李　东　张本辉　石爱国　薛亚东　张新宇　西文韬

(海军大连舰艇学院　大连　116018)

LI Dong　ZHANG Benhui　SHI Aiguo　XUE Yadong　ZHANG Xinyu　XI Wentao

(Dalian Naval Academy, Dalian　116018)



畸形波及舰船遭遇畸形波的研究综述*

李东张本辉石爱国薛亚东张新宇西文韬

(海军大连舰艇学院大连116018)

畸形波对船舶航运和海洋工程结构物等极具威胁, 已成为当前物理海洋学界和船舶水动力学界的一个研究热点问题。论文介绍了畸形波的定义及观测现状，探索了畸形波的生成机理，对现有的实验室模拟方法进行分析比对，对国外科研团队研究舰船遭遇畸形波的相关情形进行了简要阐述，提出了舰船遭遇畸形波的研究思路。

畸形波; 生成机理; 实验室模拟

LI DongZHANG BenhuiSHI AiguoXUE YadongZHANG XinyuXI Wentao

(Dalian Naval Academy, Dalian116018)

Class NumberP731

1　引言

畸形波(freak wave)是海洋中高且陡的大波，其持续时间很短,但出现的偶然性和巨大的破坏性，对船舶航运和海洋工程结构物等极具威胁，已引发多起海上事故[1]，严重地影响了人类海洋活动的安全[2]。因此畸形波越来越引起人们的关注，它的发生机理及工程应用问题已成为当前物理海洋学界和船舶水动力学界的一个研究热点问题[3]。关于畸形波的研究最早可追溯20上世纪60年代，1965年，Draper提出了畸形波的概念[4]，越来越多的学者和工程人员开始认同并关注这一现象。由于畸形波大多在未知和不可预测情况下出现，可靠的测量数据以及分析结果非常少，其发生机理还不明确，相关研究基本上处于起步阶段，还有许多理论和实际问题需要进行深入研究[5]。下面就畸形波的定义及观测现状、生成机理、实验室模拟、舰船遭遇畸形波的相关研究进行综述。

2　畸形波的定义及观测现状

2.1畸形波的定义

畸形波通常有如下特征[6]：有陡且尖的波峰和平坦的波谷，波峰的前坡很陡且升高很快，波峰形状为前凹后凸，是一种强非线性、非常不对称的波浪，出现和消失很突然，如图 1所示。

图1　畸形波时历

随着畸形波研究的深入和观测数据的充实，研究者发现了各种具有不同外观特征的畸形大波，其涵盖范围不断扩大，分析手段不尽相同，采用的判定标准并不完全确定，关于定义更是众说纷纭，目前尚没有令所有研究者一致信服的精确定义。尽可能地量化是深入研究事物的重要方向，对于畸形波也不例外，然而人们对畸形波的生成机理尚不明确，没有实现从现象到本质上的跨越。

畸形波是一种相对于背景海况下出现的大波，在定义畸形波时需考虑凸兀的最大波高及其与前后相邻波浪的关系。相比较而言，由Klinting&Sand[7]给出的畸形波定义较为全面，即畸形波的最大波高Hj应该满足以下条件：α1=Hmax/Hs≥2，α2=Hmax/H_≥2，α3=Hmax/H+≥2，α4=ηc/Hmax≥0.65；其中Hj-1和Hj+1是畸形波前后相邻波浪的波高，ηj是最大波高对应的波峰高度，Hs为有义波高，在此将α1、α2、α3、α4统称为畸形波特征参数。Klinting&Sand的定义不仅考虑了波高本身、还考虑了与相邻波高的关系及平均水面以上的波峰高度；这个定义条件相对比较苛刻，但是仍为大多数学者所接受。Hmax、H_、H+、ηc定义如图2所示。

图2　畸形波特征波高示意图

2.2畸形波的观测现状

畸形波的记录和外海观测是其研究分析的前提，一方面来源于海上工作人员的见闻和船舶事故；另一方面来源于长期设立的观测台站、石油平台、锚定浮标的观测数据和合成孔径雷达的遥感数据[8]。畸形波大多在未知情况下出现，导致了实际观测记录和可靠的测量较少，使人们误以为畸形波的发生概率很低。按照线性理论，对于满足高斯分布的波面且波高在30m左右的波浪为万年一遇，实际的观测数据显示畸形波发生的概率却远大于此[9]。

