基于实测数据的台湾海峡中部波浪特征分析 *

利用台湾海峡中部2号大浮标2017年全年的实测波浪资料, 对海浪的基本波要素及其与风的相关性、波谱特性进行统计分析, 得出了重要特征波参数之间的回归关系和适合台湾海峡中部的海浪谱形式。研究结果显示: 1) 台湾海峡中部的常浪向是NE向, 强浪向是NNE向, 月均有效波高的变化范围为0.87~2.98m, 7月波高最小, 12月波高最大, 波周期与波高有着相似的月际变化趋势; 2) 主要波浪类型是以风浪为主的混合浪, 谱型上以单峰为主, 波高与风速整体上呈正相关关系, 大浪主要由台风和强劲的东北季风引起; 3) 波浪的平均周期与大部分特征波周期之间具有良好的线性相关性, NNE、NE方向的波浪有效波高和有效波周期线性相关性较强; 4) 相比于Jonswap谱, 规范谱一是更符合本区域的海浪谱模式, 给出了基于有效波高和谱峰周期拟合的规范谱一形式。这些研究成果可为海洋工程设计和波浪数值模拟提供参考。     

响水近岸海域波浪特性研究

基于响水波浪站累计一整年的现场观测资料,分析了波高和波周期的年内变化特性,研究了波浪的统计特性和波谱特性,并总结归纳了该海域各特征波要素之间以及各波谱参数之间的转换关系。结果显示:响水海域全年有效波高的变化幅度在0.10~2.80 m之间,年平均值为0.56 m;最大波高的变化幅度在0.15~5.58 m之间,年平均值为0.93 m;平均波周期的变化范围为1.91~9.02 s,年平均值为3.90 s。夏季大波高发生频率明显要小于冬、春季节,波浪季节性变化较为显著。就波高和波周期分布而言,通过拟合得出的Weibull分布较为适合本海域实测波高分布和波周期分布。波谱特性方面,本海域双峰谱占到总数的62.5%,且低频谱峰值普遍高于高频谱峰值,其中低频谱峰出现在0.04 Hz左右,高频谱峰则出现在0.15~0.20 Hz之间,分别为本海域涌浪和风浪所集中的频率区间。采用回归分析方法进一步分析了各特征波要素之间以及各波谱参数之间的关系,发现多数波参数之间存在显著的相关性,但受波浪浅水变形影响,各参数之间的比值与理论深水关系有所区别。本文的研究成果可为沿海建筑物的设计以及防灾减灾提供参考和依据。     

唐山近海海域波浪要素特征分析

本文基于唐山近海海域1#、2#浮标2017年4月至11 月实时海浪观测数据及部分风速风向数据, 对唐山近海海域波浪有效波高、有效波向、有效波周期等波参数特征进行了统计分析, 并利用origin 软件对波参数与风速、风向相关性进行了研究。研究结果表明： 1#、2# 浮标海域常浪向为SSW、SW、SSE, 常浪向有效波高均以0.2 ～ 0.4 m 小浪及3 ～ 4 s 短周期为主,有效波高1 m 以上较大波浪极少出现; 该海域波浪以风浪为主, 波浪破碎速度较快, 有效波高与风速相关性较强, 相关系数r 为0.71, 风向与波向、有效波高与周期基本无相关性, 该研究资料可为海上活动及防灾减灾提供技术依据。     

黄河口海域特征波浪要素比的分析

本文利用黄河口海域的风浪观测资料用统计方法分析了波浪要素的特征比,在统计意义下得到了不同波要素之间的比值关系和它们之间的相关关系。从比值关系看,它们的比值分散在一定的数值范围内。从相关关系看,特征波高之间的相关性较特征波周期之间的相关性好一些。特征波高之间的相关系数都大于０９;特征波周期之间的相关系数都大于０６。平均波高和平均周期的平方之间的比例系数为００３３８,大于石臼海区得到的结果,与“海洋水文规范”中规定的数字较接近     

