基于湾流海域船载ADCP观测资料的地转平衡态和非地转动能分析

本研究基于湾流海域14a(2005—2018年)船载ADCP观测的水平流速数据,利用Helmholtz分解和波数谱分析等方法,分离了海域内的地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动,分析了两者的动能在连续波数谱空间的转换尺度,并初步探讨了影响湾流海域转换尺度的潜在因素。研究结果表明,湾流强流区的地转平衡态运动活跃,其转换尺度小于10km,且季节性差异较小;弱流区的非地转运动显著强于强流区,其转换尺度约为15km,夏季(~28km)明显大于冬季(~13km);湾流海域的转换尺度受夏秋季频繁发生的飓风向海洋输入的近惯性波动能量影响。同时,湾流海域转换尺度的深度变化结果表明,转换尺度与亚中尺度范围内地转平衡态运动的动能水平呈负相关关系,当地转平衡态运动的动能占主导时,转换尺度相应减小,较小的转换尺度对应较弱的非地转内波动能和较强的地转平衡态动能。本研究关于地转运动和非地转运动的有效分离,有助于理解海洋不同尺度的动力过程及其能量转化。

人工柔性植被场中波浪衰减特性研究

通过SWAN-VEG模型对波浪在刚性及柔性植被中传播的模拟计算结果发现,SWAN-VEG模型能较好的模拟刚性植被场对波能衰减的特性,而对于柔性植被场的情况,则缺少合适的对阻力系数的估算方法。因而在传统的植被消浪模型的基础上,通过引入有阻尼的受迫振荡模型,来考虑柔性植被在不同入射波浪作用下的晃动效果,引入柔性植物体在波浪力下的避让因子D(D为植物运动速度与水质点流速的相对值),通过转换关系式来反映植被的柔性对阻力系数CD影响。对未考虑植被晃动的SWAN-VEG模型进行了修改,用于模拟计算波浪在柔性植被场中的衰减,并采用人工柔性材料进行物理模型试验对计算结果进行对比验证。结果表明,考虑植被晃动影响的模拟结果明显好于不计植被晃动影响的情况,验证结果的相关系数从0.68提高至0.83。由此说明在进行柔性植物消浪效果的研究中需考虑柔性植被的晃动效应,同时发现植被晃动效果的强弱与植物材质的固有频率ωn、阻尼比γ、植被高度hv以及入射波要素等因素有关。

基于SWAN-VEG的植被消浪护岸模拟研究

针对第三代波浪模型SWAN中新近开发的SWAN-VEG模块,对该模型中植被消浪特性的参数进行了数值水槽的模拟分析,并将其模拟结果与原有试验数据及模型试验结果进行相关性分析。结果表明,通过考虑植被高度系数影响因子α来改进SWAN-VEG中阻力系数的估算方法,得到了较好的拟合效果。而由于对于柔性植被的结构及植物晃动特性,消浪过程比较复杂,SWAN-VEG对于偏刚性材质的植被场模拟效果要明显好于柔性植被。通过对试验数据的统计分析得到,柔性植被验证较差的原因是阻力系数随植被晃动效果的强弱有明显的变化。

基于小波包变换的海洋数据降噪方法研究

本文介绍了小波变换和小波包变换的基本原理,小波包变换是小波变换的推广,并优于小波变换。软阈值和硬阈值方法是基本的阈值处理方法,在此基础上衍生出了多种处理方法。对假设的海洋数据进行了降噪处理,效果较好,表明小波包变换用于海洋数据降噪有一定得实际意义。

基于ERA-Interim资料近37年南海波浪时空特征分析

基于ECMWF的ERA-interim37a的风场及海浪场再分析资料,探讨了南海海域波浪的时空分布特征,主要分析了波浪场和风场的空间分布、季节特征以及4个海域(南沙、西沙、中沙、东沙)波高与周期的联合分布以及南海波高的长期变化趋势。结果表明:南海海域的有效波高大值区呈东北-西南走向,且具有明显季节性变化特征,波高与风速以及波向与风向整体相关性较好;有效波高和波周期有良好的对应关系,不同区域波高与周期联合分布相近。1979—2015年期间,南海大部分海域的有效波高呈逐年递增趋势,其量值约为0.2~0.8 cm/yr。本文的研究成果,对南海远洋运输、海洋工程设计、岛礁建设及海洋能开发与利用等有着重要的参考价值。

一种新型透空式潜堤消浪促淤特性试验研究

通过物理模型试验的方法,采用规则波和不规则波对新型空心立方体潜堤进行一系列消浪特性研究。同时,对2种不同空心率的空心立方体潜堤和实心堤透浪系数进行试验对比。对实验数据的统计分析结果表明:当选取合适空心率时,空心立方体堤的消浪效果与实心堤的消浪效果基本相同,并能达到一定的促淤效果,说明选取空心立方体作为潜堤堤身结构材料的方法是合理且有效的。