1995年1月1日，人们在北海第一次用科学仪器完善地记录了新年波(New Year Wave),这是目前为止记录最早的畸形波[10]。欧盟资助的Max Wave研究项目在2001年3周内分析了精度10m的全球卫星数据，发现了十几个畸形波，它们的波高均大于25m，并对历史数据进行了统计分析，得出“平均每周会有两艘大型船舶沉没”的结论。由法国海洋开发研究院(IFREMER)和它的合作者们组织的Rouge Waves Workshop研讨会，自2000年起每四年召开一次，交流各国所取得的研究进展。2004年英国广播公司(BBC)推出的地平线科普纪录片《夺命怪浪——freak waves》，提高了人类对于畸形波的认识。

相关资料和研究成果显示，畸形波广泛地存在于世界各大海域，可以在有流、无流、天气好坏、深水或者浅水等多种条件下没有任何预兆地出现[11]。梳理畸形波的记录资料可以发现，畸形波发生概率比较高的区域分别是大西洋、印度洋、北海、日本海以及中国台湾的周边海域，这五个区域都是海上交通频繁的地区，相对而言，海洋观测体系比较完善；毋庸置疑，其它海域也可能有畸形波发生，只是由于畸形波的不可预见性和监测体系的不健全，还没有相关的记录。另外，受观测条件和观测技术的限制，对畸形波的记录仅局限于单点情况下，无法反映畸形波的演化发展的整个过程，由于其尺度特征和环境条件差别很大，很难进行综合分析，这对于畸形波的深层次研究是不利的。

3　畸形波生成机理的研究探索

畸形波的生成机理是众多研究者积极探索的一个方向。迄今为止，研究者根据畸形波发生的环境条件以及内部、外部特征提出了多种生成机理假说，Chine[12]在前人研究的基础上，将生成机理假说分为外在环境与内在演化两类。

3.1外在环境

1) 海流作用

据统计，南非东南沿海、琉球西南海域和百慕大海域是因畸形波引发海难较多的海域，而这三处海域都有较强的洋流经过，因此推理海流与畸形波的形成存在某种相关性[13～14]。该机制能够解释一些海域的畸形波现象，并不适用于没有明显海流的开放区域。

2) 水深、地形作用

当波浪经过复杂的海底地形时，海底对波浪的反射、折射甚至变浅作用会改变波浪的传播方向和形态，使波浪发生弯曲，翻到和破碎等现象[15～18]。当波浪由深水传播至浅水域时会在某些特殊的区域可能导致波浪能量的汇聚[19]。

3) 风等外部能量对海水的作用

当畸形波出现在海面附近时，经常会伴随着强风天气，然而，有一种观点认为风场强迫对于畸形波生成的影响较弱，更多的影响表现在畸形波发生之前，这说明风等外力对畸形波生成中能量聚集的影响有限[20]。

3.2内在演化

1) 时空聚焦

时空聚焦主要是指由于色散关系和频率调制共同作用产生的波浪聚焦。初始时刻，具有小的波群速度的短波位于较大波群速度的长波前方，随着波浪的传播，长波由于波速较快，会赶上短波，在某一特定的时刻所有波浪在同一位置汇聚而产生畸形波。

2) 线性叠加

随机海浪可以看成无数个不同频率、不同振幅、不同传播方向的单色波叠加而成。在某一特定的时间、特定的时空位置，大量的组成子波能汇聚，就可能出现畸形波。

3) 波波非线性相互作用

Mori和Yasuda[21]认为在深水宽带谱的随机波浪中，波浪的高阶非线性作用有可能会导致四波共振现象的出现，能够使波浪的能量在不同模态间发生转移，会产生单一的、波峰尖瘦的畸形波。

4) 调制不稳定性

波浪理论中的调制不稳定性是指：在满足一定的微小扰动作用条件下，小的边波振幅呈指数增长，大波幅的载波振幅逐渐减小，可能会在非线性演化的过程中出现畸形波[22～23]。从波浪各个子波的相互作用来看，Benjamin-Feir不稳定性是波浪的准四波共振作用引起的，与四波共振最大的不同的是，准四波共振相互作用的四波(两个频率相同的载波和两个边带波)频率极为相近，且需要满足窄谱条件。在窄谱情况下，准四波相互作用在波波能量传递过程中具有重要作用。准四波共振相互作用的时间尺度很小，使得Benjamin-Feir不稳定性诱导的畸形波具有短暂的生命周期[24]。由于畸形波体现出波浪传播的不稳定性和能量聚集的突发性，在各种生成机制中，Kharif[25]认为畸形波产生的真正原因应该是波浪的边带调制不稳定性，可能是导致形成极值大波最重要的物理机制，最希望被用于大洋和开阔海域畸形波生成条件的预报模型。

