dynamics Parameters Produced by Artificially Induced Bag-Breakup Fragmentation // Fluids. 2023. V.8(1). P. 8. https://doi.org/10.3390/fluids8010008.

В лабораторном эксперименте проведены исследования влияния обрушения волн на перенос импульса и тепла в приводном слое атмосферы. По результатам двух независимых серий серии экспериментов: на Ветро-волновом Термостратифицированном Бассейне (ВВТСБ) ИПФ и на ветро-волновом канале университета Киото. Эксперименты показали резкое увеличение коэффициента теплообмена при ветрах более 33–30 35 м / с, аналогичное тому, которое наблюдалось ранее в высокоскоростном ветро-волновом канале университета Киото в условиях неустойчивой температурной стратификации воздушного потока. Совместный анализ данных, полученных в высокоскоростных ветровых каналах ИПФ РАН и университета Киото показал наличие универсальной зависимости коэффициентов обмена и шероховатости температуры от пикового волнового числа спектров поверхностных волн. Результат не зависит от типа температурной стратификации атмосферного пограничного слоя, устойчивого или неустойчивого. Показано, что резкое увеличение коэффициента теплообмена коррелирует с увеличением количества пенных гребней [1,2]. В лабораторном эксперименте изучено влияние пены на сопротивление поверхности океана. Показано, что оно определяется двумя конкурирующими эффектами: собственной шероховатостью пузырьков пены и снижением сопротивления формы волн. Построена композитная модель вихревой вязкости в турбулентном пограничном слое над взволнованной поверхностью частично покрытой пузырьками пены. Использование такой вихревой вязкости в RANS модели позволяет объяснить особенности поведения коэффициента сопротивления, наблюдаемого в лабораторном эксперименте [3].

  1. Troitskaya, Y., Sergeev, D., Vdovin, M., Kandaurov, A., Ermakova, O., & Takagaki, N. (2020). A laboratory study of the effect of surface waves on heat and momentum transfer at high wind speeds. Journal of Geophysical Research: Oceans, 125, e2020JC016276. https://doi.org/10.1029/2020JC016276
  2. Takagaki, N., Suzuki, N., Troitskaya, Y., Tanaka, C., Kandaurov, A., and Vdovin, M.: Effects of current on wind waves in strong winds, Ocean Sci., 16, 1033–1045, https://doi.org/10.5194/os-16-1033-2020, 2020.
  3. Troitskaya, Yu., D. Sergeev, A. Kandaurov, M. Vdovin, S. Zilitinkevich, 2019: The Effect of Foam on Waves and the Aerodynamic Roughness of the Water Surface at High Winds. J. Phys. Oceanogr., 49, 959–981. https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0168.1

Разработан алгоритм прямого численного моделирования двухфазного турбулентного погранслоя над водной поверхностью при числе Рейнольдса 15000 и крутизны волн до 0.2. На базе DNS кода для расчета воздушного потока с большими числами Рейнольдса разработан LES код с применением известных моделей замыкания. Проведены предварительные расчеты турбулентного воздушного погранслоя над взволнованной водной поверхностью с массовой долей капель до 16%. Получены мгновенные и осредненные поля и профили скорости воздуха, концентрации и скоростей капель и их флуктуаций. В DNS двухфазного атмосферного пограничного слоя над взволнованной водной поверхностью получены мгновенные и фазово-осредненные поля и средние профили скорости воздушного потока и концентрации и скоростей капель. Результаты DNS показывают, что динамика капель и их воздействие на воздушный поток контролируются механизмом инжекции капель, их концентрацией и безразмерной скоростью оседания, а также крутизной поверхностных волн [2].

    1. A.Druzhinin , Y. I. Troitskaya, S. S. Zilitinkevich,: The study of droplet-laden turbulent airflow over waved water surface by direct numerical simulation, J. Geophys. Res. Oceans, 2017, 122, https://doi.org/10.1002/ 2016JC012134.
    1. A.Druzhinin, Yu. I. Troitskaya, S.S. Zilitinkevich The study of momentum, mass and heat transfer in a droplet-laden turbulent air-flow over waved water surface by direct numerical simulationю J. Geophys. Res. Oceans. 2018. https://doi.org/10.1029/2018JC014346.

