第19章 TOHOKU模式:日本东北大学波浪模式

TOHOKU模式是一种混合型的,因为它把风浪的单一参数增长方程与涌分量相结合,而且包括涌浪与风浪之间的互换。 19.1 单一参数风浪部分的背景 风浪部分最基本的特征是在成长的风浪中应用一个自相似结构,即由TOba（1972）提出的一个关于成长的风浪的无量纲波高与周期之间的简单的指数定律来表示。 H_s~*=BT_s~(*3/2) B=0.062 （19.1）式中H_s~*=gH_s/u_x~ 2 ,T_s~*=gT_s/u_*是有效波高H_s和有效周期T_s通过重力加速度g和大气的摩擦速度u_*标准化后的无量纲形式。这个指数定律是经过多组实验室和海上资料证明的（如Kawai等,1977;Mitsuyasu等,1980）。该定律不仅符合Wilson（1965）和Mut-suyasu等（1971）给出短风区的经验公式,如果除去无量纲风区的话,Wilson等1965年长风区的复杂公式,事实上也符合这个能量定律。图（19.1）给出了一组混合资料的比较情况,3/2次方的能量定律（19.1）可被转换为:     

波向对变风向的响应

由能量平衡方程导出匀质波场局地风生浪平均波向对变风向的响应。结果表明,响应的时间尺度不但取决于波能的成长速率,还取决于方向分布函数和风向与平均波向之夹角。按文圣常提出的在局地风作用下的标准风浪成长曲线,对其响应时间尺度的定量估计结果表明,本文提出的无因次响应时间尺度与无因次能量和无固次峰频率的关系,与现已提出的模式比较与实测更符合。     

胶州湾风浪谱特征分析

在1985年2-3月和11月寒潮大风天气过程期间,我们用美国ENDECO公司的949型波浪跟踪浮标在胶州湾内两个测站进行了海浪连续观测.本文选取其中45组资料做了波谱计算,对风浪谱资料分析表明,胶州湾内的风浪是短风区的风浪,风时影响不明显,风浪的发展和消衰有随风速变化的趋势,本文还以风浪相对风区成长的相似率,揭示出胶州湾内风浪谱随风区成长的特征,并求得无因次谱峰频率(f_M)与无因次风区(x)及无因次能量(E)之间的关系,后者的关系近似于Hasselmann等人1976年给出的结果.     

涌浪对风浪能量影响的实验研究

在实验室风浪水槽中进行纯风浪和混合浪波面位移观测,研究波长较长的规则波对风浪能量的影响.本文用混合浪和纯风浪中的风浪显著波的零阶谱矩之比代表混合浪中的风浪与纯风浪能量之比,并以此表征涌浪对风浪能量的影响.研究了该能量比随涌浪波陡S、风区x、波龄倒数u/C、涌浪频率与纯风浪谱峰频率之比fs/fwp的变化规律.结果表明,涌浪对风浪能量的抑制作用随涌浪波陡的增加、波龄倒数的增大及涌浪频率与纯风浪谱峰频率之比的增大而增强.发现该能量比依赖于无因次量R=(1+80(πS)2)1.9(fs/fwp)0.9(u/C)0.27,并拟合得到2者的经验关系.此外,本文实验还发现,在某些情况下,涌浪的存在使风浪能量增加.     

风浪成长关系的分析及其对3/2指数律的支持

系统地分析比较了迄今根据观测已提出的一些风浪成长关系。通过研究发现 :这些风浪成长关系式存在较大的不协调性。然而 ,当消去无因次风区后 ,由这些关系式得到的无因次波高与无因次周期关系却与 3/ 2指数律有着非常好的协调一致性。还分析 Wen etal构造出的代表平均状况的风浪成长关系。发现由这一风浪成长关系得到的无因次波高与无因次周期关系是与平均状况的 3/ 2指数律完全一致的。上述风浪成长关系构成对 3/ 2指数律的观测支持 ,从而说明了 3/ 2指数律的普遍性。并提出这些风浪成长关系间不协调性的一个可能解释     

海浪方向谱阵列资料实例分析

根据傅氏级数展开法和贝叶斯方法,对现场获得的阵列资料进行了方向谱实例分析。结果表明,实测风浪方向谱能量的相对分布与相应的波场类型密切相关。涌浪和由稳定风场引起的风浪方向谱各组成波能量相对于方向呈单峰对称分布。大风引起的风浪方向谱能量的相对分布,虽也近似为单峰,但对称性差。不同波场类型的风浪方向谱各组成波的谱密度极值方向不同,表明不同频率的组成波有不同的主方向。     

