1、p波浪是海水运动形式之一，其显著的特征是周期性和随机性。波浪概述p此外，海底火山、地震、气压变化、天体引潮力等也会产生波浪。p海面的波浪以风所产生的风浪及其演变而成的涌浪最为常见，两者合称为海浪。p海洋中波浪的周期和波长分布范围很大。 波浪概述p波峰、波谷p波高(H)、波长(l)、周期(T)p波速(c)、波幅(a) 、波陡(H/l)p波数(k)、圆频率(s)p波峰线、波向线规则波浪诸要素波浪概述波峰线和波向线波浪概述波浪要素表示法NiiHNH11平均波高N为在固定点连续观测到的波高总数。pNiiHNpHp/111/p大波平均波高p为在固定点连续观测到的N个波高中前N/p个大波波高，以H1/p表
2、示。当p=3时，H1/3称为1/3大波平均波高(有效波高)；当p=10时，称为1/10大波平均波高(显著波高)。其余依次类推。NiiTNT11平均周期N为在固定点连续观测到的周期总数。pNiiTNpTp/111/p平均周期N、p同上。当p=3时称为有效周期T1/3；当p=10时称为1/10平均周期。依次类推。通常有T1/3= 1.15平均周期，T1/10=1.31平均周期，T1/10=1.14T1/3。p按成因：风浪、涌浪、近岸浪、潮波、风暴潮及海啸等；p按周期：毛细波(1s)、重力波(130s)、超重力波(数分钟数小时)、潮波(1224小时)和长周期波(数天)；p按波形：前进波和驻波；p按水
3、深与波长之比：深水波 (hl/2)、过渡波(l/20hl/2)及浅水波( hl/20)；p按作用力性质：自由波（如涌浪、海啸）和强迫波（如风浪、潮波）p按发生深度：表面波和内波；p按振幅与波长之比：小振幅波(或线性波)和有限振幅波。 波浪分类波浪概述p当波长小于1.74cm时，表面张力效应较为重要，这种涟漪小波(表面张力波)具有圆形波峰以及V型波谷。p当波长较长时，重力效应就变得比较重要，此时波形和正弦曲线非常相近，这是重力波的特性。p当波浪能量不断增加，重力波的波形便会渐渐改变为波峰变尖而波谷则变圆的形状，当波陡达到1/7或以上时波形就无法支撑而发生碎波。 波浪概述波浪概述p是指波动振幅相对
4、于波长为无限小(a/l0)，重力为其唯一外力的海面规则波动，具有正弦波形。p理论上，可根据海水连续方程、运动方程和初边界条件，在一定假定条件下求解其运动规律。定义小振幅波p在右手直角坐标系中，二维小振幅重力波波面方程为 z z = a sin(kx-s st)，式中z为t时刻位于坐标x处的水面相对于平均静止水面的位移，a为振幅，kx-st为幅角，k和s分别为波数和圆频率，且k=2p/l，s=2p/T。p当水深为h时，可证明 s s2= kg tanh(kh)，上式称为频散关系。其中g为重力加速度。小振幅波波面方程本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联
5、系本人或网站删除。波浪运动的水质点轨迹小振幅波p波峰前部为水质点的辐聚区，波面未来上升，而波峰后部则为辐散区，未来波面下降，从而使波形不断向前传播，而水质点却只围绕自己的平衡位置作圆周运动。p水质点在波峰处具有正的最大水平速度，在波谷处具有负的最大水平速度，且其铅直速度分量w皆为零。p处在平均水面上的水质点，水平速度分量皆为零。铅直速度分量最大。而且波峰前部为正(向上)，波峰后部为负(向下)。小振幅波水质点轨迹小振幅波p对于深水小振幅波动，平衡位置在(x0, z0)的水质点的轨迹为 (x-x0)2+(z-z0)2=a2exp(kz0)，式中a为海面小振幅波动的振幅。即，深水小振幅波动时水质点轨
6、迹为圆，其半径为r=aexp(kz0)。p在海面时z0=0，则r=a；海面以下z00，则r=aexp(k|z0|)，即r随深度增加而指数衰减；当z0=-l/2时，则r=aexp(-p)0.043a，即该深度处水质点轨迹圆半径是海面处水质点的4.3%。由此可见，小振幅波动在相当于半个波长的深度以下，其波形已可忽略，故当水深|z0|l/2时，即可当作深水波来处理。p对于浅水(|z0|l/20)小振幅波动，可以证明，水质点的轨迹为椭圆，其长轴与x轴平行；短轴则与z轴平行，且随深度增加而减小。水底时，短轴变为0，即水质点只作水平往复运动。水质点轨迹小振幅波本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依
