《对方向波谱函数形式的比较审查》读后感

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1、对方向波谱函数形式的比较审查读后感这片文章为读者介绍了方向波谱函数形式的比较审查，从JONSWAP、Wallops和TMA 频谱函数，以及结合波普对函数形状、标准角偏差、半峰传播角度进行了比较， 从而传播这些方向函数的参数之间的经验关系被呈现出来。这篇文章的主要发现被总结如下：（1）在浅水区TMA 谱的波浪衰减与 Godas 形式所描述的随机破碎过程大致相符。（2）普宽参数不能作为风浪的波高和周期数值统计的控制参数，因为谱宽参数的值仅仅反映了取样间隔t的极小的部分，相对于谱峰周期 Tp来说。（3）比较了五种方向分布函数的分布形式、角标准偏差、半峰角。通过比较建立了分布参数之间的内在关系。（4）

2、Mitsuyasu-type 分布函数的方向谱会受频谱函数形式的影响。（5）Mitsuyasu-type 分布函数形式的角标准偏差和半峰角对于四种典型的频谱函数而进行估计。其结果使Mitsuyasu-type函数与其他分布函数就分布特征进行比较成为可能。承如作者在导言中所言， 海浪方向谱是所有我们强烈地模拟真实海面波相互作用与海上结构物的分析的基础。许多领域观测进行了定向波数据采集和分析世界各地的不同地点海浪方向谱的性质。多年以来，海浪谱的计算放大大致有两种，一是利用观测得到的波高、周期的推导，得出半理论、 半经验形式的海浪谱； 二是利用某一固定点测得的波面随时间变化的这段记录，来推算相关函数

3、， 然后求谱。 也有通过建立能量平衡方程式来求谱。得到的谱，主要是建立在观测数据的基础上求出的。 但由于缺乏精确的风和海浪的观测资料，故已提出的一些谱， 彼此相差较大。 海浪谱的分析研究是很重要的，根据海浪谱， 可以较合理地设计防坡堤及海面对雷达的反射部分，利用海浪谱，可以算出波高、 周期等海浪要素。 有的国家甚至根据海浪谱设计出自动控制系统，来以校正军舰上武器发射偏差。海浪谱不仅表明海浪内部由哪些组成波构成， 还能给出海浪的外部特征。比如，理论上可由谱计算各种特征波高和平均周期， 利用这些特征量连同波高与周期的概率密度分布，可推算海浪外观上由哪些高低长短不同的波所构成。若已知海浪的谱， 海浪

4、的内外结构都可得到描述，因此谱是非常有用的概念。事实上，海浪的研究（包括许多应用问题） ，大多和谱有关。海浪谱（功率谱和方向谱） 是随机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着海浪的二阶信息， 而且还直接给出海浪组成波能量相对于频率和方向的分布， 这正是海洋工程和航海领域等特别关心的。谱方法已经成为研究海浪及其有关问题的有力工具，如何确定海浪谱 （功率谱和方向谱） 也成为海浪研究的中心问题之一。而方向谱的研究， 除理论上的意义外， 还可用于大面积海浪的预报，波浪的绕射和折射， 水工建筑物的作用力和振动， 船体、浮标和其他浮体对海浪的反应，以及泥沙运动等问题的研究。 但由于观测上和资料处理上的困难，

5、海浪方向谱的研究远少于频谱。 根据作者在文中介绍， 海浪方向谱或海浪方向谱密度函数描述波的能量如何分布频率f 和方向角 的范围。它通常是将其表述为频谱S(f) 和定向传播如下所示的G(|f) 函数的乘积：定向传播功能指示如何在每一个频率给定的能量密度遍布的方向角，和因此它是无量纲化和归一化，如下所示：本文在系统先向读者介绍成果时，先介绍了 标准形式的频谱， 首先是皮尔逊Moskowitz 谱其中 g 是重力加速度与U 是海拔 19.5 m 以上的海面风速。然后是斯特风浪谱从工程师的角度来看， 斯特 （1959 年） 早些时候提出在情商 （3）的函数形式。然后风浪(1970 年) 调整的coe

6、? cient 值，以便海浪谱与波高和周期的统计之间的理论关系可能会感到。调整窗体被称为日本的 BretschneiderMitsuyasu 谱和表示如下图所示。H1/3 和 T1/3 分别表示流量波波高和周期,谱峰期Tp 或逆的峰值频率 fp 呈负相关， 到 T1/3 。如下所示的风浪的基础他的领域数据：JONSWAP谱如下所示，（基于在特定谱形式下的模拟所得到的波资料的数值分析） : S(f) = J H2 1/3 T-4 1/3 f-5 exp- 1.25(T pf) -4exp - (T pf- 1)2/22 J=1-+9.1185.0-0336.0+23.006238. 0 ）（1.

