近岸异常波的发生机理及其数值模拟研究

以近岸海区的异常波作为研究对象，针对其运动特征及实际结构、发生机理、数值模拟再现和现场试验资料验证等关键问题开展研究。本项目将建立完整的近岸异常波数学模型。为此本项目采用不同前人的先机理假定后数值模拟验证的研究思路，首先从包含异常波的长期近海实测波浪数据入手，分析近岸异常波的发生几率及其时空运动和结构特性，对其潜在的多种可能生成机理进行系统分析，结合真实的近岸自然地理环境和近岸异常波本身运动和结构特性，确定其最为可能的生成机理；然后在特性和机理分析基础上，采用合适的变水深非线性波动方程作为近岸异常波发生的理论模型，通过有限差分和傅立叶伪谱等数值方法建立数值模型，利用数值模拟手段来再现近岸异常波的发生与发展；最后根据数值模拟结果与现场实测结果进行对比分析，进一步验证本项目所提出的生成机理、所采用的理论方程及所建立的数值模型的合理性与可靠性。

该项目从近海实测波浪数据出发对近岸异常波机理开展研究，并建立一套完整的近岸异常波数值模型。项目首先获得大量长期近海实测波浪数据，并对包含近岸异常波的数据资料加以分析，分析发现近岸异常波发生几率约为1/10000左右，比Rayleigh分布低，比Weibull分布高，但总体上其概率曲线接近Rayleigh分布，窄谱或双峰谱、高非线性和高群聚性的波浪场中发生异常波的几率较高。项目对近岸异常波的潜在多种可能生成机理进行分析，结合近岸自然地理环境和近岸异常波特性，确定同向的波浪聚合（波包和孤立波的时空聚焦）作用和具有窄普性质的单向随机波列中不同频率组成波间的高阶非线性相互作用作为近岸异常波的可能发生机理加以研究。在特性和机理分析基础上，项目采用合适的波浪理论方程建立近岸异常波的数值模型，为了突出不同的重点，数值模型的建立主要分两个阶段进行：第一阶段将忽略水深地形的影响，建立常水深异常波数值模型，分两种情况展开工作，在非线性演化方面，利用NLS方程计算出类似近岸异常波发生时所需要的海况条件，再将该条件作为KdV的输入条件来模拟近岸异常波，而在波浪聚合方面，由大浪的波形经由KdV方程推演出可能造成聚合的波形，进一步分析这类波形的特征，NLS方程和KdV方程都属于抛物型方程，采用适合NLS方程和KdV方程的计算高效准确的傅立叶伪谱算法；在常水深数值模型基础上，第二阶段考虑水深地形变化对近岸异常波生成的辅助增强作用，进一步采用申请者所建立的二阶全非线性Boussinesq方程建立变水深数值模型。最后项目在所建立的数值模型基础上，采用数值分析的手段重建实测波列的能谱，对符合实际海况的模型输入条件进行程序实现和数值实验，再现近岸异常波的发生发展特性，并利用现场资料验证了本研究中数值模型的可靠性。通过本项目资助，项目组掌握了近岸异常波发生几率和实际特性，确定了其最可能的发生机理，建立了一套完整的近岸异常波数值模型，项目成果有效填补了国内异常波在近岸海区研究理论上的空白，同时其成果对于海岸工程的合理设计也具有重大的工程意义，已发表核心期刊以上论文8篇，其中1篇为SCI收录，4篇为EI收录。