海洋环境学课设Word文件下载.docx
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风浪谱的能量分布频域较宽，风浪一旦离开风区或风突然停息，随着其往远处的传播，一方面不同频率的组成波产生频散，另一方面由于内摩擦作用，短周期的波消衰得很快，所以谱形变得越来越窄，这就是涌浪谱。
实测谱高而窄的能量峰说明海面存在着远处传来的涌浪；
实测谱较宽的能量分布频域，说明海面上又存在着风浪，远处传来的涌浪和现场的风浪相互叠加，就形成了观测中常见的混合型双峰海浪谱。
[2]
海上纯风浪和纯涌浪的出现机率比较小，大部分以混合浪形式出现。
混合浪的频谱结构相当复杂和多样化，除少数情况下频谱仍呈现为单峰外，多数为双峰甚至多峰。
[3]因此研究南海海域的双峰谱波浪对我们国南海的丰富波浪能资源的开发利用显得格外重要。
2.南海海域双峰谱波浪研究内容
2.1南海海域观测资料
2.1.1风场资料
（1）春季南海海域平均海面风速较低，除东沙群岛、台湾海峡、吕宋海峡和中国南部沿海平均海面风速达到4级以外，大部分海域（包括西沙群岛、中沙群岛和南沙群岛）平均海面风速为3级，马来西亚西北部海域平均海面风速仅为2级（1.6～3.3m/s）。
（2）夏季随着西南季风的加强，南海西南部海域平均海面风速升高，东北部平均海面风速降低。
南海海域平均海面风速均在3级以上；
吕宋海峡、西沙群岛、南沙群岛东北部以及越南东南部海域平均海面风速达到4级。
（3）秋季南海海域开始以东北季风为主，东北部平均海面风速较夏季明显升高。
南海海域从东北向西南呈现逐渐降低的变化规律：
台湾海峡、吕宋海峡及东沙群岛平均海面风速达5级；
西沙群岛、中国南部海域和越南东部海域平均海面风速为4级；
南沙群岛、黄岩岛、菲律宾西部海域、马来西亚和文莱北部海域平均海面风速仅为3级。
（4）冬季东北季风控制整个海南海域，平均海面风速达到全年最高。
除菲律宾西部沿海、马来西亚和文莱北部沿海平均海面风速仍为3级以外，其它海域平均海面风速均在4级以上：
从台湾海峡、吕宋海峡至越南东南部形成一个狭长的5级风力区，包括东沙群岛在内；
而西沙群岛、中沙群岛和南沙群岛处于5级风力区。
[4]
2.1.2波浪资料
2.1.2.1波浪能统计
整体来看,秋冬季节波浪能较大，春夏季较小；
离岸较远波浪能较大,靠近海岸波浪能较小;
距离海岸相同时，该海域东北部波浪能较大,西南部较小。
整体来看,能流密度大致呈东北-西南走向，中部海域大于近岸海域的波浪能。
南海海域波浪能在春夏秋冬4个季节依次呈递增趋势。
2.1.2.2不同等级波浪能出现频率
在波浪能的评估中,能流密度不同能级出现的频率是衡量能量丰富程度的一个重要指标,是建立波浪能电站的重要参考依据之一。
通常认为大于2kW/m视为可用，本文对1986—2005年每小时的能流密度进行统计,发现大于4kW/m和6kW/m的频率较高,波能蕴藏丰富。
大于6kW/m出现频率较高的海域主要集中在南海中部和东部,最高频率高达80%~90%,在靠近岸的海域频率相对较小;
大于8kW/m的分布情况与大于6kW/m的分布较接近;
高频率带呈东北-西南走向。
[5]
2.2南海双峰型海浪谱特征研究
2.2.1双峰型海浪谱的选取
选取的原则是：
（l）观测波浪连续记录时间不少于15min；
（2）频谱的主峰与次峰之间的频率间隔
；
（3）频谱的次峰谱值要大于主峰谱值的30%以上，且主峰与次峰之间的谷谱值要小于次峰谱值的2/3以下。
尽管实测双峰海浪谱形是多样的，但就所选用的资料来看，主要分为3类：
（1）.以涌浪为主的混合浪，谱的大部分能量集中于低频峰左右,高频峰部分的能量很小；
（2）.以风浪为主的混合浪,谱的高频峰谱值远大于低频峰谱值；
（3）涌浪和风浪强度相当的混合浪，谱的高、低频峰谱值相差较小。
[6]
2.2.2双峰型海浪谱演化过程
开始阶段，双峰谱低频处实测谱高而窄的能量谱峰曲线显示出涌浪的特性，谱曲线较为尖、瘦，能量集中，反映出此时海浪以外海传来频率单一、能量集中的涌浪为主。
随后，远处传来的涌浪和现场的风浪相互叠加，低频处包括面积渐渐变小，能量逐渐传到
后方，逐渐形成涌浪和风浪强度相当的混合浪；
最后阶段，由于风场的持续作用，海浪能量逐渐显示为以风浪为主的双峰海浪谱。