7、094 0.01915 ln T1/3= 1 0.132( + 0.2) - 0.559 Tp T= 1 0.532( + 2.5)-0.569 Tp= 0.07 f fp 其中,T 表示由上跨零法定义的平均波的周期， 被称为谱峰升高因子。 Hasselmann et al，(1973) 报道, 的值介于 1到7之间 ,平均为3.3 。Wallops 谱所有上述谱形式主要特征都是高频尾比例-f-5, 它是基于菲利普斯(1958) 关于平衡范围的波谱 （根据海浪破碎现象） 的理论测验。 然而, 多巴(1973,1996) 认为, 形式f-4更适合风浪 : 最近的一些数据似乎支持多巴的论点。此外

8、, 在相对较浅的水域波谱经常表现出能量密度的减少速度低于 f-5, 有时与 f-3相当。为了概化这种多样化的谱形式,由Huang et al. (1981) 提出的瓦勒普斯谱是有用的。它已经被Goda(1988)重写在数值模拟的基础上, 如下所示：S(f) = w H2 1/3 Tp1-mf-m exp-4m(Tpf) -4 J=】）【（4/1-m406238.04/ )5-(4/ )1-(mmm 1+0.7458（m+2）-1.05 T1/3= 1 0.283( m-1.5) - 0.684 T p T= 1 1.295( m-0.5)-1.072 Tp TMA 谱S(f) = SJ(f)(

9、kh) 在SJ(f) 是JONSWAP谱,(kh)是一个函数，它设置了对上述谱平衡范围的限制（通过 Kitaigorodoskii et al(1975)）,k 是波数，满足水深 h时，与频率 f 的色散关系。函数(kh)的形式如下：23)tanh(-+)tanh()tanh(=khkhkhkhkhkh）（=)2sinh(/2+1)tanh(2khkhkh函数(kh)是由Kitaigorodoskiiet al. (1975) 推导的，作为菲利普斯波破碎界限由深水向有限水深的一个扩展。因此, TMA频谱隐式地包含了有限水深波破碎衰减的过程，尽管Kitaigorodoskiiet al(1975

10、)没有明确的表达过。Tucker (1994)通过数值例子以及英国海域的波浪数据证明 TMA 谱在浅水的衰减。图 1显示了 TMA 谱在不同水深时谱密度的变化，是在深水波 H1/3= 4:004 m 和Tp= 10.0s 下。 这个波谱是 JONSWAP谱取3.3 时的形式。水深的设计采用相对水深h /(Lp)0,(Lp)0代表对应于谱峰周期的深水波长。很明显, 谱密度会随水深的降低而降低。在目前的计算中没有考虑波浪的浅水变形效应。k 波数满足与频率f 在水中的深度h 的色散关系。函数(kh) 给出了如下（见图克1994 年）：图 1。在水中不同深度的TMA 频谱变化然后作者介绍了频谱特性的注

11、解。首先是波谱的非线性因素， 海浪谱理论是基于无穷多的无限小的波组成要素的线性波叠加，然而事实是波组成要素之间相互作用, 产生非线性因素。非线性波相互作用产生有界长波群和高次谐波成分。 当一个海浪统计理论被用来检测外场数据，减少频谱上高于f=(1.5 至2.0) fp的部分，有时被用来避免由非线性因素造成的干扰。 然而，在后来的测验中， 波谱的标准函数形式被假定为完全代表线性因素, 这样，各种特性波浪的谱形式的影响将会被清晰地看到。然后是光谱宽度参数定义为与谱矩， 控制统计特性许多波参数是由频谱的矩定义的，下面的谱宽度参数众所周知: 214022 mm-1=m2112201-=】【mmm0)(

12、=fsfmn n卡特赖特和LonguetHiggins （1956 年） 介绍了谱线宽度参数的随机函数极大值的统计分布的理论推导。谱线宽度参数 介绍了隆-希金斯(1957) 随机的运动表面的统计分析。他稍后提出其simpli?ed 版本的波高和周期的联合分布于1975 年的雇用 作为关键的参数。参数和 有 0 和 1 之间的值和它们作为指标的狭隘的光谱带宽：频谱据说是窄带状时这些参数的值都很小。在随后的介绍中，作者用了大笔篇幅介绍了方向分布函数的标准形式，包括 power余弦形式， Half-cosine 2s-power type 传播函数，Circular-normal分布函数，双曲正切平

13、方形式， Wrapped-normal 分布函数以及 Mitsuyasu-type分布函数。作者描述出各种函数的方向分布的形状，描述方向分布函数对于波能的方向分布有不同的形式，图五和图六是几种函数形式的例子。图五中的函数有角标准偏差约为30，而图六为 15。纵坐标的值与当方位角用弧度表示时的状况是相当的，尽管它被显示单位为角度，这是为了方便观看。在现在的分析中， 方位角 被限制在正负 /2 内，它被强加上这个限制是为了工程上的应用。 当方位角为 90时，分布函数保留了一些有限值，除了 cosine 2l-power 函数形式，在图五中可以看到这一点。K=4 的circular-normal（圆正态）函数和 =15的hyperbolic secant-squared （双曲正割平方形式）分别具有的角标准偏差为=29.0，=31.6他们的函数随方位的变化与图五中的wrapped-normal函数非常接近，从后者中很难区别出来。然后作者分析了频谱对于Mitsuyasu-type 函数的影响以及方向分布函数的角标准偏差， 方向分布函数的半峰角。 最后以总结结尾结束了这篇论文。这篇文章从不同的角度和分类介绍的各种方向波浪谱函数以及论文中我们基本看不懂的公式和其他知识必大大提升了我的眼界，必将促进我好好学习海岸工程学。