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第四章海浪 海流和海冰 第一节海浪第二节海流第三节海冰 第一节海浪 SeaWave 海浪是海水运动的重要形式之一 对船舶航行有极大的影响 大的海浪造成航速下降 舵效降低 甚至停止不前 在狂涛巨浪中还会出现 中垂 或 中拱 使船体结构变形 严重时造成船体断裂 导致重大海难事故 波浪要素 波峰 波面的最高点 波谷 波面的最低点 波高H 相邻的波峰与波谷间的垂直距离 波长 相邻的两个波峰 或波谷 间的水平距离 单位米 波陡 波高与波长之比 H 它是表示波形陡峭的量 波幅a 波高的一半称为波幅 周期T 两相邻的波峰 或波谷 相继通过一固定点所需时间 单位为秒 波速c 波形传播的速度 即波峰 或波谷 在单位时间内的水平位移 波峰线 沿垂直于波浪传播方向通过波峰的线叫波峰线 波向线 垂直于波峰线的线叫波向线 波长 波速 周期三者关系 水质点的运动与波形传播的关系 水质点的运动与波形传播的关系 深水波中海面上水质点运动的轨迹是以波高为直径的圆 当水质点运动到最高位置 即波峰到达 时 其运动方向与波向一致 为0度 当水质点运动到最低位置 即波谷到达 时 其运动方向与波向相反 180度 浅水波中水质点运动的轨迹为椭圆 波浪的分类 按成因分类 风浪 由风直接作用而引起的水面波动称为风浪 涌浪 风浪离开风区传至远处或者风区中风停息后所留下来的波浪 称为涌浪 近岸浪 风浪或涌浪传至浅水或近岸区后 因受地形影响将发生一系列变化 称近岸浪 风暴潮 StormSurge 由于气象原因 如台风 强风暴等引起的海面异常升高现象称风暴潮 亦称风暴海啸 海啸 Tsunami 由于海底或海岸附近发生的地震或火山爆发所形成的波动 亦称海啸 内波 InternalWave 不同密度的水层界面处而产生的波动 潮汐波 TidalWave 由于天体引潮力作用所产生的波动 风浪 WindWave 风浪 由风直接作用引起的水面波动 称为风浪 风浪特征 周期较短 波面不规则 波长短 波向与风向一致 波高取决于风力 风区 风时 风浪成长与风速 风时和风区的关系 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 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 风区 指风在海上吹过的距离 风区的大小对风浪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 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 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 风浪的三种状态 风浪充分成长状态 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 一部分消耗于涡动引起的摩擦 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 海上实际风浪的最大高度估计可能达到25m左右 风浪成长主要与风速 风区和风时有关 风速越大 风浪充分成长所需要的最小风区越大和最小风时越长 另外还受水深及海域特征等因素影响 涌浪 Swell 涌浪 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 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 波速公式 C 1 5T涌浪传播过程中 在波高衰减的同时 波长和周期增大 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 近岸浪 当波浪传到沿岸浅水区 波向折射和绕射 波长变短 波高增大 水质点运动的速度不等 