Outer frequency spectrum of sea waves and its equilibrium range

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

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.     

星载合成孔径雷达海浪图像谱仿真研究

利用Hasselm ann 的完全非线性积分方法对文氏海浪谱的星载合成孔径雷达(SAR)图像谱进行了仿真研究。结果表明: (1) 在星载SAR海浪成像过程中, 速度聚束调制远比水动力调制、倾斜调制和距离向聚束调制重要;(2) 图像谱有180°的方向模糊和方位向的高波数截断,距离向传播海浪的图像谱存在双峰现象; (3) 不同极化方式和雷达视向的选取对图像谱无明显影响, 因而对于海浪的星载SAR遥感而言, 可以采用单一极化和单一视向。对于不同成长状态的风浪而言, 以上结果保持不变。     

基于波谱密度特性的海浪仿真研究

基于密闭液体的体积变化导致压力变化的特性,研制出了一种高响应、高精度的海浪仿真器,能够模拟海浪对任意水深处的影响作用。在保持微小频率段内总能量相等的条件下,通过规则波的合成,获得了描述已知波谱密度的海浪,并由海浪仿真器模拟出了任意水深处所受到的海浪作用,频谱分析表明模拟海浪具有与真实海浪相一致的波谱密度特性。     

波浪反射系数谱的特征分析

应用斜向不规则波反射系数的改进两点法(MTPM),用模型试验研究了混凝土护面堤和块石护面堤波浪反射系数的频率谱和方向谱,结果表明,分析的反射系数随入射波频率的增加、结构坡度的减小和入射角的加大而减小.给出了波浪反射系数频率谱及其随Iribarren数变化的规律,提出了反射系数三维谱的经验公式,由此可定量地描述斜向不规则波的反射系数随无量纲特征参数Iribarren数和入射波角度的变化规律.     

旋转层化二维海洋波动连续谱的波包特征分析

对旋转层化二维海洋波动中重力惯性波和涡旋波连续谱波包的结构以及演变特征作了计算和分析,并得到以下结论:这两类波动的结构与演变各不相同。连续谱波包的演变不但依赖基本场的分布,而且还依赖初始扰动的结构。根据初始场的不同,扰动可衰减,也可先增长、再衰减,有时增长还很大,但其最终是衰减的。连续谱波包的结构随时间变化,然而构成该波包的连续谱其结构则不随时间变化,这是两者的最大差异。连续谱波包的上述演变特性表明,在有限时段扰动的演变中连续谱是不能被忽略的,在海洋波动演变中连续谱和离散谱的作用均须予以考虑和重视。     

斋堂岛东南海域波浪特征及海浪谱分析

利用斋堂岛东南海域2013年至2014年的实测波浪资料,统计分析了本海域波浪特征,为波浪能资源评估提供基本波浪参数。统计结果表明,本海域年平均有效波高为0.60 m,最大波高为5.30 m,平均周期为3.3 s,最大周期为8.3 s,常浪向为E-SE向。本文亦讨论了本海域波高分布和波高与周期的关系,并基于JONSWAP谱谱型的基本结构,拟合得到适用于本海域的海浪谱谱型,可为海洋能发电装置的布设及相应的工程建设提供一定的参考。     

机载波谱仪海浪谱反演方法及其验证

为了验证波谱仪反演二维海浪谱的功能,根据海浪波谱仪的信号形成机制,总结了机载波谱仪反演海浪的流程。利用机载波谱仪回波数据,通过自相关和互相关两种功率谱估计方法,反演了二维海浪谱。最后通过与浮标测量的二维海浪谱进行对比,验证了该机载波谱仪探测二维海浪谱的有效性。结果表明,无论采用自相关函数还是互相关函数进行功率谱估计,得到的主波波长和有效波高与实际二维海浪谱基本一致。互相关函数法得到的交叉谱能去除180°模糊现象,其在计算有效波高时相对于自相关函数会稍微偏小。在计算斜率方差时可以采用5°~12°入射角范围的后向散射系数进行公式拟合,因此定标与否并不影响最后的二维海浪谱结果,未来星载波谱仪只有靠多波束联合才能实现。     

碟形浮标观测方向波谱误差分析及修正

改进了方向波谱的分析方法及噪声谱经验公式，使本法随测波环境及仪器特性自动修正经验参值，更易于实际应用。基于Maximum heave/pitch quad-spectrum method，由时域及频率域上的浮标动力反应数值计算，推求反应增益因子及相位延迟项，并进一步将其导入方向波谱计算，使其能修正资料浮标对波浪之轴不对称动态反应所造成的相位延迟不一致及主波向误差。经数值仿真验证，该方法的确能消减因资料浮标对波浪之轴不对称动态反应所造成的相位延迟及对主波向估算所造成之影响。应用花莲现场观测资料验证改良之主波向估算方法，得出是否考虑波浪运动与浮标运动间之振幅响应因子及相位延迟因子，所得之主波向的差异介于0－12℃之间。     

