基于波形不对称性的波浪破碎指标

为了探寻波浪破碎与波形不对称性的关系,通过对1/200缓坡上波浪破碎实验研究结果的进一步分析,运用最小二乘法,拟合了波形不对称性参数与相对水深的关系,以及用波形不对称性参数表示的波浪破碎指标表达式。所得规则波的结果与Kjeldsen的深水波结果相同,而不规则波的结果比规则波的小。研究还表明,这一破碎指标与相对水深有关系,随着水深变浅,指标值增大。     

小入射角下海浪后向散射系数不对称性和各向异性分析验证

基于北京遥测技术研究所机载波谱仪实测数据以及ECMWF提供的风场数据,分析了不同风速条件下小入射角海浪平均后向散射系数不对称性与各向异性随入射角的变化特性,并对导致这一现象的原因进行了初步分析。结果表明:小入射角下,海浪平均后向散射系数随入射角增大呈现递减趋势并在18°时达到某一稳定值,之后基本维持不变;海浪后向散射系数不对称性与各向异性均随入射角增大呈现递增趋势,同样在18°增大至某一稳定值,之后基本维持不变;低风速条件下,海浪不对称性和各向异性与风速有关,且风速越大不对称性与各向异性越明显。     

Evolution of wave shape over a low-crested structure

This paper investigates the evolution of wave shape over a low-crested structure (LCS) using a 2-D RANS-VOF model. The model predictions of surface elevation and wave skewness and asymmetry are in good agreement with the recent measurements collected in a small scale wave channel at the University of Cantabria (UCA). The empirical formulae relating wave skewness and asymmetry to local Ursell number by Peng et al. (2009) have been extended to include the effect of wave reflection and the ramp in front of LCS and a wider range of Ursell number in the present study. In the presence of LCS, wave skewness decreases slightly above the seaward slope, then increases rapidly up to a maximum value above the structure crest, and decreases drastically above the leeward slope. Wave asymmetry decreases sharply above the seaward slope to a negative minimum value at the structure crest, and then increases rapidly to a positive value above the leeward slope. Our bispectral analysis indicates that sum interactions increase skewness and decrease asymmetry while difference interactions have opposite effects and that the former dominate above the seaward slope and on the structure crest but the latter dominate above the leeward slope of LCS. The observed wave shape evolution over a LCS can be attributed to the changes in the interplay of sum and difference interactions. We found that incident wave height and wave period, relative structure freeboard, structure crest width and structure porosity are the controlling factors for wave shape evolution over LCS. This study provides new insights on the role of wave skewness and asymmetry in the breakwaters stability and sediment transport around the structure and on the beaches behind it.     

ENSO事件非对称性成因研究

利用NCEP、SODA等再分析资料,对东太平洋上层海洋的热量收支进行了计算,研究了产生ENSO冷暖事件强度非对称的可能原因。对海表温度异常(SSTA)的分析发现,在东太平洋SSTA存在明显的正偏,即El Nio事件中正异常的幅度大于La Nia事件中负异常的幅度,体现出ENSO事件的非对称性。通过对上层海洋热量收支的计算发现,造成ENSO事件非对称性的可能原因有3个:(1) 非线性温度平流,水平非线性温度平流在ENSO冷暖事件中均为正值,因此增强El Nio事件而减弱La Nia事件;(2) 次表层温度异常对温跃层深度异常的非线性响应,由于东太平洋温度剖面的特性,使得次表层温度异常对El Nio期间正的温跃层深度变化更为敏感,造成次表层温度异常幅度在El Nio期间比La Nia期间大,从而通过－wT′_z项引起上层海温的非对称性;(3) 赤道太平洋的纬向风异常的正偏:由于赤道太平洋存在较强的纬向西风,导致东太平洋温跃层深度异常正偏,进而造成次表层温度异常的非对称－wT′_z,并通过项影响上层海温的非对称性。     