在波谷处 由于水浅 水质点受海底摩擦影响 其速度慢于波峰处水质点的速度 使波峰超过波谷 波形前侧变得陡峭突出 后侧变得平缓 从而使波浪发生倒卷和破碎 近岸浪 CoastalWave 流波效应和水气温差对波浪的影响 流波效应 波浪与海流成一定角度时 海流会影响波浪的波高 波速和传播方向等 当波浪与海流相向或接近于相向时 波高会增大20 30 流速为2 3kn 风速为10 15m s 如黑潮流域上冬季风形成的波浪常增大 水气温差 在风速相等的情况下 气温低于海温时的波高比海气温度相等时的大 据统计 气温比海温每低1 波高增大约5 如气温比海温每低10 波高增大约50 在冬季西北太平洋中高纬海域 强盛的锋面气旋 气温低于海温 加之流波效应 有时出现比预料高2 3倍的异常大浪 是海事多发的海域 有 魔鬼海域 之称 平均波高 Hp H1 H2 H3 Hn n 其中n为观测到的波的总个数 H1 H2 Hn为各实测波的波高 有效波高H1 3 是波浪预报的一个重要指标 将观测到的波高按大小排列起来 取1 3最大波高的平均值 称为有效波高 以符号H1 3表示 同样可定义出H1 10 H1 100 H1 1000等统计波高 H 0 63若H1 3 1 H1 10 1 27 H1 100 1 61 H1 1000 1 94在1000个连续波中有一个波的波高接近H1 3的2倍 应用波浪预报图时应注意 有效波高 H1 3 浅水波和深水波 浅水波 波长远大于海深的波 浅水波的波长至少是水深的20倍 h 20 波速取决水深 水越深 波速越大 与波长和周期无关 深水波 波长远小于海深的波 深水波的波长不超过水深的4倍 h 4 C 1 5T波速与波长和周期有关 与水深无关 群波 GroupofWaves 海洋中的波浪常以 群 的形式出现 通常称为群波 设两列波向 振幅相同 波长和周期稍有差别的正弦波相互叠加 叠加以后的合成波形如下图 驻波 StandingWave 由两列波向相反的正弦波叠加 可以得到一种波形不向前传播的波 波面只在原地振动 称为驻波 海滨峭壁处常出现驻波 台风眼区的 金字塔浪 就是驻波 波腹处的水质点只作垂直运动 波节处的水质点只做水平运动 海啸 Tsunami 海啸主要是由浅源地震引起的 又称地震波 其波长长 波速快 在大洋中波高不明显 当传至近岸时波高可巨增至10m以上 最大可达25m 危害甚大 1896年6月15日日本三陆大海啸 浪高30 5m 损失房屋14000栋 船舶30000余艘 27000人遇难 1775年11月1日 里斯本大地震引起的海啸 浪高18m 里斯本全城建筑在6分钟内几乎倾覆殆尽 10万人死于巨浪之中 1960年5月22日 智利8 9级地震 浪高25m 海啸后先摧毁智利沿海一切设施 然后巨浪以极快的速度涌向澳大利亚 菲利宾 夏威夷及日本沿海 时速707km 最后一直影响到鄂海和青岛 海啸波长最小17km 最大300至400km 1970年11月一个热带气旋在孟加拉沿海引起的大海啸 巨浪高达20m 造成30万人死于这次严重的灾难 2004年12月印度洋大海啸 夺走十几万人的生命和无数的财产 使数十万人无家可归 世界上最常遭受海啸袭击的国家和地区有 日本 菲律宾 印尼 加勒比海 墨西哥沿海和地中海 内波 InternalWave 内波 是密度相差较大的水层界面上的波动 可在各种深度的海洋中产生 其波高比表面波大的多 常可达几十米 甚至近百米 会产生 死水 和 共振 现象 遇此现象时应改变航向或航速 1963年6月10日 美国 长尾鲨 号核潜艇在波斯顿以东深海作超水下300m深潜 由于机舱内海水系统完全损坏 耐压壳体招架不住海水的压力 船体炸的粉身碎骨 129名试航人员全部遇难 风暴潮 StormSurge 风暴潮是指因强热带风暴 台风 寒潮等强风暴影响引起的海面异常升高 潮位大大超过平常潮位的现象 统计表明 气压每降低1hPa 海面大约升高1cm 风暴潮最严重的地区是日本沿岸 美国东海岸 墨西哥湾沿岸 