涌浪基本理論研究綜述

周延?xùn)|，雷震名，孫國民，尹漢軍，張義豐，裴 曄

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

涌浪基本理論研究綜述

周延?xùn)|1，雷震名1，孫國民1，尹漢軍1，張義豐2，裴 曄3

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

涌浪作為影響嚴(yán)重的海洋災(zāi)害之一，因其發(fā)生時(shí)對在行船舶、石油平臺等海洋結(jié)構(gòu)物以及近岸建筑物的破壞性，發(fā)生機(jī)制的復(fù)雜性等原因，一直備受全世界相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。本文首先介紹了涌浪的危害性，然后從研究對象不同角度、研究方法的發(fā)展及得出的主要結(jié)論等方面闡述了到目前為止國內(nèi)外學(xué)者對涌浪的認(rèn)知程度。最后，總結(jié)前人對涌浪的研究多集中在外觀特性的歸納、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理論推導(dǎo)及整體特征的數(shù)值模擬等方面，提出對特定海域涌浪的生成機(jī)理及運(yùn)動特性等方面研究的不足，以期能夠?yàn)橐院蟮挠坷搜芯抗ぷ魈峁┮恍┧悸贰?/p>

涌浪；涌浪譜；風(fēng)涌浪分離；生成機(jī)制；演變特性

近年來，隨著我國海洋大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，對于海洋工程建設(shè)及海洋能源的開發(fā)利用也在持續(xù)進(jìn)行中。在海洋中作業(yè)主要受海浪作用，其中涌浪是海浪的重要組成部分。涌浪是指風(fēng)停止或削弱、轉(zhuǎn)向以后遺留在海上的或來自于其他海域的波浪。相比于一般的風(fēng)浪，涌浪具有較規(guī)則的外形，排列比較整齊，波峰線較長，波面較平滑，比較接近于正弦波的形狀。在深海因其頻率比較低且和船舶航行的振動頻率比較接近，容易與在行船舶及海洋石油平臺等結(jié)構(gòu)物發(fā)生共振，具有驚人的破壞力，能使艦船發(fā)生中拱、中垂、螺旋槳空轉(zhuǎn)失速，使海洋平臺發(fā)生傾斜和搖晃等現(xiàn)象，給艦船及海洋平臺造成嚴(yán)重?fù)p傷，甚至損毀。當(dāng)其傳播到淺水或近岸時(shí)，波高增大，波長減小，常形成猛烈的拍岸浪，對岸邊建筑物破壞性很大。因此，深入研究涌浪的成因、傳播和分布特征，對海上航行、海洋資源開發(fā)利用、防止和減少海浪災(zāi)害都具有重要的意義。本文將對涌浪研究的國內(nèi)外有代表性的研究文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。

國內(nèi)外的學(xué)者對涌浪做了大量研究，也得到了很多研究成果，推進(jìn)了涌浪的相關(guān)研究。綜合分析前人的大量研究，發(fā)現(xiàn)學(xué)者們對涌浪的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

1 涌浪譜的研究

早在上個(gè)世紀(jì)五十年代，國外學(xué)者就提出了幾種預(yù)報(bào)、分析涌浪的理論。Sverdrup等［1-2］，從能量的角度去計(jì)算涌浪傳播中的波高與周期變化以及傳播時(shí)間。他們假設(shè)波面在行進(jìn)過程中遇到的空氣阻力是構(gòu)成涌浪能量損失的唯一來源。但這種假設(shè)后被證明是錯(cuò)誤的，且這種理論不能解釋涌浪周期增加的過程。之后也有一部分學(xué)者基于實(shí)測資料的分析，給出了一些經(jīng)驗(yàn)性的解釋。Bretschneider［3］就依據(jù)觀測資料繪制出了一系列的涌浪特性圖例，來解釋涌浪在傳播過程中的一些特性的變化。這種實(shí)測資料分析雖然直觀易懂，但是它的精確度不能保證，受到數(shù)據(jù)的獲取途徑、質(zhì)量以及分析手段等許多因素的影響。這些推導(dǎo)分析雖然對于涌浪的研究有所推進(jìn)，但是理論上和精度上都存在較大缺陷。

