【摘要】： 風(fēng)浪破碎是海氣間動量、能量傳輸和物質(zhì)交換的重要渠道,在海氣相互作用中扮演著主要角色；破碎產(chǎn)生的湍對海洋上混合層各種物理過程有著顯著影響；風(fēng)浪破碎也是維持波浪場能量平衡、限制波高的主要機制。深入研究風(fēng)浪破碎,對海洋科學(xué)研究有重要的意義。 風(fēng)浪破碎是一種具有高度非線性和強間歇性的復(fù)雜物理過程,破碎發(fā)生的時間、地點、方式、強度都是隨機的。這種非線性、間歇性和隨機性成為風(fēng)浪破碎理論研究的主要障礙。由于缺乏恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具,人們對此認(rèn)識模糊。 隨機點過程是描述具有間歇性、陣發(fā)性隨機現(xiàn)象的有力工具。本文將隨機點過程的理論方法引入風(fēng)浪破碎研究,提出了描述風(fēng)浪破碎隨機性的點過程模型,給出了破碎概率、破碎耗散的嚴(yán)格數(shù)學(xué)表示。對實驗室風(fēng)浪實驗數(shù)據(jù)的分析表明,點過程理論是研究風(fēng)浪破碎隨機性的有效工具。這為人們深入理解風(fēng)浪破碎找到了一條新途徑。 隨機過程的二階譜能有效地度量過程中的非線性程度,而風(fēng)浪破碎具有顯著的非線性特征。本文研究了破碎風(fēng)浪的二階譜、二階相干譜特征,考查了二階譜實部、虛部特征量隨破碎程度的變化。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：二階譜實部最大值、實部積分以及偏度等特征量都隨破碎程度的增強而顯著增大,能敏感地反映破碎程度的變化,可以用于度量風(fēng)浪破碎程度；而虛部最大值、積分以及由此定義的水平不對稱性等特征量在不同破碎程度下差異并不明顯；二階相干譜中顯著部分所占的比例隨破碎程度的增強不斷增大,提示波波相互作用的范圍不斷擴大,強度不斷增強。 破碎導(dǎo)致的能量耗散是海浪研究的一個熱點,也是一個難點。本文借鑒Young和Babanin (2006)的思路,將波面信號劃分為破碎段與非破碎段,二者平均譜的差異歸因為破碎的影響,由此估計破碎能量耗散。本文也借鑒了Yefimov和Khristoforov (1971a)的思路,利用實測速度譜與波生速度譜的差估計耗散。分析結(jié)果表明：前一種方法盡管可能會低估真實的耗散,但估計結(jié)果基本合理；后一種方法的結(jié)果則明顯受深度影響。 可靠的破碎判別是風(fēng)浪破碎點過程理論實證的一個關(guān)鍵。結(jié)合實驗數(shù)據(jù),本文仔細(xì)研究了各種破碎判據(jù)的有效性,發(fā)現(xiàn)：運動學(xué)判據(jù)變量、動力學(xué)判據(jù)變量等局地判據(jù)變量能敏感地反映破碎事件的發(fā)生,能很好地區(qū)分破碎波與非破碎波,存在一個穩(wěn)定的閾值,依據(jù)這些判據(jù)的判別結(jié)果絕大多數(shù)時候是一致的；波陡、峰前波陡、峰后波陡等幾何量能夠指示破碎事件的發(fā)生,但不存在一個穩(wěn)定的閾值；兩種水平不對稱因子、垂向不對稱因子、波面偏度等不對稱幾何量在破碎波與非破碎波上的行為沒有明顯差異,不適合于作為破碎判據(jù)變量。 基于47組風(fēng)浪破碎實驗,采用動力學(xué)判據(jù),確定破碎波與破碎波群,依次獲得每個信號的破碎波間隔、破碎波群間隔、波群內(nèi)破碎波個數(shù)等序列,計算破碎概率與破碎率,風(fēng)浪破碎點過程理論得到初步驗證： 破碎間隔的分布能夠完整的表達破碎發(fā)生的間歇性,小間隔占得比例大,大間隔出現(xiàn)的概率小,這是破碎間隔分布的共同特征；對間隔分布的Kolmogorov-Smimov檢驗表明：低風(fēng)速情形的破碎波間隔服從指數(shù)分布。這意味著,低風(fēng)速情形下,風(fēng)浪破碎的發(fā)生可以視為一齊次Poisson過程；對應(yīng)的,描述破碎耗散的標(biāo)值累計過程可以簡化為復(fù)合Poisson過程。 高風(fēng)速情形,群發(fā)性是風(fēng)浪破碎的典型特征,波群內(nèi)破碎波個數(shù)的分布能有效地表達群發(fā)性。只有在風(fēng)速超過一定水平時,包含多個破碎波的波群才會漸次出現(xiàn),風(fēng)速越大,這種波群占得比例越大,平均的波群內(nèi)破碎波個數(shù)也越大。 破碎發(fā)生率與平均破碎間隔呈幾近理想的倒數(shù)關(guān)系,隨著風(fēng)速的增大,破碎間隔減小,破碎發(fā)生率增大。事實上,主導(dǎo)波破碎概率、破碎發(fā)生率、平均破碎波間隔的倒數(shù)以及波群內(nèi)破碎波平均個數(shù)四個指標(biāo)間存在明顯的線性關(guān)系,屬于一類；波群破碎概率、波群破碎發(fā)生率、平均破碎波群間隔則屬于另一類。要完整地描述破碎頻繁程度,需同時使用兩類指標(biāo),缺一不可。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：P731.22

【引證文獻】

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1 楊景耀;鄒曉晨;;風(fēng)浪破碎判據(jù)的實驗檢驗[J];海洋通報;2016年05期

2 張瑞;類淑河;管長龍;王紅;;波流信號交叉譜估計方法比較[J];海洋與湖沼;2015年04期

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1 陳麗寧;航海模擬器視景系統(tǒng)中使用波數(shù)譜的海浪繪制[D];大連海事大學(xué);2016年

2 陶山山;多維最大熵模型及其在海岸和海洋工程中的應(yīng)用研究[D];中國海洋大學(xué);2013年

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1 張瑞;實驗室波流信號的交叉譜估計方法比較[D];中國海洋大學(xué);2015年

2 薛川;海浪破碎間歇性與群發(fā)性的度量[D];中國海洋大學(xué);2013年

3 陳佳;海浪破碎的空間點過程模型[D];中國海洋大學(xué);2013年

4 馬海燕;風(fēng)浪破碎的標(biāo)值點過程模型[D];中國海洋大學(xué);2012年

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本文編號：2806301