旋转层化二维海洋中扰动的连续谱临界层分析

讨论了旋转层化二维海洋垂直切变基本流中海洋内部波动扰动连续谱临界层出现的情况和可分性问题.当存在垂直切变基本流时,横波型扰动表现为3类波动:一对重力惯性波和一支涡旋波,这3类波动均存在连续谱和临界层;当扰动波长大于该临界波长的1/2而小于临界波长时,则涡旋波的连续谱与重力惯性波的连续谱两波可发生重叠,但临界层不相重叠.在扰动尺度和地转参数小而基本流切变大的条件下, 扰动波长小于临界波长的1/2时,这3类波动的连续谱会发生重叠,在重叠区会出现涡旋-重力惯性混合波,临界层可能发生重叠.     

海洋内波发展演变数值试验

利用二维非静力数值模式,对海洋跃层中剪切背景流下内波做了线性和非线性模式的数值试验,结果表明:在本文所取的初始场和环境参数下,海洋内波密度扰动大值中心始终出现在密度跃层附近,被跃层所俘获,这与实际观测相一致;线性情况下,流函数扰动中心与密度扰动中心有很好地配合,密度扰动正、负中心附近分别存在流函数扰动的正、负单圈环流中心,且单圈环流垂直贯穿整个水体。线性模式中内波扰动强度在调整适应期后一直呈指数增长发展,剪切背景流是不稳定的;而非线性情况则呈准线性增长发展,以后增长停止而进入稳定期,且后者的增长也比前者要慢;非线性效应抑制了内波增长而使之趋于稳定,具有维稳作用。随着积分时间增加,线性模型中内波波包波形基本不变。波包的负、正振幅大体相同,整个波包宽度也基本不变,仅振幅有所增长;内波波包传播速度与其振幅无关,且传播速度基本不变。非线性情况下内波波包的形状则发生改变,其负、正振幅之比越来越大,波峰前的陡降也越来越强;并且内波传播速度与其振幅和波形有关,通常非线性效应越强,内波传播越慢。从本文中海洋内波的波长、周期和传播速度来看,该内波属于高频内波(短周期内波),性质为内重力惯性波。     

海洋波动的波谱分析和尺度划分

对垂直切变基本流中刚盖海洋的大、中尺度波动作了波谱分析.发现随着基本流切变的增大和扰动波长的减小,涡旋波和重力惯性波的连续谱区会互相靠拢,最后发生重叠,这时已不能区分为快波、慢波;而能否重叠的关键在于临界波长与扰动波长的相对大小;基本流切变越大,扰动波长越短,重叠现象就越严重.这可用作尺度划分的客观标准.当波动尺度大于临界波长时,属大尺度,这时涡旋波和重力惯性波连续谱区互相不重叠,涡旋波是准地转的;当波动尺度小于临界波长而大于临界波长一半时,出现了涡旋波与重力惯性波连续谱区重叠的现象,并出现了涡旋-重力惯性混合波,而涡旋波是非地转的,此时运动属α中尺度.当波动尺度小于临界波长一半时,则已无纯粹的涡旋波,只有涡旋-重力惯性混合波和纯粹的重力惯性波,此时所有的运动均是非平衡的,该运动属β中尺度.采用这一方法划分的尺度标准与通常的标准在量级上相一致.     