灌河口潮汐不对称数值模拟研究

建立灌河口平面二维潮流数字模型,并在灌河口口门至陈家港河段沿程布置5个采样点和3个横向断面,通过对各采样点一个月数值模拟结果进行调和分析,得出灌河口M2分潮及其主要倍潮的基本特征,然后利用潮位-流速关系图及通过对动量方程中各项的统计计算,研究了灌河口潮波运动的基本动力平衡、M2的主要倍潮的产生机制及其对潮汐不对称现象的影响。研究认为:灌河口潮汐潮流均属正规半日潮型。M4、M6分潮对于灌河口潮波变形有着重要的影响,M8分潮除在浅滩处外对潮汐不对称的影响很小。在深槽处M4分潮导致最大落(涨)潮流速减小(增大),最大涨(落)潮流速与最高(低)潮位之间的相位差增大。M6分潮的影响与M4基本一致,但其作用明显小于M4分潮。在浅滩处M4分潮导致最大涨落潮流速均大于M2分潮的值,M6和M8分潮使最大涨落潮流速均出现在高潮位附近,但M6、M8使最大涨潮流速减小,而使最大落潮流速增大。外海边界处倍潮波的传入对于口门附近的潮汐不对称有一定影响。M4和M6分潮导致灌河口的潮汐不对称表现为涨潮主导型,潮波运动主要受到压强梯度力、非线性对流和底摩擦力,三者与局地惯性力构成灌河口的基本动力平衡,摩擦力并不是最重要的作用力。     

非线性波消波及波场分布研究

本文基于雷诺平均N-S方程,并结合RNG k-e方程建立了粘性数值波浪水槽,对不同波陡、不同相对水深、不同相对波高的非线性规则波的阻尼消波问题和波场分布进行研究。文中提出了两种描述消波区内部阻尼变化的阻尼函数,分别适用于小波陡情形和高波陡情形。研究结果表明,小波陡组消波区可设为一个波长,阻尼系数取10~4～10~5即可满足消波要求,计算结果与实验结果及造波理论吻合良好;高波陡组消波区可设为两个波长,阻尼系数取10~4～10~5亦可满足消波要求,计算结果与实验结果吻合良好。此外,当波陡较小时,波场内反射情况的小幅改变即可对整个波场造成影响,特别是当水深较浅时这种影响极为明显,需谨慎考虑。当波陡较大时,水波能量较高,整个波场沿水波传播方向可观测到明显的衰减现象,在具体试验中需进行考虑。     

Effect of nonlinear advection on the Indian Ocean diploe asymmetry

The asymmetry of sea surface temperature anomaly(SSTA)amplitudes between the positive and negative phases of the Indian Ocean dipole(IOD)are studied.The dynamic effects on it are analyzed using a hybrid coordinate ocean model(HYCOM).It suggests that the IOD is still asymmetric even when forced by a symmetric wind stress,and the asymmetry of the SSTA in the eastern pole is strong while that in the western pole is almost insignificant during the mature phase(September–November(SON)).Thus,the IOD asymmetry is primarily caused by the asymmetry in the IODE.A heat budget analysis is also conducted for the mixedlayer temperature in the eastern Indian Ocean(IODE),which indicates that a nonlinear ocean advection cools both the positive and negative IOD events.Therefore,the nonlinear ocean advection is responsible for the asymmetry of the IOD.     

规则波在缓坡上变形与破碎数值分析

通过在二维数值水槽内用边界元法直接求解Laplace方程,对规则波在缓坡上的变形及破碎进行了数值计算。分析了不同底坡及采用不同底摩阻系数时规则波的破碎特征,并对规则波破碎的极限坡度进行了研究。重点分析了规则波破碎时海底坡度、底摩阻系数及波形不对称性对破碎指标的影响。     

伶仃洋洪季潮波传播变形及不对称性规律分析

珠江河口伶仃洋水域潮波传播变形及其不对称性关系对河口动力环境和物质输运产生影响。研究根据珠江口伶仃洋及东四口门19个潮位站2011年6月实测逐时潮位, 利用收缩河型沿程潮幅解析理论, 阐释伶仃洋从桂山岛上行沿程潮汐传播规律特征; 在调和分析基础上, 应用偏度理论和分潮组合分析方法, 阐明了伶仃洋东西岸及洪奇门、蕉门内潮汐不对称性分布特征, 对照数值研究结果, 指出伶仃洋至虎门之间水域导致潮汐不对称性的主控因素及响应规律。研究表明, 河口平面形态呈近似指数收缩特征的伶仃洋, 沿程潮幅的变化符合指数收缩型河口波幅解析变化规律, 东岸潮幅高于西岸的主要原因是东岸水深大于西岸, 其次是科氏力影响; 行进潮波虽受地形摩擦耗能及非线性作用下不同频率分潮间能量迁移的影响, 但收缩河口能量汇聚效应可以保证收缩段天文分潮潮幅减缓衰减甚至增加, 半日分潮能量汇聚效果强于全日分潮, 各非线性项作用促使浅水分潮产生并持续增能, 保证一定距离内沿程潮幅的增大; 潮汐不对称性的偏度由湾口落潮占优向湾顶涨潮占优发展, 在伶仃洋中部赤湾至金星港一线转为涨潮占优, 产生该现象的原因是自湾口向湾顶不同频率间天文分潮K₁-O₁-M₂的相互作用, 导致表现为落潮优势潮的不对称性减弱, 而天文分潮M₂和其对应的浅水分潮倍潮M₄组合作用使涨潮优势偏度值的不对称性增强; 收缩河口形态属性要素中, 水深是影响潮不对称性的最主要因素。     

