基于回声状态网络的海浪谱实时预报方法

为实现在非线性较强情况下的海浪谱预报,以船载测波雷达实船测量的海浪谱数据为基础,将经验模态分解(EMD)和回声状态神经网络(ESN)相结合,对海浪谱的实船实时预报方法进行了研究。所提方法利用经验模态分解对子波谱密度值时间序列进行分解,并对分解后各分量分别应用回声状态神经网络进行预报。将预报结果进行叠加,可以得到子波谱密度的预报值,进一步可合并得到整个海浪谱信息。结果表明:该方法可以有效解决非线性较强情况下预报效果变差的问题。方法可为船舶实时掌握海浪谱信息,提高船载测波雷达系统的实用性提供一定的基础。     

导管架装驳运输频-时域联合动力分析

本文采用频时域相结合的方法,把驳船和导管架作为一个整体结构进行分析。分析中计入了驳船结构的弹性影响和导管架入水部分的非线性流体动力。在分析驳船-导管架复合体在短峰随机海浪中的运动时应用频域分析法。并以相当波高作为求解频率响应矩阵的计算波高。由此频率响应矩阵求得各运动间的互谱密度矩阵并模拟驳船在随机海浪中的运动时历变化。然后采用时域分析方法计算导管架和驳船所受的外力包括导管架入水部分的流体动力的时历变化,应用有限元法计算导管架各构件包括驳船和连接杆的瞬时应力,由此瞬时应力计算应力相关函数并经富里哀变换求得各构件的应力谱和应力统计特性。此计算方法已编成电算程序并对-70米水深的导管架在随机海浪中装驳运输时的动力强度进行了分析计算。     

地转条件下的浪致辐射应力

首先将Longuet-Higgins提出的海浪辐射应力拓广为自海面至任意深度的单位面积铅直水柱承受的海浪辐射应力,并在此基础上首次给出地转条件下单位水体承受的海浪辐射应力计算式.最后给出单位水体承受的浪致作用力,为在海流数值模拟中便利的考虑海浪对流的驱动作用提供必要的条件.     

浅水海浪压力波谱换算海面波谱

前言浅水海浪谱对于近岸水工建筑是至关重要的.由于海面波浪实测资料的限制,人们往往通过压力波谱换算海面波谱.目前国内外通常按照经典的微小振幅波理论导出的水深的双曲函数对压力波各组成波谱密度进行换算.但是,这样换算的高频段谱密度值随频率增加逐渐偏大,且在低频段(0.2-0.6)所换算的海面波谱密度值与从实测波     

变浅作用下浅水海浪谱的计算

深水海浪向近岸传播过程中,由于变浅作用,其波面高度分布,波谱都发生了变化。本文基于非线性系统的输出和输入间亦存在转换关系,通过波面高度分布函数建立了深水正态海浪过程作为输入和浅水偏态海浪过程作为输出之间的非线性转换关系,导出了深、浅水谱间的理论关系。在假定能通量不变的条件下,提出了一种由已知深水谱和波面偏度计算二维海浪变浅作用下的浅水谱的方法,并对其进行了讨论和检验。     

海浪波群的谱特征分析

海浪的波谱特征分析对认识海浪有重要的意义,因为海浪谱反映了海浪的结构成分。这对海工建筑、海洋运输、船舶制造、海浪预报和海浪模拟等均有重要的实用意义。 波群是伴随海浪经常出现的一种自然现象,且经常伴随大浪的出现而出现。实践证明,波群具有极大的破坏力,其破坏性远比单个波大得多,它是海浪破坏海工建筑物的重要因子,许多防波堤的破坏并非是由单个波的作用,而是由相继出现的几个大波(波群)作用的结果。早先,人们对波群这种习见的现象研究甚少。自1974年葡萄牙锡尼斯港深水防波堤的破坏之后,对波群的研究才日益受到重视。     

福建崇武海区冬季浅水波谱

对海浪进行波谱分析能够通过其内部结构和对外表现的统计特征,揭示波浪的生成机制及发展过程。波谱分析对海浪预报、海洋环境研究及海洋工程等方面都是十分有用的。过去,由于观测资料的限制,对福建海区的波浪特性仅作过一般的统计分析,而对反映波浪内部结构的波谱,甚少研究。本文根据福建崇武海洋站1979年11月29日至12月25日约一个月的波浪连续观测资料,采用FFT法,分析了该海区冬季浅水波谱。     

