基于非窄谱波群非线性演化的畸形波生成模拟及相关特性研究

以真实海洋条件下畸形波常会伴随波群出现而生成的现象为出发点，针对畸形波的非线性生成技术、波浪谱宽特性及波浪群性对畸形波生成影响等问题展开研究。为此本项目将首先收集已有的畸形波现场观测数据，初步分析波浪的谱宽特性和波浪群性及其对畸形波生成的影响；进而以适合窄谱和非窄谱条件的含有伪谱微分算子的非线性薛定谔方程作为理论模型，采用有限差分和傅立叶伪谱数值方法建立深水波浪数值模型，通过具有不同带宽调制波群非线性演化的聚焦作用实现指定位置处畸形波的数值非线性生成技术；在数值研究的基础上，进一步实现畸形波的实验室非线性生成技术；最后通过数值模拟深入研究随机波条件下波浪谱宽特性及波浪群性对畸形波生成的影响规律，并将畸形波生成的数值结果、实验结果和现场资料进行对比分析，验证本项目的理论方程、数值模型和物理模型的合理性与可靠性。

本项目以海洋中波高大于两倍有效波高和相邻波高、且峰高大于0.65倍的一种非线性极强的灾害性极值波浪为研究对象，以真实海洋条件下畸形波常会伴随波群出现而生成的现象为出发点，针对畸形波的非线性生成技术、波浪谱宽特性及波浪群性对畸形波生成的影响等问题展开研究。. 本项目收集了典型的畸形波现场观测数据，并对其进行谱宽特性和波浪群性分析，发现了畸形波生成时的一些基本特性；以适合窄谱和非窄谱条件的含有伪谱微分算子的非线性薛定谔方程作为理论方程，采用有限差分和傅立叶伪谱数值方法建立深水波浪数值模型，研究了一定带宽条件下调制波群非线性演化的聚焦作用，实现了指定位置处畸形波的数值非线性生成技术；在数值研究的基础上，进一步实现畸形波的实验室非线性生成技术；最后通过数值模拟研究了随机波条件下波浪谱宽特性及波浪群性对畸形波生成的影响规律，以及畸形波的预报方法，并验证分析了畸形波生成的两种机理。这些工作很好地完成了项目计划任务。. 通过研究，主要获得了如下进展和成果：1）通过理论分析和数值研究，获得了一个比较适合于描述真实海洋条件下波浪时空演化的非线性数值模型，该模型可以模拟非窄谱条件下畸形波的生成；2）通过符合畸形波定义的单个短波群的反向数值演化，获得了数值水槽中指定位置和时刻生成畸形波的非线性生成技术；3）将数值反演得到的造波机处的、经过振幅和相位调制的长波群输入造波机中，获得了实验室水槽中指定位置和时刻生成畸形波的非线性技术；4）通过分析JONSWAP谱描述的随机波条件下畸形波生成前后群性参数的变化，初步获得了畸形波生成过程中波浪群性的演化规律；5）通过指定时间和地点生成畸形波的非线性技术研究，验证了畸形波生成的时空聚焦机理，边带扰动条件下畸形波生成的模拟研究，验证了畸形波生成的边带不稳定性机理；6）将符合带宽限制的实测波列通过HHT变换后输入数值模型中，通过正反向演化检测畸形波的发生，建立一个深水畸形波在一定时间和范围内的预报模型。. 畸形波非线性生成技术的研究为海洋工程结构物与极值波浪的相互作用研究提供了一种非常好的外荷载；随机波浪条件下深水畸形波预测模型的建立，也有助于减少一些海洋灾害事件的发生。