海洋环境因素对白冠覆盖率的影响及其数值估算

波浪破碎是一个强非线性过程,破碎时产生的大量气泡在海面上表现为白冠,白冠覆盖率是刻画波浪破碎一个重要参数。研究表明,白冠覆盖率与海上风速、海浪状态和大气稳定度等多种海洋环境因素有关。综合前人的观测数据,本文给出了更为可靠的依赖风速的白冠覆盖率公式,发现海水温度越高,白冠覆盖率越大。提出了以波浪破碎耗散函数为参数的白冠覆盖率公式,同时发现波龄小于某个临界值时,白冠覆盖率随波龄增大,波龄大于临界值时,白冠覆盖率保持不变,该临界值随风速增大而减小。     

二维表面波破碎面分形结构

本文利用非线性理论,在各组成波空间特征尺度可分离情况下,推广了Longuet-Higgins(1994)最新结果。并在某些可允许条件范围内,利用n次骑波能量方程,给出了n-1次骑波关于n次骑波扰动失稳条件。由失稳条件及破碎波动力机制,分析了二维表面波破碎面的拓扑结构,并给出了计算该破碎面分形雏数表达式。最后,通过一具体实例,来进一步解释破碎面分形拓扑结构。     

论风生波的正向力、切向力的共振、偶合及涡动耗散综合模式

本文从实际涡动海水的运动方程出发,导出了描述风生波初生阶段成长过程的波面演化方程,讨论了波面正向力、切向力以及涡动粘滞性在这个过程中的作用。第一、二节所导出的波面演化方程表明,海波成长过程类似一振动系统,其外扰动力为加权|k|/ρ的波面正向力场与波面切向力散度场的和,切向力与正向力一样也通过共振和偶合两种方式向海波输入能量。在第三节中给出了关于二维波数谱的解。它表明,在     

分析作用于小桩柱波力的谱方法

确定海浪对海上孤立建筑物作用力的特征是海工设计中应考虑的主要问題之一。 近年来,人们开始用谱方法分析海波力的统计特征。这个问题可归结为求两个高斯平稳过程通过两元非线性过滤器的畸变谱及输出过程的分布。 从这样的提法出发,本文以较一般的形式导出了波力谱与表面谱的关系,并利用厄米多项式的特性,给出了波力分布密度的表达式。它表明,在海波作用下。桩柱所受的力是一准高斯过程,据此可导出一些近似的统计关系。 为了叙述方便,我们的讨论仅限于一维波动情况。     

二维线性进行波的瞬态解

本文解析给出一种理想化了的推板运动所造二维规则波的线性时域解,它描述一个带有波前的二维线性进行波的传播过程。当推板运动时间趋于无穷大时,该解趋于线性稳态解。本文给出的解是二维线性波时域解中最简洁的一个,可为在时域中求解线性绕射和浮体运动响应,提供一个有解析表达式的二维入射波模型。     

侧向开口式波能转换气室性能的一种计算方法

本文提供了一种计算侧向开口式波能转换气室性能的理论方法。在该方法中,导出了气室内空气压力和水面运动速度之间的表达式以及描述气室内水面运动速度的控制方程;气室外的波浪运动采用源汇分布法进行计算。计算结果与实验结果的比较表明,本文所提供的方法是合理的。     

热带东风中经向扰动与纬向扰动的非线性相互作用

根据非线性的动量方程,利用多时间尺度分析方法,探讨由经向扰动与纬向扰动相互作用在热带东风中所造成的一类正压不稳定。分析表明:在零级近似下,给出了两个扰动传播的频率表达式,在一级近似下,得到了两个零级扰动振幅的解析表达式。鉴于方程中散度项的存在,当不同尺度的三个波相作用而发生共振时,仅总动能守恒,而总位拟能不守恒,这一点与无辐散大气的结论不同。两种扰动动能相互转换的机制则是涡度场与散度场的相互作用。     

波群的波向线散开因子方程

本文将既适用于平面筒卡尔直角坐标系又适用于球面坐标系的基本式同文献(16)中的波向线方程结合，导出波群的波向线散开因子方程。由此方程解出的散开因子是波群组成波的波要素的函数。据此因子连同浅水系数和摩擦系数就可求得波群的波动强度或波高沿波向线的变化。在一定条件下，所导得的方程便分别化为形同于相应坐标系中单频率波的。所讨论的波群的折射是唯一地由水深变浅所致的。根据线性势论，得到由波数、波向和频率都彼此稍异的两系正弦波迭加而成的简单波群，海洋中的波群虽较这复杂得多，但两者本质上是相同的。故所提方程可作为计算浅水域中波群的折射系数的模式。     