Разработана расширенная стохастическая модель, описывающая движение, теплообмен и испарение капель в атмосферном турбулентном пограничном слое над взволнованной водной поверхностью. Она основана на решении уравнений движения и тепловлагообмена капель воды в турбулентном атмосферном пограничном слое, которые рассматриваются как инерционные частицы сферической формы с переменными радиусом и температурой. Для моделирования турбулентных флуктуаций трех компонент скорости, температуры и влажности использовалась лагранжева стохастическая модель. Свободные параметры модели выбирались на основе сопоставления с результатами прямого численного моделирования динамики и термодинамики инерционных частиц в атмосферном пограничном слое над волнами. Полагалось, что капли брызг инжектируются в поток за счет механизма фрагментации по типу "парашют". При этом учитывалось, что скорость инжекции капли складывается из скорости гребня волны и скорости капель, которую они приобретают в процессе фрагментации. Скорость гребня волны бралась из доступных литературных источников, скорость инжекции при фрагментации определялась экспериментально. С использованием построенной модели была проведена серия численных экспериментов, направленных на установление зависимостей коэффициентов обмена от балковых параметров воздушного потока и волнения: скорости ветра на высоте 10 метров и возраста волнения. На основе полученных зависимостей была построена параметризация коэффициентов обмена по скорости ветра и параметру возраста волнения. [1]

  1. Yu. Troitskaya, O. Druzhinin, D. Gladskikh, O. Ermakova, I. Soustova “Simulation of Inertial Droplet Dispersion and the Spray Mediated Fluxes in the Atmospheric Boundary Layer Above Waved Water Surface: A Lagrangian Stochastic Model Versus Direct Numerical Simulation” // Boundary-Layer Meteorology, 2023, V. 188, P. 135–158. https://doi.org/10.1007/s10546-023-00806-0

Методы дистанционной диагностики приводного пограничного слоя при экстремальных ветрах

На основании экспериментов с использованием радиолокационных, оптических и контактных методов измерений показано, что удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) водной поверхности на ортогональной поляризации линейно зависит от доли поверхности воды, покрытой обрушениями. С использованием полученной зависимости построена композитная модель рассеяния СВЧ-излучения на взволнованной водной поверхности, учитывающая вклад в УЭПР ветрового волнения в рамках приближения «малых уклонов» второго порядка. Модель верифицирована на основе сопоставления с данными лабораторного эксперимента с использованием измеренных спектра волнения и доли поверхности воды, покрытой обрушениями. Показано, что монотонный рост УЭПР при высоких скоростях ветра связан с увеличением площади поверхности, занятой обрушениями, при этом вклад ветрового волнения стремится к насыщению, как на со-осной поляризации. Найденные закономерности могут быть использованы при построении алгоритма восстановления скорости ураганного ветра по дистанционным, в том числе, спутниковым радиолокационным измерениям.

  1. Русаков Н.С., Байдаков Г.А., Троицкая Ю.И. Композитная модель рассеяния радиоволн свч-диапазона на водной поверхности при экстремальных скоростях ветра // Доклады Российской академии наук. Науки о земле, 2023, том 513, № 1, с. 139–145
  2. N.S.Rusakov, G. A. Baidakov, A. A. Kandaurov, Y. I. Troitskaya and O. S. Ermakova Laboratory Modelling of Microwave Signal Scattering by Breaking Surface Waves Under Strong Wind Conditions // IGARSS 2022 - 2022 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Kuala Lumpur, Malaysia, 2022, pp. 6955-6958, doi: 10.1109/IGARSS46834.2022.9883743.
  3. Baydakov, G.A., Rusakov, N.S., Kandaurov, A.A., Sergeev, D.A., Troitskaya, Y.I. Investigation of Wave Breaking by Radar Measurements in the Laboratory Modeling // Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes—2022. PMMEEP 2022. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-25962-3_45

Предложен дистанционный метод восстановления основных динамических параметров приводного пограничного слоя атмосферы (ППСА), скорости приводного ветра, динамической скорости и коэффициента сопротивления, при ураганном ветре, основанный на сопоставлении данных натурных измерений профилей скорости приводного ветра и данных пассивного дистанционного зондирования подстилающей поверхности океана. Определение динамических параметров ППСА основано на установленных автомодельных свойствах вертикальных профилей скорости ветра в планетарном пограничном слое над морем в условиях урагана. При сопоставлении были использованы данные об излучающей способности поверхности, полученные радиометрами со ступенчатым измерением частоты (SFMR), размещенными на самолетах NOAA. Полученные зависимости излучающей способности водной поверхности от скорости приводного ветра и динамической скорости использованы для восстановления параметров пограничного слоя при скоростях ветра более 35 м/с.

