利用波浪频谱数值模拟畸形波的方法探究

畸形波是一种特殊的波浪,它的波高极高,波峰尖瘦,能量很集中[1].图1是一个比较典型的畸形波[1],这个波列的有效波高是5.65 m,而其中的畸形波波高是有效波高的3.19倍,达到了18.04 m,波峰的高度是13.90 m,波的周期是9.8 s,畸形程度很大.最有名的畸形波是图2给出的1995-01-01-15:20在北海Draupner石油平台记录的波高25.6m的“新年波”,1 200 s长的观测记录显示当时的有效波高是11.92 m,波峰的高度达到18.4 m.由水深70 m,畸形波的特征周期12 s,根据线性色散关系得出波长为220 m.     

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.     

珊瑚礁礁坪宽度对波浪传播变形及增水影响的实验研究

通过在波浪水槽中进行一系列物理模型实验, 研究珊瑚礁礁坪宽度变化对珊瑚礁海岸附近波浪传播变形及礁坪上波浪增水的影响。物理实验采用理想化的珊瑚礁模型, 测试了3种礁坪宽度下的一系列不规则波工况。实验结果分析表明: 波浪沿礁传播过程中, 短波持续衰减; 低频长波波高沿礁逐渐增大, 直到海岸线附近达到最大; 随着礁坪宽度的增加, 海岸线附近的短波波高呈下降趋势, 低频长波波高的变化规律不显著; 礁坪上的波浪增水受礁坪宽度变化的影响不明显; 通过对海岸线附近的波浪进行频谱分析发现, 礁坪上低频长波的运动存在着一阶共振模式, 且共振放大效应强度受礁坪水深、入射波峰周期和礁坪宽度共同影响。     

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.     

海洋内重力惯性波不稳定模态分析

基于海洋动力方程的内重力惯性波数学模型给出其数值求解方法,并对沿垂直切变背景流传播的海洋内重力惯性波的不稳定做了探讨,得到的结论有:在不考虑海底地形和采用刚盖近似的条件下,在稳定层化海水中,当背景流为常数时,海洋内重力惯性波均是稳定的。在较弱的稳定层结下,具有垂直切变的背景流会导致海洋内重力惯性波的不稳定。该不稳定内波的增长率对其波长具有选择性并可有短波截断。增长率最大处出现在波长为几十公里的范围内。对固定的内波波长,背景流垂直切变越强则其最大增长率越大;若此时有多个不稳定模态,则增长率最大的模态其垂直结构最简单。该不稳定内波流函数的结构在垂直方向大体呈单圈环流形态,环流中心可以是一个,也可以是2个,后者则呈"猫眼"结构。     

实验室长波引起的风浪低频频移

利用实验室波浪水槽观测规则长波对风浪的影响。谱分析显示,较之纯风浪谱,除已被广泛关注的长波抑制风浪这一现象外,当长波波陡较小,且频率远离风浪峰频时,长波还使得风浪谱向低频移动。利用Longuet-HigginsStewart(1960)理论,并考虑到风浪破碎的约束,计算了规则长波的存在对风浪谱的影响,发现可以较好地解释这一现象。表明当长波波陡小且频率远离风浪峰频时,长波对短波的二阶调制及其引起的破碎加强可能是长波影响风浪的主要机制。     

实验室观测条件下的规则长波对风浪低频频移影响(英文)

本文利用实验室波浪水槽观测规则长波对风浪的影响。谱分析显示,较之纯风浪谱,除已被广泛关注的长波抑制风浪这一现象外,当长波波陡较小,且频率远离风浪峰频时,长波还使得风浪谱向低频移动。本文利用Longuet-HigginsStewart(1960)理论,并考虑到风浪破碎的约束,计算了规则长波的存在对风浪谱的影响,发现可以较好地解释这一现象。这一工作表明,当长波波陡小且频率远离风浪峰频时,长波对短波的二阶调制及其引起的破碎加强可能是长波影响风浪的主要机制。     

切变波动力学研究Ⅰ.尺度分析与频散关系

本研究从卫星遥感信息入手,对出现在西部边界流与陆坡水之间边界上的切变波动态过程进行了观测与动力学分析,由NOAA卫星红外图像测得的哈特勒斯(Hatteras)角以东,湾流北侧的切变波平均波长为75 km,平均波幅(波峰至波谷)为17 km,平均相速度为100 cm/s,黑潮北侧的切变波平均波长为57 km,平均波幅为17 km,由Seasat-1合成孔径雷达(SAR)图像测得的哈特勒斯角以南,湾流西侧的切变波平均波长为131 km,平均波幅为33 km,一次切变波事件的持续时间约为一周. 为探讨切变波的动力机制,我们求解了层化流体的涡度方程,得出了切变波频散关系的解析表达式,结果表明,切变波相速度与波长成抛物线关系;平均流场是频散关系中的重要因子,后一点表明流速水平切向变化是切变波发生的基本条件,理论分析为卫星遥感数据所证实.     