海口湾海域波浪特征分析

通过在海口湾北部海域布置波浪观测站,对采集到的实测波浪资料进行统计和波谱分析,研究了琼州海峡波浪季节性变化特征。观测期间最大波高为5.6 m,发生在台风"莎莉嘉"经过期间。无台风影响的月份最大波高为3.0 m。年平均十分之一大波波高、年平均有效波高、年平均波高分别为0.5 m、0.4 m、0.3 m,该海域波高总体不大。波周期范围主要在2～7 s区间。研究结果表明:1)观测海区各月基本都受到东北风影响并存在东北向的波浪; 2)发现海区波浪类型主要是风浪为主的混合浪; 3)发现观测海区一直受到南海传入的长周期波影响; 4)海区风向与浪向的一致性在东北季风影响时段明显强于西南季风影响时段,风速与波高的相关性在东北季风影响时段明显强于西南季风影响时段,该现象在台风月份表现得尤其明显。     

风浪波高间相关性和在波群中波高累积概率

通过分析实验室风浪资料,研究风浪波高间的相关性以及波群中波高累积概率问题,发现风浪波高间相关性虽然主要发生在相邻波之间,但在隔1个波和隔2个波的波高间仍存在一定的相关性。谱宽度对波高间的相关性产生影响,但在相邻波、隔1个波和隔2个波情形下,谱宽度对波高间的相关性的影响方式不同。在相邻波情形下,谱宽度主要影响较大波高间的相关性,对各种高度波高间的总体相关性影响很小。而在隔1个波和隔2个波情形下,谱宽度对各种高度波高间的总体相关性有明显影响。根据实验结果提出含有波高相关因子的波群中多个波波高累积概率分布。     

波致应力的近似求解及其太平洋特征分析

基于波致应力计算中对海浪谱和波浪增长率公式的敏感性分析,选择适当的波致应力近似求解方法,计算和探讨了太平洋波致应力的时空分布特征。敏感性分析中,选择了4种常用的波浪增长率公式和3种经验解析海浪谱。推导了计算波致应力的单波公式,并将其与JONSWAP谱积分公式和Elfouhaily谱积分公式进行比较,同时使用了由风速和有效波高资料构造的Elfouhaily谱积分公式计算太平洋波致应力。结果表明:Belcher等(1993)的波浪增长率计算公式估算的波致应力与实验数据吻合度较好,同时适用ERA-interim数据;当波龄小于1.2时运用Elfouhaily谱积分公式更合适,当波龄大于1.2时运用单波公式更快速有效;太平洋的波致应力分布与风场之间存在明显的相关性;2009年1月、4月、7月和10月太平洋波致应力的季节性特征分析表明四个季节的西风带波致应力较其他地区都更强盛,而在时间变化上1月和10月为波致应力整体较为强盛的时期。     

海岸波浪多次破碎波能耗散模型

在坡度很缓(接近或小于1∶100)的海岸,波浪在向海岸传播的过程中,可能经历多次破碎,而在两次波浪破碎之间将伴随着波浪恢复(波浪恢复到不破碎状态)。在现有海岸波高计算模型中,波浪破碎是通过波能耗散来模拟的,但所采用的波能耗散模型都不能自动考虑波浪出现多次破碎的过程,特别精确模拟这一过程中出现的波浪恢复。本文提出了解决这一问题的新的波能耗散模型,模型的建立是通过在Dally模型中重新建立稳定波能、饱和波高水深比和波能耗散系数,并引入了波浪恢复的判断条件实现的。该模型的波能耗散在波浪恢复区的值很小故能描述波浪恢复区的波浪运动。与实验结果的对比表明,新模型可以适合缓坡情况波浪多次破碎的波高模拟,而且对不同坡度的平坡和沙坝海岸(1∶100～1∶10)的破碎波模拟都可以给出与实验结果符合的结果,并且可以自动识别多次波浪破碎的存在和波浪恢复的发生。     

可控深水破碎波的实验室生成方法研究

实验室一般采用波浪聚焦方法生成深水破碎波,通过各组分波浪的波幅叠加生成一个波高显著增大的大波,使其波陡超过极限波陡发生破碎。利用该方法生成深水破碎波浪的破碎次数通常并不唯一,导致波浪破碎后的流场特征不明显;造波参数不易于选取导致研究工况的设置难度大,直接影响深水破碎精细化实验的效果和效率。本文采用聚焦波理论计算波面,并利用上跨零点法定义的波高和波长计算理论波陡,结合物理模型实验统计波浪沿程破碎次数与剧烈程度,研究以JONSWAP谱为造波输入谱型时,聚焦波幅、谱峰频率、频宽等造波输入参数对于波浪破碎情况的影响,从而建立深水波浪破碎次数与造波输入参数之间的近似定量关系,为实验造波参数的选取提供参考,提高实验效率。     

