极端波浪对海洋结构物和海上船舶可构成巨大威胁。随着全球气候变化,极端波浪发生的频率越来越高,并在深海和近海均会发生,因此对其进行研究具有重要的实际意义。极端波浪是强非线性、随机性的,因此,在试验及数值模拟中在较短持续时间内很难将其准确捕捉到。然而,对极端波浪发生的准确预测及进一步了解其内在产生机制非常重要。本文采用极端波浪较常用的生成机制(包括能量聚焦和调制不稳定)、以短时波群为研究对象,通过缩尺模型实验和数值模拟对极端波浪的产生和非线性演化进行深入分析,对其非线性特征进行详细描述。主要的结果/创新点概括如下:(1)本文开展了有限水深独立高斯波群和色散聚焦波群中极端波浪的演化试验。采用希尔伯特黄变换(Hilbert-HuangTransform,HHT)方法对组成波群的本征模态函数的瞬时频率进行了分析。分析结果发现:当flmax//0(可看成频率调制率)≥2时,波浪发生破碎,其中,flmax为极端波浪最大值发生时刻的一阶瞬时频率,f0为载波频率。在破碎发生前,波浪能量快速局部集中,瞬时频率迅速增大。当瞬时频率调制率增至2时,波浪发生破碎。破碎发生后,瞬时频率逐渐缓慢下降。(2)基于独立高斯波群和色散聚焦波群的极端波浪演化试验,本文分析了波群的希尔伯特幅值谱演化。分析结果发现了有限水深波浪破碎的能量耗散时域特征,即波浪能量耗散主要发生在波群中最大波峰与其前波谷之间。在波浪发生破碎前,随着趋近于聚焦点,波群能量主要集中在以最大波峰为主的2～3个波浪周期上;同时伴随高频能量逐渐增加。当破碎发生后,高频能量减小,在最大波峰与其前波谷之间损失大量能量。(3)采用高阶谱数值模型进行相应的数值模拟。通过与试验比较,验证了模型的有效性,并将其扩展到试验中未研究的参数范围。分析结果发现:在波群演化过程中,极端波浪产生时最大波峰与波陡呈指数型关系:ηmax=A1exp(-SG/t1) y0,其中,SG为全局波陡,ηmax为最大波峰/最大波面升高,A1、t1和y0为拟合系数。该指数型增长速度A1与波群结构相关,随着波群频宽减小,A1增大,随着波陡增加,最大波面升高增长越快。本文通过物理模型试验和数值模拟对独立波群中极端波浪的非线性特征进行了分析。采用多种变量对极端波浪进行特征化,包括瞬时频率、能量耗散、幅值谱、非线性联合度等,分析了波群初始条件对极端波浪非线性特征参数的影响。一种新的波浪破碎指标的提出,可为更好地描述极端波浪内在生成机理提供有价值的参考。