海浪是指一種復(fù)雜的隨機(jī)過程，Persion等［4］最先將瑞斯關(guān)于無線電噪音的理論應(yīng)用于海浪，從此利用譜以隨機(jī)過程描述海浪。到了二十世紀(jì)六十年代，國內(nèi)的學(xué)者也關(guān)注到了涌浪的問題，文圣常［5］就基于他自己提出的普遍風(fēng)浪譜推導(dǎo)出了文氏涌浪譜。該涌浪譜克服了上述理論的一些不足，假定風(fēng)浪譜中每一組成波離開風(fēng)區(qū)以后獨(dú)立傳播，考慮了滑動粘滯性的選擇性消耗作用以及散射的作用。但是文氏涌浪譜理論僅分析了充分成長的涌浪，而對于涌浪的成長、消衰的整個(gè)過程沒有給出討論。王濤［6］在文氏涌浪譜的基礎(chǔ)上，充分考慮波散對涌浪譜的影響。分析指出在涌浪的成長階段涌浪譜的顯著部分分別向高低頻率兩個(gè)方向擴(kuò)大，波高和離風(fēng)區(qū)較近的波周期都隨時(shí)間的增加而增大；而在消衰階段涌浪譜向高頻方向推移，波高和波周期都逐漸減小。另外，計(jì)算所得的涌浪波高和周期隨時(shí)間的變化與觀測資料吻合良好，涌高的最大值也很接近。這些結(jié)論不僅具有理論上的意義，而且給當(dāng)時(shí)的涌浪特性研究和涌浪預(yù)報(bào)工作提供了有用的資料。

涌浪譜的發(fā)展對涌浪的研究是有很大幫助的，因其容易觀測分析在以后的涌浪研究中有許多方法都是基于涌浪譜的，從最初的理論分析涌浪的成長、消衰及傳播過程，到近些年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的數(shù)值模擬的方法，很多都是基于涌浪譜的概念。

2 風(fēng)涌浪的相互作用

涌浪通常都表現(xiàn)為風(fēng)浪與涌浪的疊加，即涌浪的發(fā)生幾乎都伴隨風(fēng)浪的存在，因此在研究涌浪的相關(guān)問題時(shí)必然少不了對于風(fēng)、涌浪的相互作用的考慮。涌浪與風(fēng)浪的相互作用的研究開始于對長短波的研究，但由于涌浪與風(fēng)浪的相互作用很復(fù)雜，海上觀測和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)論不盡相同，且對于這些結(jié)論也提出了很多可能的解釋［7-9］。

二十世紀(jì)六十年代初Longuet-Higgins和Stewart［10］對長短波方面進(jìn)行了大量的理論研究。他們假設(shè)在小振幅的情況下將單一頻率長波疊加在單一頻率短波上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)短波遇上長波時(shí)，短波在長波波峰處波長變長、波陡變大，在長波波谷處波長變短、波陡變小，并用短波在長波波峰處輻聚，在長波波谷處輻散的理論解釋了這一現(xiàn)象。在解釋該現(xiàn)象的同時(shí)他們還引入了輻射應(yīng)力的概念，指出長波與短波之間是通過輻射應(yīng)力的作功傳遞能量的。

