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)域興起的熱點問題,對其研究和探索尚處于起始階段,有許多問題亟待解決。本文首先對畸形波的線性生成機制和非線性生成機制的各種理論方法進行總結(jié)。針對畸形波的線性生成機制,本文結(jié)合WAVEWATCHⅢ(WW3)海浪模式進行了理想數(shù)值試驗,發(fā)現(xiàn)不均勻流對海浪的調(diào)制作用會形成大的波浪。當(dāng)波浪傳播方向和流向相反時,波浪輻聚,當(dāng)波浪傳播方向和流向相同時,波浪輻散。在非線性相互作用機制中,波浪的不穩(wěn)定性不僅來源于外界風(fēng)場強迫,也

2、來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制探討主要圍繞B-F不穩(wěn)定性展開。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推導(dǎo)過程,給出了B-F不穩(wěn)定性容易發(fā)生的條件。有關(guān)畸形波的觀測資料很少,而且都是單點的時間序列,不能反映整個水域的波浪演化特征。近年來,人們開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WW3海浪模式的模擬精度進行了定量化的檢驗,用QSCAT/NCEP融合風(fēng)場作為驅(qū)動風(fēng)場,對模擬的有效波高與浮標(biāo)及高度計的測量數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果表明:模擬的有效波高與實測有效波高的相對誤差可達到15％左右高精度,絕對誤差平均值為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程和一維單峰、雙峰海浪譜。本文又利用預(yù)報風(fēng)場模擬了西北太平洋的一個一般海浪過程和莫拉克臺風(fēng)浪過程。和實測數(shù)據(jù)相比,WW3

4、模擬的復(fù)雜地形區(qū)域的有效波高和臺風(fēng)浪有效波高相對誤差分別約為20%、18%。本文從歷史文獻資料中選取了三個有觀測記錄的畸形波事件和三個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)對事件發(fā)生點的海浪場進行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)在畸形波發(fā)生時,發(fā)生點海況比較差,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)項在低頻段占據(jù)主導(dǎo)作用。本文分析了畸形波發(fā)生時刻各個海浪參數(shù)的時間演化特征,發(fā)現(xiàn)畸形波的發(fā)

5、生和單個的海浪參數(shù)因子演化特征沒有明顯的聯(lián)系。通過計算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)生點的BFI值均在0.4以下,遠小于Janssen(2003)根據(jù)實驗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),說明該判據(jù)在大洋中并不適用。考察畸形波發(fā)生過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)生點所處位置在聯(lián)合分布點的拐點或者靠近拐點處,而且數(shù)據(jù)點的分布非常密集。發(fā)生點波陡比較大

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年途徑我國沿海的“羅莎”臺風(fēng),根據(jù)Jelesnianski1965理想臺風(fēng)模型給出理想臺風(fēng)場,用WW3(3.14)海浪模式模擬臺風(fēng)浪。通過18個點輸出的BFI數(shù)值統(tǒng)計顯示,在整個臺風(fēng)浪過程中絕大部分BFI值都小于0.5,在0.9-1區(qū)間的數(shù)據(jù)點占樣本總量的萬分之四左右,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、。該計算結(jié)果與Bertotti和Cavaleri(2008)計算voyager storm得到的BFI都小于0.5的結(jié)果類似。從18個輸出點的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間變化圖來看,海浪的這些參數(shù)值存在著兩個急速變化時間段。一個是在波高初步成長的階段,另外一個是波高急速變大的階段。從波高的特征上來看,浮標(biāo)數(shù)據(jù)顯示的畸形波出現(xiàn)頻率比較高的兩個時間段和模擬的海浪參數(shù)急速變化時間段有很好的對應(yīng)