海洋工程环境

,海洋工程环境,主讲人：刘桂林,海洋工程环境的主要内容,第一章绪论第二章风第三章海浪第四章潮汐与风暴潮第五章海流第六章海冰,第一章绪论,1、为什么要研究海洋工程环境？,1.1丰富的海洋资源,海洋矿产资源海水资源海洋能资源海洋生物资源,1.2海洋资源的开发利用,海洋开发包括海洋与周围环境（海洋大气、海岸、海底）。1985年美国全球海洋发展战略与规划英国90年代英国海洋科技发展报告日本面向21世纪海洋开发推进计划中国“国家863高技术计划海洋领域”项目,现代海洋开发的内容,海洋资源的开发海水物流与信息流勘探与测量海洋环境保护海岸带的开发,1.3海洋工程环境研究的主要内容,海洋工程环境是研究与海洋工程有关的环境现象，确定海洋建筑物自然条件设计标准的一门科学，它是海洋工程的新兴分支。,主要内容包括：,海洋工程物理环境，如风、浪、潮汐、海流、风暴潮、冰、温度、海啸、内波等。海洋工程地质地貌环境，如泥沙输移、海岸演变、地震、水下塌落与滑坡等。海洋工程化学环境，如海水成分。海洋工程生物环境，如海洋生物等。,1.4海洋工程环境研究的意义,1.5海洋工程环境的研究方法1、理论分析法2、现场观测法3、物模实验法4、数值模拟法,第二章风,2.1风与风系2.2风的观测与资料整理2.3根据气象资料推算风速2.4极值风速的长期分布2.5风对海洋建筑物的作用,风的作用,1、直接作用2、间接作用1）海浪、海流2）沿海地区风浪掀沙,风的特性,1、风产生的原因2、影响因素3、紊动性与阵发性（10min长周期成分与几sec.短周期脉动成分）考虑静力作用和动力作用,2.1风与风系,2.1.1气压的意义和单位1个标准大气压=760mm汞柱（纬度，温度00C）1标准大气压=10.132N/mm2=1013.2mb世界气象组织统一使用气压单位为“百帕”（hPa）1hPa=0.01N/cm2=1mb,2.1.2风速和风向,蒲福（Beanfort）13级，后补充5级风级表,风向的方位,2.1.3地面天气图与海平面气压场,等压线地面天气图是在等高面上绘制的等压线图，任意相邻等压线的差值为定值（5X102hPa或2.5X102hPa）海平面气压场重点9种主要形式,风速的标记,2.1.4影响我国海域的主要风系,1、季风2、寒潮大风我国中央气象台规定：冷空气入侵后，气温在24小时内降低超过100C,且黄河流域最低气温降至00C，长江流域最低温度降至50C以下，称为寒潮。,3、热带气旋,发展为热带风暴的条件：1、海面水温高于270C；2、海面宽阔、有深厚潮湿而不稳定的气层；3、纬度大于50C；4、垂直风切向变化很小；5、在对流层上部出现一个反气旋，使高空出现辐散，便于近地面的气流上升等。,（1）热带低压最大风速17.2ms-1（2）热带风暴-17.2ms-124.5ms-1（3）强热带风暴-24.5ms-132.6ms-1（4）台风最大风速32.6ms-1,强热带风暴灾害举例,1991年4月，热带风暴袭击孟加拉国，并引发洪水泛滥，造成大约13.8万人死亡。1991年11月，热带风暴袭击菲律宾，造成6000多人丧生。1998年10月至11月，飓风“米奇”登陆中美洲，导致9000多人死亡，其中洪都拉斯和尼加拉瓜受灾最为严重。1999年10月，热带风暴袭击印度东部奥里萨邦，导致至少1万人死亡。,年月，热带风暴“珍妮”袭击海地，造成多人死亡。年月，“卡特里娜”飓风在美国南部沿海地区登陆，造成多人死亡，多万人流离失所和巨大物质财产损失。年月，热带风暴“锡德”在孟加拉国南部和西南部地区登陆，导致多万人受灾，多人死亡或失踪，经济损失逾亿美元。另据缅甸官方媒体的报道称（2008年5月8日发生），强热带风暴已经造成超过13.3万人死亡或失踪。这一数字是官方公布遇难者人数的将近两倍。,西北太平洋热带风暴的移动路径,西行型登陆型转向型,风的观测与资料整理,电接式风向风速仪由风向感应器、风速感应器和记录器、指示器组成（10分钟平均风速和相应风向）水文气象台站报表上测风记录为指示器测得的2分钟平均风速。