涌浪基本理論研究綜述

周延東，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.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；3.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098）

涌浪基本理論研究綜述

周延東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.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；3.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098）

涌浪作為影響嚴重的海洋災害之一，因其發生時對在行船舶、石油平臺等海洋結構物以及近岸建筑物的破壞性，發生機制的復雜性等原因，一直備受全世界相關領域研究人員的關注。本文首先介紹了涌浪的危害性，然后從研究對象不同角度、研究方法的發展及得出的主要結論等方面闡述了到目前為止國內外學者對涌浪的認知程度。最后，總結前人對涌浪的研究多集中在外觀特性的歸納、內部結構的理論推導及整體特征的數值模擬等方面，提出對特定海域涌浪的生成機理及運動特性等方面研究的不足，以期能夠為以后的涌浪研究工作提供一些思路。

涌浪；涌浪譜；風涌浪分離；生成機制；演變特性

近年來，隨著我國海洋大開發戰略的實施，對于海洋工程建設及海洋能源的開發利用也在持續進行中。在海洋中作業主要受海浪作用，其中涌浪是海浪的重要組成部分。涌浪是指風停止或削弱、轉向以后遺留在海上的或來自于其他海域的波浪。相比于一般的風浪，涌浪具有較規則的外形，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構物發生共振，具有驚人的破壞力，能使艦船發生中拱、中垂、螺旋槳空轉失速，使海洋平臺發生傾斜和搖晃等現象，給艦船及海洋平臺造成嚴重損傷，甚至損毀。當其傳播到淺水或近岸時，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、海洋資源開發利用、防止和減少海浪災害都具有重要的意義。本文將對涌浪研究的國內外有代表性的研究文獻進行綜述。

國內外的學者對涌浪做了大量研究，也得到了很多研究成果，推進了涌浪的相關研究。綜合分析前人的大量研究，發現學者們對涌浪的研究主要集中在以下幾個方面。

1 涌浪譜的研究

早在上個世紀五十年代，國外學者就提出了幾種預報、分析涌浪的理論。Sverdrup等［1-2］，從能量的角度去計算涌浪傳播中的波高與周期變化以及傳播時間。他們假設波面在行進過程中遇到的空氣阻力是構成涌浪能量損失的唯一來源。但這種假設后被證明是錯誤的，且這種理論不能解釋涌浪周期增加的過程。之后也有一部分學者基于實測資料的分析，給出了一些經驗性的解釋。Bretschneider［3］就依據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，受到數據的獲取途徑、質量以及分析手段等許多因素的影響。這些推導分析雖然對于涌浪的研究有所推進，但是理論上和精度上都存在較大缺陷。

海浪是指一種復雜的隨機過程，Persion等［4］最先將瑞斯關于無線電噪音的理論應用于海浪，從此利用譜以隨機過程描述海浪。到了二十世紀六十年代，國內的學者也關注到了涌浪的問題，文圣常［5］就基于他自己提出的普遍風浪譜推導出了文氏涌浪譜。該涌浪譜克服了上述理論的一些不足，假定風浪譜中每一組成波離開風區以后獨立傳播，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、消衰的整個過程沒有給出討論。王濤［6］在文氏涌浪譜的基礎上，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方向擴大，波高和離風區較近的波周期都隨時間的增加而增大；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，計算所得的涌浪波高和周期隨時間的變化與觀測資料吻合良好，涌高的最大值也很接近。這些結論不僅具有理論上的意義，而且給當時的涌浪特性研究和涌浪預報工作提供了有用的資料。

涌浪譜的發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，到近些年隨著計算機技術的發展而出現的數值模擬的方法，很多都是基于涌浪譜的概念。

2 風涌浪的相互作用

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

二十世紀六十年代初Longuet-Higgins和Stewart［10］對長短波方面進行了大量的理論研究。他們假設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，發現當短波遇上長波時，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象。在解釋該現象的同時他們還引入了輻射應力的概念，指出長波與短波之間是通過輻射應力的作功傳遞能量的。

