第六讲 海上的波动体现象.doc

第六讲海上的波动体现象一、概述 1.1波浪要素 波峰波浪最高点 波谷波浪最低点 波长相邻两波峰（或谷）之间水平距离。 波高从波峰到波谷之间的铅直距离称为波高（H）。 振幅波高之半a=H/2。 周期相邻两波峰（或者波谷）通过某固定点所经历的时间称为周期（T）。 波速波形传播的速度c =T。 波陡波高与波长之比称为波陡，以=H表示。 波向线与波峰线垂直指向波浪传播方向的线称为波向线。 波峰线垂直于波向线，波峰的连线。(波脊线)73人在一个浪头上持续冲浪5秒钟 （2006年9月17日南非开普敦） 海洋中的波浪 1.1.1复杂而多样： 起 因 波 高 波 长 周 期 波 形 1.1.2分类： 依波形与水深的相对比（h/）分 依波在水中传播与否分 依波长的位置分 依起因分 依线性、非线性分 二、小振幅重力波 2.1波动方程： 假定振幅无穷小，重力是其唯一外力。依运动方程、连续方程、边界条件、流体无粘性等条件下求解。 2.1.1波剖面方程波数 频率 频散关系：简单波动的频率和波数之间的关系式 深水：相速度：c= / T c= / k 2.1.2水质点的运动 1）深水波（短波）：h/0.5 水质点运动速度 在水面: z =0 水质点运动轨迹。设其平衡位置为（x0 , z0） 轨迹为圆，半径为在自由表面，z0= 0， 半径为a； 在z0 = -处，半径为水质点运动与波形传播的关系 2）浅水波： 时，可视为浅水波或称长波。水质点轨迹为椭圆。 3）过渡区浅水波：2.1.3水深的影响 1）波速、 波长、周期的关系式 2）深水波波速仅与波长有关，而与水深无关 3）浅水波波速仅与水深有关，而与波长无关 4）过渡区浅水波（有限水深波，深水表面波） 5）极浅水波：在水深小于波长的1/25的海区传播的波动。 2.2波动的能量 2.2.1势能： 单位截面铅直水柱内的势能：沿波峰线单位宽度一个波长内的势能： 沿波峰线单位宽度一个波长内的势能 2.2.2动能： 波峰线方向单位宽度，自表面至波动消失处，一个波长所具有的动能 与势能相等 2.2.3一个波长内的总能量： 与波高的平方成正比。 2.2.4 能量的分布：总能量主要集在水面附近。故称表面波。 2.2.5能量的传输：平均意义下的向前传递的速率为水深的影响： 2.3正弦波的叠加波群和驻波 2.3.1波群 波群的形成传播方向相同，周期、波长相近的正弦波叠加。 叠加后波剖面方程 波速 振幅 1）周期 2）变化范围：02a 3)变化的速度-群速 深水波： 浅水波： 2.32驻波 形成传播方向相反的两列正弦波叠加 波腹：波面具有最大的升降 当 波节：水面无升降 当 2.3.4在驻 波 2.3.5环境效应： 振幅 假潮 三、有限振幅波动3.1波剖面 三阶Stokes波 3.2波速：近似公式 当波陡 很小时，蜕变为小振幅波 3.3水质点运动轨迹接近为圆，但在一个周期内不是封闭的。 环境效应 对海流、波浪成长有影响。 对泥沙运移、入海污染物扩散有影响。 对近岸的裂流和沿岸流的影响。 3.4波动的能量和波面破碎 （一）能量：动能大于势能，EkEp （二）破碎：理论上可证明1/7时，波面将破碎 实际观测当1/10，波峰就会破碎 。 四、海洋内波 4.1分类 4.1.1界面内波：在密度不同的两层海水界面处发生的波动。 4.1.2密度连续变化海洋中的内波： 海洋内波在海表的表现 四、海洋内波 4.2复杂而特殊的性质 4.2.1波速：同波长，内波波速仅为表面波速的1/204.2.2 振幅与能量：同样能量激发，振幅为表面波的30倍。 4.2.3 传播方向： 界面内波； 连续变化内波 4.2.3内波能量的输送方向 4.3环境效应 4.3.1对海水混合影响大 4.3.2 派生的辐聚、辐散 4.3.3军事活动影响 4.3.4对水产业的影响 五、开尔文波和罗斯贝波 5.1开尔文波：科氏力的作用，通过狭长水道时。 波速 振幅：两岸振幅不等，右岸大，左岸小（北半球） 5.2罗斯贝波：略 六、风浪和涌浪 6.1风浪、涌浪和混合浪 6.1.1风浪：当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态。 6.1.2 涌浪：海面上由其他海区传来的或当地风力减小、平息，或风向改变后海面上遗留下的波动。 6.1.3混合浪：风浪和涌浪同时存在的海面波动状态。 “无风不起浪”“无风三尺浪”“风大浪高”风浪的分级 6.2风浪的成长与消衰 6.2.1风力强弱 6.2.2风时长短 6.2.3风区大小 6.2.4最小风时 6.2.5最小风区（长度） 6.2.6风浪充分成长状态 6.2.7充分成长的风时与风区 6.3涌浪的传播 6.3.1 弥散和角散效应 1）弥散作用：不同波长、周期、振幅的分 波在传播过程中，波长大的速度快，短的速度慢，使原来叠加一起的波分散开。 2）角散作用：各分波传播方向不同，在传播中向各方向分散开来。 6.3.2波高逐渐降低，到浅水近岸又增大 6.3.3波长、周期逐渐变大 6.3.4波速变快： 6.3.5传播距离可达很远，可达104km以上 6.3.6 先行涌的兆示意义：先于风暴而到达。 6.4浅海、近岸的海浪及其环境效应 6.4.1周期、波速、波长的变化 1）周期最为保守 2）波速、波长都随水深变浅而逐渐变小。 6.4.2波向的折射： 1）波浪传入浅水后，波峰线有逐渐与等深线平行的趋势。2）效应： 水下浅滩或暗礁：对航行的警示。 海岸岬角处：冲蚀重，可塑造景观，也破坏景观。 6.4.3波高的变化 1）波向转折的影响：辐聚时增大（kr 1）， 辐散时变小（kr 1）， 2）能量传播速度(nc)随水深变化的影响。 nc=cg 为群速 6.4.4波浪的破碎及环境效应 1）破碎的类型： 开阔海区：风大 ，1/10 浅水区的破碎 海滩坡小：崩顶破波（崩碎波） 海滩坡陡：卷跃破波（卷碎波） 海滩很陡：激散破波（激碎波） 暗礁浅滩：溢浪（悉尼的炸花浪，bombora)2）波浪增水、减水 3）近岸波生环流系统及其环境效应 离岸流（裂流, rip currents） 沿岸流 （longshore currents） 波生环流系统 ）平直型海岸 ）弯曲型海岸 环境效应 ）游泳者 ）泥砂搬运 6.4.5反射与绕射（衍射） 6.5海浪的随机性与海浪谱6.5.1海浪的随机性6.5.2海浪谱1）能量谱2）方向谱6.5.3国内外的海浪谱1）国外2）国内6.5.4海浪预报1）经验预报2）数值预报 七、中国近海的波浪 附注：波动理论的特点及适用范围 1) 线性波动:小振幅波(微幅波),(small a