前人對于風(fēng)、涌浪的相互作用的研究主要分為兩個(gè)方面，即風(fēng)涌浪同向時(shí)及風(fēng)涌浪逆向時(shí)的風(fēng)涌浪之間的相互影響。在風(fēng)涌浪同向的研究中，最早是Mitsuyasu［11］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)浪與造波機(jī)造成的長規(guī)則波同向傳播時(shí)，長波的存在會抑制風(fēng)浪的發(fā)展。當(dāng)長波的波陡變大時(shí)，風(fēng)浪的總能量及譜密度都會隨之減小。后來Phillips和Banner［12］也得出了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了一個(gè)動力學(xué)模型，認(rèn)為這一現(xiàn)象是由于受到長波波峰附近的風(fēng)生漂流的調(diào)制，波峰處的風(fēng)浪破碎被加強(qiáng)，增大了風(fēng)浪能量的耗散，從而使得風(fēng)浪的振幅受到了限制。

許多學(xué)者對逆行涌浪與風(fēng)浪的相互影響進(jìn)行了研究，但是大多數(shù)學(xué)者都集中在逆行涌浪在風(fēng)作用下的衰減。Mitsuyasu和Maeda［13］在得出該結(jié)論的同時(shí)還注意到了風(fēng)浪的發(fā)展，指出逆行涌浪并不能明顯的減小風(fēng)浪的能量。Cheng和Mitsuyasu［14］觀測到與風(fēng)向反向傳播的涌浪不會抑制風(fēng)浪成長，反而能促進(jìn)風(fēng)浪成長。程展［15］在前人研究的基礎(chǔ)上對逆行涌浪引起的風(fēng)浪譜的變化進(jìn)行了研究，表明當(dāng)涌浪存在時(shí)，風(fēng)浪譜被逆行涌浪擴(kuò)寬，并指出不管風(fēng)、涌浪傳播方向的關(guān)系如何，涌浪將會改變風(fēng)浪的能量或改變風(fēng)浪的能量在各頻率間的分布。也有學(xué)者指出非線性波-波相互作用也會引起風(fēng)、涌浪之間的能量傳輸。Masson［16］的數(shù)值分析表明，共振作用引起的風(fēng)浪向涌浪的能量傳輸隨風(fēng)浪譜峰頻率與涌浪頻率比值的增加而迅速下降，當(dāng)該比值大于1.6時(shí)，這一能量傳輸便可忽略。在此基礎(chǔ)上學(xué)者還通過進(jìn)一步的推導(dǎo)，得出能量比EE0與頻率比fs/fωp的關(guān)系

式中:H/L為涌浪波陡；u*為摩擦風(fēng)速；C為涌浪相速；通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)條件 fs/fωp=0.2～0.7）證實(shí)涌浪對風(fēng)浪的影響隨fsfωp的增加而下降。Donelan［17］的實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果顯示涌浪的存在對風(fēng)浪的風(fēng)輸入沒有影響。而Makin和Kudryavtsev［18］研究指出，雖然涌浪對風(fēng)能輸入沒有影響，但是涌浪和風(fēng)之間的耦合會引起風(fēng)浪中風(fēng)能輸入的減小，即遮攔效應(yīng)。

鑒于以上這些研究［19-20］的不足，黃必桂等［21］用風(fēng)浪顯著波的零階譜矩表示風(fēng)浪的能量，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析了涌浪對風(fēng)浪的影響隨風(fēng)區(qū)、波齡倒數(shù)、涌浪波陡、涌浪頻率及涌浪頻率與純風(fēng)浪譜峰頻率的比值的變化。指出涌浪對風(fēng)浪的抑制作用隨風(fēng)區(qū)的變化比較小，隨波齡倒數(shù)和涌浪波陡的增大而增強(qiáng)，且當(dāng)涌浪的頻率與純風(fēng)浪譜峰頻率兩者越接近，涌浪對風(fēng)浪的抑制作用也越強(qiáng)。而陳漢寶等［22］，用脈動風(fēng)模擬風(fēng)浪及風(fēng)與浪的耦合作用，從波譜的角度分析發(fā)現(xiàn)影響風(fēng)能輸入的主要因素是波浪是否充分發(fā)展，而與波陡、風(fēng)速、波速等沒有直接關(guān)系。