防浪建筑物影响下珊瑚礁海岸波浪传播变形试验

通过测试一系列不规则波工况研究了防浪建筑物存在下珊瑚礁海岸附近短波、低频长波和增水的变化规律,并对比了防浪建筑物的不同位置情况。分析结果表明：波浪在沿礁传播过程中,短波波高沿礁坪持续衰减,低频长波波高沿礁坪逐渐增大,波浪增水则沿礁坪基本保持不变;海岸附近短波随着防浪建筑物与礁缘距离的变大而减小,低频长波则在防浪建筑物处于礁坪后部时达到最大,防浪建筑物位置的变化对于礁坪波浪增水的影响可以忽略。通过理论分析证明了珊瑚礁地形上低频长波是由于群波破碎造成的破碎点移动而产生的;当特定波况作用于特定位置的防浪建筑物时,低频长波在礁坪上会发生一阶共振效应导致其能量在海岸附近达到最大值。     

二维EMD 方法在微尺度波斜率波数谱提取中的应用

进行海面微尺度波频率分析时,为消除重力波影响,引入二维 EMD(经验模态分解)方法滤除造成频率混叠的长重力波,然后进行傅立叶变换,得到海面微尺度波谱,进一步处理得到斜率波数谱。斜率波数谱提取结果表明：采用二维EMD方法可以有效滤除图像中混叠的长波信息,在此基础上进行微尺度斜率波谱计算的结果与国外已有结果基本一致。文中还将二维 EMD 方法与小波方法的处理结果进行了比对,结果表明在滤除长波的影响时,二维EMD方法具有其较明显的优势。     

台风“Megi”(2010)过程中海浪的特征及其对大气海洋的影响研究

使用海-气-浪耦合系统模拟了台风"Megi"(2010)过程中海洋与大气变化过程,重点研究了台风浪的有效波高、波周期、波向和波长等波参数的分布特征,并通过一组针对海浪的控制试验检验了海浪对台风及海洋环流的影响状况。结果表明:台风过程中的海浪有效波高最高达到了12 m以上,波高高值区域在移动方向的右前方;台风中心附近的海浪波长最长,周期最大,谱峰周期大于平均周期,谱峰波向较平均波向向右偏转了15°～20°。通过与未耦合海浪模式的控制试验对比发现,通过拖曳作用,海浪调节了海面风速的大小,使得台风后部风速减小约3～5 m/s;同时,由于海面粗糙度的增加,台风内核区域潜热通量有所增加,最大达到了15%。另外,海浪的加入加剧了海洋混合,导致了更大程度的降温,模拟值更接近实况值,同时也改变了海流的方向,影响了SST等海洋热动力状态模拟的准确性。     

谱分析在台风长期预报中的应用

长期天气过程是一种大型环流演变、调整过程。大型环流的特征由长波和超长波的波长、振幅和位相所决定,当长波和超长波发生变化时,大型环流的特征也随之改变。中、高纬度大气的能量主要集中于超长波区域,而且在各种能量转换和物理量输送中,超长波、长波也起着重要作用。由于能量转换和物理量输送是引起大气过程和大气环流变化的重要因子,因此,长波和超长波在长期天气过程及大气环流演变中起着重要作用。台风虽然在热带洋面上生成,但其生成和发展以一定的大气环流为背景,其移动又受着大型环流的制约,特别是受副热带高压和西风带环流的影响较大。当长波和超长波发生调整时,副热带高压和西风带,乃至低纬环流必然随之发生变化,因而影响了台风的活动。     

破碎波群的显著特征指标

群发性是风浪破碎的显著特征,最近的研究表明风浪破碎研究应该基于波群而不是单个波。本文探讨破碎波群区别于非破碎波群的显著特征指标。依据一系列风浪破碎实验数据,采用多种判据与实验现场目测的破碎标记信号相结合的原则划分破碎波群与非破碎波群,考查波群特征量、单个波几何特征量、局地破碎判据指标、波包络几何特征量以及波群能量结构特征量等5大类28个指标在破碎波群与非破碎波群上的分布差异。结果表明:波陡、峰前波陡、瞬时波面斜率、运动学判据指标和动力学判据指标等在破碎非破碎波群上的分布几乎没有交叠;后两者尤为理想,分布明显分离,是破碎波群区别于非破碎波群的显著指标;而其它各指标在破碎波群非破碎波群上的分布都有不同程度的交叠,不能单独依据它们区分破碎波群与非破碎波群。     

实测风浪频谱的易变性

本文应用一种具有局域保真性的组成波分解方法(子波变换),对实测风浪波面进行分析.结果表明:风浪不同组成波的相位之间,彼此的耦合远强于各自随机特征,组成波的相位不是相互独立的随机变量;风浪平衡域内的高频组成波表现为不规则的间歇性波动,而不是平面波;通过一个简化动力学模式证明,造成上述间歇性的成因是无时不存在的低频海水运动;由此得到结论,实测风浪频谱具有易变性.     

