海浪单过程的数值模拟

本文以离散付里叶变换手段数值模拟海浪过程,对海浪单过程的模拟提出三种具体模式,并介绍了模拟的实现方法。以我国1966年提出的海浪谱为靶谱,在DJS—6电子计算机上实现,给出了模拟波面及谱曲线,比较靶谱及模拟谱表明,以m=400个子波叠加进行模拟时,模式及实现方法是满意的。     

基于三阶斯托克斯波的谱估计及海浪数值模拟研究

为了拓宽建立深水非线性海浪频谱模型的研究途径,基于三阶斯托克斯波理论,提出了以改进的三阶斯托克斯波为组成波,以修正的自回归模型(AR)谱估计方法得到的估计谱(简称新谱)为靶谱的非线性海浪模型。通过基于模拟频谱和相位谱反演海浪波面高度时间序列(以下简称海浪时历反演方法)的谱比较方法验证了新谱的优越性,为从根本上解决精确评估海浪谱提供了技术支撑,对于增强未来掌控海战场具有重要意义。     

风浪波高和周期的联合概率密度分布

本文采用有代表性的44008美国国家浮标站2003年1～3月实测的海浪谱密度资料,选取三次大风过程进行风浪谱分析。通过对实测平均海浪谱与PM谱、JONSWAP谱及Torsethaugen谱的比较,得到PM谱拟和最好。然后用国际上最先进的随机波分析方法,根据协方差矩阵的循环嵌套技术,以实测平均谱与PM谱为靶谱,对随机波面进行模拟。得到由模拟波面统计的特征值及估计的谱与实测谱结果极为相近,谱峰及谱峰频率都基本一致。说明利用模拟波面研究海浪具有代表性,它可以反映实测海浪的特征。利用Longuet-Higgins(1983)模型计算波高-周期联合概率密度分布,得到变换高斯过程计算的波高、周期联合分布与实测情况基本相同,更好地描述了波高-周期联合概率密度分布。     

复杂地形下海浪数值模式的特征线计算格式

LAGFD-WAM海浪数值模式是一种第三代海浪数值模式，通过求解波数谱平衡方程，并考虑风输入、波浪破碎耗散、底摩擦耗散、波波非线性相互作用和波流相互作用等源函数，模拟波数空间下的海浪方向谱，并依此获得海浪的波高、周期和平均波向。该模式的一个显著特点是采用特征线嵌入格式求解海浪的传播。在进行浅水区域的海浪模拟时，特征线嵌入格式的数值计算方案是否合理对海浪数值模拟结果产生直接的影响。为此LAGFD-WAM海浪数值模式提出了一种新的特征线混合数值计算格式，并应用于浅水海浪数值模拟。结果表明，采用该计算方法，能够使数值模拟结果与实测结果很好符合。     

FFT在海浪数值模拟中的应用

所谓海浪过程的数值模拟,就是根据预先给定的海浪过程的谱密度模拟出与之对应的海浪过程,然后利用它去研究各种有关的问题.例如,当研究多桩柱石油平台的结构物经受波浪影响时,可以把波浪对结构物的作用问题看作一个随机过程系,用几个点的联合海浪过程模拟来处理.文献[1]中,已给出单过程海浪模拟实现的方法步骤.但是,由于伪随机数的产生及富氏变换的正、余弦函数的运算在电子计英机土所需要的时间,随着离散序列和迭加子波数的增加而急剧增加,从而使模拟波面需要的时间较长.为此我们寻求快速模拟海浪波面过程的方法.本文提出运用FFT算法的快速模拟联合海浪过程的模式,并以单过程为例说明FFT在海浪数值模拟中的应用.     

波浪水槽中随机波的模拟

根据线性系统理论,首先由给定的靶谱模拟海浪信号,再把此信号转换为造波控制输入信号,最后在水槽中指定的截面处产生具有给定靶谱的随机波。这种模拟方法已在青岛海洋大学物理海洋实验室的大型水槽中实现,并取得良好的效果。     

运动坐标系下的海浪数值模拟

以运动坐标系中的海浪谱为靶谱应用静止坐标系中随机波面的模拟方法─—线性叠加法和线性过滤法模拟匀速运动坐标系中的随机波面,给出了两种方法的原理及模拟手续。通过模拟实验发现,在高速运动的坐标系中线性叠加法优于线性过滤法,在低速情形,线性过滤法好于线性叠加法,并在模拟技术上给出了各参数的选取方法。     

由模拟波面分析双峰谱型海浪的统计特征

采用目前国际上最新的随机波分析方法,由协方差矩阵的循环嵌套技术,对美国国家浮标44008站2002年6月一典型的双峰海浪谱资料进行谱分析.以实测平均谱为靶谱,对随机波面进行模拟.得到模拟波面估计谱与实测谱极为相近,谱峰及谱峰频率都基本一致.说明利用模拟波面研究海浪具有代表性,它可以反映实测海浪的特征.利用实测海浪谱密度,统计波特征量的周期概率分布,得到理论周期概率密度与估计周期概率密度分布相符较好,且与模拟波面的波周期分布也较好的一致.利用Longuet-Higgins(1983)模型计算了波高-周期联合概率密度分布.得到变换高斯过程计算的波高与周期联合分布与实测情况基本相同,更好地描述了波高-周期联合概率密度分布.     

