风浪频谱的成长模型Ⅰ.谱参量随风区的增长关系

为得到谱参量随风区的变化关系,从而更细致地刻画风浪频谱的成长方式.在动力学方程的控制下,基于三参量风浪频谱,利用动力-统计学相结合的方法导出了谱参量(谱宽度B、谱的零阶矩～m0、谱的峰频率～ω0)随风场要素(风区)的成长关系分别为:B=5.68×10-3～X9.482×10-1-4.66×10-2ln-x;～m0=1.356×10-8～x2.367-1.097×10-1ln～x;～ω=4.082×101～X-7.623×10-1+3.71×10-2ln～x.同时得到了简化形式的波陡δ、波龄β与谱宽度之间的关系为:δ=2.14×10-2B-1.05-4.26×10-1lnB,β=1.26B1.28+1.97×10-1ln(B).此外,还得出了受风场要素控制的,谱的零阶矩与谱的峰频率之间新关系为:{ω0=a1～m0-0.33 a1=1.034×10-1～X1.872×10-2+8.50×10-4ln～x,从而阐明了先前的各种经验关系是新关系在取不同风区值时的特例.可见,将动力学原理引入风浪频谱的研究,所建立的谱参量随风区的变化关系与先前的经验公式相比更加合理,且普适性更强.     

风浪周期分布与谱宽度的关系

本文通过分析实验室风浪周期分布,发现风浪周期累积概率分布曲线低于Longuet-Higgins理论结果,在小概率周期区域实验结果与理论结果的差异明显。对实验结果进一步分析发现,在谱不是很窄时,在小概率处风浪周期累积概率随谱宽度的增大而降低,这与窄谱假定下的理论结果相反,Longuet-Higgins理论结果在小概率处不便于描述周期分布随谱宽度的变化。根据实验结果提出风浪周期的Weibull分布经验公式,Weibull分布中的参数依赖于谱宽度。     

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.     

南麂海域风浪的平均波陡与平均波龄统计分布

利用南麂海洋站１９８１－１９９０年实测波浪资料，探讨了该海域风浪的平均波陡与平均波龄的统计分布特征。分析结果：当风浪平均波陡介于０．０２－０．０４时，其出现频率各季在８２％以上；当风浪平均波龄介于０．５－１．２时，其出现频率各季在７８％以上；当风浪的平均波陡与平均波龄介于０．０２－０．０４和０．５－１．０时，其出现频率为５３．５％－６９．６％。     

海浪周期关系的研究

本文利用现场观测数据、实验室风浪槽观测数据和由文氏谱及JONSWAP谱生成的模拟数据,研究了有效周期与谱平均周期、谱峰周期与谱平均周期以及有效周期与谱峰周期的关系,通过数据拟合给出了相应的关系式.研究发现,有效周期与由谱的负阶矩计算的平均周期之间的关系更加稳定,并且有效周期与负2阶矩计算的平均周期几乎相等,均代表了海浪主导波对海浪平均周期的贡献.     

风浪波高和周期的联合概率密度分布

本文采用有代表性的44008美国国家浮标站2003年1～3月实测的海浪谱密度资料,选取三次大风过程进行风浪谱分析。通过对实测平均海浪谱与PM谱、JONSWAP谱及Torsethaugen谱的比较,得到PM谱拟和最好。然后用国际上最先进的随机波分析方法,根据协方差矩阵的循环嵌套技术,以实测平均谱与PM谱为靶谱,对随机波面进行模拟。得到由模拟波面统计的特征值及估计的谱与实测谱结果极为相近,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Longuet-Higgins(1983)模型计算波高-周期联合概率密度分布,得到变换高斯过程计算的波高、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。     

一种白浪覆盖率与风要素关系模式

采用Ｇｌａｚｍ ａｎ 提出的“微尺度平均”的方法,在合理选择平均尺度的基础上计算了ＪＯＮＳＷＡＰ谱的四阶矩,并将此结果与Ｓｎｙｄｅｒ提出的白浪覆盖率模式结合,从而建立起依赖于风速和风区两者的半经验、半理论的白浪覆盖率与风要素关系模式。此模式给出的结果与Ｍｏｎａｈａｎ 等汇集的海洋白浪覆盖率测量数据总体符合良好。     