波控弧形海湾近岸平衡剖面特征分析

应用Ｄｅａｎ，Ｂｏｄｇｅ和Ｌｅｅ近岸平衡剖面模式，对粤东靖海波控弧形海湾两种近岸剖面作了分析对比。结果显示推拟合的Ｄｅａｎ模式与实际剖面偏差明显，由Ｂｏｄｇｅ模式计算的凹度，北剖面小于南剖面，此与沿岩滩面坡度变化趋势一致，由Ｌｅｅ模式拟合的结果导出的波周期与实测值相近。     

三阶Stokes型随机波浪载荷谱研究

应用非线性谱分析理论，对三阶Stokes型随机波浪载荷谱进行了分析，将波面方程及海水质点的水平速度用一阶波面的非线性组表示，导出了随机波浪谱的表达式。为了便于求解随机波浪的载荷谱，将阻力项展开为幂级数式，并应用非线性谱分析理论，确定了幂级数的系数，进而将波浪载荷表示为一阶波面及其导数的非线性组合，最后得出波浪载荷谱密度的表达式，并应用数值分析方法，得出单位桩柱波浪力及总波浪力谱密度。     

随机波浪下斯托克司漂移速度是否引起水面漂移物离散的研究

漂浮于自由水面的污染物的的迁移、扩散会受到天然随机海浪的影响。之前的研究（以Herterich和Hasselmann（1982）为代表）普遍认为,随机波浪作用下的斯托克司漂移速度会引起水面污染物的离散,这个离散甚至有可能跟风和海流引起的离散同一量级。本研究就随机波浪作用下的斯托克司漂移速度是否会引起水面漂移物的离散进行理论和试验探讨。从理论推导可知,随机波浪下的质量输移速度是个定常分量,因此它不会随时间变化而引起水面漂移物的离散。随后我们在实验室水槽中进行了漂移物在随机波浪（P-M谱）作用下的漂移过程的测量。试验结果也印证了随机波浪作用下的斯托克司漂移速度不会引起水面漂移物离散的结论。     

Experimental study of the breaking limit of multi-directional random waves passing over an impermeable submerged breakwater

This study investigates experimentally the breaking wave height of multi-directional random waves passing over an impermeable submerged breakwater. Experiments have been conducted in a three-dimensional wave basin equipped with a multi-directional random wave generator. A special type of wave gauge has been newly devised to record the water surface elevations in the breaker zone as accurately as possible. The records are analyzed to estimate the location and limit of wave breaking. Comparisons have also been made with the results of regular waves. The influence of the incident wave conditions on the breaking wave height normalized by the breakwater dimensions has been investigated. Empirical formulae have been presented to estimate the breaking limit of multi-directional random waves based on the experimental records. The formulae have been tested and found to work well not only for multi-directional random waves, but for regular waves as well.     

An analytically derived whitecap coverage model

Ａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｌｙｄｅｒｉｖｅｄｗｈｉｔｅｃａｐｃｏｖｅｒａｇｅｍｏｄｅｌ￥ＸｕＤｅｌｕｎａｎｄＬｉｕＷｅｎｔｏｎｇ（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＱｉｎｇｄａｏ，Ｑｉｎ...     

The influence of Stokes drift on oil spills: Sanchi oil spill case

Spilled oil floats and travels across the water’s surface under the influence of wind, currents, and wave action. Wave-induced Stokes drift is an important physical process that can affect surface water particles but that is currently absent from oil spill analyses. In this study, two methods are applied to determine the velocity of Stokes drift, the first calculates velocity from the wind-related formula based upon a one-dimensional frequency spectrum, while the second determines velocity directly from the wave model that was based on a two-dimensional spectrum. The experimental results of numerous models indicated that: (1) oil simulations that include the influence of Stokes drift are more accurate than that those do not; (2) for medium and long-term simulations longer than two days or more, Stokes drift is a significant factor that should not be ignored, and its magnitude can reach about 2% of the wind speed; (3) the velocity of Stokes drift is related to the wind but is not linear. Therefore, Stokes drift cannot simply be replaced or substituted by simply increasing the wind drift factor, which can cause errors in oil spill projections; (4) the Stokes drift velocity obtained from the two-dimensional wave spectrum makes the oil spill simulation more accurate.     

Determination of wave energy dissipation factor and numerical simulation of wave height in the surf zone

Based on the time-dependent mild slope equation including the effect of wave energy dissipation, an expression for the energy dissipation factor is derived in conjunction with the wave energy balance equation. The wave height of regular and irregular waves is numerically simulated by use of the parabolic mild slope equation considering the energy dissipation due to wave breaking. Comparison of numerical results with experimental data shows that the expression for the energy dissipation factor is reasonable. The effects of the wave breaking coefficient on the breaking point and the distribution of wave height after breaking are discussed through the study of a specific experimental topography.     