海上船只每天4次定时测风。海上无风速仪，利用海面特征对风速进行目测，罗盘测定风向。,风玫瑰图的绘制,2.3根据气象资料推算风速,2.3.1地转风的推算？何为气压梯度力？何为柯氏力？地转风2.3.2热带风暴中心附近最大风速的计算,2.3.1地转风的推算？,大气压力是驱动空气移动的主因风是空气的水平流动,影响空气水平运动的力：(一)水平气压梯度力(二)柯氏力,(三)摩擦力。但是后两者都是在开始运动时才会产生的作用力,因此,真正直接影响空气是否流动的主因为：气压梯度力。,何谓气压梯度力？,大气的压力与空气密度有关,空气密度大,则为气压高,密度小则气压低。气压高低之间的差,称为气压梯度。如同水由高处往低处流动一样,水的流动是由于高度差。而空气的流动则是由于气压高低的差异。因为气压高低有差异,为平衡气压而产生的动力,称为气压梯度力。,地球上大气压力分布非常不平均,为了达到全球平衡,空气会由密度大的地区移动至密度小的地区,即气压高流向气压低。造成气压不同的原因热极生风某处若温度上升,空气受热膨胀,气压也随之降低,相较之下,周围较冷处则气压较高,产生了气压差,形成风。,何为柯氏力,一个名叫古斯塔加斯佩德科里奥利的法国人在1835年最先用数学方法描述了这种效应，所以科学界用他的姓氏来命名此种力（CoriolisForce）。我们通常也称它为地转偏向力。在北半球，科里奥利力使风向右偏离其原始的路线；在南半球，这种力使风向左偏离。风速越大，产生的偏离越大。于是，在北半球，当空气向低压中心辐合时会向右弯曲，形成了一个逆时针方向的旋转气流。从高压中心辐散出来的空气，则因为向右弯曲而形成了顺时针方向的旋风。我们把逆时针旋转的叫做气旋，把顺时针旋转的叫做反气旋。在南半球，上述的情形正好相反。具体表现就是南北半球龙卷风旋转方向相反,冲马桶的水流产生的漩涡方向也是相反的.,在轉動座標系中，物體行進路線無法保持直線，經由計算可知，此路線的偏轉乃是由轉動座標系本身所造成，此種作用力即被稱為柯氏力例：自由落體的偏向、颱風科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处。这就是为什么台风只能仅仅使云形成在5纬度以上的地区。,柯氏力图,任何物体在地球上的运动时,均会受到科氏力的影响。科氏力是一种假想力,是因为地球旋转而产生的错觉。科氏力的方向与运动方向垂直,在北半球指向右侧,南半球则偏向左侧。,何为地转风？,假定等压线平直且互相平行情况下，忽略不计摩擦力的稳定风速，即当气压梯度与柯氏力达到平衡时的风速。,1015,1020,1025,地转风的风速公式,适用条件：距地面5001000m以上的高空，假设条件才能满足。,近地层风速的推算,近地层风速必须依照地转风进行修正。修正值取决于大气的稳定度，即大气垂直对流的程度。因素很多，主要取决于大气的垂直温度分布。地转风速与海面风速的关系：,2.3.2热带风暴中心附近最大风速的计算,日本藤田公式,1、如何求得热带风暴的气压分布？,1、知风暴内某点气压P、P及P02、天气图中量r3、求r04、由前式算出各点气压值，得到气压分布。,2热带风暴中心附近最大风速的计算,危险半圆和可航半圆,2.4极值风速的长期分布,在海洋工程中常以某一重现期的风速特征值作为设计标准，如50年一遇，百年一遇。,随机变量,第四章水文统计基础知识(1)随机变量及其概率分布,1/6,出现某一数值Xi常具有相应的概率，表明这种变量x带有随机性，称为随机变量，或随机变数。,相邻两个随机变量之间，不存在中间值,随机变量的一个有限区间内可以取得任何数值,随机变量的概率分布,随机变量与其概率一一对应的关系，称为随机变量的概率分布规律，简称概率分布。,是随机变量x的分布函数。,代表X大于某一取值x的概率，其几何曲线称为概率分布曲线；如果用实测资料点绘的，水文上称为累积频率曲线。