深水畸形波非线性动力机制与有效模拟研究

畸形波正在成为海岸海洋船舶工程设计和防灾减灾研究时，需慎重考虑的灾害性海浪现象。从深水畸形波入手，可以剥离出水波非线性机制本身对畸形波的作用。本研究暂不考虑洋流和风的效应，采用理论分析和数值模拟为主要研究手段，探讨深水畸形波产生和发展过程中涉及的非线性动力机制、运动特性与有效模拟问题。理论分析将基于Zakhorav类方程进行，可以研究不同时间尺度中起主导作用的水波非线性机制。主要数值方法为三维高阶谱方法，该方法能考虑任意波数的任意阶非线性且能考虑耗散效应，还具有可并行、计算速度快、能直接给出解析波面和速度分布等优点，可以模拟水波非线性长期演化过程，捕捉、刻画和统计演过过程中出现的畸形波轮廓结构、运动特性和时空分布特征。本研究还将结合小波分析等能获取波场局部信息的方法，在数值波浪港池中重构畸形波生成过程，有效实现符合相应非线性动力机制和运动特性的畸形波，为在实验室研究畸形波打好基础。

围绕深水畸形波的动力机制，基于高阶谱方法深入探讨了调制不稳定性问题，重新探讨了调制不稳定性最不稳定条件，首先指出单从边带增长率来开，上下边带对应的最不稳定带宽不一致，因此难以给出最不稳定边带，进而结合均匀强度弱噪音的加入，确定了最不稳定条件。发现了原有调制不稳定重现周期在满足最不稳定条件时的误差很大，解释了原有理论产生误差的原因，并提出了新的调至不稳定性重新周期公式。借助对Stokes 调制波列长期演化过程的模拟，研究了不同时间尺度的非线性机制，明确提出在-3T0之后的时间尺度，调制不稳定性不再是主导性的非线性机制，此时的主导非线性机制已经由波波相互作用转变为波群与波群的相互作用，新的非线性机制产生的畸形波相比调制不稳定性阶段，波高更大且随机性更强。围绕畸形波特性，对波列长期演化过程中不同时间尺度的畸形波进行了详细探讨，指出了不同非线性机制对应的畸形波无论是发生概率、最大波高、局部波陡和畸形度等的明显区别，明确了BFI作为畸形波预测因子的适用范围，指出最大相对波高等参数与峰度值在不同尺度都存在强相关性，然而这种相关关系在不同的时间尺度截然不同，且在两种时间尺度的过渡部分会出新一种明晰的过渡关系，这些对于畸形波的分类有着重要的理论价值。围绕畸形波的有效模拟，首先基于高阶谱方法建立了数值波浪水槽，实现了数值水槽中的非线性畸形波重构，进而从实验室中初步实现了不同类型的畸形波造波。同时搜集、整理并系统分析了韩国周边海域八个测站以及江苏近海响水站长期连续波浪资料中的畸形波特性，明确了包含发生概率、波形特征和运动特点在内的真实畸形波特性及其影响因素，为下一步真实畸形波的有效模拟提供了科学依据。