波浪破碎标准研究进展

赫岩莉，毛鸿飞，林金波，吴光林

（广东海洋大学海洋工程学院，湛江 524088）

1 前言

波浪破碎是海洋中常见的物理现象，常以白泡形式出现在海面上。破浪破碎是波浪达到一定极限状态后，不能维持其稳定性而发生波面坍塌的现象，因其具有间歇性、瞬时性、随机性等特点，发展过程极其复杂，目前波浪破碎物理过程研究仍处在发展阶段，还不能明确波浪破碎的具体过程和本质原因。

波浪破碎不仅对海气交换、波能转化及海洋红外遥感等具有重要影响，而且对海洋工程、人民生计和生命安全具有关键作用。当波浪发生破碎时，往往会对海洋、近海工程结构物强度造成不同程度削弱，当波浪较大或作用频繁时，还可能摧毁结构物，引发巨大灾难，甚至造成人类生命丧失。因此研究破碎波非线性特征、了解波浪破碎过程、探究波浪破碎标准，将对确定波浪荷载、合理设计海洋结构具有重大意义。

2 波浪破碎标准研究现状

常见的波浪破碎有两种型态，即崩破和卷破，如图 1 所示：在深水情况下，常见的破碎型态为崩破；在浅水缓坡情况下，常见破碎型态为崩破，如果坡度较陡则可发生卷破。无论何种破碎类型，在即将发生破碎时，都会出现一个极限状态，经过该状态后破碎发生。目前国内外研究学者，基于几何特征、动力学特征、运动学特征，对波浪破碎标准进行了大量分析，并获得了不少研究成果。

图 1 破碎型态示意图

2.1 基于几何特征

从几何特征出发：Stokes指出，行进波波峰顶角为120°是其最大值，并给出0.442 为波浪破碎的极限波陡；Longuet-Higgins通过对均匀波列进行分析指出，当波陡ka = 0.43 时，波浪能量密度最大，分析结果与Stokes几乎一致，其中k 为波陡，a 为波浪幅值；Babanin 等通过对实验、数值模型和野外实测数据进行分析指出，波陡参数可独自作为破碎判断指标，其结果支持Stokes的结论。然而也有研究指出，波陡单独不适合作为波浪破碎指标；Rapp 和Melville通过实验研究指出，当波陡为0.25 时波浪发生破碎，这说明波陡在没有达到0.442 极限波陡之前波浪就已经发生破碎，因此Rapp 和Melville指出，除线性聚焦作用以外，非线性作用使得波浪提前发生破碎；Tulin 和Waseda通过实验研究指出，调制不稳定机制引起的波浪破碎波陡波动范围介于0.22 ～ 0.41 之间；于洋等采用实验方法，给出与波浪不对称参数相关的破碎指标，并指出该指标与相对水深相关，当水深变浅时指标增加；冯卫兵等采用高分辨率实验技术方法，给出判断浅水不对称波浪的破碎指标。

综上可知，通过不同学者对波浪几何特征参数分析；选取波陡作为破碎判断指标还存在很多疑问，还没有统一性的结论，依然有待于进一步的研究。

2.2 基于动力学特征

基于动力学特征，很多学者对波浪破碎指标进行了相关研究：Schultz 等针对规则波进行分析指出，比起波峰与波峰间所确定的波高，势能均方根波高更加适合用于判断波浪破碎情况；还发现势能破碎标准是能量输入率的函数，随着能量输入率由小到大，波浪可由崩破过渡到卷破；同时给出当波浪势能约为总能量的52%时波浪破碎发生；Song 和Banner采用数值计算，对不同类型波群破碎情况进行研究，结果显示局部最大能量密度的无因次化增长率可作为破碎判断的指标；Tian 等对Song 和Banner破碎标准进行验证，结果指出破碎标准对局部波数较敏感；Oh 等实验分析结果表明，动力学破碎标准针对强风作用下波浪破碎判断具有很好的效果；刘殿勇采用实验方法较全面的对三维波浪破碎进行了研究，指出波浪聚焦频率失调是引起波浪破碎能量损耗的主要原因。

综上所述，由基于动力学特征进行波浪破碎指标分析可知，破碎指标的结果随着分析方法和波浪类型不同而变化，目前也尚未有统一的结论，仍需要进行深入研究。

2.3 基于运动学特征

很多学者从运动学特征也对波浪破碎进行了大量研究：Qiao 和Duncan对崩破进行了实验研究，分析结果表明当波浪发生破碎时，波峰水质点速度与波浪相速度之比约1.0 ～ 1.3。但随着研究人员的深入分析，越来越多的研究结果表明当水质点水平速度小于波浪相速度时，波浪也可发生破碎；Stansell 和Macfarlane通过实验并结合三种相速度定义，对破碎标准进行分析，研究结果表明基于三种相速度的运动学标准有很大差别，但均大于质点水平速度；Oh 等针对深水破碎波进行了实验分析，结果表明基于几何特征和运动学特征破碎标准不能很好地对波浪破碎进行预测。由此可见，以水质点水平速度和相速度之比等于1 作为判断破碎标准仍存在不足。