海浪波群的谱特征分析

海浪的波谱特征分析对认识海浪有重要的意义，因为海浪谱反映了海浪的结构成分。这对海工建筑、海洋运输、船舶制造、海浪预报和海浪模拟等均有重要的实用意义。 波群是伴随海浪经常出现的一种自然现象，且经常伴随大浪的出现而出现。实践证明，波群具有极大的破坏力，其破坏性远比单个波大得多，它是海浪破坏海工建筑物的重要因子，许多防波堤的破坏并非是由单个波的作用，而是由相继出现的几个大波(波群)作用的结果。早先，人们对波群这种习见的现象研究甚少。自1974年葡萄牙锡尼斯港深水防波堤的破坏之后，对波群的研究才日益受到重视。 对波群的研究目前多采用包络方法、马尔科夫链方法和波能过程线法。波群研究的主要内容是波群的统计特征(如波群链长统计)；另外，波群的模拟也是重要的研究内容之一。目前用包络方法研究波群比较普遍，且有不少研究成果。徐德伦等(2001)综述了这方面的研究进展及结果，文圣常等(1984)也进行了详尽的讨论。 以往的研究大都是研究波群的统计特征，如合田良实(1976)、 Ewing(1973)、Rye(1974)。而针对地域性的波浪，我国学者也只是以包络方法为基础讨论了不同地域海浪波群的统计特征(常德馥，1987；葛明达，1986；范顺庭，1998)。就波群本身的结构特征而言，即波群的波谱分析特征以往的研究涉及尚少。作者拟借助于谱分析方法，对带有典型波群的实测的海浪记录来分析海浪波群的波谱结构，进而借此对海浪波群的结构特征进行深入探讨。     

浪流耦合数值模式在苏北辐射沙洲海域的应用研究

采用三角形网格海洋模式ADCIRC-2DDI和海浪模式SWAN双向耦合模式,建立了苏北辐射沙洲海域高精度水动力模型,用以研究该海域天文潮-风暴潮-海浪相互作用。以2012年15号台风"布拉万"为例,分别采用WRF气象模型后报风场和台风模型风场进行台风期间水位和波浪场的数值模拟,与实测资料的对比结果显示模型较准确地模拟出了"布拉万"台风期间的风暴增水与海浪过程,但模拟的极值增水和二次增水时间较实测资料提前了3 h左右。对"布拉万"台风期间模拟结果的分析表明:在浅滩及浅滩前沿水域,水位和海流对海浪模拟结果具有显著影响,是否耦合计算的有效波高差异可达1 m以上;波浪对水位的影响具有空间差异,在水深大于15 m的区域,波浪引起的水位变化小于5 cm,在浅滩区域,波浪引起的水位变化在4～10 cm,是否考虑波浪耦合对漫滩区域的模拟结果影响较大,进行浅滩及浅滩前沿的水动力计算,有必要考虑浪流耦合过程。     

用MC算法优化基于SPH的海浪粒子模型

结合风浪场复杂的动力学、时空特性以及对目前海浪仿真方法的研究总结,针对海浪仿真模拟中存在的真实感不足,难以模拟海浪破碎等问题,根据流体的物理特性,采用光滑粒子流体动力学(SPH)的方法实现了海浪的动态演变仿真。然后针对基于SPH方法的海浪粒子模型存在的离散性和真实感较差的问题,采用一种基于移动立方体法(MC)的海浪运动的自由表面抽取算法,完成了海浪场的表面建模,优化了基于粒子系统的海浪模拟效果。实验表明,用MC算法优化的方法既满足了海浪动态演变的仿真要求,又使水体模型更加连贯,更接近真实水体效果,优化效果较为明显,是综合利用体绘制与面绘制法实现三维可视化模拟的一次成功的探索。     

Satellite-based RAR performance simulation for measuring directional ocean wave spectrum based on SAR inversion spectrum

Some missions have been carried out to measure wave directional spectrum by synthetic aperture radar (SAR) and airborne real aperture radar (RAR) at a low incidence. Both them have their own advantages and limitations. Scientists hope that SAR and satellite-based RAR can complement each other for the research on wave properties in the future. For this study, the authors aim to simulate the satellite-based RAR system to validate performance for measuring the directional wave spectrum. The principal measurements are introduced and the simulation methods based on the one developed by Hauser are adopted and slightly modified. To enhance the authenticity of input spectrum and the wave spectrum measuring consistency for SAR and satellite-based RAR, the wave height spectrum inversed from Envisat ASAR data by cross spectrum technology is used as the input spectrum of the simulation system. In the process of simulation, the sea surface, backscattering signal, modulation spectrum and the estimated wave height spectrum are simulated in each look direction. Directional wave spectrum are measured based on the simulated observations from 0° to 360°. From the estimated wave spectrum, it has an 180° ambiguity like SAR, but it has no special high wave number cut off in all the direction. Finally, the estimated spectrum is compared with the input one in terms of the dominant wave wavelength, direction and SWH and the results are promising. The simulation shows that satellite-based RAR should be capable of measuring the directional wave properties. Moreover, it indicates satellite-based RAR basically can measure waves that SAR can measure.     

