混合浪中长波对短波的调制研究

论文摘要

海浪是一种常见的海洋现象，通常指一种小尺度海洋表面重力波，包含风浪和涌浪。可将其看作一系列振幅和相位均不相同的随机简单波动的叠加。海浪在海洋遥感和小尺度海气相互作用中扮演重要角色。中小尺度的短波是海表粗糙度的主要成份。小尺度粗糙度可影响电磁波在海表面的散射。涌浪、内波以及锋面等造成的非均匀流场对于海面小尺度粗糙度有调制作用，这种调制作用也是这些海洋现象微波遥感的基础。通常，使用水动力调制传递函数描述涌浪对短波的影响。有关短波调制的研究对于海洋遥感和海气相互作用意义重大。尽管前人在理论和观测中都获得了不少成就，但是目前对于该调制机制和规律的认识还存在很多问题。为观察短波被长波的调制情况，在实验室产生混合浪并测量波面位移数据。使用本征模态分解法(IMD)方法分析混合浪波面位移数据。与经验模态分解(EMD)方法相比，IMD方法避免了模态混淆。将混合浪数据分解为若干本征模态函数。许多数据最高频本征模态频率范围非常接近，这反映了即使外界条件不同，仍然存在某一特定频率的波动。对比风浪中不同尺度的三个本征模态：风浪主要波、中等波与小尺度波，分析长波对它们的作用。将每个长波周期均分为8个小的位相区间，计算各本征模态在各小区间内的均方位移，以此代表某一模态的能量沿长波的分布。风浪主要波、小尺度波和介于二者之间的中等尺度波，其能量沿长波位相的分布具有不同特征。风浪主要波的能量随长波波陡增加而减少，其分布与长波同相且关于长波波谷对称。中等尺度波的能量则随长波波陡增加而增加，在长波波峰迎风面略微高于背风面。小尺度风浪的能量随着风速和长波波陡的增加而增加，随着风区长度的增加而减少，在长波波峰迎风面明显高于背风面。风浪能量分布在长波波峰迎风面高于背风面，具有不对称特征。这一特征主要由小尺度波的能量分布体现。考虑能使短波能量分布发生相移的各种影响因素，结合观测，可以认为长波遮拦效应是导致短波能量分布不对称的主要原因。长波的轨道流场导致了多普勒效应。对于给定波数，短波表观频率在长波一周期内经过加权平均的值相对于固有频率产生了净降低量。在长波不同位相，同样的表观频率对应的固有频率不同。分析短波谱的调制传递函数随波数的变化，结果显示，最高频模态内各种尺度的短波，其所受调制几乎不随波数变化。如此一来，最高频模态所受调制可代表其包含的各种尺度的小波所受的调制。对现有调制模式和相关理论综合分析的基础上，考虑了长波通过风应力对小波的影响，提出了一个新的理论调制模型。模型结果显示，对于传播方向与风向相同的波浪，短波能量的最大值位于长波波峰迎风面；对于高频小波，其调制随波数变化不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 长波对短波的影响
• 1.1.1 海上的长短波
• 1.1.2 短波调制机制的研究历史
• 1.1.3 表面粗糙度研究
• 1.1.4 与弛豫理论有关的研究
• 1.2 风浪生成机制研究
• 1.2.1 线性理论
• 1.2.2 非线性效应
• 1.3 观测研究手段
• 1.4 本文的研究目的和意义
• 2 实验
• 2.1 实验仪器设备
• 2.2 实验数据的采集
• 2.3 实验数据的处理
• 2.3.1 确定风应力的方法
• 2.3.2 风-浪-流水槽中的风速分布
• 2.4 波面位移数据的处理
• 2.4.1 谱估计的方法
• 2.4.2 粗谱的平滑
• 2.5 小结
• 3 海浪数据处理与分析方法
• 3.1 傅立叶分析
• 3.2 短时傅立叶变换
• 3.3 小波变换
• 3.3.1 小波分析理论的发展过程
• 3.3.2 小波变换及逆变换
• 3.4 EMD/HAS分析的方法
• 3.4.1 经验模态分解的筛分方法
• 3.4.2 筛分过程结束的标准
• 3.4.3 筛分过程应注意的问题
• 3.4.4 EMD方法的局限性
• 3.5 快速滤波本征模态分解
• 3.5.1 基本概念
• 3.5.2 用快速滤波将信号分解为本征模态信号的具体步骤
• 3.6 利用快速滤波本征模态分解法分析实验数据
• 4 中小尺度波的能量分布及变化
• 4.1 对应模态的确定
• 4.2 波动能量的表示
• 4.3 长波对风浪的调制
• 4.3.1 长波对主要波的调制
• 4.3.2 长波对中等波的调制
• 4.3.3 长波对小波的调制
• 4.3.4 小结
• 4.4 长波引起的Doppler效应
• 4.5 长波波峰附近的小尺度波动
• 4.6 小结
• 5 长波对短波的调制模型
• 5.1 调制传递函数
• 5.2 气流-风生短重力波耦合模型
• 5.2.1 能量平衡方程与波浪谱
• 5.2.2 表面风应力
• 5.2.3 短波谱的调制
• 5.2.4 短波调制对表面粗糙度的影响
• 5.3 小波谱调制传递函数
• 5.3.1 初步的理论探讨
• 5.3.2 模型计算结果
• 5.4 小结
• 6 多普勒效应对波谱计算的影响
• 6.1 波谱中的频率降低
• 6.2 轨道对流造成的频率降低
• 6.3 小结
• 附图
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历