南海深水区双峰型海浪谱特征研究

基于南海深水区波浪实测资料,对双峰型海浪谱的演化过程进行了分析,并对双峰型海浪的波高、波向、谱峰周期、出现时间和常用双峰谱模型的适用性等方面进行了研究。结果表明,双峰型海浪出现时波高普遍小于2m,其涌浪部分谱峰周期约11.37s;Ochi-Hubble谱在南海的适用性较好。研究成果可为南海深水区油气资源的开发、设计提供参考。     

南海中部的单峰海浪谱

海浪谱是描述海浪现象的主要手段之一。通过对实测谱的研究,分析海浪的生成机制及发展、消衰过程,揭示海浪内部结构和对外表现的统计特征之间的关系。这对于海洋环境研究、海浪预报及海洋工程设计都是很有意义的。过去,由于观测资料所限,对南海中部的海浪谱研究甚少。为此,我们利用1983年9月至1985年1月间南海中部四个航次的120份海浪连续记录进行波谱分析。通过无因次化手段,拟合出一个以平均波高H和平均周期T为参量的单峰海浪谱。拟合谱的形式为幂指函数。经与本海区及南海北部海区的实测谱比较表明,本文的拟合谱在南海具有一定的代表性。     

基于ERA-Interim资料近37年南海波浪时空特征分析

基于ECMWF的ERA-interim37a的风场及海浪场再分析资料,探讨了南海海域波浪的时空分布特征,主要分析了波浪场和风场的空间分布、季节特征以及4个海域(南沙、西沙、中沙、东沙)波高与周期的联合分布以及南海波高的长期变化趋势。结果表明:南海海域的有效波高大值区呈东北-西南走向,且具有明显季节性变化特征,波高与风速以及波向与风向整体相关性较好;有效波高和波周期有良好的对应关系,不同区域波高与周期联合分布相近。1979—2015年期间,南海大部分海域的有效波高呈逐年递增趋势,其量值约为0.2~0.8 cm/yr。本文的研究成果,对南海远洋运输、海洋工程设计、岛礁建设及海洋能开发与利用等有着重要的参考价值。     

WAVEWATCH Ⅲ和SWAN模式在南海北部海域海浪模拟结果的对比分析

基于1987年9月到1988年8月期间南海北部的一个浮标资料,首先分析了美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的再分析风场在南海北部海域的适用性,结果表明NCEP/NCAR再分析风场在一定程度上与浮标观测结果相一致。然后利用NCEP/NCAR再分析风场作为海浪模式输入场,评估了WAVEWATCHⅢ(WW3)和Simulating Waves Nearshore(SWAN)这2个海浪模式在南海北部海域模拟海浪的能力,结果表明在季风和季风转换期间,WW3模式和SWAN模式对有效波高的模拟能力几乎一致。在季风期间,WW3模式对平均波周期的模拟能力优于SWAN模式;而在季风转换时期,SWAN模式模拟平均波周期的能力较好。此外,还利用WW3模拟结果分析了南海北部海域海浪的空间分布特征,分析结果表明有效波高受季风影响呈显著的季节变化,平均波周期呈现相对显著的半年变化。     

海浪的条件特征周期

在海浪波面高度为正态分布的假定下,导出一种以给定波高为条件的条件周期概率密度函数.与风浪槽中测量数据比较,结果表明,在窄谱情况下此概率密度函数与实验室风浪的实际符合良好.根据此密度函数定义了3种条件特征周期,并导出它们与平均周期的关系式.根据这些关系对有关海洋工程上的一些问题作了解释和讨论.     

南海海浪场与厄尔尼诺的相关性分析

利用来自ECMWF具有较高时空分辨率的近45年ERA-40海表风场资料和将风浪、涌浪分离的ERA-40海浪再分析资料,分析了南海海表风场、海浪场与厄尔尼诺的相关性.研究发现:(1)南海的海表风场、海浪场与nin03指数有着密切的关系,其中涌浪、混合浪与nin03指数的相关性好于风浪;7月和10月海浪场与nin03指数的相关性好于1月和4月,其中4月相关性为全年最低.(2)南海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场第一模态空间分布均呈现东北-西南走向的高值区分布,风浪场与海表风场具有较好的对应关系,而混合浪场则更多的是包含了涌浪的信息.(3)南海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场存在3-3.75年的共同周期.南海的海表风场、风浪场与nin03指数存在的3.3年左右、5年左右的共同周期,涌浪场、混合浪场与nin03指数存在的3-4年左右的共同周期.     