基于三种测波方法的实测数据对比分析

近海海洋工程波浪观测中较为广泛使用的测波方法主要包括压力式测波、声学测波和重力式测波等。三种观测方法各有优势,需根据历史资料、地理环境和任务目的设计合理的观测形式,可以选择一种或多种形式组合的形式,以达到最佳的观测效果。使用GPS测波浮标、AWAC声学海流/波浪测量仪和TWR-2050压力式波潮仪的实测资料进行了对比分析,结果显示,测波浮标与AWAC所测数据相关性较一致;TWR压力波潮仪与AWAC测量的波高趋势基本一致,但周期短、波高小的海域和时间段测量准确度较差。     

A Spectral Approach for Determining Altimeter Wind Speed Model Functions

We propose a new analytical algorithm for the estimation of wind speeds from altimeter data using the mean square slope of the ocean surface, which is obtained by integration of a widely accepted wind-wave spectrum including the gravity-capillary wave range. It indicates that the normalized radar cross section depends not only on the wind speed but also on the wave age. The wave state effect on the altimeter radar return becomes remarkable with increasing wind speed and cannot be neglected at high wind speeds. A relationship between wave age and nondimensional wave height based on buoy observational data is applied to compute the wave age using the significant wave height of ocean waves, which could be simultaneously obtained from altimeter data. Comparison with actual data shows that this new algorithm produces more reliable wind speeds than do empirical algorithms. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Determination of Ocean Wave Period from Altimeter Data Using Wave-Age Concept

This study makes use of the concept of wave age in estimating ocean wave period from space borne altimeter measurements of backscattering coefficient and significant wave height. Introduction of wave age allowed better accounting of the difference between swells and wind waves. Using two years (1998 and 1999) data of TOPEX/Poseidon altimeter and ocean data buoy observations in the Indian Ocean, coefficients were generated for wave period, which were subsequently tested against data for the years 2000 and 2001. The results showed the wave period accuracy to be of the order of 0.6 sec (against 1.3 sec obtained with the semiempirical approach, reported earlier).     

Determination of Ocean Wave Period from Altimeter Data Using Wave-Age Concept

This study makes use of the concept of wave age in estimating ocean wave period from space borne altimeter measurements of backscattering coefficient and significant wave height. Introduction of wave age allowed better accounting of the difference between swells and wind waves. Using two years (1998 and 1999) data of TOPEX/Poseidon altimeter and ocean data buoy observations in the Indian Ocean, coefficients were generated for wave period, which were subsequently tested against data for the years 2000 and 2001. The results showed the wave period accuracy to be of the order of 0.6 sec (against 1.3 sec obtained with the semiempirical approach, reported earlier).     

Drag Coefficient,Dynamic Roughness and Reference Wind Speed

Surface waves are the roughness element of the ocean surface. The parameterization of the drag coefficient of the ocean surface is simplified by referencing to wind speed at an elevation proportional to the characteristic wavelength. The dynamic roughness is analytically related to the drag coefficient. Under the assumption of fetch limited wave growth condition, various empirical functions of the dynamic roughness can be converted to equivalent expressions for comparison. For datasets covering a wide range of the dimensionless frequency (inverse wave age), it is important to account for the variable rate of wave development at different wave ages. As a result, the dependence of the Charnock parameter on wave age is nonmonotonic. Finally, the analysis presented here suggests that the significant wave steepness is a sensitive property of the ocean surface and a single variable normalization of the dynamic roughness using a wavelength or wave height parameter actually produces more robust functions than bi-variable normalizations using wave height and wave slope.     

