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波面位移非线性特征数值研究

作　者: 韩晓鹏
导　师: 宋金宝
学　校: 中国科学院研究生院（海洋研究所）
专　业: 物理海洋学
关键词: 波面位移二阶非线性统计分布数值模拟
分类号: P731.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

海浪的准确模拟和预报对海洋工程、海—气相互作用、上层海洋动力学等具有重要意义。海浪的波面位移是海浪最基本的特征量，与实验室造波机和通过实际观测等手段获取波面位移资料相比，数值模拟具有可以模拟复杂过程、模拟费用低且速度快等优点。本文在有限水深且存在均匀背景流的条件下，基于Song（2006）年给出波面位移的二阶表达式，采用全波数谱Combi谱，对海浪波面位移进行数值模拟，通过计算特征参量C、 E、E₁、 λ₃、λ₄（C表示水平波面位移的降低程度，E和E₁分别表示线性波面位移的能量和总的波面位移的能量，偏度3是一个表示波面位移垂向不对称性的统计量， λ₄表示波面位移分布相对于标准分布的峰度）和波面位移概率密度分布图像分析了二阶非线性项对波面位移统计分布的影响和波面位移统计分布随风速、水深、反波龄和均匀背景流的流速和流向变化特征和规律。结果表明（1）二阶非线性项使得波面位移分布偏离于线性波面位移所满足的正态分布，与正态分布相比，波面位移分布范围变大，最大概率密度值降低且对应的波面位移值降低，产生大的波面位移的概率增加，且波峰对应波面位移大于波谷处的波面位移，使得波面概率分布具有明显的非对称特征。（2）波面位移的状态受风速、水深、反波龄和均匀背景流共同作用。即使在深水中，二阶非线性项引起的能量和偏度变化依然存在，它使得波面位移关于平均水平面垂向分布不对称，波的能量增加，导致非线性效应不能忽略。风速增大、水深降低、反波龄减小或者均匀背景流和风速方向夹角小于π/2时均使得二阶能量所占总能量的比率增大，二阶非线性项的作用加强，无因次波面位移概率密度分布的偏度和峰度随之增大。反之，二阶能量所占总能量的比率减小，二阶非线性项的作用减弱，无因次波面位移概率密度分布的偏度和峰度随之减小，当夹角成90度时则均匀背景流对波面位移概率密度分布无影响。（3）当均匀背景流和风速相同时，虽然非线性项的作用加强，但平均波面位移反而比平均水平面降低，当均匀背景流和风速相反时，虽然非线性作用增强，但平均波面位移反而趋于平均水平面。同时利用2009年在大连獐子岛进行的观测资料对模型在大风速下、深水并且有很强的的逆向背景流条件下检验，结果表明，相较于3阶Gram-Charlier级数分布，在考虑了背景流条件下，该模型能够更好地模拟实际情况。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
1 引言  13-18
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-16
  1.3 本文的主要工作  16-18
2 海表面波面位移的模拟  18-33
  2.1 海浪模型  18-21
    2.1.1 Pierson 模型  18-19
    2.1.2 Longuet-Higgins 线性模型  19-20
    2.1.3 Fourier-Stieltjes 的积分模型  20
    2.1.4 以广义 Fourier 变换表示的模型  20-21
    2.1.5 Longuet-Higgins 非线性模型  21
  2.2 海浪仿真方法  21-26
    2.2.1 利用波叠加进行模拟  22-24
    2.2.2 利用线性过滤法进行模拟  24-26
  2.3 几种海浪频谱和海浪方向谱  26-32
    2.3.1 Neumann 谱  26
    2.3.2 Pierson-Moscowitz（P-M）谱  26-27
    2.3.3 JONSWAP 谱  27-28
    2.3.4 文氏谱  28-29
    2.3.5 Combi 谱  29
    2.3.6 方向谱  29-32
  2.4 小结  32-33
3 波面位移非线性特征  33-50
  3.1 非线性波面位移的表达式  33-35
  3.2 模拟的有效性检验  35-37
  3.3 波面位移随风速、水深、反波龄和均匀背景流的变化  37-49
    3.3.1 二阶非线性项的特征  37-38
    3.3.2 波面位移概率密度分布随风速和水深的变化  38-42
    3.3.3 波面位移随反波龄的变化  42-43
    3.3.4 均匀背景流流速大小对波面位移的影响  43-45
    3.3.5 二维波面位移的时空分布一致性检验  45-47
    3.3.6 均匀背景流的方向对波面位移的影响  47-49
  3.4 小结  49-50
4 模拟结果与实测资料的比对和分析  50-58
5 结论及展望  58-60
  5.1 本文结论  58-59
  5.2 研究展望  59-60
参考文献  60-64
攻读硕士期间发表论文情况  64-65
作者简历  65

波面位移非线性特征数值研究

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