,第四章水文统计基础知识(1)随机变量及其概率分布,2/6,通过密度函数可以求出概率分布函数F(x),第四章水文统计基础知识(1)随机变量及其概率分布,3/6,随机变量的分布参数,能说明随机变量统计规律的某些特征数值，称为统计参数，或特征参数，有时为分布参数。,第四章水文统计基础知识(1)随机变量及其概率分布,4/6,指向5/6,均值（平均数）,均值表示系列的分布中心，代表随机变量系列的平均水平，值越大表示累积频率曲线或密度曲线的平均水平值高，值小则平均水平值低。,众值（众数）,概率密度曲线峰顶值在x坐标上相应的位置值，为,中值（中位数）,对于连续随机变量，把概率密度曲线下的面积分为两个相等部分所对应的x值为中值，为,均方差,描述概率分布离散趋势的特征参数。限于比较均值相同的系列,随机变量分布越分散，均方差越大；分布越集中，均方差越小。,变差系数,比较两个不同均值系列的离散程度时，采用均方差与均值之比值，用于衡量系列相对离散程度。,对于某条河流的年径流量来说，Cv越大，其年际变化越大；若两个河流比较，一般大河的调节作用比小河要大，所以大河年径流分布的Cv值比小河的小。,为模比系数,Cv越大，随机变量x的分布越分散，概率分布曲线的左侧抬高，右侧降低；反之，左侧下降，右侧上抬。,偏态系数,反映密度曲线的对称特征，即衡量系列在均值的两侧分布对称或不对称（偏态）程度的系数。,当Cs0，密度曲线峰顶在均值的左边，为左偏或正偏，概率分布曲线为向下凹曲线。,当Cs0（PIII曲线）。当其他参数不变时，Cs值越大，则概率曲线的凹度越大，即两端都在正态直线以上，中间部分向下。,皮尔逊III型曲线,英国生物学家皮尔逊(KPearson)统计分析大量实际资料，发现概率密度函数曲线的图形是单峰式的，且曲线的两端或一端与横轴线渐近相切。,皮尔逊提出了建立曲线族的两个基本条件：（1）若纵轴在均值处，xd时，(2)当y=0时，应使，即曲线与横坐标相切。,，称为的伽马函数,曲线起点的横坐标值，待定参数,待定参数,皮尔逊从这两个简单的基本观念出发，建立了概率密度曲线的一般性微分方程式式中，,根据上式可得到皮尔逊曲线族，共分为13个类型。其中为皮尔逊III型。如果把坐标原点移到水文系列变量的实际零点，则PIII型曲线的常见型式为,曲线参数与统计参数之间的关系：,如何通过专用表格获得指定重现期的设计值？,例采用PIII分布计算多年一遇设计风速。,计算步骤,第5节风对海上建筑物的作用,第三章海浪,3.1海浪的分类、观测与资料整理3.2固定点海浪要素统计规律3.3波谱基础知识3.4基于长期观测资料重现期波浪推算3.5基于短期观测资料重现期波浪推算3.6根据气象资料推算风浪尺度3.7近岸波浪传播的变形,第三章海浪(1)海浪要素和分类,1/4,海浪是海洋结构承受的主要荷载之一波浪荷载波高影响波周期影响1965年Kinsman海洋波动的分类（周期、恢复力）本章主要研究由风引起的重力波，它是风浪、涌浪和近岸波浪的总成。,海浪分类,第三章海浪(1)海浪要素和分类,3/4,除此之外，还可以分成：,长峰波,短峰波,前进波,驻波,深水前进波,浅水前进波,振荡波,推移波,第三章海浪(1)海浪要素和分类,4/4,破碎波,前进波：海面上形成的波峰线向前或向岸传播的波浪。驻波（立波）：是波形不向前传播，波峰和波谷在原地作周期性升降的波浪。,海浪要素,海浪是海水运动形式之一，它的产生是外力、重力与海水表面张力共同作用的结果。（波峰顶、波谷底、波向线、波长、周期、波陡与波坦）,第三章海浪(1)海浪要素和分类,2/4,根据微幅波理论（线性理论），规则深水波的波速、波长和周期的关系：,规则浅水波的波速、波长和周期的关系：,重力加速度,水深m,以正切双曲线函数表示的浅水因子。,波浪由深水传入浅水后，周期不变！,根据波浪行进海岸时的变化，对于坡岸较缓的海滩，近岸水域按不同水深可分为：深水区、浅水区、击岸波区及岸边区。