前人對于風(fēng)浪與涌浪的相互影響做了大量的研究，這為風(fēng)浪、涌浪的分別研究提供了很大的幫助，但是由于現(xiàn)場實(shí)測的因素復(fù)雜，數(shù)值模型和物理實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證都存在很大的難度，風(fēng)浪和涌浪相互作用的研究仍舊不是很充分，有待更多的研究。

3 風(fēng)涌浪的分離

在海洋中，海浪通常都是以風(fēng)浪和涌浪組成的混合浪的形式存在的。由前面的介紹我們知道風(fēng)浪和涌浪之間是相互影響的，而且風(fēng)浪和涌浪的成長、消衰、傳播及破壞機(jī)制都存在明顯的差異。因此在海浪研究中必須對二者進(jìn)行區(qū)別對待，準(zhǔn)確分離和識別海浪中的風(fēng)、涌浪成分，對于海浪理論研究，海浪預(yù)報(bào)，海洋船舶工程都有著重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于風(fēng)涌浪的劃分問題進(jìn)行了很多討論，對于風(fēng)涌浪分離的判據(jù)大體可歸納為三類：波型，波要素以及譜分析。汪炳祥等［23］在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，延續(xù)波要素的觀點(diǎn)提出了三個(gè)新的判據(jù)：①深水：；②淺水：認(rèn)為只要海浪滿足所給判據(jù)中的任意兩個(gè)就可以確認(rèn)是涌浪，彌補(bǔ)了之前所提判據(jù)很難判準(zhǔn)的缺陷。郭佩芳等［24］從海浪譜能量的角度出發(fā)，依據(jù)譜的零階矩，提出了混合浪成分因子的概念作為劃分風(fēng)、涌浪的新判據(jù)。在混合浪的譜估計(jì)中，假設(shè)組成混合浪的風(fēng)浪部分和涌浪部分的零階矩分別為M0w和M0s，混合浪的零階矩為M0，則定義混合浪的能量成分因子為

式中：混合浪的零階矩M0與特征參量有效波高H的關(guān)系為：M0=H2/16，則上式還可以轉(zhuǎn)換為另一種寫法：G=H2/Hw2，由此可以定義混合浪波高成分因子為

但這些方法針對波浪的主特征參量對波浪進(jìn)行主導(dǎo)類型上的判別，在風(fēng)、涌浪成分的分離方面還存在著一定的局限。而海浪譜可以反映海浪的復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，于是許多研究者想到了采用海浪譜的方法來對風(fēng)涌浪進(jìn)行分離［25-27］。

依據(jù)海浪譜的維數(shù)，可以將基于海浪譜的風(fēng)涌浪分離法分為一維譜方法（1D）和二維譜方法（2D）。二維譜方法是根據(jù)風(fēng)對波浪傳輸能量的基本特征，通過分析波浪方向譜和風(fēng)速矢量信息對風(fēng)、涌浪成分進(jìn)行分離，這種方法被認(rèn)為可以給出較可靠的分離結(jié)果，但是2D法需要考慮的信息較多，這給它的應(yīng)用性帶來很大的局限。相比較而言，1D法在實(shí)踐中更為可行，它的基本思想是給出一個(gè)分割頻率，將海浪頻譜中對應(yīng)高頻部分的風(fēng)浪成分和對應(yīng)低頻部分的涌浪成分分離開來。研究至今學(xué)者們已經(jīng)提出了很多種1D分離方法，這些方法有些需要同時(shí)考慮風(fēng)速和海浪頻譜信息，如PM法，有些則只需考慮海浪頻譜信息。后者比較典型的主要有兩種，一種是由Wang和Hwang［28］提出的一種僅依靠波浪頻譜分離風(fēng)涌浪的分離方法，該方法借助風(fēng)浪和涌浪波陡特征的差異對風(fēng)涌浪進(jìn)行分離；另一種是通過波系統(tǒng)分析來對風(fēng)、涌浪進(jìn)行分離，如近年P(guān)ortilla等［29］提出的基于風(fēng)浪超射特性對風(fēng)涌浪進(jìn)行分離的方法。李水清，趙棟梁［30］經(jīng)過比較分析還指出2D法和前面提到的3種比較有代表性的1D法的分離結(jié)果存在一定的差異，與實(shí)測資料相比2D法在不同的海浪情況下的分離結(jié)果都比較可靠，但是同時(shí)使用一維法和二維法會得出與實(shí)測值更為一致的分離結(jié)果。