台湾海峡表层月平均流速与两岸月平均水位差的关系

海洋中大多数区域的海流，特别是流速较强的海流，其性质以地转流为主。所以，海流流速流向的变化与海面的横流坡度，亦即横流两侧的水位差有着密切的关系。 一百多年前，Peslin(1872)首先将地转方程应用于墨西哥湾流上。后来，Dietrich(1946)引用丹麦灯船上所进行的海流观测结果和卡特加特海峡两侧岛上的水位观测结果，证实了地转方程的实用意义。 到目前为止，已有许多作者应用流速和横流水位差的这一关系，探讨了世界大洋和海峡等处海流的变动规律。例如，Montgomery(1938,1941)，Hela(1952)，Stommel(1953)及Wunsch等(1969)讨论了佛罗里达海流和湾流的季节变化与水位的关系；森安茂松(Moriyasu, 1961)和二谷颖男(1973)等讨论了水位与黑潮海况以及流速流量的关系；Wyrtki(1973, 1974a, 1974b)研究了西太平洋赤道流、赤道逆流流速流量的季节变化和海流两侧岛屿的水位差的关系。还有Sok-U Yi(1970)研究了朝鲜海峡中水位与对马暖流表层流速季节变化的关系；ΓaлepKИЧ等(1962)也曾讨论了爪哇海水位与流速的关系。 关于我国的台湾海峡，Wyrtki(1957,1961) 曾给出了台湾海峡表层流速的季节变化曲线，并将流速与高雄-澳门断面的水位差作了比较，绘制了两者的相关图。 现在，几乎普遍地认为：沿岸和岛屿上所进行的水位观测，可为研究海流变动规律提供方便、准确和连续的资料，是监视海流变动最合适的途径之一。 本文应用手头所有的资料，一方面从多年平均情况来讨论台湾海峡表层月平均流速与两岸月平均水位差的关系；另一方面以各年各月情况为例，来分析两岸水位差与海峡西岸水位的关系，供研究台湾海峡海流趋势预报方法时参考。     

粗糙度与风浪特征量关系的研究

在实验室风浪槽中观测风浪和风速,研究粗糙度与波面特征量的关系,发现风浪谱宽度增加,粗糙度增大。在窄谱时,粗糙度随谱宽的增加变化不明显,当波陡降低,粗糙度降低;在宽谱时,当谱宽度增加,即使波陡降低,粗糙度仍可增大。这一结果表明,波陡不足以完全决定粗糙度。当风浪波龄增加,粗糙度呈下降趋势,但由于谱宽度对粗糙度的影响,当波龄增加,部分波浪可有较大的粗糙度。由于这一因素,在粗糙度与波龄关系的观测结果中,数据点的散落不完全由观测误差造成。     

深水风浪破碎发生率与风速和风区的关系

根据于渤海中部采油平台测得的数据，结合实验室的测量，提出一种深水风浪破碎发生率与风速和风区关系的经验公式，与现已发表的少量海上测量结果相比较，此式符合良好。利用此式较好地解释了风浪破碎起始风速问题。     

Hilbert变换在海浪波高与周期联合分布函数中的应用

Longuet-Higgins(1983)[1]导出了波高与周期的联合分布函数,此分布函数虽然与实际数据符合良好,但存在很大的缺陷,如:由此分布函数得出的波高分布为形式较为复杂的非Rayleigh分布,很难应用于工程计算中。孙孚(1988a)[2]应用射线理论导出了一种波高与周期联合分布,虽然弥补了Longuet-Higgins的一些缺陷,但推导过程过于复杂。本文在窄谱假定下通过应用Hilbert变换方法得出新的分布函数并与前两者比较,表明Hilbert变换的方法不但简便,而且完全克服Longuet-Higgins的不足,可以方便的应用于工程计算中。本文也为Hilbert变换的方法在工程中的应用提供了理论依据。     

Theoretical wind wave frequency spectra in deep water——Ⅰ. Form of spectrum

In this part ot the paper theoretical wind-wave spectra nave been derived oy (I) expressing the spectrum in series composed of exponential terms; (2) assuming that the spectrum satisfies a high order linear ordinary differential equation; (3) introducing proper parameters in the spectrum; and (4) making use of some known charateristics of wind-wave spectrum, for instance, the law governing the equilibrium range. The spectrum obtained contains the zero order moment of the spectrum m0, the peak frequency ω0 and the ratio R =ω/ω0 (ω being the mean zero-crossing frequency) as parameters. The shape of the nondimensional spectrum S(ω) = ω0S(ω)/m0(ω=ω/ω0) changes with R and theoretically reduces to a Dirac delta function δ(ω-1) when R = 1. A spectrum of simplified form is given for practical uses, in which R is replaced by a peakness factor P=S(1).     

