海洋科学导论课件-08海浪-3-4风浪.ppt

1、前面课程内容掌握 波动的概念、特征了解 波动要素、海浪主要特征值熟悉 小振幅重力波水质点运动特征（轨迹、运动速度） 深水波和浅水波定义、波速重点掌握 熟悉波动的能量熟悉 波群、群速重点掌握 实际的波浪波面非对称，包括上下和左右不对称实际的波浪波面非对称，包括上下和左右不对称 波动相速度与振幅有关波动相速度与振幅有关 水质点的运动轨迹不闭合，水质点的运动轨迹不闭合，存在水平方向上向前的净存在水平方向上向前的净位移，此水平位移称位移，此水平位移称Stokes Stokes 漂流，也有称漂流，也有称“波流波流”。 波流可解释物质输运现象。对海流、波浪成长及泥沙波流可解释物质输运现象。对海流、波浪成长

2、及泥沙输运有一定影响。输运有一定影响。理论上证明，当波峰角小于理论上证明，当波峰角小于120120，或波陡，或波陡大于大于1/71/7时波浪会破碎时波浪会破碎 有限振幅波动主要有有限振幅波动主要有stokesstokes波、摆线波、孤立波等波、摆线波、孤立波等摆线波摆线是什么？内孤立波1834 年，J. S.罗素在一篇报告中提到他观察到一种奇特的自然现象，当一艘快速行驶的船突然停下来，船头出现一圆形平滑、轮廓分明的孤立波峰急速离去，滚滚向前，行进中形状和速度保持不变 。 1834 年，J. S.罗素在一篇报告中提到他观察到一种奇特的自然现象，当一艘快速行驶的船突然停下来，船头出现一圆形平滑、轮

3、廓分明的孤立波峰急速离去，滚滚向前，行进中形状和速度保持不变 。 第四节第四节 海浪海浪风浪和涌浪风浪和涌浪什么是海浪？什么是海浪？ 海浪是由海浪是由风风引起的表面引起的表面重力波重力波本节也是本章重点内容风浪和涌浪风浪和涌浪典型波面特征典型波面特征决定风浪因素决定风浪因素风浪成长决定因素风浪成长决定因素 风浪的成长不仅取决于风浪的成长不仅取决于风速大小风速大小，还取决于风作用，还取决于风作用时间长短和作用水域的大小时间长短和作用水域的大小 风时风时：风速和风向不变的风持续作用在海面上的时间风速和风向不变的风持续作用在海面上的时间 风区风区：风速和风向不变的风持续作用海域的范围：风速和风向不变

4、的风持续作用海域的范围风时风区风时风区 风时（风时（durationduration）：）：稳定的风持续吹稳定的风持续吹送在海域的时间送在海域的时间 风区（风区（fetchfetch）：）：稳定的风持续吹送稳定的风持续吹送的海域距离的海域距离 离岸风时离岸风时, ,离岸近浪小离岸近浪小, ,离岸远离岸远, ,浪大浪大 一般而言，离岸浪比向岸浪的风区要一般而言，离岸浪比向岸浪的风区要短。短。海岸海岸离岸风离岸风向岸风向岸风风区风区风区风区表征风浪成长状态的参量表征风浪成长状态的参量 波龄波龄：波浪传播速度与风速之比，波龄越大，代表：波浪传播速度与风速之比，波龄越大，代表风浪越成长风浪越成长 波龄

5、一般不大于波龄一般不大于1 1，最大不超过，最大不超过1.41.4 无因次风区和风时无因次风区和风时：其值越大，代表风浪越成长，：其值越大，代表风浪越成长，与波龄具有等效性与波龄具有等效性p10p10cgUU210/xgx U10gttU风浪的充分成长状态风浪的充分成长状态 风输入给风浪的能量与破碎耗散掉的能量达风输入给风浪的能量与破碎耗散掉的能量达到平衡的状态。此时风浪停止成长，与风区到平衡的状态。此时风浪停止成长，与风区和风时无关。和风时无关。2100.0306sHU100.878sTU海浪波高的定义海浪波高的定义 相邻峰相邻峰- -谷法：定义为相邻的峰、谷间的高度差，相邻谷法：定义为相邻