深水极端波浪非线性几何特征试验分析

为了解极端波浪非线性特征,明确波群在演化过程中的水动力学特性,针对一系列高斯波群进行了深水物理试验分析。试验结果显示,增加波陡或波群宽度,均可使波面偏度Sk发生明显变化,尤其当波浪发生破碎后,在破碎区域内,波面偏度变化范围剧烈增大,说明该偏度极大值可能作为判断破碎的一个指标。波陡和波群宽度对波面不对称度影响程度不同:当波陡或波群宽度增加后,波峰不对称度所受影响最大,波峰前端波谷不对称度次之,波峰后端波谷不对称度所受影响最小,但仍不可忽略。在波浪演化过程中,幅值谱出现不同程度频带下移,波浪破碎后,会出现永久频带下移;当调制不稳定发生时,随着调制不稳定指数增加,频带下移量呈现快速增长趋势。     

波浪非线性弥散关系及其应用

针对Hedges及Kirby等对Kirby和Dahymple的非线性弥散关系的修正关系,在小波陡时中等水深范围存在较大偏差的问题,给出了一个新的非线性弥散关系。比较可知,新的关系在小波陡时减小了中等水深范围内50％的误差,而在大波陡时能够保持其单调性,且形式上更为简练。将其应用于含弱非线性效应的缓坡方程进行数值验证,结果表明,采用新的非线性弥散关系得到的计算结果与实测结果更为吻合。     

乐清湾内外潮波变形及不对称性分析

海湾内外的潮波变形及其不对称性影响海湾内外动力输送和水体交换。利用乐清湾内外共9个测站连续潮位进行调和分析,得到该海湾内外各分潮变化规律,利用潮不对称性偏度计算方法确定湾内外潮汐不对称性时空变化特征,比较了主要分潮组合对潮汐不对称性的贡献度,通过数值研究探讨了湾内偏度比湾外偏度值更小的主要成因,分析了湾内外围垦工程对潮不对称偏度的影响。研究发现:乐清湾内潮汐不对称偏度值为负,表现为落潮占优,同期湾外洞头站偏度值为正,与邻近瓯江、飞云江河口的潮不对称偏度变大、表现涨潮占优的变化规律相反;湾外沿岸各站偏度由东北向西南逐渐增大,由落潮占优向涨潮占优变化;潮汐不对称性偏度呈周期性变化,分析确定M2-M4、M2-S2-MS4分潮组合对潮不对称贡献大,该海域潮汐不对称的强度主要由浅水分潮振幅控制,而相对相位则决定潮汐不对称的方向;数值研究探讨表明,湾内大范围的浅滩地形是其潮汐不对称落潮占优的主要原因,围垦将削弱湾内的落潮占优。     

完全非线性孤立波的直墙反射

报道了应用边界积分方法模拟完全非线性孤立波的传播与直墙反射,给出了波形演变过程。结果表明,本模型对计算孤立波的传播与直墙反射是有效的。三阶Boussinesq方程的孤立波解比低阶方程的孤立波解更接近完全非线性的数值解.当来波波高增大时,孤立波直墙反射的相位滞后变小。若考虑大波高孤立波的直墙反射或波——波相互作用,一阶理论预报的相位滞后往往低估实际情况。     

海底边坡稳定性分析中波浪力的求解

针对浅水区波浪的非线性特性,提出了在海底边坡稳定性分析中应用椭圆余弦波理论来研究波浪力的问题,利用非线性弥散关系建立了新的适用于整个水深范围的椭圆余弦波的近似求解方法.结合工程实例,确立了海底边坡波浪力的计算步骤,并编制了计算程序.     