海浪外观统计与内部结构关系的数值研究

基于数值模拟的三维随机海面,从时间域和空间域两个角度对海浪的外观特征和内部结构间的关系进行了研究,得出了一些在工程应用上有参考价值的结果.文章认为,将波面看作是若干随机正弦波叠加的海浪结构模型,用于描述平稳、均匀和窄谱的海况时,其频谱分析结果与外观统计结果基本上是一致的;但是,当海面处于谱宽度较大的风浪或混合浪状态时,一些频谱分析结果必须经过修正才能应用.同一海况下,海面波动的时间过程和沿主波向的空间分布是明显不同的.当海面有突发性大浪时,外频谱能够很好地反映不平稳海况,而频谱则把这种不平稳性平滑了.文章着重讨论了波长和波陡的计算、频谱和外频谱的差异.     

破碎波群间隔统计分布

基于一系列实验室风浪破碎实验,讨论破碎波群间隔的统计分布。实验时风速分别设定在6～9 m/s间几个不同的风速水平,破碎波群间隔定义为两个相继发生破碎的波群中破碎首发时刻之间的时间间隔,破碎依据波面信号和实验者同步记录的破碎标记信号判别,分布拟合检验采用Kolmogorov-Smirnov检验。数据分析结果表明:1)所有实验信号的破碎波群间隔都服从Gamma分布;2)低风速情形的破碎波群间隔大多服从指数分布——Gamma分布的一种特殊情形;3)相同实验条件下的破碎波群间隔具有相同的分布。这意味着破碎波群的发生可以视为一种更新过程。     

高频表面波对定常Ekman流解的影响

基于Jenkins(1989)建立的包含Stokes漂流、风输入和波耗散影响的修正Ekman模型,采用Paskyabi等(2012)使用的推广的Donelan等(1987)中的谱和波耗散函数,并利用Paskyabi等(2012)中修正方法给出的包含高频波的风输入函数,在粘性不依赖于水深及粘性随深度线性变化的条件下,研究了包含高频毛细重力波的随机表面波对Stokes漂流和Song(2009)导出的波浪修正定常Ekman流解的影响。结果表明高频表面波使Stokes漂流在海表面剪切加强,对定常Ekamn流解的影响通常不能忽略,但对Ekman流场的角度偏转影响很小。最后,将考虑高频表面波尾谱影响所估算的定常Ekman流解与已有观测结果以及经典Ekman解进行了比对分析。     

基于拟层流风波生成机制的海浪谱模型

海浪谱的能量可以视为由具有不同相速度的谐波携带的能量所组成。基于对风波形成、发展过程的认识,认为各组成谐波的能量由谐波自平均风摄取而来,由此根据拟层流模型推导出谐波能量密度的计算公式,建立以等效风速和峰值频率等为基本参数的海浪谱模型——随机Fourier函数模型,并给出了确定谐波频率、波长、相速度、振幅以及等效风速等模型参数的原则和计算方法。在59个实测样本谱基础上,采用随机建模方法确定模型参数的取值及其概率分布。结果表明,海浪谱模型可以很好地预测谱能,所计算的物理谱与实测谱均值吻合良好。     

Characteristics of breaking irregular wave forces on a monopile

The substructures of offshore wind turbines are subjected to extreme breaking irregular wave forces. The present study is focused on investigating breaking irregular wave forces on a monopile using a computational fluid dynamics (CFD) based numerical model. The breaking irregular wave forces on a monopile mounted on a slope are investigated with a numerical wave tank. The experimental and numerical irregular free surface elevations are compared in the frequency-domain for the different locations in the vicinity of the cylinder. A numerical analysis is performed for different wave steepness cases to understand the influence of wave steepness on the breaking irregular wave loads. The wave height transformation and energy level evolution during the wave shoaling and wave breaking processes is investigated. The higher-frequency components generated during the wave breaking process are observed to play a significant role in initiating the secondary force peaks. The free surface elevation skewness and spectral bandwidth during the wave transformation process are analysed and an investigation is performed to establish a correlation of these parameters with the breaking irregular wave forces. The role of the horizontal wave-induced water particle velocity at the free surface and free surface pressure in determining the breaking wave loads is highlighted. The higher-frequency components in the velocity and pressure spectrum are observed to be significant in influencing the secondary peaks in the breaking wave force spectrum.