外观海浪谱的比较和验证

不同于通常意义下的海浪谱(以下简称为“内频谱”),外观海浪谱描述的是海浪能量随外观频率的分布,它可以依据表征海浪外观统计特征的波高与调期联合分布从理论上确定.本文在Huang、孙孚等已有工作的基础上,对外观海浪谱进行了较为深入的研究.首先,纠正了Huang等论文中的某些错误,并将Huang、孙孚等据不同的联合分布导出的外观海浪谱进行比较;然后,分别计算这两种外观海浪谱的前三阶矩,并与内频谱的矩进行比较;最后,用实验和现场资料对从理论上导出的外观海浪谱进行验证.结果发现,当谱宽度v≤0.3时,外观海浪谱矩与内频谱矩差异很小,理论谱形与实测结果也非常接近.因而,在实际问题的应用中,若谱宽度不大,则就可以用本文讨论的外观海浪谱去替代目前从理论上尚不能得到的通常意义下的海浪谱.     

数值模拟波面外观海浪谱在计算浅水波要素中的应用

文中假定海面实际的海浪是由大小、周期、形状各异的一群外观海浪所组成,或者说是以外观海浪谱的外观表现来反映海面实际海浪的。还假定,每个外观海浪独立传播,独自受浅水作用,并不相互作用。据上述两点假定,作者提出了一种计算浅水波要素的方法。通过计算实例指出,在狂涛中,依本方法计算的平均波高比按我国“规范”方法计算的平均波高要偏低,而在狂浪以下海况中,则可能相反。应用本方法还可以得到一些“规范”方法无法得到的结果——浅水处的外观海浪谱与破碎带。     

均匀介质n维随机波动的空间结构

研究了均匀介质中n维随机波动的空间结构.导出了外观振幅、波数和相位的联合分布,据此分布,所有与空间有关的波要素的统计分布皆可导出.定义了外观波数谱并得到了其平衡区指数的上界为一(n+2).二维时,海浪外观波数谱平衡区指数的上界与Phillips通过动力学分析导出的Fourier波数谱平衡区指数完全一样.     

海浪外观谱及其平衡域

定义了海浪能量的广义或n阶外观分布,导出了n阶海浪外观谱的解析形式,讨论了n阶外观谱的平衡域.结果表明,n阶外观谱的平衡域指数为-(3+n);平衡域指数上界为-3.任何波动现象,只要Fourier迭加原理和射线理论对它们的描述足够准确,则本文的结论皆成立.     

基于三阶斯托克斯波的谱估计及海浪数值模拟研究

为了拓宽建立深水非线性海浪频谱模型的研究途径,基于三阶斯托克斯波理论,提出了以改进的三阶斯托克斯波为组成波,以修正的自回归模型(AR)谱估计方法得到的估计谱(简称新谱)为靶谱的非线性海浪模型。通过基于模拟频谱和相位谱反演海浪波面高度时间序列(以下简称海浪时历反演方法)的谱比较方法验证了新谱的优越性,为从根本上解决精确评估海浪谱提供了技术支撑,对于增强未来掌控海战场具有重要意义。     

均匀介质n维随机波动的空间结构

研究了均匀介质中ｎ维随机波动的空间结构．导出了外观振幅、波数和相位的联合分布,据此分布,所有与空间有关的波要素的统计分布皆可导出．定义了外观波数谱并得到了其平衡区指数的上界为一（ｎ＋２）．二维时,海浪外观波数谱平衡区指数的上界与Ｐｈｉｌｌｉｐｓ通过动力学分析导出的Ｆｏｕｒｉｅｒ波数谱平衡区指数完全一样。     