赤道海洋Kelvin波对外强迫风场的响应

采用无界理想海洋线性扰动模型,对赤道海洋Kelvin波在纬向风场异常强迫下的响应即强迫赤道海洋Kelvin波的异常做了解析求解,主要结果如下:该强迫赤道海洋Kelvin波的频率、波长和波速都与外强迫风场的相同,在赤道纬向流振幅最大并随纬度增加衰减,该风场越强,该强迫赤道海洋Kelvin波也越强,两者呈正比关系。当该风场频率和范围确定后,则该强迫赤道海洋Kelvin波被限制在一定平均水深范围内;该风场的频率越高、纬向波长越长、随纬度增加衰减越小,则该水深就越大。在所取参数下,该风场异常与该强迫赤道海洋Kelvin波流场异常的位相基本相同。在西风强迫下有东向流,反之亦然;强迫赤道海洋Kelvin波的流场与位势场则完全同位相,东向流对应于正位势,反之亦然,这也是经典Kelvin波的配置。该强迫赤道海洋Kelvin波与经典Kelvin波的不同在于:前者是频散的强迫波动,并被限制在一定水深中;后者是自由波动。将该强迫Kelvin波的解析解与热带印度洋和太平洋的实况以及诊断进行对比后知,两者总体看来一致,实际热带大洋中该强迫赤道海洋Kelvin波应确实存在。     

海浪初始谱误差演变初步分析

为了分析海浪初始场误差对于短期预报的影响,导出了海浪谱能量平衡方程的初始扰动谱线性演化方程,据此分析了数值实践中扰动谱的增长和衰减过程;在特定条件下,将初始扰动谱线性演化方程做了简化,依此考虑扰动谱持续时效问题。分析结果表明,初始谱误差是以指数形式增长或衰减的,即使在衰减情况下。持续时效也至少有1～2d的量级,初始场精度是影响海浪短期预报准确度的一个重要因素。     

二层海洋赤道Kelvin波解析解模态分析

采用赤道β平面近似下的线性化二层海洋扰动方程组,对其中的赤道Kelvin波做解析求解,结果表明:该赤道Kelvin波共有2个模态;两者上、下层流场均为东向纬向流,振幅均在赤道处最大,并都呈经向衰减态势,两者波动均是非频散的,这些都与经典Kelvin波相同。第一模态(前者)的相速要比第二模态(后者)大2个量级,后者相速与海洋流速相近。前者是快波模态,后者是慢波模态。前者周期约为半天,后者约为1季度,并具气候意义。前、后者各层流场向高纬的衰减分别表现为缓慢和迅速,后者呈赤道俘获波形态。两模态各层位势场向高纬的衰减同流场。将后者与实际热带印度洋和太平洋的实况及诊断作对比后知,它们具有一致之处。后者能对实际赤道海洋情况以及ENSO现象做出某种解释。     

分层热带海洋模式中的Rossby波和Kelvin波——初始混合层深度异常与大气热力强迫激发波动

利用一个两层半的热带海洋模式,采用数值实验的方法研究了热带海洋对于初始海洋混合层深度异常和大气季节内时间尺度热力强迫激发产生的Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波。研究表明,初始海洋混合层深度异常和大气热力强迫,可以在两层半热带海洋模式中激发产生东向传播具有Ｋｅｌｖｉｎ波性质的波动和具有Ｒｏｓｓｂｙ波性质的波动。热力强迫激发产生海洋Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波所需时间长于初始海洋混合层深度异常和大气季节内动力强迫激发产生两波所需时间,与大气季节内动力强迫激发的Ｒｏｓｓｂｙ波相比,初始深度异常与大气热力强迫激发产生Ｒｏｓｓｂｙ波具有不同的热力性质。     

西太平洋暖池形成与维持的动力学机制

建立了一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为-β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的CISK机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了平均东风区和西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Kelvin波。海洋模式为一约化重力模式,在一定条件下采用准地转近似,模式海洋中仅保留了Rossby波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现海气耦合并不显著改变大气波动的性质。在中东太平洋的平均东风区,大气的Kelvin波仍然增幅和东传。在平均西风区,大气Kelvin波振幅衰减。但耦合作用却使海洋Rossby波的性质发生变化,且波长超过某一临界波长Le的Rossby波的振幅增长。在平均东风区,结论相论。这一理论说明西太平洋暖池的形成与海洋Rossby波有关。在东太平洋,由于是平均东风区,短的Ross-by波振幅增长,不能形成水平尺度很大的“暖池”。而在平均西风的西太平洋区,有可能形成水平尺度很大的“暖池”。     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