7、据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。不同波长、波速与水深的关系TkdtdxCls)(tanh2khgTCp)(tanh2)(tanh2khgkhkgCpl)tanh(2khgCpl或小振幅波p波速表示波形在单位时间内移动的距离 令kx-st=常数，并将其对时间t求导，则波速(C)、波长(l)及周期(T)p利用频散关系s2= kg tanh(kh)，可得波速(C)和波长(l)关系式p由于l=CT，因此波速(C)和周期(T)关系式ppl22gTgCghC ghTl为双曲正切函数当x0，tanhxx当x，tanhx1p当1/20h/l1/2时，称为过渡波(或中间波)，则必须考虑浅水
8、订正项tanh(kh)。小振幅波波速(C)、波长(l)及周期(T)exp()exp()exp()exp(tanhxxxxx)(tanh2khgTCpp对于深水波(h/l1/2)，理论上即kh，则tanh(kh)1，故有p对于浅水波(h/l=1/7。但实际上 1/10时，波峰就会破碎。p与小振幅波不同，有限振幅波的动能大于势能，即EkEp，且铅直方向上的动能大于水平方向EkvEkh。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。波浪破碎p当波峰附近的水粒子向前运动的速度比波形移动还要快时，波浪便破碎。p当波面上水分子在垂直方向上的加速度大于重
9、力加速度是，水分子便会脱离波面，波浪也会破碎。p波浪波碎未必限定在海滩上，深海也可发生，如白浪滔天。p波浪破碎一般表现为三种形态。溢出型碎波(Spilling breakers)崩卷型(Plunging breakers) 崩塌型(Surging breakers) 风浪和涌浪北太平洋上的风浪p由风直接作用引起的水面波动称为风浪。风浪 (Wind Wave)p风浪特征：周期较短，波面不规则，波长短。p风浪波向与风向一致，波高取决于风力、风区、风时。 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。p风区：指风在海上吹过的距离。风区的大小对风浪
10、的成长起着不可忽视的作用，若风区的长度不够，风浪也不能充分发展。风浪和涌浪风浪成长与风速、风时和风区的关系p风速：一般风速越大产生的风浪也越大。这只适用于风时和风区不受限制时。p风时：同一方向的风连续作用的时间。一般对水面持续作用的时间越长，海水所获得的动能越大，风浪也越大。p最小风时：在一定风速和风区下，风浪成长至最大尺度所需的时间。定常状态p最小风区：在一定风速和风时下，风浪成长至最大尺度所需的风区长度。定常状态p风区越短，最小风时也越短。某定点A上风的各点因风区短，均先于A点依次达到定常；当A点刚达到定常时，A点下风各点仍处于未定常的过渡状态；在达到最小风时前，A点下风各点的风浪继续成长
11、。p对于风区内某一定点来说，当风时大于最小风时、或已达到定常状态时，风浪的大小取决于风区长度。p充分成长风浪：能量消耗率与传递率相等时，成长至最大尺寸的风浪。l=3.4T2p波高、周期与风速、风时和风区之间有一定的统计关系。风浪和涌浪风时和风区的影响本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。p过渡状态：风吹到大洋上，风浪随着时间的增长而增大。风浪的成长取决于风时长短。p定常状态：指恒定的风长时间吹在有限的水域上，使海面各点的风浪要素趋于稳定。p充分成长状态：风速越大，风时越长，风浪就越发展。但风浪的发展不是无限的，当波陡接近1/7时，波
12、浪开始破碎。这是因为风传给风浪的能量，一部分用于增大波高，一部分消耗于涡动摩擦，当风传给风浪的能量与涡动摩擦消耗的能量相平衡时，风浪不再继续增大，即风浪达到极限状态，这种状态称为风浪充分成长。风浪的三种状态p风浪成长主要与风速、风区和风时有关。另外，还受水深及海域特征等因素影响。浅水海区风浪不易发展，海底地形可能改变波向。风浪和涌浪风浪和涌浪蒲福风力等级表风浪和涌浪我国现行海浪等级表p风通过对海面的屏障效应所产生的压力差和粘滞效应，将能量传递给海水而生成风浪。p风浪生成的最小风速的观测值231200cm/s，很不一致。p风传递给波的能量与海水涡动消耗相互平衡，生成风波的最小风速69.5cm/s