基于浮标站和ERA5 再分析资料的浙江沿海台风浪特征分析

为了分析台风影响下浙江沿海风和浪的演变特点，利用浙江省海洋浮标站监测数据和欧洲中期天气预报中心第五代全球气候大气再分析数据（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis v5，ERA5），选取2010年以来严重影响浙江的7次台风个例，对台风作用下浙江沿海海面风和浪的演变特点进行分析。结果表明：在台风影响过程中，海浪波型多数呈现混合浪-风浪-混合浪的演变规律；涌浪波型的出现与台风强度及其与浮标站的距离和方位有关，也与海洋潮汐现象紧密相关。台风影响期间，浙江沿海浪高的变化受风速和风向共同作用影响。在风向不变的情况下，持续风速增大对浪高的增大有明显作用；风向的变化也会对浪高变化产生影响，向岸风和离岸风的转变会造成浪高出现剧烈变化。ERA5 再分析资料有效波高在台风浪较大时会呈现偏小的趋势，分析订正后的ERA5 有效波高发现，台风浪有效波高大值区与台风中心位置相关。研究结果可为严重影响浙江沿海的台风浪预报服务提供参考。     

海南东方近岸海域海浪观测特征研究

利用海南东方近岸海域2014年至2015年间一整年的海浪观测资料, 分析了海浪的时间变化特征。观测时间段内, 有效波高最大值为4.03m, 平均值0.79m; 平均周期最大值为6.32s, 平均值为3.58s。该海域冬季波高较大, 秋季最小, 常浪向为SSW方向, 强浪向为WSW向。基于该长期观测数据, 文章亦研究了平均周期、有效波高之间的关系, 同时还确立了该海域波高与平均持续时间之间的关系。最后讨论了观测时间段内波浪能流密度的变化特征, 发现一年中能流密度大于2kW·m^-1的频率为26%, 且从全年的计算结果来看, 观测位置处12月的波浪能较适宜开发, 但总体波浪能资源不够丰富。文章对于认识海南东方近岸海域波浪特征以及工程设计都具有重要的意义。     

大洋波浪特征：西太平洋波浪调查研究报告

本文分析了西太平洋实测的波高分布、同期分布、波高和周期的联合分布,以及波谱的分析。分析结果指出,大洋波浪的波高和周期都大于近海波浪的波高和周期。分布特征也不同于近海。波浪多属混合浪,会出现典型的双峰谱。     

有界赤道大洋波包解及其年际年代际变率

Linearized shallow water perturbation equations with approximation in an equatorial β plane are used to obtain the analytical solution of wave packet anomalies in the upper bounded equatorial ocean. The main results are as follows. The wave packet is a superposition of eastward travelling Kelvin waves and westward travelling Rossby waves with the slowest speed, and satisfies the boundary conditions of eastern and western coasts, respectively.The decay coefficient of this solution to the north and south sides of the equator is inversely proportional only to the phase velocity of Kelvin waves in the upper water. The oscillation frequency of the wave packet, which is also the natural frequency of the ocean, is proportional to its mode number and the phase velocity of Kelvin waves and is inversely proportional to the length of the equatorial ocean in the east-west direction. The flow anomalies of the wave packet of Mode 1 most of the time appear as zonal flows with the same direction. They reach the maximum at the center of the equatorial ocean and decay rapidly away from the equator, manifested as equatorially trapped waves. The flow anomalies of the wave packet of Mode 2 appear as the zonal flows with the same direction most of the time in half of the ocean, and are always 0 at the center of the entire ocean which indicates stagnation, while decaying away from the equator with the same speed as that of Mode 1. The spatial structure and oscillation period of the wave packet solution of Mode 1 and Mode 2 are consistent with the changing periods of the surface spatial field and time coefficient of the first and second modes of complex empirical orthogonal function(EOF)analysis of flow anomalies in the actual equatorial ocean. This indicates that the solution does exist in the real ocean, and that El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) and Indian Ocean dipole(IOD) are both related to Mode 2.After considering the Indonesian throughflow, we can obtain the length of bounded equatorial ocean by taking the sum of that of the tropical Indian Ocean and the tropical Pacific Ocean, thus this wave packet can also explain the decadal variability(about 20 a) of the equatorial Pacific and Indian Oceans.     

风暴潮对海浪影响的数位研究

采用第三代海浪模式和线性全流风暴潮模式计算封闭海域内风暴潮对风浪的影响。海浪模式中包含水深变化及平均流变化引起的波浪绕射项。计算了不同风速和不同静水深情况下风暴潮引起的风浪波南的变化。计算结果表明：静水深为１０ｍ及风速为３０ｍ／３时，风暴潮引起的风浪波高的相对变化的最大值达３９％；而静水深超过４０ｍ时，即使风速为４０ｍ／ｓ，风暴潮引起的风浪波高的相对变化的最大值小于５％。