浅海有限面积源的噪声场空间相关特性研究

本文对有限面积噪声源产生的噪声场的空间相关特性作了讨论。分别研究了接收器处于源区域里面和外面的情形。对一浅海典型声速剖面和 Baltic海区的噪声场相关特性及噪声场强度进行了计算 ,并与无限大噪声源平面的噪声场特性作了比较。同时 ,为把连续谱考虑在内 ,引入一虚假深海底 ,用复模式和来近似计算分支割线的贡献。但当接收器远离源区域时 ,连续谱经过在下介质中的长程传播 ,衰减迅速 ,故其对噪声场的贡献可以忽略 ,而仅考虑离散简正波场的贡献。结果发现 ,有限面积源的噪声场结构无论是水平结构 ,还是垂直结构均是不均匀的 ,都依赖于接收场点的绝对位置。这与无限大噪声源平面所形成的噪声场的特性是不一样的     

有界赤道大洋波包解及其年际年代际变率

Linearized shallow water perturbation equations with approximation in an equatorial β plane are used to obtain the analytical solution of wave packet anomalies in the upper bounded equatorial ocean. The main results are as follows. The wave packet is a superposition of eastward travelling Kelvin waves and westward travelling Rossby waves with the slowest speed, and satisfies the boundary conditions of eastern and western coasts, respectively.The decay coefficient of this solution to the north and south sides of the equator is inversely proportional only to the phase velocity of Kelvin waves in the upper water. The oscillation frequency of the wave packet, which is also the natural frequency of the ocean, is proportional to its mode number and the phase velocity of Kelvin waves and is inversely proportional to the length of the equatorial ocean in the east-west direction. The flow anomalies of the wave packet of Mode 1 most of the time appear as zonal flows with the same direction. They reach the maximum at the center of the equatorial ocean and decay rapidly away from the equator, manifested as equatorially trapped waves. The flow anomalies of the wave packet of Mode 2 appear as the zonal flows with the same direction most of the time in half of the ocean, and are always 0 at the center of the entire ocean which indicates stagnation, while decaying away from the equator with the same speed as that of Mode 1. The spatial structure and oscillation period of the wave packet solution of Mode 1 and Mode 2 are consistent with the changing periods of the surface spatial field and time coefficient of the first and second modes of complex empirical orthogonal function(EOF)analysis of flow anomalies in the actual equatorial ocean. This indicates that the solution does exist in the real ocean, and that El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) and Indian Ocean dipole(IOD) are both related to Mode 2.After considering the Indonesian throughflow, we can obtain the length of bounded equatorial ocean by taking the sum of that of the tropical Indian Ocean and the tropical Pacific Ocean, thus this wave packet can also explain the decadal variability(about 20 a) of the equatorial Pacific and Indian Oceans.     

运动物体生成内波的一类非线性谱方程组

本文给出了由运动物体所生成内波的基本方程组和对应的谱方程组。该方程组的线性部分是一具有体积源 (其下简称为体源 )的 Sturm- Liouville本征值问题 ,而它的非线性部分是由体源与线性波场相互作用的谱表示。在这类强迫方程的源项中包含了 10类内波谱 ,这些谱最终均可利用内波的振幅谱表示。本文给出了线性波场波要素的谱表示和运动物体生成内波的非线性谱方程可解性的讨论。为了检验所得到的谱方程组 ,文中又进行了该谱方程组线性部分的数值计算。     

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。     

Analysis of energy characteristics in the process of freak wave generation

The energy characteristics in the evolution of the wave train are investigated to understand the inherent cause of the freak wave generation. The Morlet wavelet spectrum method is employed to analyze the numerical, laboratory and field evolution data of this generation process. Their energy distributions and variations are discussed with consideration of corresponding surface elevations. Through comparing the energy characteristics of three cases, it is shown that the freak wave generation depends not only on the continuous transfer of wave train energy to a certain region where finally the maximum energy occurs, but also on the distinct shift of the converged energy to high-frequency components in a very short time. And the typical energy characteristics of freak waves are also given.     