雖然學(xué)者們對于風(fēng)涌浪分離的研究有很多，也提出了很多分離的判據(jù)，且這些判據(jù)多是以單一的成分或者特性變化作為分離的依據(jù)，但是由于實(shí)際的海浪成份復(fù)雜，并不是以一個(gè)單一成份的風(fēng)浪或者涌浪而存在的，絕大部分是以不同成份的風(fēng)浪和涌浪混合而成的，所以對于如何選取更全面且組合合理的分離參數(shù)作為分離判據(jù)這一方面的研究還存在很大的不足，并不能對風(fēng)涌浪進(jìn)行準(zhǔn)確的分離。

4 極端氣象條件下涌浪的研究

臺風(fēng)與寒潮期間風(fēng)浪、涌浪都較正常天氣比為大，給海洋建設(shè)及近岸生產(chǎn)、生活都帶來了很大的威脅［31］。因此，很早就有學(xué)者對臺風(fēng)等極端天氣期間的涌浪進(jìn)行了研究。

Unoki［32］根據(jù)觀測資料，分析了臺風(fēng)期間波浪的分布特征，得到了一些簡單的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。周學(xué)群等［33］，基于8719號一次臺風(fēng)資料，分析了臺風(fēng)涌浪在南海東北部海域的傳播特征，指出隨著涌浪往低緯度傳播，波長越來越大，涌高越來越小；且隨著臺風(fēng)強(qiáng)度的降低，涌高也明顯減小。但是由于早期理論缺陷和技術(shù)欠缺的雙重阻礙，這些結(jié)論都是粗略的，且可靠度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。到了二十世紀(jì)九十年代，許為民和錢志春［34］從譜的概念出發(fā)，提出了靜止臺風(fēng)涌浪的計(jì)算方法，該方法能夠很好的反映涌浪傳播的物理特征，結(jié)論指出當(dāng)距離風(fēng)區(qū)越遠(yuǎn)，頻率和方向分布的范圍就越窄，涌浪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越簡單，表現(xiàn)出來的特征就越有規(guī)律。但是由于該計(jì)算方法的推導(dǎo)前提是假定臺風(fēng)是靜止的，且風(fēng)場是突然發(fā)生又突然消失的，因此該方法有一定的局限性。在此基礎(chǔ)上，錢志春和永田豐［35］又推導(dǎo)了臺風(fēng)涌浪較普遍的公式，相比前者能更好地反映出臺風(fēng)涌浪傳播的主要特征，但該公式最大的的缺點(diǎn)就是忽略了涌浪在傳播過程中能量衰減及與風(fēng)浪之間作用，計(jì)算出的涌浪值偏高。

