基于实测资料的畸形波发生概率研究综述

系统地回顾和总结了国内外在实测资料入手探讨畸形波发生概率的研究成果,对比分析了有关实测资料及对应畸形波的特点,评述了针对畸形波发生概率的研究进展,指出了诸如所用畸形波定义不统一等该研究领域存在的共性问题,提出了进一步基于实测资料开展畸形波发生概率研究的思路。     

用短期测波资料分析重现期波高的改进

一、前言 波浪观测是海港工程水文勘察的重要项目之一。整理分析波浪资料,求出设计波浪,这是波浪观测的目的。目前求出设计波浪的途径有三: 1.有长期波浪观测资料（15年以上）,可从实测资料中,按某一种分析方法抽样,组成系列进行分析: 2.没有长期波浪观测资料,可利用长期风速资料或历史天气图进行计算分析; 3.利用短期波浪观测资料（1～3年）进行分析。     

再论台风波浪的波型及其与海岸工程设计波浪要素的关系

本文以实测台风波浪资料对台风影响过程中固定点波浪能量集中度的变化和有效波陡的变化进行分析，得出华南近岸浅水区台风波浪的波型与台风中心位置的统计关系，并进一步阐明了台风过程中固定点出现较大台风波浪的波型是风浪以及用于海岸工程设计的台风波浪亦为风浪的结论。文中还讨论了台风波浪波型对海岸工程建设中的设计波高、周期等要素取值的影响。     

当前海洋波浪测量的技术特点和实测分析

全面地比较和总结了当前包括压力式测波、声学式测波、浮标式测波和遥测式测波在内的几种主要的海洋波浪测量方法的技术特点;对相应类型的典型代表型号的仪器主要技术指标进行了对比;对不同类型测量方法及其对应的仪器的具体适用环境给出了分析和建议。实际结合了ADCP,AWAC,Wave Duo测波浮球等几种海洋波浪测量仪器于2014年12月在江苏省南通市近海相近区域的同步实测数据,对这几种仪器的海洋波浪测量的响应和过程特征进行了对比和分析,这对相关的海洋波浪测量技术和对应的测波仪器设备特点也是一个很好的验证。     

基于GNSS技术的波浪浮标测波方法研究

波浪是海洋中的重要运动现象,监测波浪的变化并研究其运动规律,对海洋学研究和海洋工程具有重要的意义。目前传统的GNSS (Global Navigation Satellite System)测波方法在实时高精度波浪测量方面存在很大劣势和限制。本文研究了一种基于GNSS技术的实时高精度波浪测量方法,能得到波高、周期等波浪要素信息,并以南海浮标试验实测数据为例进行了处理和分析,验证了该方法的可行性。该方法直接基于广播星历进行GNSS相位观测值历元差分确定浮标速度,无需额外的实时精密差分改正数,从而节省了精密差分改正服务成本与海上通讯成本。该方法适用于近海、远海场景,并且浮标可以使用低成本单频GNSS接收机,得到高精度波浪测量结果,具有较高的实际应用价值。     

浙江东矶列岛海域实测波要素及典型台风浪特征分析

利用东矶列岛海域一年实测波浪资料,统计分析波要素特征,以台风“利奇马”为例,分析台风浪演变过程。结果表明：研究海域年平均有效波高0.88 m,年平均周期4.3 s,年最大波高8.67 m出现在夏季台风“利奇马”影响时。研究海域以轻浪为主,其次是小浪和中浪;常浪向为ESE,次常浪向为E和SE;强浪向为SSE,次强浪向为SE。波浪平均持续时间和波高之间符合指数衰减关系。台风“利奇马”影响期间,最大谱峰56.20 m²/Hz,台风浪谱型以双峰谱为主,台风浪类型经历了涌浪—混合浪—风浪—混合浪—涌浪这一演变过程。     