关于海浪的波高与周期及其概率分布的计算

研究实际海浪的波高与周期的概率分布在海洋工程建设中是十分重要的。已建立的有关它们的理论分布对分析海浪的特性虽然有很重要的作用,但往往理论分布与实际分布不完全相符;特别在工程上,实测海浪的统计特性仍是海洋工程设计中必不可少的基本依据。     

Betty(8710)台风过程风、浪数值模拟

本文利用LACFD-WIN动力风场模式和LACFD-NWM第三代海浪模式对南海Betty(8710)台风过程进行了数值后报,取得了较为理想的结果,验证了上述风、浪模式的先进性和对强海况过程数值模拟的可靠性,同时提出了改进波浪模式中风输入源函数,引入阵风因子和波龄因子的设想。为南海区域性海洋学研究奠定了初步基础,也为海洋工程设计提供了技术保障。     

南海北部台风海浪谱的双峰性和成长性

本论文通过对南海北部三次台风过境期间基于浮标观测的海浪谱进行分析，发现虽然大部分成熟的台风海浪谱为单峰结构，但实际上在台风海浪的成长和衰减阶段，双峰谱占据了很大的比例。双峰谱的形成主要是由于风浪和涌浪的叠加以及不同波分量之间的非线性相互作用，我们可以通过能量密度的成长率对谱型变化进行高效的预报。此外，台风海浪的主要波向依赖于台风中心相对观测点的位置，而波向的分散情况在相距台风中心较远的区域无明显规律。本文提出了一个新的六参数波浪谱型拟合双峰谱，其拟合效果相较于前人的谱型更好。通过验证，形状参数和谱宽度之间的理论关系依然适用于单个谱峰。通过分析谱参量的变化特征，证明了谱参量不仅与台风强度和台风路径相关，还存在很强的交互相关。最后通过拟合海浪谱数据，本文得到了台风影响下海浪有效波高和有效周期之间的成长关系，这对海洋工程实际应用具有重要意义。     

TOPEX高度计数据反演北太平洋海浪周期

利用TOPEX高度计和NDBC浮标同步观测数据,对7种高度计海浪周期反演模型进行了系统的比较分析,从反演模式的精度、反演周期整体分布、周期-波高的联合分布等方面对反演模型做出了评价,并根据墨西哥湾和夏威夷海域反演结果对模型的区域适应性进行了验证,结合Hasselmann风浪充分成长关系分析了不同海浪成分下模型的反演效果。分析发现,Mackay等于2008年提出的算法(简称M08)相对于其他算法精度最高,且在不同海域和不同海浪成分下精度没有明显差异。利用M08算法反演了北太平洋海域的海浪平均周期分布,讨论其空间分布特征和季节变化特征如下:北太平洋海域的平均周期在墨西哥湾、西里伯斯海等沿岸地区较小,在西风带海域为较大,并存在明显的地形、纬度差异和季节性变化特征。     

基于非对称Archimedean Copula的三变量风浪重现水平分析

采用非对称Archimedean Copula函数与Kendall分布函数分析极端波况下的波高、周期和风速三变量联合概率分布与风险率及其设计分位数,为海岸海洋工程设计和风险评估提供参考依据。以粤东汕尾海域的实测风浪数据为例,使用非对称Gumbel-Hougaard Copula函数计算三变量风浪联合分布的"或"重现期、"且"重现期和二次重现期及其最可能的风浪设计值。主要结论如下:对比不同设计风浪重现期显示,"或"重现期的风险率偏高,"且"重现期的风险率偏低,二次重现期更准确地反映了特定设计频率情况下三变量风浪的风险率;按目前有关规范设计要求的单变量风浪要素设计值已经达到安全标准,按三变量"或"重现期和三变量同频率设计值推算的风浪设计值偏高,以最大可能概率推算的三变量风浪要素的二次重现期设计值可为相关工程安全与风险管理提供新的选择。     

波高周期联合分布四种重现水平对比分析*

基于Gumbel-Hougaard copula、Kendall和生存Kendall函数对比分析波高和周期联合分布的4种重现水平。以位于北卡罗来纳州Duck的美国陆军工程师团FRF (Field Research Facility)实验场观测的波高与周期样本为例, 计算二者联合分布的“或”重现期、“且”重现期、Kendall重现期和生存Kendall重现期及其联合设计值。主要结论如下: 对比设定重现期, 相对于“或”联合重现期, Kendall重现期可更准确地反映波高周期联合分布的风险率; 相对于“且”联合重现期, 生存Kendall重现期可更准确地反映波高周期同时超值情况下的风险率。按目前有关规范设计要求的单变量波高设计值基本达到设计标准, 按两变量“或”重现期和波高周期两变量同频率设计值推算的设计值偏高, 以最大可能概率推算的两变量的Kendall重现期和生存Kendall重现期设计值可为海岸海洋工程安全与风险管理提供新的选择。     