一种改进的几何学波浪破碎指标

基于Kjeldsen等提出的波形不对称性波浪破碎几何学指标,研究了波浪浅水变形作用下波形的不对称性,并通过实验采集的波面数据,运用最小二乘法拟合参数,综合2种不同的波浪变形情况,提出了含权重系数ω的不规则波浪的波形不对称性指标,并给出了浅水条件下权重系数ω的取值函数。在高分辨率波面数据采集技术的前提下,提出一种新型的、能够在近岸浅水条件下作为波浪破碎判据的波形不对称性波浪破碎指标,提高了其在实际工程中的应用价值。

波致应力的近似求解及其太平洋特征分析

基于波致应力计算中对海浪谱和波浪增长率公式的敏感性分析,选择适当的波致应力近似求解方法,计算和探讨了太平洋波致应力的时空分布特征。敏感性分析中,选择了4种常用的波浪增长率公式和3种经验解析海浪谱。推导了计算波致应力的单波公式,并将其与JONSWAP谱积分公式和Elfouhaily谱积分公式进行比较,同时使用了由风速和有效波高资料构造的Elfouhaily谱积分公式计算太平洋波致应力。结果表明:Belcher等(1993)的波浪增长率计算公式估算的波致应力与实验数据吻合度较好,同时适用ERA-interim数据;当波龄小于1.2时运用Elfouhaily谱积分公式更合适,当波龄大于1.2时运用单波公式更快速有效;太平洋的波致应力分布与风场之间存在明显的相关性;2009年1月、4月、7月和10月太平洋波致应力的季节性特征分析表明四个季节的西风带波致应力较其他地区都更强盛,而在时间变化上1月和10月为波致应力整体较为强盛的时期。

南黄海辐射沙洲近岸海域波浪特性研究

利用江苏省南黄海辐射沙洲两翼的实测波浪资料,研究南黄海辐射沙洲地区的波参数分布特征和波谱特性,得出了特征波要数、波谱参数及波要素之间的转换关系式。研究结果表明南黄海辐射沙洲近岸海域的波浪特性受天气、水深和地形因素的多重影响。总体而言,江苏辐射沙洲海域波浪变化范围及其均值差异不大,特别是位于近岸的蛎蚜山测站由于受到水深的制约和沙脊的庇护,该区域波参数、谱参数的变化范围和均值均小于水深相对较深的大丰测站和冷加沙测站。在台风期和寒潮期内,除了波向以外,各个测站的波要素季节性差异均较小。波向在辐射沙洲北翼海域以偏北向为主,在南翼海域则以东南向和西北向为主。大浪过程主要与台风期和寒潮期的极端天气相关。波面特性及其波谱分析表明,波谱参数与水深、离岸距离相关性强。分析发现本海域南翼以单峰谱为主,北翼沿海海域波浪在寒潮期主要为涌浪和风浪组成的混合浪,在波谱形式上表现为双峰谱。

Ashdod港风浪特性研究

利用欧洲中期天气预报中心ECMWF近38 a(1979~2016年)逐6 h的ERA-Interim全球再分析资料与该港区3 a实测数据同化后的有效波高、平均周期、平均波向和海表10 m风场资料,对Ashdod港工程区风、浪特征进行了统计分析,得出该海区常浪向和常风向均为WNW向,强浪向为WNW,强风向为ESE向,进而分析了有效波高和周期的联合分布,得出有效波高1 m,周期5 s的波浪出现概率最大。通过有效波高和风速、平均波向和风向数据的相关性分析,结果表明:冬季风浪为主导,春、夏、秋三季均是涌浪为主导。不同方向不同重现期的波要素统计分析,可为Ashdod港口建设提供科学依据,研究方法也可为类似工程借鉴。

黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化研究

近年来的现场观测和理论研究发现,次中尺度现象广泛存在于上层海洋,其产生与锋生作用及混合层斜压不稳定存在密切联系。本文利用高分辨率的数值模拟结果并结合动力学及能量诊断分析,对黑潮延伸体海域次中尺度过程的季节变化进行了探讨。探讨结果表明,黑潮延伸体海域次中尺度过程具有冬季最强,春季和秋季次之,夏季最弱的显著季节变化特征。基于冬、夏季次中尺度能量源的诊断可以看到,这些季节变化特征主要与上层海洋的斜压不稳定和锋生作用有关。冬季,黑潮延伸体海域的中尺度能量较弱,但次中尺度过程在季节尺度上表现最为活跃,这主要与混合层斜压不稳定的作用有关;夏季,黑潮延伸体海域的混合层较浅,次中尺度过程较弱,但中尺度涡旋活跃,中尺度流场变形引起的锋生作用对夏季次中尺度现象的产生具有重要影响。在次中尺度能量的季节变化方面,冬季次中尺度过程从中尺度过程汲取能量的速率远高于夏季,这是冬季次中尺度过程比夏季更为活跃的主要原因。本文研究结果有助于加深对黑潮延伸体海域次中尺度过程季节性变化及其动力机制的理解。