星载高级合成孔径雷达波模式算法及其反演数据精度验证

搭载在欧洲环境卫星(ENVISAT)上的高级合成孔径雷达(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)二级波模式数据提供了诸多海浪信息包括有效波高、波向、波长和二维海浪谱等,在海浪预报模式中具有重要作用。本文拟利用浮标观测数据对ASAR波模式算法及其反演数据精度进行对比验证。由于SAR卫星在海面的特殊成像机制,不同海况下会有不同的测量结果,通过与美国国家浮标中心(NDBC)的浮标数据对比,显示ASAR有效波高在高海况下低估和在低海况下高估的现象,在中等海况下的测量结果较优。通过研究ASAR数据集中对应的海浪谱,按照能量与方向分布可分为四种类型:单一方向海浪谱(Ⅰ类谱),180°方向模糊海浪谱(Ⅱ类谱),海浪两个方向且能量分布杂乱(Ⅲ类谱),多个传播方向且谱型杂乱海浪谱(Ⅳ类谱)。探究在不同类型下的海浪参数的精度,结果表明在单一波向正常海浪谱情况下,有效波高、波向与浮标数据一致性较好,存在180°方向模糊的对称海浪谱仅有效波高精度较高,谱型杂乱的海浪谱海浪有效波高和波向反演结果均较差。     

海浪外频谱的一种表示

基于孙孚提出的海浪波高与外观频率的联合概率分布及海浪能量的外观分布概念，定义了一种新的外观分布，导出了其外频谱的解析形式，并讨论了它的一些性质。结论表明，本文提出的外频谱在高频处比例于外观频率的负4次方，与通常海浪频谱的高频特征相同，但不同于孙孚导出的负5次方的结论；二阶矩与海浪频谱的二阶矩完全相同，此结论亦与孙孚导出的结果不同。     

1156测波仪资料的外方向谱计算方法研究

基于海浪的外观特征提出了一个用1156测波仪资料计算海浪外方向谱的方法，并与S4测波仪同步资料的海浪外方向谱进行了比较，得出1156外方向谱、S4外方向谱和1156方向谱三者主波向的一致性在80％以上。两种外方向谱的谱图也极为相似。1156海浪外方向谱80％能量展角大于S4海浪外方向谱80％能量展角，这可能与1156测波仪受海面风和表层流影响较大有关。分析说明1156与S4的海浪外方向谱其代表性都是可以肯定的，且方法简单、实用，很有必要与直接观测的外方向谱进行比较，以确定这种计算方法的实用价值。     

X波段雷达海面回波谱宽特征研究

海面电磁回波频谱宽度与海浪波高密切相关,可应用频谱宽度进行海浪有效波高反演。本文应用线性滤波法仿真出了海表散射面元在雷达视向上的投影速度,建立了回波谱宽模型,分析了雷达空间分辨率、回波时间序列长度及海洋环境参数等因素对频谱宽度的影响,同时还针对如何在实际观测过程中选择回波时间序列长度、观测方位角等参数进行了讨论。最后还将理论结果与CSIR-X波段雷达实测数据谱宽估计结果进行了比较。结果表明,剔除雷达噪声以及频率泄露的影响后,基于高斯分布标准偏差的谱宽估计方法所得结果与理论结果吻合很好,这从而证明了理论结果的可靠性。本文所得结果对海浪有效波高反演具有一定参考价值。     

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.     

风浪槽内风浪外频谱谱形的一些特征

利用实验室风浪槽内测得的波面序列资料估计风浪外频谱。通过与实测风浪内频谱的比较,研究实测风浪外频谱的谱形特征,探讨海浪外频谱与内频谱的相似性问题。此外,还检验一种理论海浪外频谱。     