表示波浪破碎处水深，对应的波高称为破碎波高，用表示。,2不规则波,K为待定系数，根据充分成长的Neumann谱，k=2/3,第三章海浪(2)海浪观测,1/1,波浪观测的方法,岸用光学测波仪,遥测重力测波仪,压力式测波仪,岸用光学测波仪的观测要求和方法,观测要求1）周期2）波高观测的时间长度3）记录哪些值，单位是什么，精度？观测方法（周期、波高、波向）熟悉岸用光学测波仪的透视网格各向标注含义（见下图）,波形分为：风浪F涌浪U混合浪F/UU/FFU无浪C或空白,6、其他波浪观测方式,临时测站观测船舶报,波浪玫瑰图,3.3固定点海浪要素的统计规律,波浪要素的随机性波高周期整个波系各波高的值出现几率呈现统计规律，趋于稳定某测站波浪观测序列如下表：,随机变量,1/6,出现某一数值Xi常具有相应的概率，表明这种变量x带有随机性，称为随机变量，或随机变数。,相邻两个随机变量之间，不存在中间值,随机变量的一个有限区间内可以取得任何数值,第四章水文统计基础知识(2)统计参数的估计,1/4,总体与样本,统计数学将研究对象中全部个体的总和，称为总体，总体所含个体的数目，叫做总体的容量。总体中的一部分个体称为样本。样体所含的个体的数目叫做样本容量。由于样本是总体的一部分，因此样本的特征在一定程度上反映出总体的特征。,3.3.1波高的经验与理论分布,波列中大小不同的波高或周期随机变量波列中各要素变化整体是随机事件。风浪处于稳定状态所有的波高或周期是总体，任意抽取连续100个波是样本。通过样本估计总体的变化规律。,1、特征波高,定义：波高的统计意义，即所谓特征波高。（1）平均波高（2）累积频率波高在波列中选取某一累积率对应的波高作为特征波高，即。,(3)部分大波平均值波高将波列中的波高由大到小排列，其中最大的P部分波高的平均值就称为P部分大波的平均波高，记为Hp,显著波高,有效波高,(4)均方根波高,波浪的能量正比于波高的平方，所以均方根波高反应了波浪能量的平均状态。,为了探求波高的分布规律，必须绘制直方图。（1）模比系数（2）波高分组选取合适的组距。,（3）区间频率,平均频率,（4）频率直方图,（5）累积频率图,3、波高的理论分布函数,研究表明，复杂海浪可以假定为由多个振幅不等，频率不同、位相不一的简谐波叠加而成。则波面方程可写为：,组成波初相位随机，其余弦函数是随机量，因而是无数个随机变量之和，根据李雅普诺夫定理，服从正态分布，其概率密度函数为：（1）,Longuet-Higgins利用包络线理论推导出波面振幅a的概率密度函数：（2）,进而可得与波面高度均方差的关系：,将代入（2）式得：（3）上式就是著名的瑞利（Rayleigh）分布,其概率密度曲线是单峰的，最大概率密度点对应波高为,由（3）式可得Rayleigh分布的累积频率为：则指定累积频率F的波高为：适用条件：深水条件,浅水区的波高分布()公式,令波高的累积频率可表示：或者,4、两种特征波高的关系,令则那么：,指向P136,指向P137,3.3.4波高和周期的联合分布,1978年Goda得到波高和周期的相关系数：,第三章海浪(3)海浪要素的统计规律,1/2,固定点波高和周期的统计分布,相邻的两个上跨零点（或下跨零点）间的时间间隔为周期，平均值为平均周期。,固定点波高和周期的理论分布函数,波高与波长的理论分布函数周期的理论分布函数波高与周期的联合分布,海浪要素统计规律,两种特征波及其相互关系,特征波波高的两种表示方法两种特征波高的相互关系与某一累积频率波高对应的特征周期,我国海港工程设计波浪的波列累积频率标准,设计波浪指在海港工程设计中，在设计各类建筑物和他们的各个部分时所选用的波浪要素。,波浪重现期标准,波列累积频率标准,第三章海浪(3)海浪要素的统计规律,2/2,波高与波长的理论分布函数,假定：复杂的海岸是由多个振幅不等、频率不等、位相错置的简谐波叠加，每个简谐波称为组成波。