Analysis and simulation of wave records through fast Hartley transform

The Hartley transform, a real-valued alternative to the complex Fourier transform, is presented as an efficient tool for the analysis and synthesis of ocean surface wave records. Basic theoretical properties of this real-valued transform are briefly reviewed. Similarities and differences between Fourier and Hartley integral transforms, as well as computational benefits and disadvantages between numerical algorithms used to evaluate their discrete versions, are presented. The fast Hartley transform algorithm is used to simulate stationary Gaussian time series of the sea surface elevation and to estimate the spectral density function, the Hilbert transform and the envelope function of wave records.     

Estimation of wind speed and wave height during cyclones

Wave and wind characteristics based on the cyclones, in the vicinity of the Nagapattinam coastline (east coast of India) were estimated. In all, 11 cyclones have crossed near the study region during 1960–1996. For the four severe cyclones, the isobaric charts were collected at three hourly intervals from the India Meteorological Department. The storm variables such as central pressure, radius of maximum wind, speed of forward motion and direction of storm movement were extracted and the method based on standard Hydromet pressure profile, were used for the hindcast of storm wind fields. For all the cyclones the maximum significant wave height within the storm and its associated spectral peak period was estimated using the Young’s model considering the moving wind field and the results are compared with the hurricane wave prediction techniques provided in the shore protection manual published by the US Army Corps of Engineers in 1984. The study shows that the estimated wind speed and the data reported by ships were comparable. Empirical expressions relating wind speed, wave height and wave period to storm parameters were derived. The design wave height for different return periods was obtained by fitting a two-parameter Weibull distribution to the estimated significant wave heights. The design wave height was 9.39 m for 1 in 100 year return period for a direct hit of cyclone.     

基于模型优化的广义自由表面多次波压制技术在印度洋深水海域的应用

印度洋深水海域海底地形整体较为平坦,存在的多次波主要是海底相关多次波,能量强,频带宽,利用常规的广义自由表面多次波预测技术很难去除干净。本文首先利用广义自由表面多次波预测技术预测出多次波模型,然后将原始数据和多次波模型分为低频数据和高频数据,低频数据利用常规的自适应减得到低频多次波模型,高频数据转成曲波域对多次波模型进行优化,最终得到优化后的多次波模型,再利用原始数据直接减多次波模型,达到压制多次波的目的。该技术在印度洋深水海域的应用效果较好,海底相关多次波得到了较好的压制,有效信号得到了凸显,剖面的信噪比明显提高,剖面质量得以提升。     

The initialization of nonlinear water waves in a numerical wave flume

This study investigates the initialization of nonlinear free-surface simulations in a numerical wave flume.Due to the mismatch between the linear input wavemaker motion and the kinematics of fully nonlinear waves,direct numerical simulations of progressive waves,generated by a sinusoidally moving wavemaker,are prone to suffering from high-frequency wave instability unless the flow is given sufficient time to adjust.A time ramp is superimposed on the wavemaker motion at the start that allows nonlinear free-surface simulations to be initialized with linear input.The duration of the ramp is adjusted to test its efficiency for short waves and long waves.Numerical results show that the time ramp scheme is effiective to stabilize the wave instability at the start of the simulation in a wave flume.     

深水极端波浪非线性几何特征试验分析

为了解极端波浪非线性特征,明确波群在演化过程中的水动力学特性,针对一系列高斯波群进行了深水物理试验分析。试验结果显示,增加波陡或波群宽度,均可使波面偏度Sk发生明显变化,尤其当波浪发生破碎后,在破碎区域内,波面偏度变化范围剧烈增大,说明该偏度极大值可能作为判断破碎的一个指标。波陡和波群宽度对波面不对称度影响程度不同:当波陡或波群宽度增加后,波峰不对称度所受影响最大,波峰前端波谷不对称度次之,波峰后端波谷不对称度所受影响最小,但仍不可忽略。在波浪演化过程中,幅值谱出现不同程度频带下移,波浪破碎后,会出现永久频带下移;当调制不稳定发生时,随着调制不稳定指数增加,频带下移量呈现快速增长趋势。     

南麂海域大浪与大风的分布关系

本文根据南麂海洋站１９８３～１９８９年实测风和浪的资料，分析了大风和大浪的关系。结果表明：大浪日、大风日各月出现次数不匀。风浪大浪日及涌浪大浪日出现比率分别占５６％和４４％。各向大浪波高均值变化幅度不大。各向大浪波高极值却有较大差异。风浪Ｈ１／１０波高为１．５～２．０ｍ、当风速为１１～１３ｍ／ｓ时，大浪出现频率最高。本文还给出了波龄较大的风浪大浪波高与大风风速的经验关系。基于不同类型的台风路径，得到了本区从Ｈ１／１０波高为１．５ｍ以上时台风中心的位置。利用此结果可以预报本区大浪出现的时间。