6、的峰、谷间的高度差，相邻峰或谷对应的时间长度即为周期峰或谷对应的时间长度即为周期海浪波高的定义海浪波高的定义 上（下）跨上（下）跨0 0点波高：相邻上（下）跨点波高：相邻上（下）跨0 0点的时间间隔点的时间间隔定义为周期，两定义为周期，两0 0点之间的最大波峰与最小波谷间的高点之间的最大波峰与最小波谷间的高度差定义为波高度差定义为波高有效波高和周期有效波高和周期 有效波高有效波高: :将得到的波高从大到小排列，将得到的波高从大到小排列，前前1/31/3部分部分的大波的平均波高，称为的大波的平均波高，称为 . . 有效周期有效周期: :对应的平均周期为对应的平均周期为 通常所说的海浪波高，即为有

7、效波高通常所说的海浪波高，即为有效波高风浪的生成机制风浪的生成机制较为公认的以下两种理论较为公认的以下两种理论: Phillips共振机制共振机制Miles剪切流不稳定机制剪切流不稳定机制风浪的生成机制风浪的生成机制 PhillipsPhillips共振机制共振机制 具有随机特性的风形成的湍涡作用于海面，具有随机特性的风形成的湍涡作用于海面，形成小波形成小波 与平均风速传播速度相等的小波与风之间形与平均风速传播速度相等的小波与风之间形成共振而得以成长，波动振幅与时间成正比成共振而得以成长，波动振幅与时间成正比 该机制可用来描述海浪的初始生成该机制可用来描述海浪的初始生成 风浪的生成机制风浪的生

8、成机制 MilesMiles剪切流不稳定机制剪切流不稳定机制 海面有波动情况下海浪成长的过程海面有波动情况下海浪成长的过程 海面上的波动自临界高度汲取能量而得以成海面上的波动自临界高度汲取能量而得以成长，振幅随时间以长，振幅随时间以e e指数形式增大。指数形式增大。 临界高度为风速与波浪相速相等的高度临界高度为风速与波浪相速相等的高度 该机制用来描述海浪的成长该机制用来描述海浪的成长风力、风浪等级表风级风级 名称名称 风速风速(m)(m) 陆地物象陆地物象 海面波浪海面波浪 浪高（米）浪高（米） 0 0 无风无风 0.0-0.20.0-0.2 烟直上烟直上 平静平静 0.0 0.0 1 1 软

9、风软风 0.3-1.50.3-1.5 烟示风向烟示风向 微波峰无飞沫微波峰无飞沫 0.1 0.1 2 2 轻风轻风 1.6-3.31.6-3.3 感觉有风感觉有风 小波峰未破碎小波峰未破碎 0.2 0.2 3 3 微风微风 3.4-5.43.4-5.4 旌旗展开旌旗展开 小波峰顶破裂小波峰顶破裂 0.6 0.6 4 4 和风和风 5.5-7.95.5-7.9 吹起尘土吹起尘土 小浪白沫波峰小浪白沫波峰 1.0 1.0 5 5 劲风劲风 8.0-10.78.0-10.7 小树摇摆小树摇摆 中浪折沫峰群中浪折沫峰群 2.0 2.0 6 6 强风强风 10.8-13.810.8-13.8 电线有声电

10、线有声 大浪到个飞沫大浪到个飞沫 3.0 3.0 7 7 疾风疾风 13.9-17.113.9-17.1 步行困难步行困难 破峰白沫成条破峰白沫成条 4.0 4.0 8 8 大风大风 17.2-20.717.2-20.7 折毁树枝折毁树枝 浪长高有浪花浪长高有浪花 5.5 5.5 9 9 烈风烈风 20.8-24.420.8-24.4 小损房屋小损房屋 浪峰倒卷浪峰倒卷 7.0 7.0 1010 狂风狂风 24.5-28.424.5-28.4 拔起树木拔起树木 海浪翻滚咆哮海浪翻滚咆哮 9.0 9.0 1111 暴风暴风 28.5-32.628.5-32.6 损毁普遍损毁普遍 波峰全呈飞沫波峰