锁相波浪场入、反射波方向谱及反射系数估算

通过数模波浪和物模实验，比较分析了估算多向不规则入射波与反射波相互叠加的锁相波浪场方向分布和反射系数方向分布的改进的贝叶斯估计法MBDM和扩展的最大似然法MMLM的性能。数模试验检验了不同波浪条件、不同波浪测量系统和结构物的不同反射特性等情况下的估算结果，同时还比较了两种分析方法的计算速度和稳定性，结果显示，对于波浪的方向分布估计，MBDM优于MMLM，对于反射系数的方向分布估计以及计算速度和稳定性，MMLM优于MBDM。     

海滩体积时空变化和波浪场的奇异谱分析

海滩响应波浪动力作用的变化是海岸带陆海相互作用研究的重要内容.利用奇异谱分解方法对南湾海滩连续实测剖面的体积变化值与南湾逐日波高变化值的相关关系进行了探讨,以诊断分析波浪在海滩变化过程中的内在作用机制,结果表明:(1)海滩体积的时空变化与波浪作用力有明显的相关关系;(2)海滩响应波浪动力作用变化最明显的地方是在中间岸段,在直线岸段次之,在遮蔽岸段最弱;(3)对海滩变化有较强作用的波浪场分别位于近岸及其与上下岬角连线的邻近区域.     

Three-dimensional dynamic sea surface modeling based on ocean wave spectrum

In conventional marine seismic exploration data processing, the sea surface is usually treated as a horizontal free boundary. However, the sea surface is affected by wind and waves and there often exists dynamic small-range fluctuations. These dynamic fluctuations will change the energy propagation path and affect the final imaging results. In theoretical research, different sea surface conditions need to be described, so it is necessary to study the modeling method of dynamic undulating sea surface. Starting from the commonly used sea surface mathematical simulation methods, this paper mainly studies the realization process of simple harmonic wave and Gerstner wave sea surface simulation methods based on ocean wave spectrum, and compares their advantages and disadvantages. Aiming at the shortcomings of the simple harmonic method and Gerstner method in calculational speed and sea surface simulation effect, a method based on wave equation and using dynamic boundary conditions for sea surface simulation is proposed. The calculational speed of this method is much faster than the commonly used simple harmonic method and Gerstner wave method. In addition, this paper also compares the new method with the more commonly used higher-order spectral methods to show the characteristics of the improved wave equation method.     

Satellite-based RAR performance simulation for measuring directional ocean wave spectrum based on SAR inversion spectrum

Some missions have been carried out to measure wave directional spectrum by synthetic aperture radar (SAR) and airborne real aperture radar (RAR) at a low incidence. Both them have their own advantages and limitations. Scientists hope that SAR and satellite-based RAR can complement each other for the research on wave properties in the future. For this study, the authors aim to simulate the satellite-based RAR system to validate performance for measuring the directional wave spectrum. The principal measurements are introduced and the simulation methods based on the one developed by Hauser are adopted and slightly modified. To enhance the authenticity of input spectrum and the wave spectrum measuring consistency for SAR and satellite-based RAR, the wave height spectrum inversed from Envisat ASAR data by cross spectrum technology is used as the input spectrum of the simulation system. In the process of simulation, the sea surface, backscattering signal, modulation spectrum and the estimated wave height spectrum are simulated in each look direction. Directional wave spectrum are measured based on the simulated observations from 0° to 360°. From the estimated wave spectrum, it has an 180° ambiguity like SAR, but it has no special high wave number cut off in all the direction. Finally, the estimated spectrum is compared with the input one in terms of the dominant wave wavelength, direction and SWH and the results are promising. The simulation shows that satellite-based RAR should be capable of measuring the directional wave properties. Moreover, it indicates satellite-based RAR basically can measure waves that SAR can measure.     