  1. O.S.Ermakova, D. A. Sergeev, N. S. Rusakov, E. I. Poplavsky, G. N. Balandina and Y. I. Troitskaya // Toward the GMF for Wind Speed and Surface Stress Retrieval in Hurricanes Based on the Collocated GPS-Dropsonde and Remote Sensing Data // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, vol. 13, pp. 4803-4808, 2020
  2. Yu. Troitskaya, O. Ermakova, N. Rusakov, E. Poplavsky, D. Sergeev, G. Balandina // Towards the GMF for wind speed and surface stress retrieval in hurricanes based on the collocated dropsonde data and cross-polarization SAR images // IGARSS 2019 - 2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 4693-4696, 2019
  3. E.Poplavsky, N. Rusakov, Yu. Troitskaya // On retrieval of the atmospheric boundary layer dynamic parameters based on collocated measurements of the SFMR and NOAA GPS dropwindsondes in hurricane // IGARSS 2021 - 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 7311-7314, 2021
  4. O.Ermakova, N Rusakov, E Poplavsky, D Sergeev, Y Troitskaya Friction Velocity and Aerodynamic Drag Coefficient Retrieval from Sentinel-1 IW Cross-Polarization C-SAR Images under Hurricane Conditions Remote Sensing 15 (8), 1985, 2023

Механизм поверхностных проявлений подводных стоков пресных вод естественного и антропогенного происхождения

В целях развития аэрокосмических дистанционных методов мониторинга подводных систем сброса сточных вод выполнено масштабное лабораторное моделирование процессов, происходящих при истечении пресных сточных вод из коллектора подводной сбросовой системы в стратифицированный океан. Масштабное моделирование, проведенное в большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН, показало, что формирующиеся в этом процессе всплывающие факелы возбуждают интенсивные короткопериодные внутренние волны при взаимодействии с областью скачка плотности (пикноклином). На основании анализа зависимостей амплитуд генерируемых волн от характеристик струйного течения и стратификации, предложен механизм генерации волн, связанный с возбуждением автоколебаний глобально неустойчивой моды при взаимодействии всплывающей струи с пикноклином.

  1. Бондур В.Г., Гребенюк Ю.В., Ежова Е.В., Казаков В.И., Сергеев Д.А., Соустова И.А., Троицкая Ю.И. Поверхностные проявления внутренних волн, излучаемых заглубленной плавучей струей. Часть 1. Механизм генерации внутренних волн., Известия РАН. Физика атмосферы и океана, т.45, №6, 2009
  2. Бондур В.Г., Гребенюк Ю.В., Ежова Е.В., Казаков В.И., Сергеев Д.А., Соустова И.А., Троицкая Ю.И. Поверхностные проявления внутренних волн, излучаемых заглубленной плавучей струей. Часть 2. Структура внутренних волн // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 3. С. 376-389
  3. Бондур В.Г., Гребенюк Ю.В., Ежова Е.В., Казаков В.И., Сергеев Д.А., Соустова И.А., Троицкая Ю.И. Поверхностные проявления внутренних волн, излучаемых заглубленной плавучей струей. Часть 3. Поверхностные проявления внутренних волн // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 4. С. 519-529
  4. Дружинин О.А., Троицкая Ю.И. Автогенерация внутренних волн фонтаном в стратифицированной жидкости // Изв. РАН Механика жидкости и газа. 2010. № 3. С. 147-158
  5. Ежова Е.В., Сергеев Д.А., Кандауров А.А., Троицкая Ю.И. Нестационарная динамика турбулентных осесимметричных струй в стратифицированной жидкости. Часть 1. Экспериментальное исследование // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 4. С. 461.
  6. Ежова Е.В., Троицкая Ю.И. Нестационарная динамика турбулентных осесимметричных струй в стратифицированной жидкости. Часть 2. Механизм возбуждения осесимметричных колебаний затопленной струи // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 5. С. 591.
  7. Druzhinin O.A., Troitskaya Yu. I. Regular and chaotic dynamics of a fountain in a stratified fluid // CHAOS. 2012. V. 22, 023116; doi: 10.1063/1.4704814. 14PP.