海浪方向谱阵列资料实例分析

根据傅氏级数展开法和贝叶斯方法,对现场获得的阵列资料进行了方向谱实例分析,结果表明,实测风浪方向谱能量的相对分布与相应的波场密切相关,涌浪和由稳定风场引起的风浪方向谱各组成波能量相对于方向呈单峰对称分布,大风引起的风浪方向谱能量的相对分布,中也近似为单峰,但对称性差,不同波场类型的风浪方向谱各组成波的谱密度极值方向不同,表明不同频率的组成波有不同的主方向。     

风浪超射现象的研究 Ⅰ.实验分析

对风浪超射现象进行实验研究,由于峰频率谱值不易精确定,因此通过谱分析不易获得精确的风浪超射曲线。在风浪槽中４个风区处观测随风时成长风浪,以子波变换分析风浪资料,结果表明,风浪高频组成波在成长中姓能量超射,与Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ等结果相比,该能量超射幅度更大。     

风浪频谱的成长模型 Ⅱ.三参量的风浪频谱随风区的增长关系

为研究三参量风浪频谱随风浪的成长关系,从而直观地描述风浪频谱成长过程中的超射现象.并证明三参量谱谱型的合理性.基于已得到的谱参量随风区的变化关系,对三参量风浪频谱以及风浪频谱成长过程中存在的"超射"现象作深入的研究,得到三参量风浪频谱随风区的成长关系:S(-ω,-m0,-ω0,B)=-m0(-x)/-ω0(-x)B(-x)[-ω/-ω0(-x)]-p(x)exp[-p(-x)/q(-x)([ω/ω0(-x)]-q(-x)-1)]在此基础上,得到无因次风区:300、500、2000、5500、10000、15000下,风浪频谱的谱线,从而直观地描述了风浪频谱成长过程中的"超射"现象,并认为在风浪频谱的成长过程中确实存在着"超射"现象,但是该现象并不如Hasselmann等提出的理论中阐述的那样存在于风浪频谱成长的全过程,而是仅存在于风浪频谱成长的初期.随着风浪的不断成长,"超射"现象逐渐减弱,直到风浪接近充分成长,"超射"现象也随之逐渐消失.经过不同风区下实测数据的检验,证明S(ω,-m0,-ω0,B)、S(ω,-H,-T,B)、S(ω,-H,-T,-δ)以及S(ω,-H,-T,β)四种形式的三参量风浪频谱谱型是合理的,同时也进一步证明了谱的零阶矩、谱的峰频率、谱宽度、波高、周期、波陡和波龄随风区变化关系的正确性.     

波面位移非对称性对风浪成长状态的依赖性

以二阶随机波动理论为基础，研究了刻画波面位移非对称性的偏度参量λ3对风浪成长参量(反波龄ω和无因次风区χ)的依赖性，得到了λ3与ω和λ3与χ的近似解析关系式，并利用实验室水槽风浪成长实验的实测数据对这些关系式进行了检验。     

渤海湾寒潮风浪谱的探讨

寒潮天气过程的风浪是渤海最危险的大浪之一。本文通过对1968年11月上旬一次寒潮天气过程风浪的连续资料分析,指出冬春季节,寒潮过境后偏北大风期间,渤海湾海域风浪频率谱的发展和消衰主要受制于风速。文章还讨论了风浪谱形状参数和尺度参数的变化规律,给出相应计算公式。     

台风波浪数值预报的CHGS法 Ⅰ.成长过程中的海浪谱

文章指出,由于台风风场中风速、风向随时间和空间急速地变化,越近台风中心风速越大、风区越短、风时越小,风浪就越是不可能充分成长。所以在台风浪数值计算工作中不能使用充分成长的海浪谱模式。作者等在最近提出的台风波浪数值预报方法(以CHGS表示)中,建立了一种成长海浪谱模式(如文中(2)式),该模式中包含了标志着风浪成长程度的参数——平均波龄β。当β值较小时,波浪的能量主要集中在谱的峰值频率附近,使谱峰高而陡,随着β的增大,谱形逐渐变得低矮坦缓,当β=1时波浪充分成长,成长谱转变成了充分成长的P-M谱。该模式还表现出了谱在“平衡域”内的“超射”现象。     

理论风浪频谱的数值订正

本文对文圣常教授等提出的改进的理论风浪频谱进行数值订正,使无因次谱下的总面积等于1,而且在(?)=1.15处谱的斜率的连续性较好。     

一种复合形式的风浪频谱

为了克服改进的理论风浪频谱的美中不足之处,本文用改进的理论风浪频谱的低频部分和改进的P-M谱组成无因次复合谱,它是分两段给出的,且满足下述四个条件:谱峰位于始定点(1,P);谱面积m₀=1;在分段处谱值及斜率均连续.另外,分段点也是可变的,复合谱的参数是根据变分原理来确定的.     