美国加州蒙特利湾浊积扇和流道上的沉积物波

蒙特利峡谷穿过陆架和陆坡,于谷口外(水深约2 900m)发育了95 600km2的浊积扇。峡谷底滩地和扇面上均发育大面积的深水沉积物波底形。扇上沉积物波的特征有:波高为30~100m,波长1~2km;在笔直流道段,波峰垂直或斜交于流道延伸,而在弯曲流道段,波峰平行于流道延伸;波两侧不对称,迎流侧长而背流侧短,有向上游迁移的趋势;由夹细砂层的粉砂质黏土组成,顶部均为30~50cm的黏土薄层披覆。推断为晚更新世—早全新世的低海平面时期发育的残留沉积物波。峡谷底主流道两侧也发育沉积物波,其形态类似于扇面上的波,但尺度较小,波峰呈波状或新月形延伸,由夹粗砂、小砾石层的砂质粉砂层组成,推断为晚全新世海平面上升时期的沉积。现代高海平面时期,陆源物质较多沉积于近岸和陆架,浊流下泄时,大部分碎屑物质沉积于峡谷底滩地上,只有少部分极细粒物质沉积于浊积扇和扇上沉积物波之上。     

西风急流对鲁西北一次暴雨过程的影响

利用WRF中尺度数值模式和FNL再分析资料,结合常规观测资料,对2015年08月03日发生在鲁西北地区的暴雨过程其进行了诊断计算、数值模拟和机制分析。研究表明,急流对上游强降水释放潜热向下游的输送和沿急流南侧传播的重力波共同影响是此次暴雨形成的重要因素:(1)上游地区降水过程的潜热释放通过西风急流输送到下游,使滨州地区对流层上层暖平流显著增强,引起强烈的上升运动;(2)高空急流南侧激发的中尺度重力波沿西风急流自西向东传播,波峰促使不稳定能量释放而触发强对流天气。     

破碎波与非破碎波的特征差异

借助风浪实验现场的破碎事件记录,采用多种判据同时判别的方法划分破碎波与非破碎波,考查了各种破碎判据指标在破碎波与非破碎波上的分布差异.结果表明;依Hilbert变换计算的动力学判据指标和运动学判据指标在破碎波与非破碎波上的分布有明显分离,存在一个稳定的阈值区分破碎波与非破碎波;由小波方法计算的动力学判据指标在破碎波与非...     

深水中极限波峰下速度场快速算法

基于五阶斯托克斯规则波理论,提出了一种快速求解深水极限波峰下速度场的数学模型.研究中,按照上跨零点和下跨零点的方法由计算或实测的极限波浪波面时间历程确定包含极限波峰的相邻两个周期的平均值为五阶斯托克斯规则波的波浪周期,然后根据极限波峰反推确定波浪入射波幅.通过与已有的数值结果和实验数据对比,验证了所建立的数值模型可以快速准确的计算出极限波峰下的速度场,相比其他模型,更适合于工程应用.     

南海东沙岛北部第二模态内孤立波特性研究

高分一号是中国自主发射的光学遥感卫星,空间分辨率达到2、8和16 m,因此可以为尺度较小的第二模态内孤立波研究提供强有力的数据支撑。本文基于2014—2020年共7年高分一号光学遥感图像研究了南海东沙岛北部第二模态内孤立波特性,研究结果表明:在海水层结不变,海域第二模态内孤立波的光学遥感图像条纹亮暗次序与第一模态内孤立波的相反;第二模态内孤立波的波峰线远短于第一模态内孤立波的波峰线;南海东沙岛北部第二模态内孤立波在夏季被光学遥感观测到的概率最大;绝大部分第二模态内孤立波尾随在第一模态内孤立波之后,可能是第一模态内孤立波与地形凸起相互作用而产生了第二模态内孤立波。这一研究结果对于进一步研究全球海域第二模态内孤立波的特性奠定了良好基础。     

利用一定点的波面记录和流向记录推算方向谱的方法

本文提出如下假定:(1)波峰处的流向代表波向(滤掉潮流和余流)。(2)波形在测点附近不变形。(3)每个单个波均遵循波的弥散关系。在上述假定前提下,提出一种推算方向谱的新途径,即利用一定点的波面记录和流向记录来推算方向谱的方法。并以某一定点的一次风浪现实记录和给定的两种流向类型作了计算,认为采用这种方法求方向谱是可行的。