波浪作用产生沙波的动力机制研究

界面波作用产生的周期沙波现象的动力机制一直没有得到合理圆满的解释。本文针对这种现象通过对浅水弱非线性Boussinesq方程,讨论界面波由于反射效应产生的反射波与入射波的非线性相互作用,得出了一个不受时间变量制约的不传播非线性二阶驻波解。从这个驻波解空间分布上可以看出,这种动力机制作用产生的周期沙波通常是其波形平行于反射壁,并且沙波波长为入射波垂直反射壁面分量的一半。数值模拟结果证明这个非线性二阶波是Genus-2波列的一个子集．水槽实验和海岸高空照片资料上清楚的分辨出这种由反射壁效应产生的沙波的客观存在性。     

恢复饱和过程与潮流不对称耦合作用下的悬沙输运

通过理想模型的解析解对河口悬移质泥沙输沙中恢复饱和过程与潮流不对称耦合作用下的长期净输运机制进行了研究,并给出了二者耦合作用下的悬沙长期净输运的定量表达及悬沙净输运方向与分潮相对位相的关系。研究认为,悬沙的长期净输运与泥沙的恢复饱和过程及潮流不对称存在密切关系。对于仅单频潮波作用的情况,恢复饱和过程不会导致悬沙净输运的产生;分潮与余流的相互作用将产生与余流方向一致的净输运;悬沙的净输运方向与潮流不对称的方向并不完全一致;对于频率满足一定条件的分潮的组合,不论该分潮组合是否导致潮流不对称,均会产生悬沙的净输运;净输运量是分潮组合中各分潮流速的振幅、相对位相及相对恢复饱和时间的函数。对于某一分潮组合,悬沙净输运与潮流不对称方向改变时,二者的相对位相阈值之间的偏差随恢复饱和时间的增大而增大。     

波面位移非线性特征数值研究

基于Longuest-Higgins(1963)非线性海浪模型,在有限水深且存在均匀背景流的条件下,根据Song(2006)给出的波面位移二阶表达式,采用Combi海浪频谱计算了海表面定点波面位移时间序列和波面位移概率统计分布。分析了波面位移统计分布随风速、水深、反波龄和均匀背景流的变化特征和规律以及不同海况条件下二阶非线性项对波面位移统计分布的影响。结果表明:二阶非线性项使波面位移分布偏离正态分布,二阶非线性作用受风速、水深、反波龄和均匀背景流的影响。风速增大、水深降低、反波龄减小或者均匀背景流和风速传播方向相反均使波面位移二阶非线性项的作用加强,无因次波面位移概率密度分布的偏度和峰度随之增大,反之则二阶非线性项作用减弱。当均匀背景流和风速相同时,虽然使非线性项的作用减弱,但平均波面位移反而比静止水平面降低。当均匀背景流和风速相反时,虽然使非线性作用增强,但平均波面位移反而趋于静止水平面。得到如下结论:二阶非线性项对于波面位移有显著影响,数值模拟波面位移需要增加二阶非线性项。通过以上研究,提高了数值模拟波面位移的准确性,而波面位移是海浪最基本的特征量,从而增强了海浪模拟和预报的准确性,对海洋工程、海–气相互作用、上层海洋动力学等具有重要意义。     

考虑非线性频散效应的风浪关系及其应用

随着我国沿海地区海洋经济的快速发展,相关海域的风浪规律的研究越来越受到人们的重视。依据Toba的风浪3/2指数律和非线性频散关系推导得到一个新的波陡波龄关系式,简化获得适用于深水情况下的波陡波龄关系式;基于考虑非线性频散效应的波龄波陡深水关系式,并结合有效波能量平衡方程,进一步推导出包含非线性频散效应的深水海域风浪公式。利用新的深水风浪公式,并结合Mitsuyasu开阔海域风区、风速经验公式,研究了江苏沿海海域的风浪规律,且与NCEP再分析风浪数据以及其他公式结果进行对比分析。分析结果表明所获得的新深水风浪公式适用范围更广,且在只考虑风速这个单一参数条件下计算得到的江苏外海波浪要素与NCEP再分析风浪数据吻合程度最好,且更接近其他学者的研究成果。计算过程可避免开阔海域风区长度推算的不确定性和人为因素所产生的误差,可为我国风浪成长规律的理论研究和海洋工程深海风浪要素推算提供参考。     

一个二维数值波浪水槽的改进

对Drimer,Agnon及Segre研发的数值波浪水槽(简称DAS),首先通过修正DAS中某些积分计算的错误,建立了第一个修正模型(MDAS1),使得模型更加准确稳定。其次,将DAS模型自由表面线性元近似替换为更为合理准确的三阶元近似,建立了第二个修正模型(MDAS2),使得模型计算的波面更合理可靠。平底水槽中波群的生成及传播算例表明:与DAS结果相比,MDAS1对波面没有显著影响,而采用三阶元的MDAS2对波面有显著影响。与Hansen和Svendsen的实测资料相比较证实了两个修正模型的有效性。