波浪谱形对不规则波数值模拟的影响

通过数值模拟分析了波浪谱形对不规则波浪数值模拟结果的影响.采用不同参数的JONSWAP谱模拟入射波要素,基于抛物型缓坡方程模拟不规则波浪的传播,分析了波浪谱形状对波浪数值模拟结果的影响.结果表明,采用抛物型缓坡方程模拟不规则波浪时,入射波浪谱形对模拟结果影响不明显;但由于模型中非线性项的影响,采用不规则波模拟的波高分布和采用规则波模拟的结果略有差别.     

Numerical investigation of the effect of current on wave focusing

In the present study,a numerical wave tank is developed to simulate the nonlinear wave-current interactions based on High Order Spectral(HOS) method.The influences of current on wave focusing are investigated by use of numerical model.The current is assumed to be constant in space.Focused waves with different amplitudes and frequency spectra are simulated with and without current.The focused wave characteristics,such as surface elevation,the maximum crest and frequency spectrum,with different current are compared.The results show that the opposing current increases the maximum crest and the energy transform during wave focusing process,and vice versa for the following current.     

Marine pipeline dynamic response to waves from directional wave spectra

A methodology has been developed to calculate the dynamic probabilistic movement and resulting stresses for marine pipelines subjected to storm waves. A directional wave spectrum is used with a Fourier series expansion to simulate short-crested waves and calculate their loads on the pipeline. The pipeline displacements resulting from these loads are solutions to the time-dependent beam-column equation which also includes the soil resistance as external loading. The statistics of the displacements for individual waves are combined with the wave statistics for a given period of time, e.g. pipeline lifetime, to generate probabilistic estimates for net pipeline movement. On the basis of displacements for specified probability levels the pipeline configuration is obtained from which pipeline stresses can be estimated using structural considerations, e.g. pipeline stiffness, end restraints, etc.     

礁坪上波浪传播的数值模拟

本文基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。     

Outer wave number spectrum and statistical distribution of apparent wave number vector

Based on the ray theory and Longuet-Higgins’s linear model of sea waves, the joint distribution of wave envelope and apparent wave number vector is established. From the joint distribution, we define a new concept, namely the outer wave number spectrum, to describe the outer characteristics of ocean waves. The analytical form of the outer wave number spectrum, the probability distributions of the apparent wave number vector and its components are then derived. The outer wave number spectrum is compared with the inner wave number spectrum for the average status of wind-wave development corresponding to a peakness factor P = 3. Discussions on the similarity and difference between the outer wave number spectrum and inner one are also presented in the paper.     

复杂结构形式的海堤波浪力及波浪形态数值模拟

依据雷诺方程和k-ε紊流模型,按流体体积(VOF)法追踪波浪自由表面,采用源造波法,建立数值波浪水槽,数值模拟波浪对复杂结构形式海堤的作用.数值模拟结果与经验公式、物理模型试验结果基本符合,说明所建立的数值波浪水槽合理可行.揭示了不规则波作用下复杂结构形式海堤波浪力分布规律,模拟了堤前波浪形态变化,为探讨合理的海堤结构形式提供了依据.     

基于海浪谱的沉箱式防波堤动力分析方法

利用海浪谱JONSWAP谱生成随机波浪,并结合改进的波浪力时程模型生成一个连续的、持续时间相对较长的随机波浪力作用过程。假设五十年设计基准期内防波堤每年遭受一次风暴,利用波浪谱随机生成五十次风暴波浪作用过程,对防波堤五十年设计基准期的响应过程进行一次随机模拟,以此作为一个样本。经过对大量随机模拟产生的样本进行统计分析,实现对防波堤整个设计基准期内的安全度进行概率评估。最后,通过算例对该方法的应用进行了演示。     

波浪动力因素变化对沙质岸滩演变的影响

通过波浪水槽实验,对海平面变化造成的波浪动力因素改变引起的沙质岸滩形态响应开展机理性研究。实验采用1∶10单一沙质斜坡概化岸滩,利用3种不同实验水深模拟海平面变化,考虑椭圆余弦波、非规则波、规则波和孤立波4种类型波浪作用。实验对波浪在斜坡上的传播变形、破碎、上爬和回落过程的波高及波浪作用后的岸滩地形进行了测量。实验结果表明,椭圆余弦波、规则波和非规则波作用下,平衡岸滩呈现出滩肩形态,孤立波作用下则呈沙坝形态。海平面上升造成波浪动力增强,沙质岸滩平衡剖面形状基本保持不变向岸平移,槽谷、滩肩、沙坝位置以及岸线蚀退距离,均呈现出良好规律性。