,波面方程：,波面在静水面以上的高度,组成波的振幅、圆频率,组成波的初位相,概率密度函数：,由李雅普诺夫定理得,将上式从H积分到，得分布函数：,在工程设计中，往往是对应于指定累积频率F的波高,以上仅适用于深水区，当波浪由深水逐渐传向浅水区时，波高的分布规律发生变化，水深d开始影响波高的分布。令,平均波高是各种累积率波高的换算媒介，是一种常用的特征波高。,特征波波高的两种表示方法,波列中选取某一累积频率对应的波高作为特征波高，即,所谓部分大波的平均波高作为特征波高。将波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的P部分波高的平均值就为特征波高。,显著波高,有效波高,第三章海浪(4)海浪谱基础知识,1/3,3.4波谱的基础知识,海浪是一种十分复杂的流体运用，用简单的规则波动不能充分说明，统计规律也只能反映它外在的表现的规律，而不能说明内部结构。为了进一步研究波浪，提出海浪谱的概念。海浪谱揭示海浪内部结构及其能量分布。,为波谱，由于它反映能量密度，称为能谱，又由于它给出能量相对于频率的分布，称频谱。,第三章海浪(4)海浪谱基础知识,2/3,令,为频率的某一函数,我们研究,此式表示波浪能量相对于组成波频率的分布。当为1，表示单位频率间隔内的能量，即能量密度。,海浪总能量,海浪谱形式举例,常见形式,劳曼谱,皮尔逊莫斯柯维奇（PM）谱,JONSWAP谱,勃列斯奈德光易谱,文圣常谱,第三章海浪(4)海浪谱基础知识,3/3,3.5基于观测资料的重现期波浪推算,什么是设计波浪的重现期？,设计波浪的重现期是指某一特定的波列平均多少年出现一次，它代表波浪要素的长期统计分布规律。此标准主要反映建筑物的使用年限和重要性。最本质的是要求出以哪个特征波列作为设计依据，只有确定了设计波列后，进一步按波列累积频率标准确定波要素。,什么是设计波浪的波列累计率标准？,波列累计率标准是指设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的出现概率，它代表波浪要素的短期统计分布规律。设计波浪的累积频率标准主要反映波浪对不同类型建筑物或建筑物不同部位的不同作用性质。,第三章海浪(5)根据海浪观测推算设计波浪,1/3,推求重现期设计波浪的方法,直接推算方法,间接推算方法,我国海港工程设计波浪的重现期标准,用概率论方法来推求按某一重现期设计波浪设计的建筑物在使用年限内可能遭受破坏的概率，称为危险率（遭遇概率），以q表示。在m年中出现的波浪均小于Hp的概率为F，称为安全率。,既考虑工程使用年限（工程寿命）m，又指定在使用年限内工程的破坏风险，则可推得所需要的设计波浪重现期T。,第三章海浪(5)根据海浪观测推算设计波浪,2/3,利用长期测波资料推算设计波浪,筑港地区或邻近海岸水文观测站积累有超过20年的连续波浪观测资料，据此得到以特征波，如H1/3，H1/10等表示的波列，组成样本，用概率分析法求得分布规律，在计算重现期设计波浪。,利用短期（13年）测波资料推算设计波浪与设计波高相对应的设计周期的推算方法,第六章海浪(5)根据海浪观测推算设计波浪,3/3,例：某观测站23年S向年极值波浪H1/10由大到小排列的系列。,（变差系数）,适用於总体的偏态系数：适用于样本的偏态系数：,如何由重现期设计波浪获得所需累积频率的设计波高？P134表中的与中的的不同在哪？,基本步骤：,1、由某一重现期的设计波高从Hp/表查得Hp/。2、由表查得相应的HF例：已知深水中S向50年一遇H1/10=4.6m,试求50年一遇累积频率分别为H1%、H5%及H13%的设计波高H1%、H5%及H13%。,特大值的处理问题,在海洋工程规划设计的水文频率计算中，往往发现观测系列中有个别突出的数值（特大值），若点绘经验累积频率线容易发觉这突出的数值与其它数值之间有明显突变不连续现象。突出点的重现期比现有观测年数要长得多。处理方法：要求得该突出值的调查考证期。调查考证期：通常把有实测海浪资料的年份以至能调查到的历史波浪中最远的年份，称为调查期。