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.     

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。     

第5章 耦合混合(型)模式

5.1 风浪谱 由经验可知,处于成长状态的风浪谱,在各种风浪生成条件下,往往有着大致一样的谱形。此一事实可促使对风浪谱进行参数描述。谱的分布只是随频率及能量的尺度不同而异,若用g和局部风速U或者摩擦速度u_*进行无因次化处理,还可进一步发现频率及能量两个尺度参数间的近似关系。因此,成长风浪谱在一阶近似下便可由一个无因次变量来表征,如无因次能量E~*=Eg~2u_*~(-4),所有其它无因次变量,诸如无因次峰频f_p~*=u_*f_p/g及Phillips“常数”α,便可随之确定。E~*与充分成长能量E_∞~*之比,则提供了风浪“年令”的唯一量度。     

风浪谱的形式的再探讨

在现有风浪理论中,如Sverdrup与Munk的有效波理论,的三维风浪理论,Pierson与Neumann的波谱理论和文圣常的普遍风浪谱理论,对于尚处在同时随风区和风时成长的风浪的处理存在着一个共同的缺陷,即都将此阶段的风浪处理为或相对于风区或相对于风时成长。为弥补这一不足,本文作者曾于1962年沿用文氏提出的波谱-能量方法导出一同时受制于风区和风时成长的谱。可是,这种谱具有较大的经验性,且在确定谱中组成波的涡动粘滞系数时,用了一个不全是符合风浪实际的经     

一个偶合离散海浪模式

本文讨论的海浪模式(以下简称CDWM)结合了计算风浪过程的参数化方法和处理涌浪过程的离散化方法的优点,并且还包含了涌浪和风浪之间的相互转化。波浪成长过程包括从风场中的能量输入、波浪破碎以及底摩擦引起的能量耗散,并在波浪的传播过程中考虑了非均匀海底引起的波浪折射。     

大洋中涌浪对风浪能量的影响

由于涌浪与风浪在特征物理参量及成长、衰亡上的显著不同,区分风涌浪以及研究涌浪对风浪的影响尤为重要。本文使用2013年及2015年大洋中的WaMoSⅡ测波雷达观测数据,研究了涌浪对风浪能量的影响。由于测波雷达仅使用了9s的有效周期作为谱分离判据,其所得风浪有效波高显著高于PM谱充分成长关系给出的波高。因此本文结合2D法与1D法,加入风速、风浪夹角、波龄等要素给出新的判据,重新对风、涌浪进行了分离。通过对比不同的波龄判据,发现当波龄取1.5时,所得结果与PM谱吻合良好。以Toba-3/2定律为基础,研究了不同类型涌浪对风浪能量的影响。发现三种类型涌浪存在时,风浪能量及有效波高整体上都有所增加,其中尤其以反向涌浪存在时增加最多。     

风浪生成机制的研究进展

风将能量输送至海洋,一部分进入海流,另一部分则传递给海浪。风浪生成是海浪研究中最基础的问题之一,其生成机制均基于"共振"和"平行流不稳定性"这两个概念,但由于理论的不完备性,迄今为止,仍有大量的研究对其进行补充与完善。作为风浪研究中重要的科学难题,适当地回顾风浪生成机制的发展是极其重要的。因此,由此出发,简要回顾了风浪生成理论的发展,系统地阐述了主要的风浪生成机制:Jeffreys遮拦理论、Phillips共振机制和Miles剪切流不稳定性机制,从物理现象出发,利用数学方法进行表达,并讨论了能量传递等问题。结果表明:各种风浪成长机制具有自身的适用性和局限性,应针对不同的风浪成长阶段,加以运用;并且,风于临界层高度损失的能量并未完全进入海洋,这可能与风的湍流耗散等有关。     

台湾海峡台风浪动力特征和模型方法研究

通过风速和波浪的同步浮标观测数据,对3个台风过境期间台湾海峡内的台风浪动力机制和特征描述方法进行了分析研究。研究表明:台湾海峡内的台风浪具有明显的风浪成长特征,强烈的波波非线性相互作用引起的高低频能量交换是其主导机制。通过拟合方法给出了台风浪有效波高的模型关系,对台风浪灾害的预警报分析具有实际应用价值。     

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。     

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。     

Analysis of Energy Overshoot of High Frequency Waves with Wavelet Transform

—A study is made on the overshoot phenomena in wind-generated waves.The surface displace-ments of time-growing waves are measured at four fetches in a wind wave channel.The evolution of highfrequency waves is displayed with wavelet transform.The results are compared with Sutherland's. It isfound that high frequency wave components experience much stronger energy overshoot in the evolution.The energy of high frequency waves decreases greatly after overshoot.     