[7]
2.2.3双峰型海浪谱特征分析
2.2.3.1双峰型海浪谱波高特征
2.2.3.1.1波高分布解析形式
Longuet-Higgins在线性窄谱假定下，从理论上证明波高服从Rayleihg分布，其形式为：
（1）
许多学者用实测海浪资料对式
（1）进行验证，认为在深水条件下，当谱宽度较小时，理
论结果与实际比较符合，而对于小概率对应的波高值，理论结果偏大。
为此，一些作者采用weibull分布：
（2）
另外，张炳根，Bitner，侯一筠等考虑了海浪非线性对波高分别的影响，分别在某些假定下导出了非线性波高概率密度分布。
但现有非线性波高分布中，表达式复杂，计算麻烦，或其中有关参数不便确定等原因，目前在实际问题中仍很少应用。
2.2.3.1.2实测波高分布与理论结果比较
Rayleigh分布与实测的波高统计分布有较大差异，在最大出现率附近，Rayilehg分布明显偏低，而对大于1.6
的大波，Rayilehg分布给出的结果偏大。
这种差异在相关系数小的组尤为明显，随着R（H，T）的增大，此差异趋于减小。
这表明，对于相关系数R（H，T）小的双峰谱型海浪波高分布，Rayleigh分布不再适宜。
波高Weibull分布，与Rayleish分布相比较而言，它们皆能较好地描述实测波高的统计分布，但其分布中两参数随R（H，T）的不同而有所差异。
[8]
2.2.3.2双峰型海浪谱周期特征
2.2.3.2.1周期分布解析形式
关于海浪的周期分布，很多作者如Bretscneider在假定经典流体力学中波长和周期的关系适用于海浪，并认为波长（或周期的平方）与波高一样应属于Rayilehg分布，因而周期分布函数（F）T遵循参数K=4时的下式分布律
（3）
其中：
（4）
为伽马函数。
有些以现场实测资料为基础讨论周期分布的文献中，也可以认为可用
时的式（4）来逼近实测周期分布。
而在另外一些文献中却发现
小于4。
经分析大量实测资料后认为波周期分布中参数
为3比为4更逼近实测经验分布。
70年代中期，Longuet-Higgins在线性和窄谱条件下导出周期的理论分布式：
（5）
式中：
；
。
但式中在周期为零时，其概率密度值不为零，这在物理概念上是难以接受的。
80年代后期，孙孚给出的周期理论分布克服了上述困难，除去周期甚小的范围外，与Longuet-Higgins的结果相差甚微。
其分布形式为：
（6）
作为周期理论分布表达式，本文也对式（6）进行验证。
2.2.3.2.2实测周期与理论结果比较
实测波周期的统计分布范围较波高分布明显变窄,其分布可用k=3的Weibull分布来描述。
（7）
由此,就分析的双峰谱代表的海浪状态而言,其波高和周期的分布是接近的。
2.2.3.3波高与周期的联合分布
根据实测的海浪谱密度,海浪波高与周期的
联合分布,采用Longuet-Higgins（1983）模型[11]进行统计分析。
无因次波高
与无因次周期
非对称性的联合分布为
（8）
式中,L（v）为正则因子,
当v值很小时,
在变换高斯过程情况下,大波对应的等概率密度的波高分布偏高。
由文献可知,变换高斯过程计算的混合浪各种情况下的波高-周期联合概率密度分布略高于高斯过程下的概率密度分布,且与实测的波高-周期联合概率密度分布更一致。
说明利用变换高斯过程计算模拟波面的统计特征更接近实际情况。
[12]
2.2.3.4南海双峰谱波浪出现时间特征
双峰谱的形成与南海台风有一定关系。
如2011-06-10左右，双峰谱出现在第3号热带风暴“莎莉嘉”前夕；
2011-07-15前后，双峰谱又伴着第7号热带风暴“蝎虎”出现。
2011-08-11，在第8号台风“洛坦”消亡之后，双峰谱又再次出现。
由上述现象初步可以判断，造成双峰型海浪的热带气旋一般发生在距浮标测站较远的海区，而且强度普遍偏小。
风浪脱离台风源地后形成的涌浪经过长距离传播，与浮标测站海区局地风浪共同作用，形成了双峰型海浪谱。
由此可见，双峰型海浪谱为台风边缘影响期间波浪与涌浪共存时混合浪能量的实际分布。
在大风影响过程中，海浪的谱型在不断变化，首先是远处传来的涌浪，随着台风风向测点靠近，波浪逐渐成长，直至出现两种海浪共存，海浪的谱型则由涌浪演变成混合浪，而后演变成为风浪。