13、，此时波长1.72cm。劳曼p通常，风通过压力差在单位时间内输送给单位面积波面的能量R与(u-c)2成正比，u、c分别为风速和波速。p波能消耗原因包括海水分子粘滞性、涡动粘滞性、空气阻力、海底摩擦等。风浪和涌浪风浪的生成和消散风浪和涌浪风浪和涌浪的生成本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。涌浪 (Swell)p涌浪是指风浪离开风区后传到远处，或风区里的风停息后所遗留下的波浪。p涌浪又称长波，其波形规则，波面光滑，波速较快，波长和周期较大，波陡小。风浪和涌浪涌浪传播风浪和涌浪p涌浪的传播速度相当准确地符合深水波类型，即c2=gl/2p
14、。p由于波长大的衰减慢，波长短的衰减快，故叠置在涌浪上的微波首先衰减消失，从而使其波面光滑。p波速与波长的平方根成正比，故传播过程中，波长小的成分愈来愈落后，且衰减较快，波长大的成分愈来愈领先，周期增大，波速加快，比风暴的移速快很多，可以作风暴来临的先兆，亦称先行波。p天气晴好时，海面上出现长周期涌浪，且周期逐渐减小，波高增大，则预示有热带风暴正在接近。p当波浪传至浅水及近岸时，由于水深及地形、岸形的变化，无论其波高、波长、波速及传播方向等都会产生一系列的变化。诸如波向的折射、波高增大从而能量集中，波形卷倒、破碎和反射、绕射等。对海岸工程、海岸地貌的变化均具有重大影响。浅水区波浪浅水区波浪p波
15、速、波长、水深的关系 c2=gl/2ptanh(2ph/l)p比较以上二式得 c2/c02 = l/l0tanh(2ph/l)p观测表明，当波浪传至浅水和近岸时，其周期最为保守。设T=T0，因此c/c0 = (l/T)/(l0/T0) l/l0p即 c/c0 =l/l0 = tanh(2ph/l) 或 c/c0 =l/l0 = tanh2p(h/l0)/(l/l0) p在深水中 c02=gl0/2p 下标“0”表示深水值p即波浪传入浅水后，波速、波长都逐渐变小。波速、波长的变化浅水区波浪本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。a1a2
16、c1dtc2dtBAc2c1等深线波向线波峰线浅水区波浪sina1 = c1dt / ABsina2 = c2dt / AB得到 sina1 / sina2 = c1 / c2因为 c = (gh)1/2所以 c1 c2 a1 a2 波峰线逐渐与等深线趋于平行波浪的折射深水区浅水区本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。p而在凹进的海湾处，波向线辐散，波浪较小。 p海底凸出的海岬处，波向线辐聚，出现大浪；p 波峰线有逐渐与等深线平行的趋势，也就是波向线与等深线逐渐垂直的趋势。p波浪传入浅水后，由于波速和地形的影响，导致波向发生转折。p
17、不难推论，在海底凸出的海岬处，由于折射原因，波向线产生辐聚，而在凹进的海岸处，波向线辐散。p故在海岬处常出现较大波浪，而在海湾处相对较小。浅水区波浪波浪的折射浅水区波浪p波浪传入浅水后的波高变化不但与水深、波速有关，而且与波向的折射也有密切关系。p设波浪传入浅水后的周期不变，两波向线铅直剖面间的能量守恒(不考虑由于摩擦因子引起的能量消耗)。p因此，单位时间内跨过两波向线之间与其垂直的两断面的能量应该相等，即EncL=E0n0c0L0，式中E为单位水面下铅直水柱内能量，L为两波向线间距离，nc=cg即群速度、为能量传播速度。下标“0”为深水情况。波高的变化浅水区波浪p因为波浪的能量与波高的平方成
18、正比，即E/E0=H2/H02，因此上式可写为E/E0=H/H0=(L0/L)1/2(n0c0/nc)1/2。p上式中，(L0/L)1/2称为折射因子，波向线辐聚L0L时，折射因子1，能量集中、波高增大；反之，波高减小。p(n0c0/nc)1/2=D为能量传播速度随水深变化而对波高产生影响的因子，利用cg=c/2(1+2kh/sinh2kh)可得D=c/c01/(1+2kh/sinh2kh)1/2，显然它是相对水深h/l的函数。当波浪从深水(h/l0.5)传入浅水时，由于因子D的影响，将使波高略有降低，然后随相对深度的减小而迅速增大，实验证明了这种趋势。这是由于刚进入浅水后海底摩擦起主要作用所
19、致。p综合上述两个因子对波高的影响，可见波浪传到近岸，波高的变化完全取决于能量的变化。一般而言，后者作用比前者大，但在海岬与海湾处，由于波向转折，其影响对波高变化往往起明显作用。波高的变化p海浪传到浅水后，由于波长变短、波高增大、波陡迅速增大而导致波浪破碎。浅水区波浪波浪在沿岸的破碎p浅水区的海底摩擦作用可及至水面，但波峰相对于波谷，水深大、摩擦影响小，故波峰的波形推进速度要大于波谷，并导致波面前倾而变形。当波峰前倾坡度很大时，便发生倒卷和破碎现象，并在岸边形成拍岸浪。浅水区波浪p有时海洋中的浅滩，沙洲，暗礁区之上，波浪也常常出现破碎现象，此称为溢浪。浅水区波浪波浪的破碎p波浪在近岸破碎能把相
