【摘要】： 風(fēng)浪破碎是海氣間動(dòng)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(duì)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(chǎng)能量平衡、限制波高的主要機(jī)制。深入研究風(fēng)浪破碎,對(duì)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(qiáng)間歇性的復(fù)雜物理過程,破碎發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、方式、強(qiáng)度都是隨機(jī)的。這種非線性、間歇性和隨機(jī)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(duì)此認(rèn)識(shí)模糊。 隨機(jī)點(diǎn)過程是描述具有間歇性、陣發(fā)性隨機(jī)現(xiàn)象的有力工具。本文將隨機(jī)點(diǎn)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(jī)性的點(diǎn)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(duì)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)浪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明,點(diǎn)過程理論是研究風(fēng)浪破碎隨機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)部最大值、實(shí)部積分以及偏度等特征量都隨破碎程度的增強(qiáng)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(duì)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(qiáng)不斷增大,提示波波相互作用的范圍不斷擴(kuò)大,強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。 破碎導(dǎo)致的能量耗散是海浪研究的一個(gè)熱點(diǎn),也是一個(gè)難點(diǎn)。本文借鑒Young和Babanin (2006)的思路,將波面信號(hào)劃分為破碎段與非破碎段,二者平均譜的差異歸因?yàn)槠扑榈挠绊?由此估計(jì)破碎能量耗散。本文也借鑒了Yefimov和Khristoforov (1971a)的思路,利用實(shí)測(cè)速度譜與波生速度譜的差估計(jì)耗散。分析結(jié)果表明：前一種方法盡管可能會(huì)低估真實(shí)的耗散,但估計(jì)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(diǎn)過程理論實(shí)證的一個(gè)關(guān)鍵。結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)判據(jù)變量、動(dòng)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(gè)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(shí)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(gè)穩(wěn)定的閾值；兩種水平不對(duì)稱因子、垂向不對(duì)稱因子、波面偏度等不對(duì)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(shí)驗(yàn),采用動(dòng)力學(xué)判據(jù),確定破碎波與破碎波群,依次獲得每個(gè)信號(hào)的破碎波間隔、破碎波群間隔、波群內(nèi)破碎波個(gè)數(shù)等序列,計(jì)算破碎概率與破碎率,風(fēng)浪破碎點(diǎn)過程理論得到初步驗(yàn)證： 破碎間隔的分布能夠完整的表達(dá)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(duì)間隔分布的Kolmogorov-Smimov檢驗(yàn)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(duì)應(yīng)的,描述破碎耗散的標(biāo)值累計(jì)過程可以簡(jiǎn)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(gè)數(shù)的分布能有效地表達(dá)群發(fā)性。只有在風(fēng)速超過一定水平時(shí),包含多個(gè)破碎波的波群才會(huì)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(gè)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(shí)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(gè)數(shù)四個(gè)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(shí)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：P731.22

【引證文獻(xiàn)】

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

5 朱青;破碎波的波要素分布[D];中國海洋大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2806301