2.2.3.5南海双峰谱波向特征
双峰谱波浪玫瑰图见图1。
由图可知，此时双峰型海浪的主波向以ＳＷ向为主，海浪频谱风浪谱能量也以风浪谱为主，与该季节西南季风盛行的风场情况相吻合。
图1.南海双峰型波浪玫瑰图
为更清楚的揭示双峰型海浪谱各组成部分，采用海浪方向谱模型显示了双峰型海浪谱不同频段能量在各方向上的分布。
低频部分涌浪的来向以Ｅ—ＳＥ为主，与台风源地方向一致，证明此类涌浪的来源；
风浪频谱能量较大，以Ｓ—ＳＷ向为主，与当时西南季风风场特征相吻合。
2.3双峰谱波浪模型研究
2.3.1波面分析方法
2.3.1.1WAFO方法
WAFO（WaveAnalysisforFatigueandOcea-nography）是Matlab中第三代对随机波及随机荷载模拟与统计分析的工具箱,它能高效准确的模拟和分析任意谱型的随机波,计算观测谱与理论谱的波的特征与统计分布。
WAFO包含许多最新的数值计算方法,在计算速度与准确度方面有了显著的提高,其模块化的结构,可方便使用者针对所研究的问题自行调用或改写程序。
在算法上WAFO还包含了许多最新的研究成果,使其能够解决大量复杂的数理问题。
通过对混合浪过程的模拟研究,进一步验证循环嵌套方法是实现随机波面模拟的行之有效的方法,WAFO是海洋工程与随机过程统计分析的高效、准确的工具。
2.3.1.2变换高斯过程
众所周知,高斯过程能很好的描述诸如海浪这种随机过程,假定波面服从高斯分布,我们可以很容易获得波的频谱密度以及波的各种特征分布,并且利用高斯分布我们可以准确的得到波长及振幅的概率密度分布。
但是,对于波高的概率密度分布,高斯过程则很难得到满意的结果。
针对该情况Rych-lik[9]做了一简单的变换,这种变换后的高斯过程能够很好地近似波高的密度分布。
现简述如下:
如果海浪波动模型x（t）用随机过程X（t）表示,且X（t）是高斯分布随机过程X（t）的函数,即
X（t）=G（X（t））（9）
其中,G是正定的连续可微函数。
随机过程X（t）的海浪谱用S表示,X（t）的海浪谱用S表示。
X（t）总是满足数学期望为0,方差为1,即S的一阶谱矩为1。
由上式（9）可知,随机过程X（t）是对一系列的高斯分布过程作简单的运算,只要X（t）的波高、波谷、振幅与波长的分布已知,对变换函数G求逆变化用g表示,g=G-1,相应的X（t）的波高、波谷、振幅与波长的分布即可获得。
利用上述关系可得X（t）=g（X（t））,其中,x（t）为实际海面波动,x为变换后海面波动,x（t）符合高斯分布。
选取变换函数g有多种方法,最简单的是直接对资料进行参数或非参数化平均估计变换函数,或者基于非线性波近似理论,借鉴文献中提出的参数化函数,本文利用的是Win-terstein给出的变换函数,g是单调的3次Hermite多项式形式[10]。
这两种方法都是利用X（t）的谱矩计算变换函数,随机过程X（t）的谱矩可由站点资料、实验室观测资料或者借助于物理模式得到。
2.3.2双峰谱波浪频谱表示
由于双峰谱波浪是风浪和涌浪相互叠加的结果，可以把一个双峰频谱分解为低频分谱和高频分谱之和。
（10）
式中i=1,2分别代表低频分谱和高频分谱，分别为涌浪谱和风浪谱：
，
零阶谱矩
表示海浪的总能量，谱频率
满足
尖度因子
表示能量分布的集中程度，即表示频谱的形状。
只要给定
，就可以得到双峰海浪频谱。
2.3.3波浪研究结论
（1）由模拟波面得到的估计谱与实测谱极为相近,谱峰及谱峰频率都基本一致。
说明利用模拟波面研究海浪具有代表性,它可以反映实测海浪的特征。
（2）利用Longuet-Higgins（1983）模型计算波高-周期联合概率密度分布,得到变换高斯过程计算的波高与周期联合分布与实测情况基本相同,更好地描述了波高-周期联合概率密度分布。
2.4双峰谱波浪数值模拟
2.4.1波浪数值模拟方法
2.4.1.1波形函数法
这种方法根据波浪的形状，构造具体的波形函数来实现波浪的数值模拟。
例如，Peachey采用正弦函数和二次函数的线性组合来模拟波浪的外形。
这类方法计算速度快,但人为痕迹明显,适用范围很窄。
2.4.1.2N-S方法
这类方法是Navier-Sotkes方程组出发，通过一系列简化和近似，用数值方法求解流场来实现对水波的模拟。