规则波作用下刚性植被海岸准静态平衡剖面试验

海岸植被作为新兴的生态护岸方式受到广泛关注。针对水动力要素对岸滩演变的作用,进行波浪及水深条件对植被岸滩准静态平衡剖面的影响规律研究。采用物理模型试验的方法,通过定性和定量分析,得出不同波高、不同周期规则波对植被岸滩平衡剖面的影响规律,以及波陡与岸滩无量纲尺寸的幂函数关系式和不同水深条件下各无量纲指标的变化趋势。结果显示,波高对平衡剖面的影响规律较明显,波周期及水深的影响规律性相对较弱;波陡与岸滩无量纲尺寸相关性良好,相对淤积尺寸的拟合结果优于冲刷尺度,小波陡区域拟合结果优于大波陡区域。

基于高分辨ROMS模式的黑潮延伸体次中尺度涡各向异性分析

次中尺度过程的水平空间尺度约为0.1~10km,时间尺度约为1天,里查森数和罗斯贝数为0(1),能有效地从中尺度环流中汲取能量向小尺度湍流串级,并对上层海洋物质的垂向交换有着重要影响。本文基于水平分辨率为~500m的高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模拟结果,采用方差椭圆方法,评估了黑潮延伸体海域上层海洋次中尺度涡旋的各向异性特征,并探讨了涡旋各向异性值的大小与次中尺度过程特征参数的相关性。研究结果表明,黑潮延伸体主轴强流区域的次中尺度涡旋各向异性值明显小于两侧海域,主轴区域的次中尺度涡旋特征明显强于流轴两侧海域,各向异性值与次中尺度过程的强弱有着较为显著的负相关关系,表明次中尺度过程具有较小的各向异性特征(更趋各向同性)。方差椭圆表征了涡与平均流相互作用过程中的能量反馈机制,较大的各向同性特征意味着动能更趋正向串级。

黑潮延伸体海域典型涡旋的次中尺度特征分析

本文基于卫星遥感资料和高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)数值模拟结果,对黑潮延伸体海域典型中尺度涡旋的次中尺度特征进行了探讨。卫星观测和模拟结果显示,黑潮延伸体涡旋海域伴随着活跃的次中尺度现象。涡旋演变与多尺度能量分析结果表明,涡旋海域次中尺度动能的强弱与涡旋海域地转流动能有着密切联系,锋生可能是涡旋边缘次中尺度动能增强的重要机制。次中尺度现象在中尺度涡旋海域具有沿地转流方向的复杂涡丝状结构特征,意味着涡旋边缘较强的水平浮力梯度和地转流侧向剪切为次中尺度过程形成与发展提供了有利条件。此外,垂向结构分析表明,次中尺度过程能引起较大的垂向速度,最大可达100m·day^(-1),该垂向速度可以影响至混合层下200m深度处,对海洋内部的垂向物质能量交换、海—气相互作用等有着重要的影响。

南海上层海洋次中尺度过程空间差异和季节变化特征

南海是西太平洋最大的边缘海,由于受季风影响显著以及北部海域的黑潮入侵,其动力环境复杂多变,次中尺度过程丰富,且在空间上和时间上存在多变性。文章基于高分辨率数值模式的结果,通过对次中尺度动力参数的分析,对比讨论了南海北部、中部、西部和南部海域4个典型子区域上层海洋次中尺度过程的空间差异、季节变化、影响深度、影响因素等问题。研究发现各区域季节性变化特征和机制有所不同:北部海域受冬季风和黑潮入侵影响,冬季次中尺度的混合层不稳定较强;中部海域同样表现为“冬强夏弱”;西部海域受夏季风影响显著,夏季次中尺度过程更为活跃;而南部海域主要受岛屿地形影响较大,容易产生地形尾涡,季节性特征不明显。统计分析表明,次中尺度过程往往表现出强正相对涡度与高应变特征,在表层更容易出现负位涡,流体稳定性较差。此外,文章从能量学角度对次中尺度过程的主要能量来源、控制因素等进行了讨论。

刚柔组合型植被消浪特性的试验研究

针对季节性水位变化大的河流,进行刚柔组合型植被消浪特性的物理试验研究,以保证其生态护岸工程设计在各种来水条件下均有较好的消浪效果。以老龙口河段为例,结合现有防浪林的树高及实测水位,分别对四种组合型植被进行八个水位条件下的消浪试验。研究表明:单一型防浪林在不同来水条件下消浪效果的差异较大,组合型防浪林整体效果较好;在老龙口河段,前柔后刚组合型防浪林方案更佳,透射系数均低于58.04%。组合型防浪林综合利用了各植被在不同水位条件下的消浪优势,使得在水位变幅大的河道中营建防浪林更为经济合理,基于物理试验的刚柔组合型植被消浪特性分析可为老龙口河段及其类似河流的生态护岸工程提供理论支撑,具有实际应用价值。