11、全呈飞沫 11.5 11.5 1212 飓风飓风 32.7-32.7- 摧毁巨大摧毁巨大 海浪滔天海浪滔天 14.014.0风浪的充分成长状态风浪的充分成长状态2100.0306sHU100.878sTU风浪成长必要条件风浪成长必要条件海海岸岸离岸风离岸风向岸风向岸风风风区区风区风区涌浪传播涌浪传播频散（弥散）作用频散（弥散）作用 波速是频率的函数，频率越低波速越快。因此一群不同频率的波在传播过程中，低频波逐渐与高频波分离，这群波在空间上覆盖的范围越来越大。 如果在远离这群波初始位置的点上进行观测，就会发现先观测到低频波然后观测到高频波。 角散作用角散作用近岸的海浪近岸的海浪时，周期变化不大，

12、波高增大，波长减小，时，周期变化不大，波高增大，波长减小，最后到达海岸发生破碎最后到达海岸发生破碎近岸的浪：近岸的浪：为何波峰线大致平行为何波峰线大致平行于海岸线？于海岸线？近岸海浪近岸海浪2gc dgc 近岸的海浪近岸的海浪1波向转折波向转折 波浪传播到近岸时，波速减小波浪传播到近岸时，波速减小, ,波向转折波向转折, ,波峰线逐渐与海岸线平行波峰线逐渐与海岸线平行dgc 波的折射波的折射 波浪传入近岸，由于水深波浪传入近岸，由于水深变浅，波速变小，引起折变浅，波速变小，引起折射，使波向转向垂直于海射，使波向转向垂直于海岸线方向岸线方向dgc 近岸海浪近岸海浪波峰线波峰线大致大致平行于平行于

13、海岸线海岸线近岸海浪波向转折辐聚辐散 波的折射波的折射波速变小波速变小 波向线向浅水方转折波向线向浅水方转折 海湾处辐散，海岬辐聚海湾处辐散，海岬辐聚为什么港口总是建为什么港口总是建在湾里？在湾里？海浪的辐聚和辐散海浪的辐聚和辐散 海湾是海浪能量的辐散海湾是海浪能量的辐散区区 海岬是海浪能量的辐聚海岬是海浪能量的辐聚区区为什么港口总是建在湾里？为什么港口总是建在湾里？近岸海浪2波高变化波峰波峰高浪能区高浪能区波浪折射波浪折射侵蚀崖侵蚀崖海岬海岬海湾海湾海滩海滩波谷波谷波向线波向线低浪能区低浪能区dgc 近岸海浪近岸海浪3波浪破碎波浪破碎溢波溢波卷波卷波崩波崩波近岸浪破碎类型近岸浪破碎类型溢波溢

14、波卷波卷波崩波或溃波崩波或溃波海浪破碎情况海浪破碎情况 从波浪开始破碎到岸边沿海岸线的狭长范围，称为从波浪开始破碎到岸边沿海岸线的狭长范围，称为 破碎后的海浪形成段波，继续向海滩传播破碎后的海浪形成段波，继续向海滩传播近岸波浪近岸波浪破碎带破碎带近岸浪近岸浪4沿岸流和离岸流沿岸流和离岸流沿岸流沿岸流离岸流离岸流破碎带破碎带近岸流近岸流离岸流离岸流离岸流对游泳者造成极大威胁！离岸流对游泳者造成极大威胁！韩国海云台突现离岸流韩国海云台突现离岸流 143143名游客被水流名游客被水流2012年8月4日韩国的高温天气吸引了80万游客来到韩国最有名的休养地海云台海水浴场,在第5和第7瞭望台之间出现一股巨