综上所述，没有上述外部环境影响的海域也有畸形波的发生，说明外在因素也许不是畸形波发生的必要条件，而内部因素有可能起主导作用，在深海情况下更是如此。实际的海浪是复杂多变的，受多种因素的影响，目前对畸形波生成机理的认识还远远不够，还有待于进一步的研究。随着观测资料的丰富，畸形波相关的研究将会有实质性的进展。

4　畸形波的实验模拟研究

对波浪的运动及其机理的探索主要有三种途径：现场观测、理论分析、实验室模拟。对于畸形波而言，现场观测耗资巨大、观测周期较长、在恶劣海况下观测资料难以确切获得；理论分析对于研究畸形波与船舶、海上结构物的相互作用显得单薄；相比较而言，实验室模拟具有经济方便等优点，无疑成为研究畸形波生成机理、分析其统计特性的一个重要手段。畸形波的实验模拟可以从非线性自聚焦、线性聚焦以及基于粘性流的数值模拟三方面进行论述。

4.1非线性自聚焦方法

非线性自聚焦方法对畸形波的数值模拟主要通过波动方程来实现，对于深水畸形波的数值模拟，可供选择的非线性演化方程各有优缺点。从理论上讲，采用复杂的完全非线性方程来直接模拟畸形波更为合理，可以更真实地反映水波演化情况，但是需要考虑较大的时空区域，耗费大量的计算机时和容量，并没有带来新的物理见解。Zakharov方程是通过完全非线性水波方程得到的最为复杂的时空演化近似模型，远不如非线性薛定谔方程应用方便[26]。DS方程系统描述了有限水深条件下弱非线性波列的演化，但是该系统与水深相关的参数相对比较复杂[27]。相对而言，三阶非线性薛定谔方程(NLS)能够反映水波的B-F不稳定性，给出B-F不稳定性的实质，是深水畸形波研究的核心方程[28～30]。然而，NLS方程仅适合于描述具有较小波陡(小于0.1)的波列演化，无法准确地模拟长时间的波列演化[31]。四阶非线性薛定谔方程(mNLS)不再要求严格窄谱条件，方程的波陡适用范围扩大到0.15

4.2线性聚焦方法

线性聚焦方法将风浪看作是由大量具有不同频率和传播方向的小振幅单色波叠加而成，所有的单色波的相位是随机均匀分布的，采用某种手段使不同子波能量在在预定时空位置聚焦从而生成畸形波。

黄国兴[34]采用人工干预组成子波的随机初相位分布的方法，可以保证在一次造波过程中至少出现一个特征明显的畸形波，缺点是不能确定畸形波的生成时间和位置。kriebel[35]将组成波的频谱能量分为背景谱和奇异谱两部分,实现了畸形波的定时定点生成。裴玉国[36]提出了三波列组合模型，提高了畸形波的数值模拟效率，以较少的瞬态能量完成畸形波的数值模拟，并对波浪时历的统计特性影响较小。刘赞强[37]提出了改进的相位调制法模拟畸形波的数值模型，能更精确更高效地再现实测畸形波序列，可应用于实验研究，且需要的子波个数较少，具有较好的借鉴意义。

4.3基于粘性流理论的数值模拟

近年来，利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对畸形波进行模拟时，主要采用两种不同的数值波浪水池生成理论，基于有限元法的势流理论和基于流体体积法(VOF)求解雷诺平均方程(RANSE)的粘性流理论。基于势流理论的优点是计算速度快且对非破碎波浪的传播模拟精度较高，然而一旦发生波浪破碎现象，计算就会失败而不得不中止，因此，不能对舰船或者海上结构物与畸形波的相互作用进行数值模拟。基于粘性流理论，则能够有效弥补以上不足，缺点是计算耗时较大[38]。实际海域中，畸形波的波高极大，具有很强的非线性特征，对舰船遭遇畸形波进行数值模拟的复杂过程中，流体的粘性因素更是不可或缺，因此，进行畸形波的相关研究时应使用粘性流模型。不同于传统的水池实验，数值波浪水池经济性高，可以较好地反映流场的细节，还可以避免模型实验中传感器和其他一些仪器对流场的干扰。由于计算机技术的飞速进步，计算能力呈指数倍增长, CFD无疑是更接近真实的数值模拟方法。

目前实际海上舰船遭遇畸形波的相关数据非常少且不易获取，且由于海况恶劣，对监测设备等影响较大，获取的数据误差较大，而CFD方法在船舶水动力学研究取得了丰富成果[39]，基于粘性流理论，便于生成复杂的波浪环境，易于改变船型及控制船舶运动，并可进行无触点流场测量，能有效弥补海上试验、水池试验及势流理论的不足。