岸式振荡水柱波能装置的波浪载荷及保护措施探讨

本文对振荡水柱波能装置的水柱做了时域计算，研究了内水柱在气室处于封闭状态、有阻尼状态和无阻尼状态下的动力响应。得出了相应的波浪载荷，并对波能装置的几种保护措施作了探讨。数值结果表明，带有阻尼的气室不能有效地阻止内水柱的运动，将使结构承受危险载荷的打击；全封闭的气室能有效地阻止内水柱的运动，但可能使气室里产生高压；收缩口与破浪锥联合作用，可以消耗水柱的动能，大大地减少载荷，是一种有前途的保护措施。     

斋堂岛东南海域波浪特征及海浪谱分析

利用斋堂岛东南海域2013年至2014年的实测波浪资料,统计分析了本海域波浪特征,为波浪能资源评估提供基本波浪参数。统计结果表明,本海域年平均有效波高为0.60 m,最大波高为5.30 m,平均周期为3.3 s,最大周期为8.3 s,常浪向为E-SE向。本文亦讨论了本海域波高分布和波高与周期的关系,并基于JONSWAP谱谱型的基本结构,拟合得到适用于本海域的海浪谱谱型,可为海洋能发电装置的布设及相应的工程建设提供一定的参考。     

海浪方向谱的现场观测与分析

方向谱是海浪的基本性质之一。本文在国内首次采用测波仪阵列法在渤海采油平台上成功地观测到海浪方向谱，给出了当地随波浪成长而变化的方向谱表达式。观测前采用数模和模型试验方法，对阵列的布置型式、测波仪间距和平台等对观测结果的影响，以及现有各种方向谱分析方法的精度等进行了对比分析，为提高观测精度，保证方向谱分析的质量提供了依据。     

Observations and Estimations of Directional Spectrum of Sea Waves

The directional spectrum is one of the basic characteristics of sea waves. The observations of directional spectrum of sea waves were successfully conducted at platform Bohai 8 during 1991 and 1992 using a wave gage array for the first time in China. Based on the field data, the directional spectrum which depends on the wave growth is given in this paper. Before observations, the effects of the type of gage array, the distance between the gages and the platform itself on the measured results and the precision of some methods for estimating the directional spectrum were investigated and compared with the methods of numerical simulations and model tests of multi-direcitonal irregular waves. This ensures the quality of the observations and estimations of the directional spectrum.     

Statistics of Wave Crest Characteristics

The statistical distribution of wave crest characteristics such as crest length, crest height, joint crest height and length are analyzed based on numerical simulation of 3-D random waves. The effects of directional functions and wave crest defining methods on crest characteristics are also studied.The results show that wave crests are no longer uniform and continuous in directional wave field; the distribution of crest length is obviously influenced by the directional function; the statistics of crest characteristics obtained by the two different methods are almost the same.     

基于多传感器融合的波浪谱数据获取与传输方法研究

波浪谱分析是研究随机波浪、构建波浪模型、计算海浪要素的主要方法,也是海洋工程设计、波浪能应用研究等的重要依据。目前对于现场波浪数据的获取仅局限于波浪特征参数和部分频段数据,为了获取准确有效的波浪谱信息,提出微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)测波传感器相结合的波浪谱数据获取方法以及利用北斗短报文数据传输的通信方式。综合考虑波浪谱数据特点和北斗短报文通信能力,波浪谱数据选用半精度数据类型编码并设计了相应的数据传输格式。现场海试结果表明该方法对于全波谱数据计算和传输较为准确,有效波高、峰值周期、平均波向和方向扩展的准确率相比于单独GPS传感器计算结果分别提升了12.5%(0.1m)、5%(0.2s)、8%(13°)和13%(8°),为海浪观测资料获取提供了新方法和新思路,可以进一步满足海洋多要素研究和对完整频谱分析的实际应用需求。