太平洋赤道以北的一些群岛和中国沿岸 我国风暴潮多发区有莱州湾 渤海湾 长江口至闽江口 汕头至珠江口 雷州湾和海南岛东北角一带 其中 汕头至珠江口和莱州湾是严重多发区 世界海洋的风 浪 太平洋上的风 浪北太平洋冬季 由于阿留申低压的影响 北太平洋中高纬大风和大的浪分布范围很广 大风 大浪频率很高 大洋西部高于东部 夏季 除热带气旋活动外 整个北太平洋十分平静 南太平洋低纬洋面上常年盛行3 4级东南信风 中高纬终年狂风恶浪 有 咆哮西风带 之称 大西洋上的风 浪 北大西洋冬季 由于冰岛低压强烈发展 北大西洋中 高纬度海域的大风浪十分强烈 分布范围很广 大风频率达40 以上 大浪频率达50 以上 大洋西部高于东部 是世界海洋上最著名的狂风恶浪海域之一 低纬度风浪较小 夏季 除格陵兰和冰岛南部海域有大风浪外 整个大西洋相对比较平静 南大西洋南大西洋低纬洋面上常年盛行3 5级东南信风 中高纬终年狂风恶浪 好望角附近 风力常达11级 海面狂浪怒涛 印度洋上的风 浪 北印度洋冬季 北印度洋盛行东北季风 一般3 4级海面较平静 是航海的黄金季节 夏季 整个北印度洋上为强劲的西南季风控制 风力常可达8 9级或以上 浪高达6米以上 7 8月最强盛 尤其是在索科特拉岛东南部海域 大风频率高达40 大浪频率高达74 是世界海洋上大浪频率最高的海域 南印度洋南印度洋中高纬度终年狂风恶浪 冬季可延伸到南纬10度海域 在大洋中部有一个大风浪高发区 夏季 大风浪区略向南收缩 达南纬20度附近 我国近海的风 浪 冬季 盛行偏北风 风力较强 渤海 黄海多西北风西北浪 东海北风和东北风 南海东北风东北浪 夏季 盛行偏南风 风力较弱 渤海 黄海及东海北部为东南风东南浪 东海南部和南海为西南风偏南浪 年平均大风日数 东海沿岸最多 黄海 渤海沿岸次之 南海沿岸最少 我国近海的海浪主要受季风影响 台湾海峡浪高最大 冬季 山东半岛成山头附近 济州岛以南海域 琉球群岛西侧海域 台湾海峡及台湾以东的近海海面 均属大浪区 夏季 除热带气旋造成的大浪外 风浪均较小 1月大风 7级 频率 7月大风 7级 频率 1月波高分布 7月波高分布 第二节海流 OceanCurrent 海流 是指海洋中的海水具有相对稳定速度的流动 它是海水运动的形式之一 海流不仅对航海有不可忽视的影响 而且对天气和气候也有显著的影响 流向 海流的方向是指去向 常用8个方位或以度为单位表示 例如 由西向东的流 流向为900 称为东流 海流的主轴是指海流流动方向上流速最大点的连线 海流的规模常用流幅来表示 流幅是指垂于主轴的水平宽度和上下厚度 海流的强弱常用平均流速或平均流量表示 流速 流速的单位常用Kn 节 和nmile d 海里 日 表示 海流的分类 海流按其成因大致可分三大类 风海流 地转流和补偿流 风海流是海洋上最主要的海流 其强度较强 风海流是在海面风作用下形成的海水流动 海流的成因主要是盛行风带 地转偏向力 和海陆分布等因子共同作用的结果 实际上由单一原因产生的海流极少 往往是几个因子共同作用的结果 但有主次 近海以潮流为主 外海多风海流和梯度流 风海流 WindCurrent 风海流 包括风生流和漂流 是在海面风作用下形成的海水流动 通常将大范围盛行风所引起的流向 流速常年都比较稳定的风海流称为定海流 亦称为漂流或吹流 而将某一短期天气过程或阵风形成的海流称为风生流 其流速和流向随风向 风速而变化 表层风海流的流速 无限深海的风海流表层流速可用下面经验公式计算 m s式中 v0为流速 kn w为海面风速 m s 为纬度 此式表明 漂流的流速与海面风速成正比 与所在纬度正弦的平方根成反比 表层风海流的方向和大小 表层风海流的流向 在无限深海中 由于地转偏向力作用 表层风海流的流向在北半球偏于风去向之右约45 在南球偏于风去向之左约45 在浅海中 流向与风向几乎一致 风海流流向随深度增加向右偏转 北半球 流速随深度增加逐渐减小 见图 地转流及其他类型海流 地转流又称梯度流 它是指当海面发生倾斜时 