调查期以前的历史波浪情况可进一步通过历史文献资料的考证获得。通常把历史文献资料可考证的时期称考证期。考证期与调查期结合起来，称为调查考证期。,利用短期测波资料的设计波高推算,适用条件：工程所在地或邻近海域无实测资料可利用，需设立临时观测站。时间要求：至少一整年资料采集方法：不分方向全部或日最大波高值作为样本基本思想1、（1）波高以均匀坐标，大于或等于某波高的累积频率P以对数坐标表示。（2）波高对数坐标，横坐标采用1/P的二次对数。2、a年中最大值的累积频率与b年中累积频率最大值关系：理论分布,如何进行线性回归分析？,1、假定直线方程y=a+bx2、计算纵标离差方和；3、对a、b求偏导；4、求相关系数,某站一年资料的频率分析,计算Pb,按全部资料计算,按日极值估计,二项-对数正态复合极值分布,与设计波高相对应的设计周期的推算方法,几种常见的概率分布曲线,正态分布,皮尔逊III型曲线,耿贝尔分布,威布尔分布,5/6,正态分布,特点：1）单峰型2）以均值为轴对称Cs=03)曲线两端趋于并以x轴为渐近线,皮尔逊III型曲线,英国生物学家皮尔逊(KPearson)统计分析大量实际资料，发现概率密度函数曲线的图形是单峰式的，且曲线的两端或一端与横轴线渐近相切。,皮尔逊提出了建立曲线族的两个基本条件：（1）若纵轴在均值处，xd时，(2)当y=0时，应使，即曲线与横坐标相切。,，称为的伽马函数,曲线起点的横坐标值，待定参数,待定参数,皮尔逊从这两个简单的基本观念出发，建立了概率密度曲线的一般性微分方程式式中，,根据上式可得到皮尔逊曲线族，共分为13个类型。其中为皮尔逊III型。如果把坐标原点移到水文系列变量的实际零点，则PIII型曲线的常见型式为,曲线参数与统计参数之间的关系：,已知某河洪峰的均值，变差系数，偏态系数如流量的概率分布与皮尔逊III型相符，求累积频率曲线和百年一遇（P=1%）的设计洪峰流量值。,解答过程：查表3，取Cs=4Cv、Cv=0.6的各项P值和对应的Kp值，填入表格。根据公式计算累积频率曲线纵坐标Qp值，以累积频率P为横坐标标点绘在概率格纸上，即是皮尔逊III型累积频率曲线。从曲线上即可查得P1的设计流量值,P-III曲线的绘制（例题）,耿贝尔分布,I型极值分布率：,最小项极值分布率：,威布尔分布,更为详细的分布内容：,3.6根据气象资料推算风浪尺度,风浪生成、发展和衰减的机理风场要素的确定外海风浪要素的确定涌浪要素的推算台风浪的估算方法,风浪生成、发展和衰减的机理,1、风浪的形成20世纪中叶，学者们提出风浪成长的共振理论和剪流理论，逐步发展为现代波浪形成的理论基础。,2、影响风浪成长的因素,风速风时风距（固定风区、移动风区；深水到浅水波浪传播变化过程）地形、水深条件海流,3、风浪发展的三种状态,风浪的过渡状态风速很大、风场宽阔，成长取决于风时的长短。风浪的定常状态风速大、风场小，一定时间后波浪要素趋于定常。风浪的充分成长状态风时、风距足够大，在一定风速条件下风浪不再增大而达到该风速条件下的极限状态。,4、判断风浪状态的标准,最小风时最小风距与最大风速的关系,风场要素的确定,风速的确定风距的确定风时的确定,风速的确定,利用实测资料确定风速利用地面天气图计算地转风计算时段内的平均风速（下式使用与6t12h）,风距的确定,小水域风浪,水域开阔,根据所选取的风场对应天气图来确定风区。,其它,开敞海面或大洋：认为风区宽度、长度相等，从而忽略宽度对风浪成长的影响。近海或河口、海湾、湖泊、水库：,（1）风区接近矩形,（2）水域较狭窄、形状不规则或有岛屿阻碍,风时的确定,风区靠近岸边或水域较小（无需）风区较长，采用与风速对应的实际风时；用天气图时，两张天气图的时间间隔,外海风浪要素的确定,中国海洋大学等1973年提出了风浪预报方法：会战法。,台风波浪的估算方法,3.7近岸波浪传播的浅水变形,近岸浅水波的主要特征：波高、波长、波速、波浪剖面形状发生不断变化。