运动坐标系下海浪数值模拟

以运动坐标系中的海浪谱为靶谱应用静止坐标系中随机波面的模拟方法－－线性叠架法和线性过滤法模拟均速运动坐标系听随机波面,给出了两种方法的原理及模拟手续。通过模拟实验发现,在高速运动的坐标系中线性叠架法优于线生过滤法,在低速情形,线性过滤法好于线性叠加法,并在模拟技术上给出了各参数的选取方法。     

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。     

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。     

联合海浪过程的随机数值模拟

文中提出了海浪过程随机模拟技术的几种可能应用。对联合海浪过程,提出了三种不同的模拟途径:利用回归模式进行模拟,利用向量值白噪声过程直接输入复线性系统进行模拟,以及用于波叠加模式进行模拟。同时,给出了数字滤波器系数的计算公式。 这三种模拟方式在电子计算机上实现的有关问题以及摸拟实例将在另一文中给出。     

非线性随机波的数值模拟

本文根据作者提出的非线性不规则波四阶近似理论解,首先导出二阶非线性谱和线性谱的关系式,并应用非线性有约束最优化方法建立了从靶谱分解线性谱和二阶非线性谱的数学模式,进而建立非线性随机波数值模拟的数学模型及其快速傅里叶交换算式,从而大大地缩短计算机时。由于采用从靶谱分解出的线性谱,模拟的非线性随机波现实谱和靶谱符合一致。最后通过算例,对模拟的非线性及线性随机波的谱估计及波面统计特性进行初步分析,本方法为浅水不规则波与水流及建筑物相互作用的研究提供随机模拟基础。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-I.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为：纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素（有效波高）和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-Ⅰ.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为:纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素(有效波高)和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

基于选定风浪方向谱的海浪模拟方法(英文)

简要回顾当前第三代海浪模式中的困难。为避开这些困难,作者提出一种新的海浪模拟方法,其中特定定义的风浪组成波依常风下随时间成长的方向谱计算,而涌浪组成波藉考虑涡动黏性和底摩擦加以计算。并进行了常风场和变风场下系统的数值试验。在常风速情形中,模拟结果能精确地化为建立模拟所根据的谱和风浪成长关系。计算显示出台风中心附近浪场的极端复杂的谱结构。当风速骤然降低时,模拟的波高减小与观测符合。在风向逐渐或骤然改变情形下,计算的时间响应尺度与海上观测符合,而且演化中的二维谱结构得到良好刻画。对于涌浪在无风下的传播,模拟结果合理,包括波参量及谱结构的变化。后报得到的波高、周期和海上资料符合。与第三代模式相比,文中提出的方法较易改进,需用的计算机时间显著减少。最后讨论采用一个已知谱来建立谱形式的海浪预报模型的合理性以及有关的问题。     

南海及台湾海峡台风浪的数值计算研究

本文应用ＬＡＧＦＯＦＩＯ的建立第三代海浪模式，采用波数能谱直接模拟海浪谱的方法，进行南海及台湾海峡台风浪的后报和分析计算结果与实测值拟合较好，表明ＦＩＯ－ＳＯＡ方法适用于该海区台风浪的数值计算。     

长江口海域浅水波浪数值模拟的探讨

本文应用中国海洋大学研制开发的“二维浅水海浪谱数值模式”,选择东向入射波进行了口门及航道内较具代表性的5个点的模拟。初步分析了该数值模式在复杂地形、径流等环境条件下的表述性和敏感性,为“二维海浪谱数值模式”在长江口海域的应用做一些探讨性工作。     

有限区域大气-海浪耦合模式的建立及海表粗糙度参数化试验

利用LINUX操作系统下的进程通讯(IPC)技术将中尺度大气模式MM5(V3)与第三代海浪模式WW3进行双向耦合,建立考虑大气-海浪相互作用的风浪耦合模式,在耦合模式中引入3种海表粗糙度参数化方案,通过对一次热带气旋过程的模拟,研究大气-海浪相互作用对热带气旋系统的影响及耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性。结果表明:LINUX系统下的进程通讯技术可以方便有效地实现大气和海浪模式的双向耦合,模式运行稳定;耦合模式能够较好的模拟热带气旋的发展和演变过程及其影响下海浪场的分布和演变,模拟结果对海表粗糙度参数化方案较敏感;海浪的反馈作用同时影响了海气间的动力和热力作用过程,不同的海表粗糙度参数化方案下,海浪对两种作用过程不同的影响程度决定了其对气旋系统强度的影响。     

随机波群的模拟

本文首先对平稳随机过程包络的特性进行理论分析,在此基础上提出一种以给定波面位移谱和波面包络谱两者为靶谱的波群模拟方法。与Funke和Mansard(1980)提出的以波群群因子为靶的波群模拟方法(可能是迄今唯一的方法)相比,本法不仅在概念上比较合理,而且在手续上要简便得多,并能兼顾波群高度和长度两方面特征的模拟。大量模拟实例表明,在一定条件限制下,本方法模拟的结果比较令人满意。