例如,Kass通过对浅水波方程加以简化来模拟水波动画。
这类方法效果比较逼真，适用范围广,但往往计算量大，效率低。
2.4.1.3海浪谱法
研究表明,作为随机过程的海浪具有平稳性和各态历经性,且海浪的能量绝大部分由一个较窄频率范围内的正弦波所提供,故可用有限个正弦波的叠加来模拟二维非规则海浪。
这种模拟方法速度快而且效果比较真实,可以通过调整参数来模拟不同海况下的波浪。
2.4.2数值模拟结果
用频谱方式表示如下：
（11）
式中S（ω）为所选海浪谱的谱密度，m2s；
Δω为频率间隔；
k为波数，
x为波的位置，m；
εi为第i个子波的随机相位，在[0,2π]上服从均匀分布，rad；
i=1,，2，…30，子波序列号；
t为时间，s。
尽管实测双峰海浪谱的谱形是多种多样的，其典型的双峰谱形分为三种：
①以涌浪为主的混合浪：
谱的大部分能量集中于低频峰附近，高频峰部分的能量很小，一般情况当m01/m02>
1.5时，可认为这种情况；
②以风浪为主的混合浪：
谱的大部分能量集中于高频峰附近，低频峰部分的能量很小，一般情况当0.1≤m01/m02<
0.67时，可认为这种情况；
③涌、风浪强度相当的混合浪：
高、低频峰附近的能量差不多，一般情况当0.67<
m01/m02<
1.5时，可认为这种情况。
2.5双峰型海浪谱模型适用性分析
Elzbieta等通过对尼日利亚海域的涌浪、风浪双峰海浪谱组合环境下实际海洋工程作业的研究，发现如果在涌浪、风浪同时存在的海域，使用单一波谱进行海况模拟会得到较差的结果，则不能用于海洋工程研究。
因此，有必要对双峰型海浪谱模式在南海的适用性进行探究。
目前，Ochi-Hubble谱与Torsethaugen谱在海洋工程领域得到较多应用。
Ochi与Hubble分析了800个海浪谱的资料，提出大洋波浪（风浪和涌浪叠加而成的混合浪）可采用一个平均谱、相应于95%置信水平的10个变形谱和一个最可能的谱形参数组成的谱模型。
Ochi与Hubble的6参量谱公式，将整个海浪谱分为低频部分和高频部分，每一部分分别用有效波高H、谱峰频率ωp和形状参数λ表示。
Torsethaugen根据NorthSea（北海）的Statfjord海域实测波浪资料，将20000个海浪谱分为146组，最后提出一种双峰型海浪频谱。
该谱由风浪系统（
）、涌浪（
）两部分组成，共包括10个参数。
Torsethaugen谱的商业化程度较好，已整合进入DNV设计的SESAM软件的预设谱型中。
用户只需输入波浪相应的有效波高和谱峰，即可得到相应条件下Torsethaugen谱参数及谱曲线。
为验证Torsethaugen谱在南海的适用性，本研究将南海实测波高、谱周期作为参数输入到该模型，但得到的拟合结果并不准。
由于Torsethaugen谱是根据北海20000笔实测数据拟合而得，其参数是根据北海海况而设定的，因此双峰Torsethaugen谱在南海并不适用。
Ochi-Hubble谱在高频风浪部分和低频涌浪部分波谱各有3个参数，有效波高H、谱峰周期Tp和形状参数λ。
计算时，调整
、
，使其与实测海浪谱低频谱峰和高频谱峰一致；
然后再调整谱形参数
。
由上述结果可知，Ochi-Hubble谱比Torsethaugen谱的拟合结果稍好，但计算过程较为繁琐。
3文献结论综述
（1）从双峰型海浪出现的时间判断，该类型海浪的形成与台风的出现有一定关联。
（2）南海双峰型海浪波高普遍低于2m，涌浪部分平均周期11.37s，对海洋工程威胁不大。
（3）海浪方向谱模型显示：
低频部分涌浪的来向与台风源地一致；
风浪频谱能量较大，以S-SW向为主，与夏季西南季风风场特征相吻合。
（4）实测波周期的统计分布范围较波高分布明显变窄,其分布可用k=3的Weibull分布式（4）来描述.由此,就分析的双峰谱代表的海浪状态而言,其波高和周期的分布是接近的。
（5）实测周期与波高联合分布同孙孚的理论联合分布的图形在外观上有显著差异，分布的显著高概率密度区也较孙孚理论分布向坐标原点有较大迁移，大波对应的无因次周期分布变宽.这可能是由于从单峰谱至双峰谱谱形变异和相关系数R（H,T）的影响之故。
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