畸形波的海浪數(shù)值模擬研究.pdf

1、畸形波是近十幾年海浪研究領(lǐng)域興起的熱點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)其研究和探索尚處于起始階段,有許多問(wèn)題亟待解決。本文首先對(duì)畸形波的線性生成機(jī)制和非線性生成機(jī)制的各種理論方法進(jìn)行總結(jié)。針對(duì)畸形波的線性生成機(jī)制,本文結(jié)合WAVEWATCHⅢ(WW3)海浪模式進(jìn)行了理想數(shù)值試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不均勻流對(duì)海浪的調(diào)制作用會(huì)形成大的波浪。當(dāng)波浪傳播方向和流向相反時(shí),波浪輻聚,當(dāng)波浪傳播方向和流向相同時(shí),波浪輻散。在非線性相互作用機(jī)制中,波浪的不穩(wěn)定性不僅來(lái)源于外界風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫,也

2、來(lái)自于波浪自身的波一波相互作用。關(guān)于波浪自身不穩(wěn)定性的經(jīng)典理論為Benjamin和Feir(1967)提出的B-F不穩(wěn)定性,目前畸形波的生成機(jī)制探討主要圍繞B-F不穩(wěn)定性展開(kāi)。本文用多重尺度法給出描述B-F不穩(wěn)定性的最基礎(chǔ)理論模型—三階非線性薛定諤方程的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程,給出了B-F不穩(wěn)定性容易發(fā)生的條件。有關(guān)畸形波的觀測(cè)資料很少,而且都是單點(diǎn)的時(shí)間序列,不能反映整個(gè)水域的波浪演化特征。近年來(lái),人們開(kāi)始用第三代海浪模式探討海洋中畸形波的生成

3、與海浪參數(shù)的聯(lián)系。本文對(duì)WW3海浪模式的模擬精度進(jìn)行了定量化的檢驗(yàn),用QSCAT/NCEP融合風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng),對(duì)模擬的有效波高與浮標(biāo)及高度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:模擬的有效波高與實(shí)測(cè)有效波高的相對(duì)誤差可達(dá)到15％左右高精度,絕對(duì)誤差平均值為0.49m,相關(guān)系數(shù)為0.89。WW3海浪模式可以高精度地模擬涌浪過(guò)程和一維單峰、雙峰海浪譜。本文又利用預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)模擬了西北太平洋的一個(gè)一般海浪過(guò)程和莫拉克臺(tái)風(fēng)浪過(guò)程。和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比,WW3

4、模擬的復(fù)雜地形區(qū)域的有效波高和臺(tái)風(fēng)浪有效波高相對(duì)誤差分別約為20%、18%。本文從歷史文獻(xiàn)資料中選取了三個(gè)有觀測(cè)記錄的畸形波事件和三個(gè)從沉船事故分析中得出的畸形波事件。用WAVEWATCHⅢ多重網(wǎng)格技術(shù)對(duì)事件發(fā)生點(diǎn)的海浪場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)在畸形波發(fā)生時(shí),發(fā)生點(diǎn)海況比較差,波陡比較大,方向展角比較小,譜型尖窄,譜尖度較大,四波非線性相互作用源函數(shù)項(xiàng)在低頻段占據(jù)主導(dǎo)作用。本文分析了畸形波發(fā)生時(shí)刻各個(gè)海浪參數(shù)的時(shí)間演化特征,發(fā)現(xiàn)畸形波的發(fā)

5、生和單個(gè)的海浪參數(shù)因子演化特征沒(méi)有明顯的聯(lián)系。通過(guò)計(jì)算Janssen(2003)提出的表征畸形波發(fā)生難易程度的BFI因子,發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生點(diǎn)的BFI值均在0.4以下,遠(yuǎn)小于Janssen(2003)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中一維波浪模擬結(jié)果提出的BFI為1是畸形波發(fā)生臨界值的判據(jù),說(shuō)明該判據(jù)在大洋中并不適用?？疾旎尾òl(fā)生過(guò)程中的波陡和方向展角的聯(lián)合分布發(fā)現(xiàn),畸形波發(fā)生點(diǎn)所處位置在聯(lián)合分布點(diǎn)的拐點(diǎn)或者靠近拐點(diǎn)處,而且數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布非常密集。發(fā)生點(diǎn)波陡比較大

6、,波陡在0.08以上,方向展角介于20度到27度之間。大的波陡和小的方向展角均為畸形波易發(fā)生的必要條件。本文結(jié)合2007年途徑我國(guó)沿海的“羅莎”臺(tái)風(fēng),根據(jù)Jelesnianski1965理想臺(tái)風(fēng)模型給出理想臺(tái)風(fēng)場(chǎng),用WW3(3.14)海浪模式模擬臺(tái)風(fēng)浪。通過(guò)18個(gè)點(diǎn)輸出的BFI數(shù)值統(tǒng)計(jì)顯示,在整個(gè)臺(tái)風(fēng)浪過(guò)程中絕大部分BFI值都小于0.5,在0.9-1區(qū)間的數(shù)據(jù)點(diǎn)占樣本總量的萬(wàn)分之四左右,且BFI大于0.8的值主要出現(xiàn)在波高發(fā)展的初始階段

7、。該計(jì)算結(jié)果與Bertotti和Cavaleri(2008)計(jì)算voyager storm得到的BFI都小于0.5的結(jié)果類似。從18個(gè)輸出點(diǎn)的BFI、波陡、譜尖度、方向角差(平均波向和峰值波向夾角)、波高和方向展角隨時(shí)間變化圖來(lái)看,海浪的這些參數(shù)值存在著兩個(gè)急速變化時(shí)間段。一個(gè)是在波高初步成長(zhǎng)的階段,另外一個(gè)是波高急速變大的階段。從波高的特征上來(lái)看,浮標(biāo)數(shù)據(jù)顯示的畸形波出現(xiàn)頻率比較高的兩個(gè)時(shí)間段和模擬的海浪參數(shù)急速變化時(shí)間段有很好的對(duì)應(yīng)