波群结构和波群中的波破碎.pdf

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1、第40卷第9期2010年9月中国海洋大学学报PERI()DICALOF0CEANUNlVERSlTYOFCHINA40(9)：008～014Sep．，2010波群结构和波群中的波破碎。高志一1’2，文凡1(1．中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东青岛266003；2．国家海洋环境预报中心，北京100081)摘要：本文将小波分析用于波群结构和波群中波破碎的研究。实验结果表明，波群中波动的振幅不是关于波群中央对称的，而是波群前部波动的振幅较大。这种不对称性导致波群前部单个波的波陡较大，后部单个波的波陡较小，当谱宽度

2、增大时波群前部与后部单个波的平均波陡之差增大。波群前部波陡较大导致波群前部的波动最容易发生破碎，而不是波群中央的波动最容易发生破碎，波群中波动最可能发生破碎的位置距波群中央的长度为波群长度的1／6。关键词：波群；波陡；波破碎中图法分类号：P731．2文献标志码：A文章编号：1672—5174(2010)09—008—07海浪波群由一连串波高超过某一临界值的波构成。迄今对波群已进行了大量研究n。3]。近年研究结果表明波群是影响波破碎的重要因素L41j。Dold[80研究发现波破碎发生时的临界波陡与波群连长有关，波群连长

3、低于4时波破碎临界波陡随波群连长增大而减小。Nepf等[9]的实验结果表明波破碎发生时的I临界波陡与波群的方向性有关，即波群的发散程度越大波群中波的破碎临界波陡越大。在Dold，Nepf以及其他研究者关于波群的大量研究中，波群具有对称结构，在波群中央两侧波的振幅对称，波的振幅在波群中央达到最大，这意味着波破碎发生在波群中央位置的可能性最大。本文对波群结构和波群中波的破碎进行了实验研究，通过小波技术分析实验资料结果表明，波群结构是不对称的，波群中波动的最大振幅出现在波群前部而不是出现在波群中央，波群的不对称性导致波群前

4、部单个波出现大波陡的概率大于后部单个波出现大波陡的概率，波群前部与后部单个波的平均波陡之差随谱宽度增大而增大。波群前后波陡分布的这种差异导致波群内的波破碎在波群前部发生的概率最大，最大破碎率出现位置与波群中央的距离为波群长度的1／6。1实验室风浪实验1．1实验设置实验室观测在中国海洋大学物理海洋实验室大型风浪槽中进行。风浪槽长65m，宽1．2in，高1．2m。在风浪槽中取10个观测点观测风浪波面高度X(￡)。观测点位置为7，10．7，14．35，18，21．7，25．4，29．05，32．75，36．4和41m。在4

5、种风速条件下进行实验：4，6，8和10m／s(风速由设置在风浪槽47ITI处的风杯式风速计测得)。实验时水深0．73ITI，观测波面高度时的采样间隔为0．0308s。每个观测记录长度为5min。1．2实验分析1．2．1小波谱分析近年来有很多研究者将小波分析用于波群的研究[10-11]。根据I。iu和Babanin[11]的方法计算波浪高度X(￡)的小波谱w，计算中采用海浪研究常采用的Morlet小波基。由小波谱计算各个数据点对应的局地能量EE—f弛(1)其中西为各个数据点对应的局地频谱(垂=W(叫，￡)。；d)[11

6、]。1．2．2用Gram-Charlier级数拟合局地能量变化率的分布采用线性差分计算局地能量E的时间导数掣一学(2)统计结果表明局地能量时间导数E的分布曲线形状接近正态分布的曲线形状。本文采用Gram-Charlier级数[123拟合Ef的分布曲线。Gram-Charlier级数为p(x)一砭砉丽exp(一专){1+吉As[z3—3z]+扣Ex4--622+33)(3)其中z—Ef／衄，兜为E，的均方根，偏度因子As和峰度因子A。为可调参数。A。>O时级数曲线向左偏离对称分布，A。越大级数曲线偏离对称分布的程度越大

7、。’实验研究中以Gram-Charlier级数拟合Ef的分布曲线，并以偏度因子A。来描述波群前后的不对称程度。1．2．3波面向下加速度的计算根据Liu和Baba-nin[¨3的方法由小波谱计算波面向下加速度。局地振幅表示为·基金项目：教育部新世纪人才支持计划(NCET-08—0509)；国家自然科学基金项目(40576007)资助收稿R期：2009—10—14；修订日期：2009—12—14作者简介：高志一(1980-)，男，博士生。E-mail：zhiyi～gao@yahoo．c弧cn9期高志一，等：波群结构和波群

8、中的波破碎9口一Acos(ph)(4)其中A由Hilbert变换得到A—IHilbert[X(t)]I(5)局地位相加为加一口nglP{鞠}(6)由以上各式即可计算波面向下加速度的值“。令口磊与重力加速度g的比值为y，下面的研究中参量7将作为波破碎判据。1．2．4谱宽度本文研究中谱宽度采用Cartright和Longuet-Higgins提出的