海洋学导论6(波动).ppt

第六章 海洋中的波动现象 第一节 概述 一 波浪要素 二 海洋中的波浪 波浪的分类 深水波 浅水波 前进波 驻波 表面波 内波 风浪 涌浪 地震波 第二节 小振幅重力波 小振幅重力波 亦称正弦波 是一种简单波动 指波动振幅相对波长为无限小 重力是其唯一外力的简单海面波动 一 波形传播与水质点的运动 频散关系 波速 或 1 若水深大于波长的一半时 h 0 5 深水波 短波 对于短波 水质点的运动轨迹是一个圆 半径为 轨迹半径随深度的增加迅速减小 在表面 其半径为a 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 在水面上水平速度为0 2 水深h相对于波长 很小时 h 20 的波动称为浅水波或长波 长波中水质点的运动轨迹为椭圆 水质点的运动半径 振幅 a随深度而减小 1 短波水质点的运动轨迹为圆 以它们的平衡位置为中心作等速圆周运动 2 当波峰到达时 水质点位于圆周的最高点 当波谷到达时 水质点位于圆周的最低点 3 波面上水质点的速度矢量是以平衡位置为圆心 振幅为半径作圆 使圆与波面相交 在焦点作圆的切线 切线的方向就是速度矢量的方向 4 在某一时刻 位相不同的各水质点 形成一个波面 经过相同的时间后 各质点同时在各自的轨道上移过相等的一段弧长 从而组成新的波面 即波形向前移动 5 浅水波水质点的运动轨迹为椭圆 二 波动公式与波动能量 一 波速 波长与周期公式 1 波速与波长的关系 小振幅波的一般关系式 2 波长与周期的关系 3 波速与周期的关系 对于深水波而言 h 1 2 对于浅水波而言 可见波速与水深无关 只与波长有关 可见波速与波长无关 只与水深有关 二 波动能量 波动具有动能和势能 三 正弦波的叠加 1 驻波 在波节与波腹之间的波面升降幅度均在0 2a之间 由上可知 波形并不向外传播 故称为驻波 两列振幅 波长 周期相等 但传播方向相反的正弦波 2 波群 两列振幅相等 波长与周期相近 传播方向相同的正弦波叠加后 波动振幅由小到大 0 2a 又由大到小 2a 0 形成群集分布 称为波群 深水波的群速为波速的一半 浅水波的群速与波速相等 第三节 有限振幅波 一 斯托克斯波的波剖面 对于横轴上下不对称 水质点的振动中心高于平均水面 二 波速与波高 其波速与波长 波高有关 且波陡越大 波速越大 三 水质点的运动轨迹 水质点的运动轨迹接近圆 但在一个周期内不是封闭的 在水平方向上向前存在一个净位移 称为波流 可以解释在波浪传播方向上导致的海水运输现象 四 波动能量 动能大于势能 且铅直方向上波动的动能大于水平方向上的动能 理论上的破碎角为120 或波陡 1 7 实际 当 1 10波峰就会破碎 界面内波 发生在两层密度不同的海水界面处的波动 第五节 开尔文波与罗斯贝波 一 开尔文波 是一种长周期重力波 即它同时受重力和科氏力的作用 基本特征 2 水质点在y方向上的速度分量为0 3 振幅是y的函数 若面向波浪传播的方向而立 在水道左岸波动振幅比右岸小 即波峰处波面是右高左低 波谷处波面是左高右低 注 北半球 顺流而立 当波动通过水道时 水道两岸的波动振幅不等 右岸大 而左岸小 这是开尔文波的基本特征 南半球相反 二 罗斯贝波 由科氏力随纬度的变化率所支配的波动 是一种低频波 在密度均匀的海洋中 罗斯贝波的频散关系为 罗斯贝波的传播方向始终偏向西方 罗斯贝波的波速极慢 第六节 风浪和涌浪 1 风浪 是指当地风产生 且一直处在风的作用之下的海面波动状态 2 涌浪 是指海面上由其他海区传来的或者当地风力迅速减小 平息 或者风向改变后海面上遗留下来的波动 3 风浪的特征 波峰尖削 在海面上的分布很不规律 波峰线短 周期小 当风大时常出现破碎现象 形成浪花 4 涌浪的特征 波面比较平坦 光滑 波峰线长 周期 波长都比较大 在海上的传播比较规则 一 风浪成长与风时 风区的关系 1 风时 指状态相同的风持续作用在海面上的时间 2 风区 指状态相同的风作用海域的范围 习惯上把从风区的上沿 沿风吹方向到某一点的距离称为风区长度 简称风区 最小风时 在定长风