Резонансные эффекты при взаимодействии внутренних гравитационных волн со стратифицированными сдвиговыми потоками

  • -теория нелинейного диссипативного критического слоя в стратифицироаннном сдвиговом потоке (число Ричардсона больше ¼)
  • волновое сопротивление препятствий в стратифицированных сдвиговых потоках
  1. Yu.I.Troitskaya Viscous diffusion nonlinear critical layer in a stratified shear flow Journal of Fluid Mechanics, v.233, 1991, p.25-48
  2. S.N.Reznik, Yu.I.Troitskaya Quasi-steady dissipative nonlinear critical layer in a stratified shear flow Phys.Fluids v.8, N12, 1996, p.3313-3328 34
  3. Ю.И.Троицкая Асимптотические модели диффузионных эффектов при нелинейном резонансном взаимодействии волн с потоками Радиофизика, т. 54, N 5-6, 2001, стр. 515-532.
  4. С.Н.Резник, Ю.И.Троицкая Волновое сопротивление локализованной неоднородности дна стратифицированному сдвиговому потоку, имеющему критический слой Известия РАН, ФАО, т.32, N 1, 1996, с. 133-140
  5. С.Н.Резник , Ю.И.Троицкая Квазилинейная модель деформации стратифицированного ветра, меняющего направление над случайно-неоднородной поверхностью . Известия ВУЗов – Радиофизика, т.42, №3, с.255-265, 1999
  6. Резник С.Н. , Ю.И.Троицкая Волновое сопротивление плоского локализованного источника, движущегося в стратифицированном сдвиговом потоке, имеющем критический слой Известия РАН. МЖГ. 1997. N1. c.131-140
  7. Ю.И.Троицкая, А.Л.Фабрикант Резонансное усиление внутренних гравитационных волн в стратифицированном сдвиговом потоке Изв.ВУЗов, Радиофизика, т.32,с.1221-1231, 1990
  8. В.И.Казаков, Д.П.Коротков, Б.В.Серин, В.И.Таланов, Ю.И.Троицкая Автоколебания в стратифицированном сдвиговом потоке Известия РАН ФАО, т.38. №4, с.504-514, 2002

Турбулентные течения

  • применение кинетического уравнения для функции распределения вероятности скорости к описанию турбулентного переноса
  • теория следа в стратифицированной жидкости
  1. Л.А.Островский, Ю.И. Троицкая Модель турбулентного переноса и динамика турбулентности в стратифицированном сдвиговом потоке . Изв.АН СССР, ФАО, 1987, т.23, №10, с,1031-1040
  2. Л.А.Островский, Ю.И. Троицкая Влияние тонкой структуры поля скорости в океане на распространение внутренних волн Изв.АН СССР, ФАО, 1988, т.24, №7, с,753-763
  3. Ю.И. Николаева (Ю.И.Троицкая), Л.Ш.Цимринг Кинетическая модель генерации ветровых волн турбулентным ветром Изв.АН СССР, ФАО, 1986, т.22, №2, с,135-142
  4. Г.Н. Баландина , В. В. Папко, Д. А. Сергеев, Ю.И.Троицкая Эволюция дальнего турбулентного следа за телом, буксируемым в стратифицированной жидкости при больших числах Рейнольдса и Фруда Известия РАН ФАО, т.40. №1, с.118-133, 2004.
  5. Yu. I.Troitskaya, D.A.Sergeev, O.A.Druzhinin, V.V.Papko, G.N.Balandina FA theoretical model of a wake of a body towed in a stratified fluid at large Reynolds and Froude numbers Nonlinear Processes in Geophysics, v.13, p.247-253, 2006.
  6. Сергеев Д.А, Папко В.В., Дружинин О.А. , Троицкая Ю.И. Лабораторное, численное и теоретическое моделирование течения в дальнем следе в стратифицированной жидкости Известия РАН ФАО, т.42. №5, с. 668 -- 680, 2006
  7. Ермакова О.С., Мальков Ю.А., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И. Исследование нелинейных течений, возбуждаемых стоячими поверхностными волнами в жидкости // Изв. РАН ФАО.2009. т.45. № 6, с. 846–853.

Проявления волны цунами в радиолокационном изображении водной поверхности

  1. Yu.I.Troitskaya, S.A. Ermakov, Manifestations of the Indian Ocean tsunami of 2004 in satellite nadir-viewing radar backscatter variations Geophys.Res.Letters (2006), V. 33, LXXXXX, doi:10.1029/2005GL024445, 2006
  2. Ю.И.Троицкая С.А.Ермаков О регистрации цунами 26 декабря 2004 г. в открытом океане по вариациям радиолокационного сечения рассеяния Доклады РАН, т.405, вып.5, 388—392, 2005
  3. Зайцев А.И., Куркин А.А., Левин Б.В., Пелиновский Е.Н., Ялчинер А., Ермаков С.А., Троицкая Ю.И. Моделирование распространения катастрофического цунами (26 декабря 2004 г.) в Индийском океане. Доклады РАН, т. 402, № 3, 388-392