20、当多的水量带入破碎区，这些海水最终会经过破碎带重新返回到海洋中，从而形成离岸流。尽管所维持的时间往往只有几分钟，所涉及的距离只有破碎带的28倍，但其流速却相当大，有时可达1.5m/s以上，海滨的游泳者可明显的感觉到。浅水区波浪波浪的破碎、沿岸流与离岸流p离岸流之间顺岸边的流动称之为沿岸流。p海岸和海底形状影响着离岸流的分布情况，对于平直且海底坡度大致相同的海岸，所形成的离岸流大致是等距的。沿岸流1030m1030m碎波离岸流2m/s70830m离岸流2m/sp在海岸弯曲的岸边如海岬处，波浪辐聚，水量增多，它们沿海岬两边向海湾处流动，离岸流往往在湾的中部形成。浅水区波浪沿岸流浅水区波浪波浪的破碎
21、、沿岸流与离岸流浅水区波浪波浪的破碎、沿岸流与离岸流浅水区波浪波浪的破碎、沿岸流与离岸流浅水区波浪波浪的破碎、沿岸流与离岸流浅水区波浪没有离岸流的海岸海面平滑有离岸流的海岸海面粗糙浅水区波浪浅水区波浪浅水区波浪沿岸流与离岸流p波浪正面遇到陡峭岸壁时，与反射波完全叠加而形成驻波，在港湾、码头常会见到这种情况，但范围不会太大。浅水区波浪波的反射p波浪斜射岸壁时，入射波与反射波叠加而形成沿岸壁平行的“缘波”。浅水区波浪波的反射本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。p近岸水域入射波与反射波迭加形成的棋盘状波形。浅水区波浪p当波浪遇到障碍物时
22、，例如岛屿、海岬、防波堤等，它可以绕到障碍物遮挡的后面水域去，这种现象称为绕射。p由于能量侧向扩散，故绕射后的波高明显减小。p假如绕射前的波高为H0，绕射后的波高为H，则K=H/H0称为绕射系数，它可以通过模拟实验得到，以便为一些海岸工程提供依据。浅水区波浪波的绕射浅水区波浪波浪绕射形成的静稳海域可用于码头港口、海滨浴场及海藻养殖或网箱养鱼本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。惠更斯原理示意图 浅水区波浪波的绕射本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海浪的随机性和海浪谱图
23、中的六条曲线是在不同风速下充分成长的P-M谱。其特点是风速愈大，谱形曲线下的面积愈大，即总能量愈大，能量显著部分的位置向低频方向移动，说明海面的波高与周期亦随风速的增大而增大；曲线上的任一点都对应频率为的组成波应具有的能量，能量的显著部分集中在某一频率范围内。一种海浪谱随频率的分布本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海洋内波海洋内波吕宋海峡内由潮流所引起之内波波纹1994年5月27日台湾东北外海海面上许多由内波所引起的复杂条纹本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海洋内
24、波p外力作用包括：大气压起伏、潮波激发、水面和水下物体运动、地形影响、火山地震、核爆、湍流切变等。p海水密度稳定层结状态下，由外力作用引起的海洋内部水体的波动。p内波大致上有界面波和连续密度内波之分。内波成因本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海洋内波内波性质p内波属于重力波范畴，但其恢复力是科氏力和弱化重力g=g(1-2/1)，很小。故波速和水质点运动速度都较小，与同波长表面波相比，波速比为1/20，一般相速1m/s。但振幅较大，通常为表面波的10倍以上，几米至几十米。p上下两层海水之间的内波波动，其水质点的水平运动方向相反，界
25、面处形成强烈的流速剪切。p在同一密度层，局部流速方向相反，形成辐聚与辐散。p内波是引起海水混合、形成细微结构的重要原因。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海洋内波内波的研究意义p内波是海水运动的重要形式之一，它将海洋上层的能量传至深层，又把深层较冷的海水连同营养物带到较暖的浅层，促进生物的生息繁衍。p内波导致等密度面的波动，使声速的大小和方向均发生改变，对声呐的影响极大，有利于潜艇在水下的隐蔽；对海上设施也有破坏作用。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海洋内波p1