海水的水平压强剃度力和水平地转偏向力平衡时的稳定海流 按引起等压面倾斜的原因不同 分为倾斜流和密度流 倾斜流 SlopeCurrent 是在不均匀的外压场作用下的梯度 海洋上大气压分布不均匀 使海面发生倾斜而产生海水的流动 测者背流而立 右侧等压面高 左侧等压面低 倾斜度越大 水平压力梯度越大 流速就越大 密度流 DensityCurrent 由于海水密度分布不均匀引起等压面倾斜而产生的梯度流 测者背流而立 右侧等压面高 密度小 温度高 左侧等压面低 密度大 温度低 南半球相反 补偿流 CompensationCurrent 某处海水流失 其它地方的海水流过来补充 称为补偿流 补偿流既有水平方向的 也有垂直方向的 在有上升流的海区出现低温 潮流 TidalCurrent 潮波运动中水质点沿水平方向的周期运动 在大洋上 潮流的量值极小 主要考虑风海流 在近海 潮流的量值不可忽视 常有强大的潮流 航海学中详述 按海流的物理属性 温度 分类 水团 来自相同的源地 具有独特的相对均匀的物理性质 如温度 盐度 溶解氧等 的海水称水团 暖流 WarmCurrent 流动水团的温度比它所经过海区的水温高称暖流 一般从低纬向高纬流动的海流为暖流 冷流 ColdCurrent 流动水团的温度比它所经过海区的水温低称冷流 一般从高纬向低纬流动的海流为冷流 中性流 NeutralCurrent 流动水团的温度比它所经过海区的水温相差不大称中性流 一般东西向的流 4 世界大洋表层海流模式 1 信风流和赤道逆流 在赤道区有一支从东向西的海流 即北赤道海流 NEC 和南赤道海流 SEC 南北赤道海流之间有一支从西向东的赤道逆流 2 西边界流和西风漂流 在西风带中 海流基本上自西向东流 西边界流大多来自热带洋面 水温高 流速大 是较强的暖流 在南半球三大洋的西风海流彼此沟通 形成一个连续的水环 又称西风漂流 3 东边界流 西风漂流在大洋东岸流向低纬的海流 东边界流流动缓慢 幅度宽广具有寒流性质 4 大洋两岸的海流在强度上不对称 大洋西边界的海流比东边界的海流窄而强 如墨西哥湾流和黑潮均为强暖流 世界海洋表层海流系统 太平洋海流系统北太平洋主要海流 北赤道海流 黑潮 北太平洋海流 加利副尼亚海流 构成北太平洋中低纬顺时针环流系统 北太平洋海流 阿拉斯加海流 阿留申海流 亲潮 构成北太平洋中高纬逆时针环流系统 南太平洋主要海流 南赤道流 东澳大利亚暖流 西风漂流 秘鲁海流 构成南太平洋逆时针环流系统 大西洋海流系统 北大西洋主要海流 在中低纬地区 由北赤道海流 安的列斯海流 墨西哥湾流 北大西洋海流 加那利海流构成北大西洋中低纬海域的顺时针环流系统 北大西洋海流 爱尔明格海流 拉布拉多海流 构成北大西洋上中高纬度的逆时针环流系统 南大西洋主要海流 南赤道海流 巴西海流 西风漂流 本格拉寒流 构成南大西洋反时针环流系统 印度洋海流系统 北印度洋主要海流 属于季风环流 冬季 东北季风期间 由西南季风流和赤道逆流相接 形成北印度洋冬季反时针方向的环流流系 左旋 夏季 西南季风期间 由东北季风流 南赤道海流和索马里海流组成北印度洋夏季顺时针方向的环流流系 右旋 南印度洋主要海流 主要由南赤道流 马达加斯加海流 西风漂流 西澳大利亚海流组成一个反时针方向海流系统 DistributionofCurrentintheworldOcean 其他海域的海流 红海和亚丁湾的海流 在东北季风期间 亚丁湾是西向海流 过曼德海峡进入红海 在西南季风期间 亚丁湾是东向海流 红海海流过曼德海峡进入亚丁湾 地中海和黑海的海流 地中海和黑海的海流系统呈逆时针方向流动 其中非洲沿海基本上是东流 欧亚沿海是西流 中国近海海流 渤海 黄海和东海海流 外海暖流 台湾暖流 对马暖流 黄海暖流 黄海暖流冬强夏弱 北进南出 从渤海海峡北部流入渤海 南岸流出 沿岸冷流 辽南沿岸流 辽东沿岸流 渤海沿岸流 苏北沿岸流和闽浙沿岸流等组成 自北向南流动 中国近海海流 南海海流 主要受季风影响 在东北季风期间大部分地区为西南流 