关于浅水风浪统计性质和统计方法若干问题的探讨(续)

四、关于波能谱计算公式波能谱是风浪的重要特征,对于三维广义平稳正态随机场,其概率分布完全由二元方向频率谱所确定。目前,虽然从统计流体力学出发从理论上研究波能谱与风浪形成条件的关系取得一些进展[21,22,62],但是大多数还是通过实测资料统计分析来确定经验波能谱,到目前为止,已提出许多一元(频率)谱,特别是充分发展风浪波能谱[3,24,26,60,68等],但是由于获得实测资料和统计分析方面的困难,二元方向频率谱的研究相对少得多[20,23,26,37,60,61,68,71]。一般说来,由于标准化的二元波能谱(即波能谱密度与其总波能之比)与二元概率密度存在数学相似,所以二元方向频率谱可表达为:     

关于浅水风浪统计性质和统计方法若干问题的探讨

前言天然风浪由于复杂的生成、发展条件具有运动的不规划性和随机性,现代风浪理论将海浪作为随机过程(场)来探讨,风浪的统计性质就其外观而言主要由波动水位的概率分布、波要素的概率分布等来描述,就其内观而言,则主要由波能方向频率谱来表征。同一地点的波况也是随着时间而变化的,也服从一定的统计规律(称为波况长期分布)。由于风浪是作用于海岸工程建筑物的主要海洋动力因素之一,所以对风浪统计性质的研究具有理论和应用价值。目前国内外关于风浪进行了大量的研究,得出许多重要成果,但相对而言浅水风浪研究较少     

南海北部三参量风浪频谱数值模拟

基于Open FOAM开源程序,采用侯一筠的三参量风浪频谱构造了适用于中国南海北部海域的不规则波浪。首先,在waves2Foam程序中开发了解析松弛法进行消波处理并选用速度入口法造波,进而选用JONSWAP谱进行计算以验证不规则波造波程序的准确性;其次,以适用于中国南海北部海域的三参量风浪频谱为理论基础进行编程,将三参量风浪频谱嵌入到waves2Foam程序中,替换JONSWAP谱,通过设定风区长度、风速等参量构造模拟南海北部的不规则波浪。经验证,构造的不规则波的模拟值与理论值之间的误差在精度允许范围内,表明该方法能较好地模拟南海北部真实海况下的不规则波浪。     

风浪内频谱与外频谱的比较分析

概述了近年来不同水深风浪谱研究的发展状况,引入内频谱及外频谱的概念,介绍了风浪谱的几种估计方法;快速傅里叶变换（FFT）法,最大熵法和外频谱法,根据不同水深的风浪槽试验,将由FFT法、最大熵法得到的内频谱与由试验波高-波周期联合分布得到的外频谱进行比较分析,将现场实测风浪谱与计算得到的外频谱进行比较分析,结果表明,在不同水深情况下,当以真实的波高-波周期联合分布计算外频谱时,内频谱与外频谱吻合良好。     

大型风流水槽风浪统计特征的测量和分析

研究大型风浪水槽的风浪统计特征，采用多通道测波系统，同步采集沿水槽的１２个测点在不同风速下的风浪数据，从观测事实上分析了风浪波面分布和有关要素特征，并建立水槽风浪统计要素与风速，风区长度之间的关系。     

风浪与涌浪相互影响的实验

大自然的海浪往往是风浪与涌浪混合在一起,为此研究了实验室的风浪水槽中模拟风浪与涌浪的相互影响,用脉动风模拟风浪及风与浪的耦合作用,用造波机产生不规则波模拟周期相对较长的涌浪．通过单独风浪、单独涌浪、先风浪后涌浪和先涌浪后风浪4种情况的模拟,从波谱的角度分析风浪与涌浪相互影响的规律．发现影响风能输入的主要因素是波浪是否充分发展,而与波陡、风速、波速等没有直接关系,为风浪对海上建筑物的耦合作用研究提供了依据．     

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地风浪外频谱。通过与实测风肭频谱的比较,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生问题。此外,还检验一第浪外频谱。     

浅水风波波高,波周期分布

通过浅水风波试验，探讨了浅水波高、波周期的分布形式，重点分析了水深因素对波高、波周期分布的影响，给出了浅水波高、波周期分布的表达式，并确定了浅水特征波高间的关系。     

东洞庭湖最大熵法风浪谱估计

根据东洞庭湖风浪观测资料,分析了最大熵法估计风浪谱(MEM)的谱型曲线的影响因素.研究结果表明,MEM法提高了谱估计的精度,对于较短的序列也能得到较好的谱估计结果.由最终预报误差准则(FPE准则)确定最大熵谱的阶数M,得到了东洞庭湖小风区风浪谱的估计公式以及波浪要素与谱的关系式.利用该公式计算的结果与实测值比较,符合良好.     