26、8931896年北极探险过程中，F.南森发现船只莫名其妙地减速，经研究得知，船只航行在很浅的密度跃层上方时，其动力造成在跃层处产生内波，船只的动能被消耗，因此显著减速。这种现象称为死水。p由于对密度跃层的观测困难，研究的进展很慢，到了20世纪40年代后，由于温深仪及各种快速取样仪器的发明，对内波的调查才迅速开展起来。这项研究与生产和军事都有密切的关联。 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。p开尔文波是长周期重力波，同时受重力和科氏力作用。因此，它既有重力波的基本特性，又在科氏力的作用下产生一定特点。p讨论北半球一列振幅为H/2的自
27、由长波，当它通过一无限长、具有侧向垂直边界(宽为2b)、水深为h的水道时，在科氏力作用下的情况。开尔文波基本概念开尔文波科氏力作用下的前进波本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。开尔文波方程组开尔文波大尺度运动方程ygypfutvxgxpfvtu11垂向连续方程0)()(yvhxuhtzzh垂向平均值)hzdzhuu本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。开尔文波方程组的解开尔文波ghcvxctycfacguxctycfa0sinexpsinexpssss 本文档所提供的信
28、息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。在北半球长海峡中，沿潮波传播方向看，右岸潮差大于左岸，而在南半球则相反。开尔文波开尔文波BCBC 低潮海面高潮海面涨潮落潮本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。开尔文波 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。开尔文波大洋中无潮点的形成ygfutvxgfvtuhh0)()(yhvxhuth罗斯贝波亦称行星波，是一种低频波，波动频率远小于惯性频率f，恢复力是科氏力随纬度的变化率( )即所谓b效
29、应。yf 罗斯贝波运动方程连续方程222/1)(RlkkbsfghR 222/1)(Rlkkcxbsp罗斯贝波的频散关系pk、l分别为x和y方向上的波数，R称为Rossby形变半径，由上式分散关系所表达的波即称之为Rossby波。罗斯贝波其中p罗斯贝波在x方向上的相位速度为p如在中纬度(45)、水深500m海区，R=2.1103km，而在10 海区，则R=8103km。始终cx0，即始终向西传播。pRossby波的波速极慢，在中纬度海区45，波长l=200km、且y方向波数l=0，则波速为0.16m/s，与相应的长重力波相比要小几个量级；其周期为14d，比相应长重力波大几个量级。假设纬度圈位涡
30、为零。位涡守恒原理 d(z+f ) /dt = 0，z为海水相对涡度。海水扰动后南北摆动罗斯贝波西进罗斯贝波的传播机制BAACDNS纬度圈W大洋风浪基本状况（略）中国近海波浪特征（略）本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海底地震造成海啸波之示意图 海啸本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海啸p海啸波的折射和绕射p北太平洋海啸波模拟本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。海啸海啸二四年十二月印度洋海啸中间凹陷部
31、门为印度洋大地震给海床烙上的“伤疤”海啸p2004年12月印度洋海啸波模拟摄于2004年12月26日的照片重现了泰国普吉岛阙迪度假村在海啸突然来袭时，刹那间被海水吞没的恐怖情景。发生地震海啸以后，印度南部海面一片狼藉，水面漂着一辆汽车。海啸印尼亚齐省首府班达亚齐海滨地海啸海啸袭击后卫星图片海啸袭击前卫星图片海洋波浪的分类有哪些？它们的定义各是什么？ 归纳小振幅波理论的主要内容。 驻波及波群是怎样形成的？有哪些基本特性？ 有限振幅波的概念及主要特征？风浪和涌浪是怎样形成的？各有什么特征？ 风浪的成长有哪几种状态？它们与风时、风区的关系如何？ 波浪传播至浅水和近岸有何变化？为什么？ 试用海浪折射理论解释波峰线大致平行于海岸线的原因。简述涌浪传播的主要特征。内波的成因及主要特征有哪些？什么是开尔文波和罗斯贝波？ 思考题