截至目前为止，基于几何、动力学和运动学特征的破碎标准研究依然存在很多不确定性，无法对破碎指标给出统一的结果，因此还需要加深理解波浪演化破碎的本质过程，才能基于物理过程进行波浪破碎分析。

3 波浪破碎标准研究目前存在的困难

由以上内容可知，针对波浪破碎目前还没有统一的破碎判断标准。由于波浪破碎过程复杂，研究分析存在很多困难，主要有以下几个方面：

3.1 破碎阶段难以划分

基于波浪破碎过程复杂，很难确定什么时间、什么位置发生了破碎；同时从波浪出现白沫开始，也较难区分选作为分析破碎指标的主要阶段是演化过程中的哪部分。目前研究大多没有对波浪破碎过程进行详细区分，而是将破碎看成为整体进行分析。然而破碎过程各阶段的波浪非线性特征和能量损耗等是变化的，对破碎指标影响也是不同的，因此详细进行破碎过程区分是目前研究的紧要但又难以解决的问题。

3.2 极限状态不易捕捉

大量研究和实际观测表明，波浪破碎具有短暂性、随机性、间歇性、不确定性等特性，无论是实验测量还是野外实测，针对波浪破碎的捕捉都存在很大难度。随着科技进步，高速摄像机的出现对破碎测量准确性起到了很大推动作用，增加了波浪破碎捕捉精确性，但基于破碎过程复杂性加之仪器分辨率限制，仍然不能彻底解决破碎捕捉问题。除此之外，精确度高的设备仪器价格比较昂贵，目前仍不能得到广泛应用。

3.3 测量技术需要加强

破碎捕捉中比较重要的环节之一就是测量技术。无论是在实验室还是在野外进行测量时，因破浪破碎的不确定性，都存在破碎发生处没有安置测量仪器的问题，或者因近距离安装测量仪器会产生对水体的干扰，使得测量所得到的结果不能准确反应破碎的基本过程，而从中夹杂测量仪器的干扰信息，这也是目前破碎研究中存在的主要问题之一。

3.4 计算效率有待提高

随着计算机的飞速发展，数值计算在波浪理论基础研究中具有重要影响，对基本物理过程的深入分析起到了很大的推动作用。针对波浪破碎的数值研究，在模型和算法合理的情况下，由于破碎过程复杂性，一般需要大量网格对破碎情况进行逼近，从而导致计算量非常大，同时对计算机的要求也比较高，尤其在进行三维计算时，更是需要高效能的工作站等大型计算设备，因此目前针对波浪破碎的数值计算研究中，计算效率依然是难题之一，这也是流体力学和物理海洋研究中需要不断改进和优化的任务之一。

4 波浪破碎标准研究展望

波浪破碎不仅对实际工程具有关键作用，对气候也有着重要影响，目前仍有许多问题有待于深入研究：

（1）首先，针对波浪破碎的理论还不完善。需要对破碎波的基础理论进行拓展，尤其是波浪破碎后产生的紊流问题，需要进一步结合气液耦合分析开展细致研究；

（2）其次，目前实测数据相对较少。而实测数据是真正能够反映实际海浪问题的来源，只有不断从实际情况中提取和分析数据，才能逐步认识波浪物理过程的本质。基于此，在未来研究中在合适条件下进行野外实测分析将有利于拓展波浪破碎基本理论，减小比尺效应对真实现象的影响，准确反应真实破碎现象的规律和机制；

（3）第三，针对不同类型破碎发展过程进行分段分析。目前针对破碎波的分析，主要集中在整体破碎分析，但实际破碎过程是随着时间和演化机理变化的，继而使得波浪形状、能量分布、特征参数、周围水体等均有所不同。对破碎过程进行合理划分，是细化破碎研究的前提，进而分析不同阶段的破碎特征，因此基于不同破碎类型，细化破碎过程将是海洋工程领域未来研究内容之一；

（4）最后，目前大量破碎波研究主要集中在分析单独破碎特征内容上。但实际海况中发生的往往是波浪连续破碎，使得能量大幅度下降。基于单个破碎可有效探明破碎发生过程中波浪成分的作用过程，为后续连续破碎研究做基础，但若要阐明真实海浪破碎过程，还要进一步分析前期破碎对随后破碎的影响，从而探索能量损耗和重新分布基本过程，准确有效确定波浪荷载，最终为海洋工程结构设计提供实际参考。

5 结论

本文对破浪破碎指标研究现状进行了简单介绍，对目前研究进展进行了主体概括，同时也给出了破碎波研究中所面临的困难和技术瓶颈。在此基础上，针对波浪破碎标准研究，给出了需要深入分析的主体方向和需要完善的基础研究理论。希望通过本文能使有关人员加深对波浪破碎标准现状的了解，并针对目前的技术瓶颈和理论障碍进行攻破。