大型风浪水槽风浪成长的谱特征

利用大型风浪水槽实测风浪资料,分析水槽环境条件下风浪谱的成长特征,给出谱参数与风速,风区之间的经验关系。     

太湖波浪过程的数值模拟

基于动谱平衡方程的SWAN波浪模型和湖流三维模型,分别对太湖波浪和湖流的生消过程进行动态模拟,并研究太湖湖流对波浪的影响.结果表明,湖流模型和SWAN波浪模型可以较好地模拟风作用下太湖湖流和波浪的生成和传播过程;太湖流场对波浪场具有一定影响;风速越大,影响越显著,同时也受风向影响;沿岸区波浪受湖流影响更加显著;湖流对波浪的影响基本上呈现湖流波浪同向时,有效波高增大,波速增大,波长增长;反向时有效波高减小,波速减小,波长缩短的特征.     

Ku波段散射计近场海浪标定探测的多参量自动采集与处理系统

近场海浪后散射的标定探测，研究海况特征要素，目前仍是无线电海洋学界十分关注的课题。近场标定探测存在多信道参量信号同步采集与处理的难题。本文在分析近场海浪后散射统计特征的基础上，提出适于近场的散射计、Ｃ／ＦＭ波高计和测风计同步采集和相关处理的新方法，发现这些数据群有强相关统计特征的谱密分布和准高斯分布，并为海表统计散射特征反演海表波场和风场提供颇有价值的数据。     

中国海海表风场、海浪场与El Nino的相关性分析

利用CCMP风场,分析了中国海海表风场与El Nino之间的关系,并利用CCMP风场驱动WW3海浪模式,对19882009年的中国海海浪场进行数值模拟,探索中国海的海浪场与El Nino的内在联系,以期能利用El Nino指标辅助中国海海浪场、海表风场的中长期预测、防灾减灾等.结果表明中国海的海表风场、海浪场与nino3指数关系密切:①同期及1~4个月后的海表风场、海浪场与当月的nino3指数表现出显著性负相关,尤其是2个月后的海浪场、海表风场与nino3指数之间的负相关性最显著;7~10个月后的海表风场、海浪场与当月的nino3指数表现出显著性正相关,尤其是8个月后的海浪场、海表风场与nino3指数之间的正相关性最显著.②19881997年期间、19992009年期间,8个月后的海表风场、海浪场与当月nino3指数的走势表现出非常好的一致性.③nino3指数、中国海的海浪场、海表风场三者存在较为显著的、共同的半年周期（5.87~6.29个月）、年周期（11.00~13.54个月）.④nino3指数的突变期为20世纪80年代后期、1999年7月2000年11月、20052009年;海表风场与海浪场的显著性突变期完全一致,为2000年11月2001年5月,其中nino3指数在1999年7月2000年11月期间的突变期比海表风场和海浪场的突变期超前约半年左右,nino3区海温的突变可能是中国海海浪场、海表风场突变的主要诱发因素之一.     

影响长江口深水航道骤淤的非常态天气过程Ⅰ:台风的路径特征及数值验证

为归纳长江口深水航道台风期骤淤的发生规律及特征,分析了发生骤淤时刻的气象条件与对应的波浪条件。研究发现,牛皮礁站的波能与骤淤具有较好的相关性;从台风路径上分析,长江口东侧过境台风对航道的骤淤影响显著。结合历史台风路径,选取3个典型路径的台风,选择藤田-高桥圆形经验风场和CFSR(climate forecast system reanalysis)风场的混合风场复演了台风场,然后采用SWAN模型模拟了不同路径台风期间的波况,最后以牛皮礁站的浅水波能流为判别参数,分析不同路径台风对长江口深水航道骤淤的影响。研究表明长江口东侧过境的台风是较易产生较大波能并进一步诱发骤淤的典型台风路径,这一分析结果与2010年以来的骤淤实测台风路径结果吻合。     

基于实测的脉动风随机幅值谱模型

风荷载建模问题是结构抗风设计和安全评估的关键,已有规范给出的脉动风功率谱密度函数很难全面反应原始随机过程的概率信息,为此,根据量纲分析给出脉动风幅值谱的一般化表达形式,并结合某桥的实测风速数据的谱估计,给出Davenport形式的随机幅值谱模型,并采用PSO(partical swarm optimization)算法估计该模型的参数,最后给出该模型的3种具体使用方式.与实测风幅值谱的统计特性进行对比,表明提出的随机脉动风幅值谱模型能真实描述当地风场概率统计特性,可以提高该桥所在地区风荷载的建模精度.     