深水随机波列中畸形波统计特征的研究

本文基于Longuet-Higgins随机波浪模型和JONSWAP谱,进行了大量深水随机波的模拟,获取了畸形波发生概率稳定的随机波列,并对随机波列中的畸形波进行了分析。结果表明,畸形波发生的概率小于基于Rayleigh分布预测结果,且随谱宽的减小而增大。在固定时间段内,畸形波发生的频次服从泊松分布,时间间隔服从指数分布,且随着谱宽的增大,畸形波的发生频次减小,相邻畸形波的发生时间间隔增加。通过小波变换方法分离随机波中的波群,研究了出现畸形波的波群特征,发现一个波群中最多会出现4个畸形波,但是在发生畸形波的波群中,单个畸形波的概率最大。随着谱宽减小,一个波群中包含多个畸形波的概率增加。另外,出现畸形波的波群时间长度服从广义极值分布,随着谱宽减小,畸形波波群的时间跨度增加。     

畸形波作用下JIP Spar平台波浪力分析

利用时域高阶边界元法研究畸形波、系泊系统与浮式结构物耦合作用问题,运用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,采用非线性有限元法模拟系泊缆索的各种受力及缆索的弹性变形。以Longuet Hinggins模型为基础,调整组成波的初相位,在很短的波列中得到满足畸形波定义的波形。分析了聚焦位置、初始相位、谱峰周期、谱宽以及水流参数等对系泊JIP Spar平台缆绳力和波浪荷载的影响。将入射波浪的聚焦点分别设置在平台的迎浪侧和背浪侧,分析缆绳力和波浪荷载聚焦峰值,模拟结果发现其最大值产生在聚焦点为迎浪侧的情况。当聚焦点在迎浪侧时,缆绳力和波浪荷载聚焦峰值随着初相位的增加而减小,随着谱宽的增加而减小,而随着谱峰周期的增加而增加。     

系泊方柱在畸形波与波群伴生波浪作用下运动响应试验研究

畸形波与波群伴生波浪作用于系泊浮体,和常规随机波浪作用比较,运动响应时频域特征均将发生显著变化。基于物理模型试验,采用小波方法计算伴生波浪和常规随机波浪作用下系泊浮体运动响应的时频域特征变化及波群因子与浮体运动响应时频域特征的定量关系。结果表明:伴生波浪作用下浮体运动响应显著大于常规随机波浪的作用结果,且波群因子G A对浮体运动响应时频域特征有显著影响;伴生波浪作用下浮体纵荡运动的广义能量谱E(t)统计特征值E max(t)、E 1/10(t)、E 1/3(t)、E average(t)均明显大于相同波谱下常规随机波浪的结果,且随着波群因子G A增大显著增大;伴生波浪作用下各运动响应能量集中度δE显著大于常规随机波浪作用结果,且能量集中时域分布范围参数ΔT E以纵荡运动分量最为显著。     

畸形波作用下半潜式平台波浪爬升与气隙响应特性

半潜平台的波浪爬升与气隙响应是设计过程中的重要考量因素。为探究随机波浪场中畸形波对半潜平台波浪爬升及气隙响应的影响,将含畸形波的随机波浪试验与一般随机波浪试验结果进行了对比研究分析。对模型试验测得的运动以及监测点处的波浪爬升及气隙进行频谱分析以及极值统计分析。研究发现,纵荡和纵摇的极大值主要受畸形波的影响而显著增大,纵荡、垂荡以及纵摇响应谱几乎不受单个畸形波影响;波浪爬升与气隙的极大值受到畸形波的影响而增大,同时,畸形波对气隙响应谱造成极大影响,增强了波浪爬升与气隙响应的非线性性。     

印尼ADIPALA海域较长周期波浪统计特征分析

对印尼ADIPALA海岸观测的较长周期波浪数据进行了统计分析,给出了不同统计波高特征值之间的关系以及统计特征周期和相对水深的关系;并就波浪统计中的波高分布,采用威布尔分布形式进行拟合,得到波高累积分布;给出了最大波高计算公式,可为工程设计提供参考。     

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.     

A study on kinematics characteristics of freak wave

Based on the 3rd-order Stokes wave theory, the speed of freak waves is formulated in terms of the period and the wave height. Finite modified wave steepness gives rise to a significant enhancement of the nonlinear contributions to the freak wave speed in comparison with the 3rd-order Stokes wave theory. For a fix modified wave steepness, the estimated amplification of the nonlinear contributions due to the deviation from the 3rd-order Stokes wave theory is 0.22～0.99. In addition, the velocity and acceleration fields are also documented in detail. In the present simulation, the horizontal velocities are smaller than the wave speed, and the freak wave exhibits a maximal horizontal velocity up to 37% of the wave speed and a maximal vertical acceleration up to about 20% of the gravitational acceleration.     

