基于连续小波变换的海浪非线性特征研究

以物理模型实验数据为基础，利用连续小波变换和基于小波变换的二阶谱对近岸不规则波浪和独立波群传播过程中的非线性特征进行深入、系统的研究，细致分析地形、入射角度及初始参数对波浪非线性特征的影响。对应用小波二阶谱得到的表示波浪非线性的特征量进行统计分析，并把它们参数化，从而更直接、方便地预测波浪的非线性参数在近岸传播过程中的演化，为泥沙运动、低频波浪等相关研究提供坚实的基础。应用小波二阶谱对波浪传播过程中出现极大波浪（畸形波）的局部时间段进行分析，研究这些局部极大波浪的非线性特征，找出极大波浪的出现与初始波浪形态的关系，为研究近岸畸形波的水动力特性以及产生机理提供理论依据。利用小波变换的多尺度性质，研究极大波浪出现时间段上各波浪成分的瞬时相位特征，以及主波与高次谐波之间的相位关系，为研究畸形波浪奠定坚实的理论基础。

波浪的运动形式是非线性的，非线性是波浪的一个非常重要的特性，是研究水波动力学十分关键的因素，因此开展波浪非线性的特征非常重要.由于许多重要的非线性信息均是发生时间很短，所以对局部非线性特征的分析非常重要，而小波变换是非平稳信号分析写有力工具，因此小波变换是局部部非线性特征以及非线性特征量的变化提供了强有力的分析工具。本研究主要研究了（1）浅水波浪的非线性特征，考虑了地形、水流对非线性特征以及极限波浪的特征的影响，并对非线性特征量进行了参数化，国际上首次提出了考虑地形坡度的波浪非线性特征参数化方程，研究成果发表在国际海洋工程领域最著名期刊《Coastal Engineering》，（2）数值研究了波浪传播方向对波浪非线性特征的影响，得到了考虑波浪入射角度的波浪非线性特征的参数化公式，（3）得到了浅水极限波浪的波陡特征，（4）分析了波浪非线性特征在潜堤上的变化规律及与极限波浪发生的联系，得到了浅水波面偏度和峭度的之间的经验公式，（5）采用小波二阶谱分析了随机波浪在缓坡上的非线性能量传递，首次发现波浪非线性程度随着水深的减小往高频转移（6）研究了有限水深波浪调制不稳定性的特征，采用小波变换分析了频带下移的特征，首次发现了耗散对波浪调制不稳定性影响的规律，并分析了水流存在下有限水深波浪非线性特征，研究成果发表在国际力学领域最著名期刊《Journal of Fluid Mechanics》和《Physics of Fluids》（7）分析了基于小波变换估计波浪方向谱方法的优点和快速算法（8）基于小波变换提出了一种新的分离高阶谐波的时域方法，该方法可以准确分离变水深情况下的高次谐波（9）研究了基于离散小波的降噪方法在海工数据中的适用性（10）数值分析了由孤立波和波群引发的港湾震荡，采用小波变换分析了港湾震荡的过程（11）首次试验研究了弱三维波浪破碎的特征，发现两列不同传播角度的波列相互作用是一个强非线性过程，随着入射波陡的增大能量损耗先增加后减小，该项研究成果发表在力学领域著名期刊《European Journal of Mechanics B/Fluids》（12）首次研究了非线性聚焦波浪在传播过程中的失调现象，该项研究成果被国际海洋工程领域期刊《Ocean Engineering》录用。