Outer frequency spectrum of sea waves and its equilibrium range

Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒｄｅｆｉｎｅｓｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄａｐｐａｒｅｎｔｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｄｅｒｉｖｅｓｔｈｅａｎａｌｖｔｉｃａｌｆｏｒｍｏｆｔｈｅｓｏ－ｃａｌｌｅｄｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｏｕｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｃｔｒｕｍｏｒｎｔｈｏｒｄｅｒａｐｐａｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｃｔｒｕｍ．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｇｅｎ－ｅｒａｌｉｚｅｄｏｕｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｃｔｒｕｍｈａｓａｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｒａｎｇｅｗｉｔｈａｎｅｘｐｏｎｅｎｔ（ｎ＋３）ａｎｄｔｈｅｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔｏｆｔｈｅｅｘ－ｐｏｎｅｎｔｉｓ－３．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒａｒｅｕｎｉｖｅｒｓａｌａｎｄａｒｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｆｏｒａｎｙｏｔｈｅｒｗａｖｅｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｆｔｈｅｒａｙｔｈｅｏｒｙｏｆｗａｖｅｓａｎｄｔｈｅＬｏｎｇｕｅｔ－Ｈｉｇｇｉｎｓ，ｌｉｎｅａｒｒａｎｄｏｍｗａｖｅｍｏｄｅｌａｒｅｅｘａｃｔｅｎｏｕｇｈｆｏｒｔｈｅｉｒｄｅｓｃｚｉｐｔｉｏｎ．     

以海浪波要素表示的外频谱形式

孙孕等（１９９４）提出了外频谱的概念,并推导出外频谱的理论形式,但其控制参量是由内频谱导出的,不便于实际应用,通过对实测海浪数据的分析,得到了控制外频谱的３个和内频谱有关的参量与波浪要素之间的关系,进而将外频谱表示以有效波高和有效波周期作为控制参量的形式,应用实测资料将本文得到的外频谱形式与理论外频谱进行了比较,发现二者符合良好。     

基于人工神经网络的高频雷达风速反演

风速是重要的海洋状态参数之一,对海面风速的准确提取是实现海洋环境监测和沿海工程应用的重要保证。目前,作为新兴海洋环境监测设备,高频雷达在风速提取方面仍然存在挑战。本文提出了一种基于人工神经网络的风速提取方法,利用历史浮标测量海态数据训练风速提取网络,实现风速与有效波高、波周期、风向及时间因素之间的非线性映射。测试结果表明了这一网络在时间和空间上的稳定性;进而将已训练的网络应用到便携式高频地波雷达OSMAR-S的风速反演中,得到的风速与浮标测量风速间的相关系数达到0.849,均方根误差为2.11 m/s。这一结果明显优于常规由浪高反演风速的SMB方法,验证了该方法在高频雷达风速反演中的可行性。     

Response Characteristics of Load on Vessels in Waves

Considering the requirement of direct design and fatigue test for ships and floating structures byuse of FEM technique,a computational procedure of spectral analysis for wave load on the hull surface is de-veloped in this paper.The response of hydrodynamic pressure on the body surface to a designated sea state forships and floating structures is calculated by use of the revised strip method with the hull bound perturbationflow concept.The spectral function of wave load for the defined point on the body surface can be determinedfrom the Wiener-Khinhin theorem and the characteristic load value can be also obtained from spectral mo-ment analysis.A container ship is taken as a computational example and the sample of wave load with a cer-tain probability and corresponding encountered frequency is provided.     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

An efficient focusing model for generation of freak waves

Based on the Longuet-Higgins wave model theory, the previews studies have shown that freak waves can be generated in finite space and time successfully. However, as to generating high nonlinear freak waves, the simulation results will be unrealistic. Therefore, a modified phase modulation method for simulating high nonlinear freak waves was developed. The surface elevations of some wave components at certain time and place are positive by modulating the corresponding random initial phases, then the total surface elevation at the focused point is enhanced and furthermore a freak wave event is generated. The new method can not only make the freak wave occur at certain time and place, but also make the simulated wave surface time series satisfy statistical properties of the realistic sea state and keep identical with the target wave spectrum. This numerical approach is of good precision and high efficiency by the comparisons of the simulated freak waves and the recorded freak waves.     

论运动坐标系中的海浪谱

基于Galieo变换，导出了运动坐标系与静止坐标系中海浪谱间的关系。由于海浪是频散的，两者间的关系是频率相关的。运动坐标系中的海浪频谱是与静止坐标系中的海浪方向谱相联系的。以文氏谱作为静止坐标系中的海浪频谱，给出了不同速度下运动坐标系中的海浪频谱。