什么是海浪频谱?

如题所述

在海浪谱中,风浪频谱得到最广泛的研究,因为它的应用最广,也最易于得到,但尚无基于严格理论的风浪频谱。通常p为5~7,q为2~4,在正量A和B之内。除了数值常数外,还包含风要素(如风速、风时和风区)或浪要素(如特征波高和周期)作为参量,故谱的形状随风的状态或对应的浪的状态而变化。上述两项的乘积代表的谱,在ω=0处为0,在0附近的值很小,ω增加时,它骤然增大至一个峰值,然后随频率的增大而迅速减小,在ω→∞时趋于0。这表明谱的频率范围在理论上虽为0~∞,但其显著部分却集中在谱峰附近。海面上存在的许多波,其显著部分的周期范围很小,恰和理论结果相对应。随着风速的增大,谱曲线下面的面积(从而风浪的总能量或波高)增大,峰沿低频率方向推移,表明风浪显著部分的周期增大。

从波面的记录估计谱,是获得海浪频谱的主要途径。习惯上将谱的估计方法分为相关函数法和快速傅氏变换算法两种。在电子计算机上计算时,后者比前者更节约时间。20世纪70年代,开始引用最大熵等方法。依此可自不多的资料估计出分辨率较高的谱,它适用于非平稳的海浪状态。

在海浪研究中已提出的频谱很多常采用的皮尔孙—莫斯科维奇谱,是60年代中期提出的,是在对充分成长的风浪记录进行谱估计和曲线的拟合时得到的,已为多数观测所证实。

60年代末,按照“北海联合海浪计划”(Jonswap),对海浪进行了系统的观测,提出了一种频谱,其中包括分别反映能量水平、峰的频率尺度和谱形在内的5个参量。这种谱表示风浪处于成长的状态,它具有非常尖而高的峰。对Jonswap谱分析的结果表明,风浪的能量主要通过谱的中间频率部分传递,然后借波与波之间的非线性相互作用,再分别向谱的高频和低频部分传递。反映这种能量交换的谱,具有稳定的形式。利用此特性,可将谱随风的变化转换为其中的参量随风的变化,从而提供另一种海浪计算或预报的方法。

有一种半经验的方法,它假定海浪的某些外观特征反映其内部结构,由观测到的波高和周期间的关系,可导出海浪谱。早在50年代初提出的纽曼谱和工程中常使用的布雷奇奈德尔谱,都属此类,前者p=6,q=2;后者p=5,q=4。有些苏联作者采用具有前述形式的频谱,然后由观测资料确定其中的常数和参量。

中国学者于50年代末至60年代中期,尝试自风浪能量的摄取和消耗出发推导出谱,其中包括用风要素作为参量,从而描述谱相对于风时和风区的成长。由这些谱计算波高和周期等要素比较方便,但推导中涉及的能量计算,仍是半经验性的。

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