前人對于風、涌浪的相互作用的研究主要分為兩個方面，即風涌浪同向時及風涌浪逆向時的風涌浪之間的相互影響。在風涌浪同向的研究中，最早是Mitsuyasu［11］在實驗中發現，當風浪與造波機造成的長規則波同向傳播時，長波的存在會抑制風浪的發展。當長波的波陡變大時，風浪的總能量及譜密度都會隨之減小。后來Phillips和Banner［12］也得出了相同的實驗結果，并依據實驗數據建立了一個動力學模型，認為這一現象是由于受到長波波峰附近的風生漂流的調制，波峰處的風浪破碎被加強，增大了風浪能量的耗散，從而使得風浪的振幅受到了限制。

許多學者對逆行涌浪與風浪的相互影響進行了研究，但是大多數學者都集中在逆行涌浪在風作用下的衰減。Mitsuyasu和Maeda［13］在得出該結論的同時還注意到了風浪的發展，指出逆行涌浪并不能明顯的減小風浪的能量。Cheng和Mitsuyasu［14］觀測到與風向反向傳播的涌浪不會抑制風浪成長，反而能促進風浪成長。程展［15］在前人研究的基礎上對逆行涌浪引起的風浪譜的變化進行了研究，表明當涌浪存在時，風浪譜被逆行涌浪擴寬，并指出不管風、涌浪傳播方向的關系如何，涌浪將會改變風浪的能量或改變風浪的能量在各頻率間的分布。也有學者指出非線性波-波相互作用也會引起風、涌浪之間的能量傳輸。Masson［16］的數值分析表明，共振作用引起的風浪向涌浪的能量傳輸隨風浪譜峰頻率與涌浪頻率比值的增加而迅速下降，當該比值大于1.6時，這一能量傳輸便可忽略。在此基礎上學者還通過進一步的推導，得出能量比EE0與頻率比fs/fωp的關系

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

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

前人對于風浪與涌浪的相互影響做了大量的研究，這為風浪、涌浪的分別研究提供了很大的幫助，但是由于現場實測的因素復雜，數值模型和物理實驗的驗證都存在很大的難度，風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 風涌浪的分離

在海洋中，海浪通常都是以風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浪和涌浪之間是相互影響的，而且風浪和涌浪的成長、消衰、傳播及破壞機制都存在明顯的差異。因此在海浪研究中必須對二者進行區別對待，準確分離和識別海浪中的風、涌浪成分，對于海浪理論研究，海浪預報，海洋船舶工程都有著重要的意義。

國內外學者對于風涌浪的劃分問題進行了很多討論，對于風涌浪分離的判據大體可歸納為三類：波型，波要素以及譜分析。汪炳祥等［23］在總結前人研究的基礎上，延續波要素的觀點提出了三個新的判據：①深水：；②淺水：認為只要海浪滿足所給判據中的任意兩個就可以確認是涌浪，彌補了之前所提判據很難判準的缺陷。郭佩芳等［24］從海浪譜能量的角度出發，依據譜的零階矩，提出了混合浪成分因子的概念作為劃分風、涌浪的新判據。在混合浪的譜估計中，假設組成混合浪的風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的關系為：M0=H2/16，則上式還可以轉換為另一種寫法：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行主導類型上的判別，在風、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雜的內部結構，于是許多研究者想到了采用海浪譜的方法來對風涌浪進行分離［25-27］。

依據海浪譜的維數，可以將基于海浪譜的風涌浪分離法分為一維譜方法（1D）和二維譜方法（2D）。二維譜方法是根據風對波浪傳輸能量的基本特征，通過分析波浪方向譜和風速矢量信息對風、涌浪成分進行分離，這種方法被認為可以給出較可靠的分離結果，但是2D法需要考慮的信息較多，這給它的應用性帶來很大的局限。相比較而言，1D法在實踐中更為可行，它的基本思想是給出一個分割頻率，將海浪頻譜中對應高頻部分的風浪成分和對應低頻部分的涌浪成分分離開來。研究至今學者們已經提出了很多種1D分離方法，這些方法有些需要同時考慮風速和海浪頻譜信息，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涌浪的分離方法，該方法借助風浪和涌浪波陡特征的差異對風涌浪進行分離；另一種是通過波系統分析來對風、涌浪進行分離，如近年Portilla等［29］提出的基于風浪超射特性對風涌浪進行分離的方法。李水清，趙棟梁［30］經過比較分析還指出2D法和前面提到的3種比較有代表性的1D法的分離結果存在一定的差異，與實測資料相比2D法在不同的海浪情況下的分離結果都比較可靠，但是同時使用一維法和二維法會得出與實測值更為一致的分離結果。