The effects of surfactants on spilling breaking waves

Breaking waves markedly increase the rates of air-sea transfer of momentum, energy and mass. In light to moderate wind conditions, spilling breakers with short wavelengths are observed frequently. Theory and laboratory experiments have shown that, as these waves approach breaking in clean water, a ripple pattern that is dominated by surface tension forms at the crest. Under laboratory conditions and in theory, the transition to turbulent flow is triggered by flow separation under the ripples, typically without leading to overturning of the free surface. Water surfaces in nature, however, are typically contaminated by surfactant films that alter the surface tension and produce surface elasticity and viscosity. Here we present the results of laboratory experiments in which spilling breaking waves were generated mechanically in water with a range of surfactant concentrations. We find significant changes in the breaking process owing to surfactants. At the highest concentration of surfactants, a small plunging jet issues from the front face of the wave at a point below the wave crest and entraps a pocket of air on impact with the front face of the wave. The bubbles and turbulence created during this process are likely to increase air-sea transfer.     

基于交叉谱法的C波段机载SAR海浪反演

传统的初猜谱海浪反演方法,需要先使用海浪预报模式来获取初猜谱,其优劣直接影响着反演的精度。为了摆脱对初猜谱的依赖,在不需要先验信息的情况下实现海浪反演,提出了基于交叉谱法的海浪反演方案。该方案采用C波段全极化机载SAR探测数据,利用全极化信息反演海面风矢量,作为WVW算法的风场输入,再通过WVW算法获取海浪谱,进而提取海浪信息。研究结果表明,海浪反演精度得到显著提高,海浪传播180°模糊问题也得到了有效解决。该方案对机载SAR海浪反演业务化应用具有借鉴意义。     

基于管柱声场模型的油井动液面检测新方法

针对传统回波法测油井动液面存在回波信号弱、干扰噪音大和液面波辨识难等问题,提出一种基于管柱声场 模型的油井动液面检测方法。受管乐器声乐频率可反映乐管长度的启发,利用管道声学理论对典型的管柱结构进行 分析,借助管柱的声场特性和管内空气柱的共振原理,建立油井动液面深度与管内声场固有频率的关系,再通过快速 傅立叶变换测定管内声场的固有频率,从而获得管内动液面深度。实验结果表明,提出的新方法验证了管柱空气共振 频率和动液面深度的关系,能较精确地得到管内液面深度,相对误差在2% 以内,为精确检测油井动液面深度提供了 一种新途径。     

影响长江口深水航道骤淤的非常态天气过程 Ⅱ:台风要素敏感性分析及典型台风路径

为进一步研究台风中心气压、台风距离长江口距离(简称距离)、最大风速半径和移动风速4个典型参数对长江口航道骤淤的影响水平,采用正交试验方法,设计了64组典型试验工况,选择藤田-高桥圆形风场经验公式架构了台风场,然后采用SWAN模型模拟不同台风工况的波况,并计算牛皮礁站的波能。据波能的极差分析和方差分析,得出台风要素的敏感性次序。研究表明,长江口过境台风中,距离最敏感,而最大风速半径为较不敏感因素。选取主要的敏感性参数(距离、中心气压)为代表参数,概化移动风速和最大风速半径。在合理选取能够引起骤淤的临界波能的标准下,给出较易引发骤淤的典型包络线范围,为骤淤的预报提供了新的参考指标。     

印度洋的风浪、涌浪和混合浪的时空特征

为了展现印度洋的海浪特征,利用来自欧洲中期天气预报中心的ERA-40海浪再分析资料,对印度洋的海表风场、风浪、涌浪、混合浪场进行研究,主要分析了季节特征、月变化特征、风速和波高的变化趋势、涌浪指标,定义了南印度洋西风指数和涌浪北伸脊点。结果表明:印度洋的风浪场与海表风场整体上对应较好,尤其是季风期间的北印度洋,涌浪场与混合浪场对应较好;从波高来看,阿拉伯海在1-5月和9-12月的涌浪以及孟加拉湾全年的涌浪对混合浪的贡献大于风浪;印度洋海表风速呈显著递增的区域主要集中在咆哮西风带和30°S以北,风浪波高变化趋势的分布与风速大体一致,大部分海域的涌浪波高、混合浪波高表现显著性逐年递增;印度洋的涌浪在混合浪中占据主导地位,40°S以北的涌浪常年向北传播,且南印度洋西风带西南季风的强度直接决定着涌浪北传的程度。