5　舰船遭遇畸形波研究现状

越来越多的学者和工程技术人员开始逐渐关注畸形波，围绕畸形波开展的研究工作逐渐经历着从理论到实践逐步开展的三个阶段：第一个阶段重心在探讨畸形波发生机制；第二阶段主要基于畸形波动力及运动特性的认知，开展畸形波及其与结构物的实验研究；第三阶段旨在探讨特定海域畸形波的发生概率及预警预测技术。第三个阶段与实际结合更为紧密更具应用价值，只是现在还无法具体实现[40]，目前关于畸形波的研究多集中于前两个阶段。对于畸形波的数值模拟、演化规律及其对近岸结构物响应的研究，国内外学者做了大量的工作。畸形波是舰艇海上航行的重大安全隐患和重要威胁，然而对于舰船遭遇畸形波的研究还相对较少，尚处于起步阶段。

国外的研究舰船遭遇畸形波的团队主要有两个，分别由德国工业大学的G F Clauss教授和英国南安普顿大学的S S Bennett教授领衔，国内则偏重于理论的研究[41]，并无实际的水池试验或者CFD数值模拟舰船遭遇畸形波相关的论文发表。

Glauss[42]等主要研究畸形波对FPSO冲击所造成的垂直弯矩的影响，结果表明利用频域标准来评估舰船遭遇畸形波时的最大垂直弯矩是完全足够的，通过时域分析可以进一步研究某些特殊效应比如局部冲击响应、甲板上浪等现象。另外，在不同的航速下，研究了散装货船、集装箱船、滚装船等船型在顶浪态势下遭遇畸形波时的载荷响应值的变化，发现滚装船在遭遇畸形波时极限载荷值最大，考虑到大幅度的摇荡运动和上浪现象对冲击响应的影响，实际上散装货船和集装箱船遭遇畸形波的态势更加严峻[43]。

Bennett[44]等分析对比了几种畸形波生成技术的优缺点，寻找一种可以有效模拟舰船定时定点遭遇畸形波的方法。其它试验条件不变，用畸形波的最大波高作为Hs来设计耐波性试验，将其数值模拟的结果与舰船遭遇畸形波情况进行比对,结果表明，畸形波不一定是船舶所能遇到的最恶劣的海况，前者的威胁更大；但是在畸形波作用下，船舶垂荡加速度超出了船级社规范值，因而在船舶设计阶段，需要考虑畸形波对船舶的影响[45]。

对舰船遭遇畸形波的现象进行建模研究是非常重要且非常有必要的，目的是评估舰船所遇到的风险情况以及是否需要对现有的船舶设计规则进行修正，使其更加完善，对于船舶的设计、研究具有重大的现实意义。

6　结语

准确地把握深水条件下畸形波的生成、非线性演化规律和数值模拟技术是研究舰船遭遇畸形波的前提和基础，其相对优化的研究途径，可以从水动力学方程以及随机海浪两方面进行，如何将两者巧妙地结合在一起也是水动力学界的一个难点问题。

数值模拟成为研究畸形波生成演化机理的一种重要手段，采用CFD数值波浪水池再现畸形波具有无可替代的优势。在试验水池或者CFD数值波浪水池中实现畸形波的定时定点生成，对于研究畸形波与船舶、海上结构物的相互作用过程具有十分重要的意义。

X-波段测波雷达，是在航舰艇掌握当前海区环境信息提供了一个良好的手段，可以从时空上预报出畸形波提供可能，进而得出舰艇与畸形波的相对态势，舰艇是否有可能或者以何种航向航速遭遇畸形波，对舰艇所承受的风险进行评估和预报，以此来分析舰艇是否需要对畸形波进行有效地规避，或者由于条件约束，舰艇来不及规避或者无法规避畸形波时，以何种航向航速遭遇可以将畸形波对舰艇安全危害降到最低，造成的损失降到最小。

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Overview on the Study of Freak Waves and Ships Encountering with Freak Waves*

Freak waves pose a great threat to shipping and ocean engineering structures, which have become a hotspot problem in physical oceanography and marine hydrodynamics field at present. This paper introduces the definition of freak waves and the current observation, and explores the formation mechanism of freak waves. It carries on the analysis and comparison of the existing laboratory simulation methods, makes a brief exposition of the relevant situation of the study of ships encountering with freak waves carried by foreign research teams and finally puts forward the thought of the research of ships encountering with freak waves.

freak waves, formation mechanism, laboratory simulation

2016年2月7日,

2016年3月23日

十二五预研项目(编号：51314030101)；大连市科技基金(编号：2012J21DW027)；海军大连舰艇学院科研发展基金项目资助。

李东,男,硕士,研究方向：非线性海浪及舰船耐波性。

P731

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.006