Occurrence probability of a freak wave in a nonlinear wave field

The Edgeworth’s form of a cumulative expansion of the probability density function (PDF) of surface elevation expands the maximum wave height distribution to predict the occurrence probability of freak waves. This study investigated the enhancement of the occurrence probability of freak waves due to the fourth order moment of surface elevation, kurtosis, change and found that the nonlinear effects on the occurrence probability of a freak wave linearly depends on kurtosis for a small number of waves N=250. The statistical theory was compared with field data, and freak waves sometimes appear when not expected by the Rayleigh theory, but they were predicted by the proposed theory.     

畸形波传播速度实验和数值模拟研究

畸形波的传播速度是其最重要的特征参数之一。研究畸形波的传播速度有助于深入和全面了解畸形波的生成机理及其演化过程,另外还可以用于畸形波的预报。针对现有关于畸形波传播速度计算方法(高阶Stokes波理论近似估算,Hilbert变换和两固定点的距离除以畸形波的波峰经过两点所用时间)的不准确性和局限性,使用32个测点描述畸形波波峰沿波浪水槽的运动轨迹,再用回归分析法估算波峰运动轨迹与时间的相关关系,从而计算出畸形波的传播速度。基于288组物理模拟畸形波和364组数值模拟畸形波传播速度的计算结果,使用回归分析方法得出了畸形波传播速度的半经验半理论计算公式,同时还分析了畸形波传播速度的强非线性特征。     

畸形波生成条件预报方法研究进展

近年海上事故调查结果表明很多海难事件都与畸形波袭击有关.随着我国经济进步,海上经济和军事活动越来越频繁,畸形波对上述海事活动具有严重威胁并可能造成重大人员和财产损失.现有的数值或经验海浪预报方法不能有效地预报这种灾害性海浪,亟需开发一种可靠的畸形波预报方法,这是海浪研究中面临的新课题.本文将对畸形波的实验和理论研究现状...     

波高与风速联合概率分布研究

基于copula函数论述了两变量的联合概率分布方法.此方法的主要优点是边缘分布可由不同的分布函数构成,变量间可具相关性.以粤东汕尾海域极值波高与相应风速为研究实例,经分析获得以下结果:(1)优选的极值波高和风速可分别由P-Ⅲ型和GEV 分布表示:(2)拟合优度检验指标表明二者的最优连接函数为Archimedean co...     

An experimental and numerical study of the freak wave speed

The propagation speed is one of the most important characteristics for describing freak waves. The research of freak wave speed is not only helpful for understanding the generation mechanism and evolution process of freak waves, but also applicable to the prediction. A stable and accurate method is proposed for the calculation of the freak wave speed, in which physical model tests are carried out to measure the motion of the largest wave crest along the wave tank. The linear regression relationship between the spatial position of the largest wave crest and instantaneous moment is established to calculate the speed of totally 248 cases of experimental freak waves and 312 supplementary cases of numerical freak waves. Based on the calculate results, a semitheoretical and semiempirical formula is proposed by using a regression analysis method to predict the speed of the freak wave, and the nonlinear characteristic of the freak wave speed is also investigated.     

Analysis of freak wave measurements in the Sea of Japan

This paper presents an analysis of a set of available freak wave measurements gathered from several periods of continuous wave recordings made in the Sea of Japan during 1986–1990 by the Ship Research Institute of Japan. The analysis provides an ideal opportunity to catch a glimpse of the statistics of freak waves in the ocean. The results show that a well-defined freak wave may occur in the developed wind–wave condition: S(f)∝f⁻⁴, with single-peak directional spectra. The crest and trough amplitude distributions of the observed sea waves including freak waves are different from the Rayleigh distribution, although the wave height distribution tends to agree with the Rayleigh distribution. Freak waves can be readily identified from the wavelet spectrum where a strong energy density occurs in the spectrum, and is instantly surged and seemingly carried over to the high-frequency components at the instant the freak wave occurs.     

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。