15、大的离岸流，143名游客被水流卷走.离岸流又被称为回卷流。水回流海中，速度很快，流速可高达每秒离岸流又被称为回卷流。水回流海中，速度很快，流速可高达每秒2 2米以上米以上，每股的持续时间为两三分钟甚至更长。离岸流常可将游泳者带离岸边，每股的持续时间为两三分钟甚至更长。离岸流常可将游泳者带离岸边66名游客被水流卷到70至80米以外的海域，在寻求救生员救助后，安全回到海滩。余40余名游客在午间时候被救。当天晚间时候，救生员再次救回了最后的30余名游客。离岸流对游泳者造成极大威胁！离岸流对游泳者造成极大威胁！大鹏半岛附近多处海滩常有离岸流，它是近岸海域最大的夺命黑手，每年在海滩救生员所实施的救援案例

16、中，绝大部分都是由离岸流造成的，一些遇险者因此不幸溺亡。“要牢记，在能够冲浪的海滩，浪大到有人冲浪时，离海岸三四十米处的地方最危险！”深圳救生员郑晖救生员朱雄抓住即将卷入漩涡的泳客救生员朱雄抓住即将卷入漩涡的泳客 大鹏海边，冲浪爱好者借离岸流之力，可以轻松滑向深海。大鹏海边，冲浪爱好者借离岸流之力，可以轻松滑向深海。离岸流的间隔与破碎带宽度成正比离岸流的间隔与破碎带宽度成正比离岸流离岸流近岸浪近岸浪55反射和绕射反射和绕射近岸水域入射波与反射波叠加形成的棋盘状波形 海浪观测 浪高 浪向定点海浪观测海浪观测海浪观测海浪观测 基地台站：固定站位基地台站：固定站位 海上平台海上平台: :搭建观测平台

17、；借助石油平台。搭建观测平台；借助石油平台。 船舶观测：稳定性差船舶观测：稳定性差 浮标浮标海浪观测方式海浪观测方式海浪研究方法海浪研究方法海浪研究方法海浪研究方法多向不规则波造波机多向不规则波造波机海浪研究方法海浪研究方法海浪的随机性与海浪谱海浪的随机性与海浪谱 由于海浪的随机性，通常用海浪谱来描述由于海浪的随机性，通常用海浪谱来描述 海浪谱用来描述海浪能量依不同频率的分布海浪谱用来描述海浪能量依不同频率的分布 风浪谱具有相似性，高频域满足风浪谱具有相似性，高频域满足 随着风浪成长（风速增大或风区增大），谱峰值增大，谱随着风浪成长（风速增大或风区增大），谱峰值增大，谱峰所对应的频率向低频移动

18、峰所对应的频率向低频移动 海浪谱与波浪要素之间的关系海浪谱与波浪要素之间的关系0004; ( )sHmmSd4*( )Su 21( )lim( )2Ti tTTSX t edtT海浪预报海浪预报物理海洋学家、物理海洋学家、我国海浪理论我国海浪理论的奠基人文圣常院士的奠基人文圣常院士海浪预报模式海浪预报模式海浪谱随海浪谱随时间变化时间变化海浪谱随海浪谱随空间变化空间变化风输入项风输入项波波-波相波相互作用项互作用项破碎破碎耗散项耗散项dsnlingSSSECtE海浪应用海浪应用海浪能量的利用海浪能量的利用海浪发电海浪发电本节课重点内容 驻波：波面特征（波节点和波腹）水质点运动速度分布变化特征：波面最大时速度为零，运动转向；波面为零时速度最大 有限振幅波动：波流（物质输运）、波浪破碎（与波陡关系 风浪和涌浪：定义、波面特征 风浪成长的状态：定常态、过渡态、充分成长状态 影响风浪成长因素：风速、风区、风时 表征风浪成长状态参数：波龄、风区、风时 海浪波高：有效波高、周期 涌浪传播特性：频散和角散作用 近岸海浪：波向转折、波向辐聚辐散（波高变化）、波浪破碎、沿岸流和离岸流、反射和绕射2100.0306sHU100.878sTU