推算波浪多年一遇波高的新方法

采用卫星遥感推算多年一遇波高的新方法，对中国近海多年一遇波高进行推算研究。运用卫星遥感散射计得到的风资料推算了整个渤海区域波浪多年一遇的波高分布。通过与有实测资料4个点推算的结果比较表明：卫星资料和实测计算的误差随着重现期的增大而减小，最大误差百年和50年一遇波高为20cm；而百年和50年一遇波高正是工程中最为关心的，说明运用卫星遥感散射计风资料推算渤海多年一遇波高可行且结果合理。本研究方法为进一步运用和完善卫星遥感资料推算中国近海多年一波高场提供了一条新途径。     

基于危险率分析的风浪联合重现期研究

采用二维逻辑冈贝尔分布,基于工程使用期和危险率,提出海洋工程结构设计过程中海洋环境要素(风速和波高)联合重现期的确定方法,并且以某海区资料为例,介绍基于危险率分析的风浪联合重现期分析过程.通过此例,在考虑工程使用期和危险率的基础上进行联合重现期的计算使海洋工程结构物设计过程中重现期的选取更加合理,安全性以及投资建造成本更加明确.     

由模拟波面统计分析波高－周期联合分布

阐述以实测或拟合海浪谱为靶谱，用等能量分割法作波面数值模拟，从而利用模拟波面统计分析波高（Ｈ）－周期（Ｔ）联合分布。对波候的Ｈ－Ｔ联合分布、长时段海浪连续记录的Ｈ－Ｔ联合分布以及风浪、涌浪和混合浪的Ｈ－Ｔ联合分布进行了讨论。结果表明，只要已知特征波高和周期，就可反演出模拟波面，进而估测Ｈ－Ｔ联合分布情况，这对了解与各种特征波高对应的周期问题及在海洋工程应用上有一定的参考意义。     

极值波高与历时联合分布的重现水平分析

使用美国北卡罗来纳州的 FRF 1985—2016 年的极值波高及其持续时间数据，采用最优的 Gumbel-Hougaard copula函数和 Kendall 分布函数构建极值波高和相应历时不同组合的联合概率分布模式，分析各个组合的遭遇概率、“或”重现期、“且”重现期和 Kendall 重现期，以出现最大可能概率的方法推算各组合联合设计值。结果表明：Kendall 重现期所对应的累积频率更准确地代表了特定设计频率下的风险率；重现期分别为 5 年、10 年、20 年、50 年、100 年、200 年推算的 Kendall重现期设计值介于“或”重现期和“且”重现期设计值之间，小于相应的边缘分布设计值；基于 Kendall 重现期的极值波高及其持续时间不同重现期组合推算的结果可为海洋工程构筑物设计与风险管理提供新的选择与参考。     

北部湾乌雷站台风浪、风暴增水数值结果的联合概率分析

对1949?2002年北部湾乌雷站台风浪和风暴增水的数值模拟结果进行分析,得出54a的台风浪和风暴增水的极值序列,作出二者联合概率分布图,其分布近似于指数分布,进而运用GUMBELⅡ联合概率分布函数对其拟合,在找出联合概率分布函数过程中分析得出了台风浪和风暴增水不同重现期的单要素极值和联合分布要素极值及相应概率(具体给出),其结果对海洋工程设计有一定的参考价值。     

渤海和黄海北部波高与周期联合分析

分析波高与周期的联合分布特征对于海洋平台设计、海洋工程建筑等有着重要的意义。基于SWAN模型模拟的波浪后报数据对渤海和黄海北部1999~2018年的波浪特征进行了统计分析。分别对20年的波高和周期数据进行了统计分析,得到了研究区域20年有效波高和波周期的季平均值和最大值的区域分布特征。然后以散布图的形式刻画了整个区域20年波高和周期的联合分布特征。为了更深入地研究波高和周期的联合分布规律,选择了两个研究点A1和A2,A1在渤海内部相对近岸,A2在黄海北部深海区。统计结果表明,在A1和A2,波高与周期的联合分布特征较为相似,均呈现斜三角形的分布特征,然而大波高大周期的波浪却呈现不同的分布特征。最后,利用20年的波浪后报数据,在A1和A2点构建了有效波高和谱峰周期的联合概率模型,并采用IFORM法得到了50年、100年和200年重现周期的环境等值线,为研究海域海上结构物的可靠性设计提供了参考。     

中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究

在印度洋、大西洋沿岸,海岸工程设计波浪周期多在14 s以上,具有显著的中长周期波特征。通过以往工程项目的试验结果发现中长周期波下,规范计算的斜坡堤胸墙波浪力明显小于试验结果。因此,通过系列物理模型试验研究了中长周期波下的斜坡堤胸墙波浪力。分析斜坡坡度、肩台宽度和波浪条件对胸墙波浪力的影响。通过将试验结果与我国现有规范中的经验公式计算所得结果进行对比,发现规范更适用于胸墙底淹没的情况,而对于肩台出水情况,规范计算结果小于试验结果。由此提出了一种新的波浪力计算方法,计算准确度得到明显提高。