海浪周期关系的研究

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1、文章编号!1003-6482"2007#02-0013-06海浪周期关系的研究%李瑞丽<中国海洋大学海洋环境学院青岛266100>摘要!本文利用现场观测数据!实验室风浪槽观测数据和由文氏谱及JONSWAP谱生成的模拟数据"研究了有效周期与谱平均周期!谱峰周期与谱平均周期以及有效周期与谱峰周期的关系"通过数据拟合给出了相应的关系式#研究发现"有效周期与由谱的负阶矩计算的平均周期之间的关系更加稳定"并且有效周期与负2阶矩计算的平均周期几乎相等"均代表了海浪主导波对海浪平均周期的贡献#关键词!海浪$周期$有效波$谱峰$谱平均周期中图分类号!P73l.22文

2、献标识码!A海浪是海洋工程中的最重要动力环境荷载之一海浪要素<如波高~周期>是工程设计普遍关注的重要环境条件特别是有效波高和有效周期是至关重要的设计波要素传统上通过现场观测资料的统计分析获取工程关注点的有效波高和有效周期此种方法虽然可靠但受制于观测条件和工程造价的限制随着人们对海浪动力机制认识的不断深化以及计算机运算能力的不断提高在海洋工程环境条件计算中越来越盛行利用海浪数值模式计算海浪要素目1]2]前国际上流行的海浪模式SWAN~WAVEWATCH可以直接输出有效波高但不能直接给出有效周期给出的特征周期为积分海浪谱得到的平均周期关于谱峰周期与有效周

3、期的3-5]关系前人已有一些研究结果但对于谱平均周期与有效周期的关系尚无可供工程实际应用的关系式本文利用现场观测数据~实验室风浪槽观测数据以及由典型海浪谱得到的模拟数据研究海浪周期间的关系为工程应用提供可用的谱平均周期与有效周期的关系为海浪数值模式计算结果的实际应用提供一定的依据l数据与方法l.l现场观测数据海浪的现场观测数据来自于1997年11～12月在渤海黄河口海域石油平台所进行的海面微特征及海洋遥感机理研究观测项目观测地点为3812N11930E观测仪器为电容式垂线测波仪采样频率为20Hz波面记录长度为17minl.2实验室观测数据实验室观测数

4、据来自于在中国海洋大学物理海洋实验室大型风浪槽内所进行的风浪观测实验该风浪槽长65m~高1.8m~宽1.2m观测仪器为电阻式垂线测波仪采样时间间隔为0.0308s波面记录长度为15min在4种不同参考风速下<4~6~8~10m/s>~10个不同风区处<7.00~10.70~14.35~18.00~21.70~25.40~29.05~32.75~36.40~41.00m>进行了观测在海浪谱和海浪的统计性质研究中通常将实验室风浪槽的观测数据与现场观测数据相结合一%基金项目:国家科技支撑计划<2006BAC03B01>资助第一作者简介:李瑞丽<1981->

5、女硕士主要研究方向为物理海洋海浪收稿日期:2006-06-1114海洋湖沼通报2007年[6~7]起分析~以覆盖更大范围的风浪成长状态~使得分析结果更具代表性l.3模拟数据[3]由海浪谱数值地生成随机海浪数据是研究海浪统计特征的一种有效手段~是海浪数字[8][9][6]仿真研究的主要内容本文采用文氏谱和JONSWAP谱作为输入海浪谱~利用[10]LOnguet-Higgins随机海浪模型生成波面序列~作为现场观测数据和实验室观测数据的补充~代表大浪海况的数据文氏谱的输入参量为有效波高<0.3～9.5m>和有效周期<2.1～13.0s>~JONSWAP

6、谱的输入参量为风速<5～28m/s>和风区<15～200km>l.4分析方法对所有波面序列进行上跨零统计分析得到每组数据相应的有效周期T对所有波面序s列再进行FFT变换得到每组数据的粗谱~利用Hanning窗和矩形窗相结合的方法得到平滑的海浪谱由平滑海浪谱确定每组数据的谱峰周期T~并计算下列谱平均周期~P1/2m-2T0~-2=2T<1>m-1T0~-1=2T<2>m0-1m1T0~1=2T<3>-1/2m2T0~2=2T<4>>其中m为谱的r阶矩~其定义为mrrr=iSIdI~这里I为海浪组成波圆频率~S为海浪0

7、频谱2结果与讨论图1为有效周期T与4种谱平均周期的关系图中加号代表实验室风浪槽观测数据~三s角形代表现场观测数据~圆圈代表由文氏谱生成的模拟数据~星号代表由JONSWAP谱生成的模拟数据~实线代表拟合的关系式图2和图3的图例亦同图1图1a～b分别表示有效周期T与谱平均周期的关系TTTT的关系通过拟合得到如下关系式~s0~-20~-10~10~2Ts=0.997T0~-2<5>Ts=1.035T0~-1<6>Ts=1.164T0~1<7>Ts=1.291T0~2<8>图1表明有效周期Ts与4种谱平均周期呈现非常好的线性关系Ts与T0~-2间线性关系的方

8、差为最小~几乎所有的数据点都落在拟合的直线上T与T间线性关系的方差则s0~-22期海浪周期关系的研究15(a