[论文解读] Wave breaking onset of two-dimensional deep-water wave groups in the presence and absence of wind

Arvin Saket, William L. Peirson+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Ocean Waves and Remote Sensing参考文献 5被引用 5

一句话总结

本研究通过热成像测速技术，实验验证了深水二维波群中波浪破碎起始的数值准则，比较波峰表面质点速度（Us）与波群传播速度（C）。发现能量通量比 Bx = Us/C = 0.840 ± 0.016 在不同波群陡度和风况下均能稳健预测破碎起始，仅在中等风速或谱带宽变化时出现微小偏移。

ABSTRACT

The criterion for the initiation of breaking demonstrated numerically by Barthelemy et al. (2015) has been investigated in the laboratory for unidirectional wave groups in deep-water and extended to include conditions of moderate wind forcing. Thermal Image Velocimetry was used to compare measurements of the crest surface water particle velocity (Us) with the wave crest velocity (C), as determined by an array of closely-spaced wave gauges. The energy flux ratio Bx = Us/C that distinguishes maximum recurrence from marginal breaking was found to be 0.840 $\pm$ 0.016 in good agreement with the numerically determined value of 0.855. Further, the threshold was found to be robust for different classes of wave groups of distinct characteristic steepness at the breaking threshold. Increasing wind forcing from zero to Uλ/4/C0=1.42 increased this threshold by 2%. Increasing the spectral bandwidth (decreasing the Benjamin-Feir index from 0.39 to 0.31) systematically reduced the threshold by 1.5%.

研究动机与目标

• 通过实验验证二维深水波群中波浪破碎起始的数值推导准则。
• 研究风力强迫对破碎起始时能量通量比 Bx = Us/C 阈值的影响。
• 评估破碎阈值在不同波群特性（包括陡度和谱带宽）下的鲁棒性。
• 量化风速和谱带宽变化对 Bx 临界值的影响。
• 建立适用于多种海洋条件的可靠经验阈值以预测波浪破碎起始。

提出的方法

• 采用热成像测速技术测量波群波峰处的表面水质点速度（Us）。
• 利用一组紧密排列的波高计测量相位传播，确定波群传播速度（C）。
• 计算能量通量比 Bx = Us/C，以识别临界破碎与最大破碎状态之间的阈值。
• 在控制波槽中进行实验，分别在静水和中等风况（Uλ/4/C0 = 1.42）下开展。
• 通过改变波群陡度和谱带宽（Benjamin-Feir 指数从 0.39 到 0.31）测试阈值的鲁棒性。
• 将实验测得的 Bx 阈值与数值预测的 0.855 值进行对比，以验证一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在深水实验条件下，数值推导的能量通量比阈值 Bx = 0.855 是否适用于波浪破碎起始？
• RQ2 中等风力强迫如何影响波浪破碎起始时 Bx 的临界值？
• RQ3 Bx 的破碎阈值在不同波群陡度和谱带宽下是否具有鲁棒性？
• RQ4 谱带宽（通过 Benjamin-Feir 指数表示）与破碎阈值之间存在何种定量关系？
• RQ5 能量通量比 Bx = Us/C 能在多大程度上准确预测从临界破碎到最大破碎的过渡？

主要发现

• 实验测得的破碎阈值 Bx = Us/C 为 0.840 ± 0.016，与数值预测值 0.855 非常接近。
• 该破碎阈值在不同波群陡度下保持稳定，表明其与初始波群特性无关，具有高度一致性。
• 风力强迫从零增加至 Uλ/4/C0 = 1.42 使破碎阈值上升 2%，表明风具有稳定作用。
• 谱带宽降低（Benjamin-Feir 指数从 0.39 降至 0.31）系统性地使阈值降低 1.5%。
• 能量通量比 Bx = Us/C 在静水和中等风况下均为波浪破碎起始的可靠预测指标。
• 该阈值对波群陡度的变化不敏感，证实其在深水波群中的广泛适用性。