论风浪的局域结构──Ⅰ.风浪的局域结构与局域小波能谱

基于小波变换,引入了能刻画风浪局域结构的局域小波能谱。论述了风浪的整体结构与局域结构。指出了在不同时间尺度上,风浪具有不同的局域化特征。提出了风场演化过程中整体的共振在线性相互作用是否存在的质疑。     

基于小波变换的畸形波海况时频分析研究

在随机海浪条件下,基于修正的四阶非线性薛定谔方程(m NLS)能够有效地模拟畸形波的非线性演化,文中利用小波变换对演化过程进行分析,并对时频谱特征参数(能量集中区域在时域和频域的分布范围)以及能量集中度进行了定量描述,结果表明,当畸形波出现时,能量可以由低频向高频扩散且能量集中度相对较大。     

变浅作用下的长周期重力波的实验研究

利用大型水槽设计了在由深水到近岸不同坡度处海浪在变浅作用下诱导产生的长周期重力波的实验。正态随机海浪在深水生成并沿斜坡向浅水传播,记录了不同水深处波面高度随时间的变化过程并进行统计分析和谱分析。实验数据分析结果表明,长周期重力波的能量随着水深的变浅而增高,其谱锋频率位于0.2~0.3fp附近,这里fp是深水正态海浪过程的谱峰频率。长周期重力波的能量与入射波的能量比与波面高度分布的偏度密切相关。进一步分析了两种波动的能量谱峰值比和波面高度分布偏度的相关关系,获得了经验关系,为预测近岸浅水长周期重力波提供了科学依据。     

论风浪的局域结构──Ⅱ.风浪局域小波能谱的性质及应用

引入了局域小波能谱的局域间歇性度量,分析了不同风速下的风浪资料,结果表明,局域小波能谱可依局域频率分为三部分。风浪的群性在三维局域小波能谱图像下显示得更为明显,与风浪有关的一切性质都是局域的,包括风浪的群性。讨论了局域小波谱峰值与谱峰频率的涨落,指出了前者在工程设计中的重要意义,并发现了后者与风浪破碎有关的两种非线性现象。     

Laboratory study of deep-water breaking waves

In an attempt to elucidate the mechanics of deep-water wave breaking, a variety of breaking waves, including spilling and plunging waves, of different length scales and geometries was studied. The waves were generated through wave-wave interactions using wave packets with constant-steepness components, constant-amplitude components, and also components following the Pierson-Moskowitz distribution. Wave steepening prior to breaking were found to cause an increase in the high frequency spectral slope of the wave spectrum. The slopes were correlated to the type of breaking and the intensity of the breaking. The energy loss through breaking varied with the spectral characteristics of the wave packet. On the other hand, it was also noted that, irrespective of the wave packet, the losses were from the higher frequency end of the first harmonics.     

浅滩地形上波浪破碎对低频波能放大的影响

低频长波对港湾共振、泥沙输运、波浪爬高与越浪等过程有重要影响。采用非静压模型SWASH模拟了不规则波在浅滩上的传播及破碎过程,重点探讨了滩顶短波破碎程度对低频波能演变的影响。模拟结果显示,当滩顶短波处于临界破碎状态时,低频波能流沿浅滩持续增长,浅滩对低频长波的放大效应（滩后与滩前低频波能流之比）显著;当滩顶短波轻微破碎、破波仅发生在外破波区时,低频波能流的沿滩增长率进一步变大;当滩顶短波剧烈破碎、破波延续到内破波区时,低频波能流沿滩先增长而后转为衰减,滩后放大率较临界破碎时明显减小。研究结果表明,浅滩顶部水深改变了短波破碎程度,进而影响低频长波的演化过程,浅滩上长波总体增长率随滩顶水深的减小呈现先增大后减小的规律,在短波轻微破碎时最大。     

Statistical characteristics of individual waves in laboratory wind waves I. Individual wave spectra and similarity structure

Statistical characteristics of individual waves in laboratory wind waves have been studied by use of a wind-wave tunnel. The individual waves are defined by actual undulations of the water surface at any instant, and are characterized by concentrated shearing stress and strong vorticity at their crests. A conspicuous self-similarity structure is found in the individual wave field. The similarity manifests itself as a simple spectral form, and as the statistical 3/2-power law between nondimensional wave height and wave period, and further as the -1/2-power relationship between nondimensional phase speed and frequency, for waves of the high frequency side. The normalized energy spectrum, specially defined for individual waves, has a form practically equivalent to the traditional spectrum for component waves in the main frequency range from 0.7 to 1.5 in the frequency normalized by the peak frequency, but does not have secondary peaks at harmonics. The phase speed of individual waves also coincides with that of component waves in the main frequency range.     

Temporal Variability of High Vertical Wavenumber Shear over the Izu-Ogasawara Ridge

Recent numerical studies (Hibiya et al., 1996, 1998, 2002) showed that the energy cascade across the internal wave spectrum down to small dissipation scales was under strong control of parametric subharmonic instabilities (PSI) which transfer energy from low vertical mode double-inertial frequency internal waves to high vertical mode near-inertial internal waves. To see whether or not the numerically-predicted energy cascade process is actually dominant in the real deep ocean, we examine the temporal variability of vertical profiles of horizontal velocity observed by deploying a number of expendable current profilers (XCPs) at one location near the Izu-Ogasawara Ridge. By calculating EOFs, we find the observed velocity profiles are dominated by low mode semidiurnal (∼double-inertial frequency) internal tides and high mode near-inertial internal waves. Furthermore, we find that the WKB-stretched vertical scales of the near-inertial current shear are about 250 sm and 100 sm. The observed features are reasonably explained if the energy cascade down to small dissipation scales is dominated by PSI.