短期海况与波浪谱

在实际海况中的波浪峰谷参差不齐，很难用一个类似规则波的公式来对海况进行定义和描述，这时需要使用不规则波理论来近似地表达真实的海况。

不规则波是由许多个不同波高、相位的规则波组成。

大海是随着时间变化的，有时平静有时波涛汹涌。

但在一个相对短的时间里，可以将海况假设可描绘为一个平稳随机的过程,一般这一较短的时间是从半小时到约10小时之内的一段有限时间。

当我们研究海洋工程结构物时，一般认为三个小时内的海况平均统计特性不变，这也就是所谓的短期海况。

对于海况需要使用不规则波的相关定义来描述，例如有义波高、跨零周期、有义周期和谱峰周期等概念以后可以做详细的介绍。 

波浪从本质上看就是海水在海平面的上下左右的运动，动能和势能在不停的转换，可以用能量来描述。

为了更好的统计短期波浪于是就引入了波浪谱的概念，波浪谱曲线就是描述不同的波浪频率时的能量密度。

波能谱曲线下的总面积等于单位面积波面的总能量。

从波普曲线可以看出，短期海况瞬时波面变量属于近似的窄带瑞利分布，大多数波浪的频率都集中在一个相对较窄的频率区间里。

与规则波理论相似，波浪谱是从能量分布的角度来模拟不规则波的海况，也有多种常用的波浪谱，常用的有以下几种。

1）Pierson-Moskowitz，皮尔逊-莫斯科维奇
谱，PM 谱

PM 谱是在20世纪60年代初发展起来的，并在这之后得到广泛应用的一种海浪谱。莫斯科维奇在1964年对北大西洋1895-1960年的海洋观察资料进行了460次谱分析，得到随机海浪的平均波谱。之后皮尔逊和莫斯科维奇对其进行了无因次化和数学拟合处理，最后得到了PM 谱。PM 谱有比较充分的观测资料，分析方法也比较有效，所以它能很好的代表真实的充分成长的随机海浪，在海洋工程和船舶工程中得到了广泛应用。PM 谱适用于充分发展的海浪，能量集中在低频部分。PM 谱谱形简单，谱形简单，常用于理论分析和工程计算，常用于理论分析和工程计算，但对非平衡状态的波浪描述能力有限。

2）JONSWAP谱（Joint North Sea Wave Project Spectral）

JONSWAP 谱是由 Hasselmann 等人在 1973 年提出的经验波浪谱模型，基于北海观测数据提出的，适用于有限风区的风浪（即风作用时间和风区有限的情况），能够更准确地描述波浪能量分布。它在Pierson-Moskowitz谱的基础上增加了峰增强因子，能更好地描述实际海浪的尖峰特性。JONSWAP谱是一种半经验波浪谱，它考虑了风速、波高和频率的关系，特别适用于描述风浪。JONSWAP谱能更好地描述实际海浪的尖峰特性，适用于有限风区的海浪，广泛应用于工程实践，被广泛用于海浪预报、海洋结构物设计以及极端海况下的波浪模拟。    

3）ITTC谱

ITTC谱是国际拖曳水池会议（International Towing Tank Conference）推荐的波浪谱，它基于一系列实验数据得出。ITTC谱的构建基于关键参数，如平均周期、波高、波浪方向和深度。它适用于描述特定海洋环境下的波浪特性，为海洋工程设计和分析提供了重要依据。

4）ITTC双参数谱（ISSC谱）

PM 谱或ITTC单参数谱是在海浪充分成长下给出的，对于非充分成长的海浪有较大误差。在1969年12届ITC上又提出了采用有义波高和特征周期作为波谱的两个参数的双参波谱。ITTC双参数谱是在第三届ISSC谱是国际船舶结构会议（International Ship and Offshore Structures Congress）提出的波浪谱，所以也称ISSC谱。ITTC双参数谱适用于非充分成长的海浪。

5）Bretschneider谱（修正PM谱）

Bretschneider谱是对Pierson-Moskowitz谱的修正，适用于不同海况的工程应用。它通过引入有效波高和谱峰频率，使谱形更具灵活性。Bretschneider谱适用于不同海况，参数易于调整，常用于海洋工程设计和海浪预报。

6）TMA谱

TMA谱是JONSWAP谱的浅水修正版本，适用于浅水区域的海浪描述。它结合了JONSWAP谱和浅水效应修正函数。TMA谱考虑了浅水效应，适用于近岸和浅水区域，修正函数通常通过经验公式或数值模拟确定。    

7）Ochi-Hubble谱

Ochi-Hubble谱是一种双峰或多峰波浪谱，适用于描述风浪和涌浪并存的海况，它通过叠加多个单峰谱来反映复杂的海浪能量分布。Ochi-Hubble谱能描述多峰海浪，适用于复杂海况。Ochi-Hubble谱参数较多，计算复杂，但能更准确地反映实际海浪特性。

8）Ochi-Hubble谱

Ochi-Hubble谱Ochi-Hubble谱。Gaussian Swell谱没有Gamma参数，但有一个特定的a参数来描述涌浪的特性。它适用于描述长周期、低幅值的涌浪现象。

9）Neumann 谱

Neumann 谱是一种基于波高和周期关系的半经验波浪谱模型。Neumann 谱主要用于描述风浪的初始生成阶段，适用于风速较低时的波浪模拟。Neumann 谱模型简单，但对复杂海况的描述能力有限。在海洋气象研究中，Neumann 谱可用于风浪生成初期的波浪特性分析。

10）Wallops 谱

Wallops 谱是一种基于实验数据和理论研究的波浪谱模型，适用于描述波浪发展的各个阶段。Wallops 谱能够更好地反映波浪在不同发展阶段的能量分布，适用于多种海洋环境。Wallops 谱模型在波浪传播和演变的模拟中表现出较高的精度。在海洋工程中，Wallops 谱可用于波浪传播模型的构建，特别是在复杂海况下的波浪模拟。