复杂地形下海浪数值模式的特征线计算格式

LAGFD-WAM海浪数值模式是一种第三代海浪数值模式，通过求解波数谱平衡方程，并考虑风输入、波浪破碎耗散、底摩擦耗散、波波非线性相互作用和波流相互作用等源函数，模拟波数空间下的海浪方向谱，并依此获得海浪的波高、周期和平均波向。该模式的一个显著特点是采用特征线嵌入格式求解海浪的传播。在进行浅水区域的海浪模拟时，特征线嵌入格式的数值计算方案是否合理对海浪数值模拟结果产生直接的影响。为此LAGFD-WAM海浪数值模式提出了一种新的特征线混合数值计算格式，并应用于浅水海浪数值模拟。结果表明，采用该计算方法，能够使数值模拟结果与实测结果很好符合。     

FFT在海浪数值模拟中的应用

所谓海浪过程的数值模拟,就是根据预先给定的海浪过程的谱密度模拟出与之对应的海浪过程,然后利用它去研究各种有关的问题.例如,当研究多桩柱石油平台的结构物经受波浪影响时,可以把波浪对结构物的作用问题看作一个随机过程系,用几个点的联合海浪过程模拟来处理.文献[1]中,已给出单过程海浪模拟实现的方法步骤.但是,由于伪随机数的产生及富氏变换的正、余弦函数的运算在电子计英机土所需要的时间,随着离散序列和迭加子波数的增加而急剧增加,从而使模拟波面需要的时间较长.为此我们寻求快速模拟海浪波面过程的方法.本文提出运用FFT算法的快速模拟联合海浪过程的模式,并以单过程为例说明FFT在海浪数值模拟中的应用.     

畸形波形成的海浪要素特征数值分析

从典型的畸形波事件"新年波"出发,以ECMWF中期再分析风场作为驱动风场,采用WAVEWATCHⅢ海浪数值预报模式模拟畸形波发生海域的海浪场。通过对模拟的海浪要素分析表明,畸形波发生点在发生时刻的风速、波高、波陡处于极大值,波浪周期较长,谱峰频率、方向展角处于极小值;畸形波发生点在发生时刻的海浪谱是单峰谱,谱型尖窄,大部分波浪能量都集中在很小的频率范围内,分布在一个小的范围内,传播方向比较集中。     

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。     

数值模式与统计模型相耦合的近岸海浪预报方法

针对数值模式和统计模型预报近岸海浪存在的局限性,构建了数值模式和统计模型相耦合的近岸海浪预报框架,在模式计算格点和近岸预报目标点之间定义一个海浪能量密度谱传递系数,通过经验正交函数分解和卡尔曼滤波方法建立传递系数的统计预报模型并与数值模式进行耦合。经过对近岸波浪观测站1a的预报试验表明:该方法能够提高近岸海浪有效波高预报精度,有效波高的均方根误差降低了约0.16m,平均相对误差降低约9%。进一步试验和分析发现,该方法的预报有效时间小于24h,将海浪能量密度谱经过分解后得到的基本模态反映了近岸波侯的主要特征,海浪能量密度谱传递系数的变化体现了波侯的季节变化特点。     

波浪谱形对不规则波数值模拟的影响

通过数值模拟分析了波浪谱形对不规则波浪数值模拟结果的影响.采用不同参数的JONSWAP谱模拟入射波要素,基于抛物型缓坡方程模拟不规则波浪的传播,分析了波浪谱形状对波浪数值模拟结果的影响.结果表明,采用抛物型缓坡方程模拟不规则波浪时,入射波浪谱形对模拟结果影响不明显;但由于模型中非线性项的影响,采用不规则波模拟的波高分布和采用规则波模拟的结果略有差别.     

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。     

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.     

SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪模拟研究

基于浅水斜坡地形的物理模型试验数据,考察SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪的模拟效果,进而检验其浅水项的模拟精度。模拟中采用直接输入初始测点的实测海浪谱进行造波,重点考察浅水中三波相互作用和变浅破碎两个源项,对不同工况下,SWAN模式在水深条件变化下的有效波高、谱平均周期、海浪谱演化的模拟能力进行研究。研究表明:模拟的有效波高较符合实测波浪的增长和衰减,但谱平均周期计算值明显偏小;海浪谱的能量转移机制同实测有较大区别,频谱模拟结果出现高频高估、低频低估现象。对两个源项进行对比分析得出三波相互作用对海浪谱的能量转换影响远大于变浅破碎耗散。想要提高近岸区谱平均周期和海浪谱的模拟精度则SWAN模型中三波非线性项的计算精确度仍需更多研究和改进。     

浅水海浪的数值模拟

一、前言在海浪的研究中,用精度较高的测波仪器,从自然界获取各种天气情况下的海浪实测资料,用于揭示海浪本身的变化规律是一种非常重要的研究手段.然而,由于海上条件的复杂和严峻,且费用昂贵,常使系统的观测资料很难得到.近几年来,随着电子计算机应用的推广,一些研究者利用计算取得大量人为资料作为研究海浪本身变化规律的依据,已在海浪谱和海浪外观统计特征的研究方面取得了可喜的成果.本文根据波的叠加原理,利用已知谱,对浅水海浪数值模拟进行了初步尝试,模拟了波剖面、谱曲线及海浪要素.     

基于完全非线性Boussinesq方程的源函数数值造波

探讨了应用于完全非线性Boussinesq模型模拟波浪传播变形的数值造波和波浪分析方法。采取在造波区的流体运动方程中引入源函数的造波法以实现无反射造波。通过数值试验探讨了造波函数中系数δ的取值。为模拟不规则波,采用了线性波浪叠加法。利用相关函数法进行谱估计,以检验不规则波造波效果。文中讨论了采用相关函数法估计海浪谱时,参数△t、m、和N之间的关系。     

基于SWAN模式的“灿鸿”台风浪数值模拟

以第三代海浪模式SWAN(simulating wave nearshore,近岸海浪数值模型)为基础,构建了东中国海海域波浪数值模式,并以高时间、空间分辨率的CCMP(cross calibrated multi-platform,多平台交叉校正)风场作为驱动风场进行波浪计算,模拟了1509号"灿鸿"台风的波浪过程。同时,对SWAN模式中的底摩擦参数化方案、波浪破碎参数、风能输入与白冠耗散、波-波非线性相互作用等因素对台风浪模拟的影响进行了分析,并对模式中的各影响因素给出了建议。模拟结果与浮标实测有效浪高数据(舟山朱家尖站、南麂岛站、舟山外海站、温州外海站)两者之间的偏差较小,表明本研究所建立的模式以及选择的参数合理,SWAN和CCMP风场的结合能满足海洋波浪数值模拟的需求。本研究对于台风浪数值预报具有参考意义。     

香港附近海域强冷空气影响下波浪特征及谱拟合

本文以香港附近海域二次冷空气影响下的波浪实测资料为依据,讨论了波浪特征与谱的拟合。这二次实测,一次为波浪成长阶段,而另一次为波浪衰减阶段。而文中的(1),(2)式代表的涌浪谱公式和文献(7)中提出的风浪谱公式不仅适合于香港附近海域强冷空气影响下的海浪谱,而且可以表征南海其它海区不同季节的海浪谱,所以具有很强的适用性。     

波-流相互作用源函数及其对海浪模拟的影响

当前,基于第三代海浪模式的波-流相互作用研究,通常仅考虑背景流场对海浪群速度大小、方向的改变及其所引起的波浪折射效应,忽略了流场对波浪能谱的影响。本文以波-流相互作用源函数为切入点,利用MASNUM海浪模式进行理想实验,阐释了水平方向上的波-流相互作用对海浪能谱的改变以及对海浪模拟可能造成的影响。结果表明：水平流速梯度量级、水深、波浪成长状态以及流速梯度方向均可以影响波-流相互作用源函数的作用效果,使得有效波高、谱峰波向的模拟结果发生变化。在更符合实际的水平流速梯度量级下,波-流相互作用源函数对有效波高和谱峰波向模拟值的影响非常小;但考虑到涌浪的长距离传播,其对谱峰波向的影响仍可能明显改变涌浪的传播形态。     