到了二十一世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于涌浪的數(shù)值模型研究逐漸從理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)向數(shù)值模擬。韓曉偉等利用WAVEWATCH-III（Version3.14）的海浪模式對0801號臺風(fēng)“浣熊”進(jìn)行了數(shù)值模擬，并基于此分析了臺風(fēng)浪的發(fā)展及臺風(fēng)影響下風(fēng)、涌浪場的分布特征。結(jié)果顯示海面有效波高的分布和演變隨臺風(fēng)系統(tǒng)強(qiáng)度和移動的變化而變化；臺風(fēng)過程中所產(chǎn)生的大浪主要為風(fēng)浪；涌浪場的分布與風(fēng)浪場的分布幾乎相反，涌浪場基本分布在遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心的外圍海域，涌浪場波高比風(fēng)浪場波高要小。陳曉斌等基于1109號臺風(fēng)“梅花”探討了涌浪和風(fēng)浪波高隨時(shí)間變化與臺風(fēng)中心位置的關(guān)系以及臺風(fēng)影響下海浪二維譜、風(fēng)浪場和涌浪場分布和變化特征，指出距臺風(fēng)中心不同距離，混合浪波高的組成和波高變化不同，臺風(fēng)的外圍區(qū)涌浪場的高值區(qū)對應(yīng)著風(fēng)浪場的低值區(qū)，臺風(fēng)的大風(fēng)區(qū)風(fēng)浪場的高值區(qū)對應(yīng)著涌浪場的低值區(qū)，臺風(fēng)眼區(qū)則為涌浪區(qū)。

這些研究都較好的模擬出了臺風(fēng)期間海浪的演變過程，總結(jié)了風(fēng)、涌浪場的分布和變化特征，但是都僅限于一次臺風(fēng)過程的影響，對于不同強(qiáng)度和移動速度的臺風(fēng)以及不同水深觀測點(diǎn)這些結(jié)論還是否具有代表性，還有待于更多的研究。

5 結(jié)語

總結(jié)前人對涌浪的研究，多集中在基于實(shí)測數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)觀測的基礎(chǔ)上對涌浪外部特性的歸納總結(jié)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理論推導(dǎo)，以及極端天氣情況下混合浪場的整體特征數(shù)值模擬分析等方面。對于涌浪的外表規(guī)律性雖然有所認(rèn)識，但由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，能量變化機(jī)制仍舊沒有得到確切的闡明，且由于積累的資料相對較少，模擬計(jì)算的建立與驗(yàn)證受到較大的限制。

我國海洋航運(yùn)發(fā)達(dá)，海上工程眾多，在海洋工程建設(shè)及運(yùn)營過程中經(jīng)常會受到涌浪的影響。而對于工程所在特定海域涌浪的產(chǎn)生原因及運(yùn)動特性等研究還很少，國內(nèi)只有對南海海域涌浪的研究，對其他海域的涌浪研究還很空缺。因此，對于深入進(jìn)行海洋涌浪的生成機(jī)理及演變特性等研究對于掌握涌浪的相關(guān)特性，給海洋工程建設(shè)提供理論依據(jù)和關(guān)鍵性數(shù)據(jù)、減少海浪所帶來的災(zāi)害都具有很重要的意義。

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A review on basic theory research of swell

ZHOU Yan?dong1,LEI Zhen?ming1,SUN Guo?min1,YIN Han?jun1,ZHANG Yi?feng2,PEI Ye3
（1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;3.College of harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China）

Swell is an important component of the wave disasters.This phenomenon has been paid much attention to by the researchers in the area all over the world,for its damage to marine structures such as ships,oil platforms and other offshore structures and its complexity of the mechanism.The swell and its danger were presented at first.And then,from the different aspects of swell,the development of research methods and some corresponding conclusions elaborated the understanding of swell of these domestic and foreign scholars so far.Finally,conclusions were given that previous researches of swell were concentrated in the induction of appearance characteristics,theoretical analysis of the internal structure and numerical simulation of the overall features,etc.And the research deficiencies in swell about its generation mechanism and motion characteristics of specific sea were put forward to provide some train of thoughts for people in the future researching.

swell;swell spectrum;wind-swell separation;formation mechanism;evolution characteristics

TV 143

A

1005-8443（2016）01-0001-06

2015-03-30；

2015-06-04

國家自然科學(xué)基金（41106001，51137002）；教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金（教外司留［2012］1707）

周延?xùn)|(1959-)，男，山東省人，高級工程師，主要從事海洋工程及相關(guān)技術(shù)研究。

Biography：ZHOU Yan-dong（1959-），male，senior engineer.