雖然學者們對于風涌浪分離的研究有很多，也提出了很多分離的判據，且這些判據多是以單一的成分或者特性變化作為分離的依據，但是由于實際的海浪成份復雜，并不是以一個單一成份的風浪或者涌浪而存在的，絕大部分是以不同成份的風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作為分離判據這一方面的研究還存在很大的不足，并不能對風涌浪進行準確的分離。

4 極端氣象條件下涌浪的研究

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

Unoki［32］根據觀測資料，分析了臺風期間波浪的分布特征，得到了一些簡單的統計結果。周學群等［33］，基于8719號一次臺風資料，分析了臺風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；且隨著臺風強度的降低，涌高也明顯減小。但是由于早期理論缺陷和技術欠缺的雙重阻礙，這些結論都是粗略的，且可靠度有待進一步驗證。到了二十世紀九十年代，許為民和錢志春［34］從譜的概念出發，提出了靜止臺風涌浪的計算方法，該方法能夠很好的反映涌浪傳播的物理特征，結論指出當距離風區越遠，頻率和方向分布的范圍就越窄，涌浪的內部結構就越簡單，表現出來的特征就越有規律。但是由于該計算方法的推導前提是假定臺風是靜止的，且風場是突然發生又突然消失的，因此該方法有一定的局限性。在此基礎上，錢志春和永田豐［35］又推導了臺風涌浪較普遍的公式，相比前者能更好地反映出臺風涌浪傳播的主要特征，但該公式最大的的缺點就是忽略了涌浪在傳播過程中能量衰減及與風浪之間作用，計算出的涌浪值偏高。

到了二十一世紀，隨著計算機技術的不斷發展，對于涌浪的數值模型研究逐漸從理論推導轉向數值模擬。韓曉偉等利用WAVEWATCH-III（Version3.14）的海浪模式對0801號臺風“浣熊”進行了數值模擬，并基于此分析了臺風浪的發展及臺風影響下風、涌浪場的分布特征。結果顯示海面有效波高的分布和演變隨臺風系統強度和移動的變化而變化；臺風過程中所產生的大浪主要為風浪；涌浪場的分布與風浪場的分布幾乎相反，涌浪場基本分布在遠離臺風中心的外圍海域，涌浪場波高比風浪場波高要小。陳曉斌等基于1109號臺風“梅花”探討了涌浪和風浪波高隨時間變化與臺風中心位置的關系以及臺風影響下海浪二維譜、風浪場和涌浪場分布和變化特征，指出距臺風中心不同距離，混合浪波高的組成和波高變化不同，臺風的外圍區涌浪場的高值區對應著風浪場的低值區，臺風的大風區風浪場的高值區對應著涌浪場的低值區，臺風眼區則為涌浪區。

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

5 結語

總結前人對涌浪的研究，多集中在基于實測數據和實驗觀測的基礎上對涌浪外部特性的歸納總結、內部結構的理論推導，以及極端天氣情況下混合浪場的整體特征數值模擬分析等方面。對于涌浪的外表規律性雖然有所認識，但由于其內部結構比較復雜，能量變化機制仍舊沒有得到確切的闡明，且由于積累的資料相對較少，模擬計算的建立與驗證受到較大的限制。

我國海洋航運發達，海上工程眾多，在海洋工程建設及運營過程中經常會受到涌浪的影響。而對于工程所在特定海域涌浪的產生原因及運動特性等研究還很少，國內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，對于深入進行海洋涌浪的生成機理及演變特性等研究對于掌握涌浪的相關特性，給海洋工程建設提供理論依據和關鍵性數據、減少海浪所帶來的災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

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

周延東(1959-)，男，山東省人，高級工程師，主要從事海洋工程及相關技術研究。

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