海浪单过程的数值模拟

本文以离散付里叶变换手段数值模拟海浪过程,对海浪单过程的模拟提出三种具体模式,并介绍了模拟的实现方法。以我国1966年提出的海浪谱为靶谱,在DJS—6电子计算机上实现,给出了模拟波面及谱曲线,比较靶谱及模拟谱表明,以m=400个子波叠加进行模拟时,模式及实现方法是满意的。     

海浪单过程的数值模拟

本文以离散付里叶变换手段数值模拟海浪过程。对海浪单过程的模拟提出三种具体模式，并介绍了模拟的实现方法。以我国1966年提出的海浪谱为靶谱，在DTS-6电子计算机上实现，给出了模拟波面及谱曲线。比较靶谱及模拟谱表明，以m=400个子波叠加进行模拟时，模式及实现方法是满意的。     

基于SWAN模式和折绕射模式的近岸海浪数值模拟

基于SWAN模式和折绕射模式,本文对台湾海峡和平潭岛附近海域的海浪要素进行数值模拟。首先通过SWAN模式得到实时预报的高时空分辨率的波高、周期和波向等海浪要素数据,为折绕射模型提供波浪边界,进而对重点海区近岸波浪进行折绕射计算,最后对数值预报结果进行统计检验及预报分析。经过验证,预报结果与实测数据基本一致,预报效果较好。研究成果可为平潭海浪预警报业务提供技术支撑,也可为海浪灾害应急管理及沿海规划等提供参考依据。     

海浪搅拌混合对北太平洋海表面温度模拟的影响

利用NCEP再分析风场驱动WAVEWATCH III海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行模拟,利用浮标观测资料对模拟出的海浪要素有效波高进行验证,发现他们之间具有很好的一致性。基于模式输出的有效波高等波浪要素,利用特征波参数化理论,在海洋环流模式中引入海浪搅拌混合作用,分析其对北太平洋海表面温度模拟的影响,初步数值模拟结果表明,sbPOM模式在考虑海浪搅拌混合作用以后,模拟精度进一步提升,这对提供一个准确的大气模式下边界条件具有重要作用。     

现代海浪功率谱估计的改进算法

海浪谱是随机海浪的一个重要统计性质,它不仅包含着海浪的二阶信息,而且还直接给出了海浪组成波能量相对于频率和方向的分布。谱方法已经成为研究海浪及其有关问题的有力工具。文中主要参照现代谱估计中的THREE谱估计方法,对基于Kullback-Leibler度量的随机信号的功率谱估计方法中优化参数的求解算法进行了改进,并与基于Hellinger度量的谱估计方法进行了比较。通过数值模拟和谱分析证实基于这两种度量的功率谱估计算法都能有效地避免谱线分裂和谱峰偏移现象。     

挪威北海最大波高的影响分析

最大波高作为表征海浪强度和危险程度的重要指标,既是设计波浪推算的依据,同时又对海洋预报有重要的作用。基于瑞利分布得到的最大波高公式,不能体现波陡和谱宽度等非线性因素的影响,由该公式得出的理论最大波高与实际观测值有偏差。采用相位平均方法的海浪数值模型分析,可以根据海浪谱计算得到有效波高,却无法给出最大波高。本文通过分析挪威北海定点十年的船测波面资料,得出波浪谱,进一步推算出波陡和谱宽度对最大波高的影响。首先提出一种实测波数的替代方式,然后分别研究波陡和谱宽度对最大波高的影响。研究发现随着波陡和谱宽度的增加,Hmax/Hs逐渐减小,并拟合出最大波高与Cartwright谱宽度参数的公式,得到较好的拟合效果。