基于拟层流风波生成机制的海浪谱模型

海浪谱的能量可以视为由具有不同相速度的谐波携带的能量所组成。基于对风波形成、发展过程的认识,认为各组成谐波的能量由谐波自平均风摄取而来,由此根据拟层流模型推导出谐波能量密度的计算公式,建立以等效风速和峰值频率等为基本参数的海浪谱模型——随机Fourier函数模型,并给出了确定谐波频率、波长、相速度、振幅以及等效风速等模型参数的原则和计算方法。在59个实测样本谱基础上,采用随机建模方法确定模型参数的取值及其概率分布。结果表明,海浪谱模型可以很好地预测谱能,所计算的物理谱与实测谱均值吻合良好。     

由模拟波面分析双峰谱型海浪的统计特征

采用目前国际上最新的随机波分析方法,由协方差矩阵的循环嵌套技术,对美国国家浮标44008站2002年6月一典型的双峰海浪谱资料进行谱分析.以实测平均谱为靶谱,对随机波面进行模拟.得到模拟波面估计谱与实测谱极为相近,谱峰及谱峰频率都基本一致.说明利用模拟波面研究海浪具有代表性,它可以反映实测海浪的特征.利用实测海浪谱密度,统计波特征量的周期概率分布,得到理论周期概率密度与估计周期概率密度分布相符较好,且与模拟波面的波周期分布也较好的一致.利用Longuet-Higgins(1983)模型计算了波高-周期联合概率密度分布.得到变换高斯过程计算的波高与周期联合分布与实测情况基本相同,更好地描述了波高-周期联合概率密度分布.     

Directional spectrum analysis and statistics obtained from ERS-1 SAR wave images

This work examines ERS-1 (the first European Remote Sensing Satellite) SAR (Synthetic Aperture Radar) water surface wave images over Hualien of Taiwan, indicating that the variation of SAR signals in space domain is similar to in situ wave data's in time domain. Some statistical properties of SAR data are investigated. The Rayleigh distribution function closely corresponds with the histogram of wave heights, but the Gaussian one cannot for water surface displacements. Evidence reveals that SAR wave signals do not respond well to actual ocean waves effectively. As wave spectral analysis of available SAR data reveals, the appropriate sample size of SAR wave image, sampling average, and moving average should be taken carefully to accurately confirm directional power spectra. Moreover, SAR spectra are compared with in situ ones, confirming that peak frequencies correlate well and wave directions approximately agree with each other. Some differences between both spectral shapes remain somewhat unclear and require further study. Nevertheless, in this study, ERS-1 SAR power spectra verified the feasibility of deriving an appropriate dominant wave direction and peak frequency.     

基于海浪谱的沉箱式防波堤动力分析方法

利用海浪谱JONSWAP谱生成随机波浪,并结合改进的波浪力时程模型生成一个连续的、持续时间相对较长的随机波浪力作用过程。假设五十年设计基准期内防波堤每年遭受一次风暴,利用波浪谱随机生成五十次风暴波浪作用过程,对防波堤五十年设计基准期的响应过程进行一次随机模拟,以此作为一个样本。经过对大量随机模拟产生的样本进行统计分析,实现对防波堤整个设计基准期内的安全度进行概率评估。最后,通过算例对该方法的应用进行了演示。     

贝叶斯统计方法在海浪方向谱研究中的应用

较详细介绍了贝叶斯统计方法在海浪方向谱估计中的应用,指出先验分布的不同对估计结果没有影响,由于均匀分布与最大熵原则相对应,使其具有某种特殊性.数值模拟表明贝叶斯方法对双峰方向分布估计的有效性,将其应用于黑海实测资料,证明双峰方向分布的出现依赖于估计方法分辨力的大小,而用最大似然法得到的双峰方向分布值得怀疑.最后给出出现双峰方向分布的一种可能物理解释.     

支持向量回归的机器学习方法在海浪预测中的应用

基于支持向量回归(SVR)方法,建立了渤海海域近岸海浪有效波高短期预测模型,并设计了多组风浪信息组合输入方案,开展了有效波高预测敏感性试验。研究发现:综合考虑当前风浪信息作为模型的输入,对3 h和6 h有效波高预测具有较高的预报技巧,但随着预测时效的延长其预测准确性迅速降低;若此时引入未来预测风速信息作为模型输入,则可极大提高对12 h和24 h有效波高的预测能力;此外,若输入信息与预测对象之间不存在显著相关,多个信息的输入对有效波高预测效果提高无显著作用。建立的机器学习模型对小样本数据集具有良好的适应能力,能够有效解决海浪预报中的非线性问题,可为近岸海浪有效波高短期预测提供合理的技术参考。     

南海及台湾海峡台风浪的数值计算研究

本文应用ＬＡＧＦＯＦＩＯ的建立第三代海浪模式，采用波数能谱直接模拟海浪谱的方法，进行南海及台湾海峡台风浪的后报和分析计算结果与实测值拟合较好，表明ＦＩＯ－ＳＯＡ方法适用于该海区台风浪的数值计算。