在西南季风期间大部分地区为东北流 第三节海冰 SeaIce 海冰 广义的海冰是指海洋中各种冰的总称 它包括海水本身结冰和由大陆冰川 江河流入海洋中的陆源冰 主要是浮冰 岸冰和冰山三大类 海冰能破坏港口设施 造成港口封冻 航道阻塞 流冰 特别是冰山 Iceberg 严重威胁船舶的航行安全 冰源 1 由海水直接冻结而成的冰 称咸水冰 2 从陆地江河的流冰和大陆冰川的崩裂流入海洋的冰 称淡水冰 影响海冰形成的主要因子 1 长期冰点下的温度 2 海水的表层盐度 3 垂直盐度的分布 4 海水的深度 海冰的形成 纯水最大密度时的温度为4 冰点为0 海水无论是冰点还是最大密度温度都随盐度而变化 盐度越高 冰点越低 海水的平均盐度为35 对应的冰点为 1 9 海水结冰过程 结冰速度和物理性质都与纯水冰不同 海水结冰除与海水盐度和长期冰点下的温度有关外 还与盐度的垂直分布和海深有关 海冰的分类 初生冰 由松散冰晶最初形成的冰 包括冰针 油脂状冰 粘冰和海绵状冰 尼罗冰 由初生冰继续增长 结成厚度为10厘米以内的薄冰层 饼状冰 直径为30 300厘米的 厚度为10厘米以内的圆形冰盘 初期冰 由尼罗冰或莲叶冰和冰块冻结在一起形成厚度为10 30来厘米的冰层 一年冰 由初期冰发展而成 时间不超过一个冬季的冰 厚度在30 300厘米 老年冰 至少经过一个夏季而未融尽的冰 厚度大于300厘米 冰山 冰山 从冰川分离下的 高出海面5m以上的各种形状的巨大冰块称为冰山 Icederg 陆源冰 形成 极地地区不断降雪 在重力作用下低温凝固变成冰 形成了两极的冰帽 厚度达几千米 冰在高压下向四周流动称为冰川 移动速度约为30m 天 当巨大的冰川流到海洋沿岸断裂成巨大的冰块 并随海流和风漂流称为冰山 冰山的水上部分与水下部分比较 海冰的密度一般为0 86 0 92g cm 3 海水的密度为1 028g cm 3 因此 冰山体积的水上部分只占冰山整个体积的1 10 冰山露出海面的高度为总高度的1 7 1 5 冰山和浮冰的漂移规律 影响海冰漂流的主要因素是风和海流在无风海域 冰山和浮冰随流漂移 其漂移的速度和方向与海流一致 在无流海域 冰山和浮冰随风漂移 其漂移的方向在北半球偏离风的去向之右约28 在南半球偏离风的去向之左约28 漂移速度大约为风速的1 50 船舶临近冰区的征兆 海水温度急剧降低时 表明前方可能有海冰存在 出现小块浮冰 可能听到冰块相互撞击的响声 在流冰边缘处经常出现浓雾屏带 望见远处海面反射出的光芒 在大风浪区航行 突然波浪减弱 或突然海面变的平静 表明其上风有冰域存在 这是因为海冰阻碍了波浪的运动 听到海浪在冰中的冲击声或海冰因风浪的压挤而发出碎裂的声音 或冰山的融碎声 倒塌声 在空阔的海面上听到本船汽笛的回声 船体积冰 冬季高纬度航行 当气温很低 海上风浪较强时 波浪飞沫在空气中变成过冷水滴 一碰到船体时便发生冻结 形成船体积冰 又称重冰集结或甲板冰 易发生在海水温度为5 以下海域船体积冰主要发生在船体 甲板 上层建筑或天线上 它可折断天线 阻隔通信 使雷达失效 严重时能使船舶重心上升或偏移 稳性破坏 使船舶失去平衡而发生突然倾覆 冬季在黑海 亚得利亚海里的 布拉风 既典型的代表 船舶在发生船体积冰的海域航行时 应经常改变航向或航速 积冰严重时 应将船舶驶往开阔海域或较暖海域 世界海洋冰况 北太平洋白令海 鄂霍茨克海 日本海 勘察加半岛以东海湾 北海道 阿拉斯加和渤海 黄海北部 都有不同程度的结冰 小冰山活动范围仅限于阿拉斯加湾沿岸较近海域 日本海和鄂海的浮冰 2月末 3月最盛 4月完全消失 黄海北部和渤海冬季会出现不同程度的海冰 冰情不严重 1月下旬 2月中旬为盛冰期 3月后逐渐消失 冰期为3 4个月 其中辽东湾最重 渤海湾次之 莱州湾最轻 浮冰 固定冰 北大西洋 北大西洋的浮冰和冰山 在格陵兰东南海域和纽芬兰东南海域最多 波罗的海和哈德逊湾 常年有固定岸冰 从巴芬湾平均每年有388座冰山流入大西洋 冰山的活动仅限于大洋的西部 在格陵