大型风浪水槽风浪成长的谱特征

利用大型风浪水槽实测风浪资料,分析水槽环境条件下风浪谱的成长特征,给出谱参数与风速、风区之间的经验关系     

深水风浪的风区指数律

对已有根据观测提出的幂函数形式风浪成长关系进行了分析。发现这些风浪成长关系在消去无因次风区后一致地与3／2指数律相协调，尽管它们原来存在较大的不协调性。发现Jeffreys，Sverdrup和Munk以及Platit的风能输入源函数在谱积分意义下具有相似性，而Tsikunov，Hasselmann和Phillips的破波耗散源函数在谱积分意义下也具有相似性，尽管这些源函数的原始形式和物理背景显著地不同。利用有效波能量平衡方程，将3／2指数律和发现的风能输入及破波耗散源函数相似性相结合，提出了深水风浪随风区成长的分式指数律，以得到的分式指数律拟合已有基于观测提出的风浪成长关系提出了半经验的风浪成长关系，与已有观测数据符合。     

三参量的风浪频谱

本文基于风浪由单色波发展为充分成长状态的物理背景,阐明了一种描述谱形变化的谱宽度参量,进而确立了三参量风浪频谱的理论形式。在传统谱形的基础上,通过谱宽度参量的引入而建立了随成长状态变化的形式更为普遍的风浪频谱,在此频谱中不仅包括Neumann谱、P-M谱、JONSWAP谱、Wallops谱等重要的风浪频谱,而且还在谱的高频部分比例于频率的-4次方的假定下,导出另外一种风浪频谱。同时本文还为构造新谱提供了一种方法。     

第20章 HYPA模式:西德汉堡海洋研究所混合参数波浪预报模式

20.1 引言 混合参数表面波浪预报模式（HYPA）可用于深水海浪预报。这个模式是早期NORSWAM模式（Gunther等,1979a,b及Ewing等,1979）的一个引伸。除了一维风浪谱的参数预报外,它还包括了另一个预报参数——平均风浪浪向（Gunther等,1981）。相对于不同的频率和方位,涌浪沿着预先给定的特征线传播,此方法与NORSWAM模式相同。在下一节中,我们将分三个部分（风浪、涌浪及风浪与涌浪的交换）介绍这一模式。 20.2 风浪 参数预报方程可由动量方程导出其中m是动量密度谱,v是群速,τ是谱动量密度的源函数。这一项一般可划分为大气输入项τ_(in),消耗项τ_(dis)和非线性相互作用项τ_(nl)。     

稳定风浪场谱特征量间的关系

风浪宏观特征量是描述风浪场特征的重要物理量。作者基于风浪有停留在混乱运动状态的趋势的性质对风浪场特征量间的关系进行了研究。主频波频率附近的波动自风摄取能量,风浪吸收的能量通过非线性相互作用在谱中重新分配。谱中能量的重新分配产生多尺度波动,这导致风浪波面的混乱运动(风浪处于混乱运动状态)。在稳定状态,风浪运动最为混乱。当风浪状态偏离最混乱运动状态,谱中非线性相互作用引起的能量重新分配将使风浪回到该状态。基于线性海浪理论导出风浪场特征量间的关系。导出的关系与观测结果进行了对比,发现理论结果与观测结果很好地符合。风浪场宏观特征量间存在固有关系。尽管目前风浪场特征量关系的观测结果存在差异,但本文中证明,所导出的理论关系与实验结果很好地符合。     

风浪波分量相速度的测量及其结果的解释

线性海浪谱理论认为:风浪是由多数频率和振幅不等、位相紊乱的简单波动线性叠加的结果。按照此种理论,风浪波分量的相速度应遵从线性波动弥散关系c=g/n(n为圆频率,g为重力加速度)。这种理论究竟在多大程度上符合实际风浪的情况?答案有赖于对风浪波量的相速度作准确的测量。法国马赛实验室Ramamonjiarisoa(1974)用交叉谱方法测一得组数据。此组数据表明,风浪的波分量,只有其频率接近谱峰频率的那一部分遵从线性弥散关系,具有较高频率的波分量是非弥散的,都以几乎同样的相速度传播。