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海浪谱

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海浪谱是描述海浪发生、发展乃至消止的频谱,它是海浪预报方法的重要基础,对于港湾、码头以及海底工程设施具有实际意义。

海浪谱在海浪的理论和应用中都是重要的,从而得到广泛研究。50年代初纽曼 (Neumann) (1953) 利用观测资料和一些假定,导出描述风浪成长的频谱,构成当时一种重要海浪预报方法的基础,并在其后一段较长时期里得到应用。约10年后,皮尔逊 (Pierson) 与莫斯考维奇 (Moscowita)(1964)就此风浪状态通过观测资料拟合提出另一种频谱,此谱以其观测根据较充分,至今仍得到广泛应用。60年代末至70年代初,北海海浪联合研究计划(Hasselmann,et al,1973),在系统的观测基础上,拟合得到所谓琼斯维普(JONSWAP)谱。此谱随风区变化,当其中一个称为峰升高因子等于1时,谱化为上述代表充分成长风浪状态的皮尔逊—莫斯考维奇谱。琼斯维普谱是目前国际上应用最广的谱。

国内外已提出多种风浪频谱,上面仅引述在全部频率范围内有代表性的三种谱,并大致反映出有关研究的不同发展阶段。风浪是种极为复杂的现象,其能量变化过程迄今未得到适当阐明,故难于期望用以描述海浪内部能量结构的谱的研究能取得满意的结果。即以琼斯维普谱而论,其缺点为: ①纯经验的形式; ②包含5个参量,其中有的在应用中不便于测定; ③只适用于深水。

为了克服这些缺点,我国科学工作者于80年代末以解析方法导出一种谱,所采用的推导方法和得到谱的形式至90年代中期已逐渐完善 (Wen et al,1994a,b)。在具有较大普遍性且易于现实的假定下,理论证明:以谱的零次矩m0和峰频率ω0对谱S(ω) (ω为角频率)实行无因次化后,所得的谱()=ω0S(ω)/m0(无因次频率=ω/ω0)表示为两个处于不同成长阶段的无因次谱的线性叠加,其中包含频率比R=/ω0作为参量(为平均频率)。此结论有重要意义:如已知两个处于不同成长阶段的谱,将它们叠加起来就可得到适用于风浪成长各个阶段的谱。对于此处所需的两个谱,一个自然的选择是: 充分成长的谱和非常年青的谱。上述作者利用国外海上和实验室观测资料并参照皮尔逊一莫斯考维奇谱的特征导出充分成长的谱。还构造出非常年青的谱,此谱于风浪生成的初始时刻退化为Dirac δ—函数。

谱中引入的参量R可进一步以参量P=ω0S(ω0)/m0替换。3个重要的特征量m0、ω0及S(ω0)分别代表谱曲线下侧的面积、谱峰的位置和峰的高度,它们基本上将谱的含能部分显示出来,故参量P包含的谱特征信息是很丰富的,它能有效地刻画出谱形。从而我国提出的谱在广泛的检验中能与观测符合良好。R与P均为风浪成长阶段的量度。后者还反映谱的无因次几何宽度,称为尖度因子。P与ω0间存在着联系,是一个容易确定的量。

为了考虑水域深度的影响,还引入了参量η= (2πm0)1/2/d (Wen et al.,1996a,b), 此处d为水深,(2πm0)1/2等于平均波高。还曾得到m0与ω0相对于风区成长的公式以及风区与风时间的关系 (Wen et al.,1989)。利用这些关系可得到不同深度下,谱随风区或风时的成长过程。

我国首次以解析方法导出风浪方向谱 (Wen,et al.,1993a,b)。此谱以频谱的零次矩m0和峰频率ω0无因次化后,和频谱的情形一样,只包含尖度因子P作为参量。借助此谱,能较系统地说明方向谱的重要属性,特别是能量的方向分布除取决于频率外,还与风浪的成长状态有关。但所有谱的形式较为复杂。为便于应用,以此谱的方向分布为基础,通过拟合得到一方向函数,并将此函数乘以前述风浪频谱,即得风浪方向谱。(Wenet al.,1995)。

我国有关海浪谱的研究是比较系统的,并有其特色。得到的频谱已编入我国有关海港设计规范; 方向谱除工程应用外,将为研制海浪预报新型谱模式提供基础。

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