折射、绕射、反射、破碎,分析方法：规则波法、用能量法分析波浪浅水变形（基于线性波）。介绍不规则波法的研究成果,3.7.1波浪的浅水变化,1、波长与波速的变化,结论：周期不变，波长和波速减少。,2、波高的变化,结论：波浪进入浅水区初期，波高略有减小，当d/L00.163的区域后，波高则逐渐增大，并超过深水波高，直至波陡太大，波形无法维持破坏。,3.7.2波浪的折射,1、波浪折射原理,1、波浪折射原理,snell,已知bp=2.5cm，b1=1cm,2、波浪的绕射,2、波浪的绕射,Kd防波堤后某点的绕射系数，即某点波高与入射波高之比H防波堤口门处入射波的波高。,注意：绕射波与入射波的波列累积频率、周期均相同，波长则由平均周期和水深计算。,规则波的绕射计算,1、单突堤,规则波的绕射计算,2、双堤口门,方法：电磁波比拟分析法绕射理论基础上，根据实测和模型实验数据改进得出。,双堤口门后规则波的绕射系数,适用条件,2、不规则波的绕射计算,单突堤和双突堤,岛堤,3.7.4波浪的反射,规律：波长和周期不变，波高取决于岸坡或人工建筑物的波度、糙度、孔隙率、波浪的陡度及入射角。,3.7.5波浪的破碎,破碎水深、破碎波高、极限波高、破波带、能量消耗,1、近岸波浪破碎的机理,2、波浪破碎的形态,崩波型卷波型激散型,3、破碎波高和破碎水深的计算,两种方法确定Hb和db关系一、能量法二、数理方法,当按孤立波计算,最大可取0.78表中小于0.78的为安全起见，值均上调0.05,不规则波条件下，实验研究表明，波浪由深水传至浅水，只有大波才发生破碎；发生破碎的大波波高与其相应水深的比值符合上图趋势，但数值减小为规则波的0.88倍，即在不规则波条件下，破碎波高值为规则波破碎波高的0.88倍。,注意：当工程设计中推算出某一重现期的某一设计波高大于等于浅水极限波高时，应采用浅水极限波高作为设计值。,解：步骤1：计算深水波长。步骤2：计算水深和波长之比步骤3：查图3.7.14得破碎波高和破碎水深之比。步骤4：计算破碎波高步骤5：比较10m水深处波高与破碎波高步骤6：计算设计平均波高与水深之比查图得H1%设计波高。步骤7：比较H1%与Hb。,求设计波浪H1%,求设计波浪H1%,3.7.6港内波高和设计水深的计算,第四章潮汐和风暴潮,4.1潮汐现象、观测、分析和预报4.2工程设计中潮位推算4.3风暴潮的形成与推算4.5台风暴潮强度等级划分,4.1.1潮汐现象,潮汐现象的成因：太阳、月球等天体引潮力地、月、日三者相对位置不同本质：长周期波动垂直方向为潮位升降水平方向为潮流,定义高潮低潮涨潮历时落潮历时,潮汐现象的三种类型,半日潮全日潮混合潮,潮汐观测的不等现象及原因,日不等半月不等月不等年不等多年不等,4.1.2引潮力的计算,结论,潮汐的观测分析和预报,潮汐的调和分析,潮高表示为,潮位的预报,求任意时刻的潮位和任意潮位的潮时,4.3工程设计中的潮位推算,4.3.1基准面与特征潮位面,1、平均海平面2、海图深度基准面,可能最低潮位面实测最低潮位面平均大潮低潮面,我国统一采用理论深度基准面作为海图深度基准面。,3、潮高基准面4、筑港零点5、特征潮位最高（低）潮位平均最高（低）潮位平均大潮高（低）潮位平均小潮高（低）潮位,4.3.2设计潮位推算,4.3.2.1设计高、低潮位,我国的海港水文规范规定：对于海岸港和潮汐作用明显的河口港，设计高潮位采用高潮累计频率的10%；设计低潮位采用低潮累积率的90%的潮位。有历时累积频率的，采用1%和98%。对于汛期潮汐作用不明显的河口港，设计高低潮位分别采用多年历时1%和98%。,要求：应有多年的实测潮位资料或至少完整一年的逐日每小时的实测潮位资料。,潮位累积曲线的绘制,1、历时潮位累积曲线绘制的步骤,2、潮峰或潮谷的累积频率曲线,3、短期同步差笔法,要求：1）潮汐性质相似（1）潮位过程线比较法（半月以上同步每小时比较潮形、潮差和日不等）（2）高潮或低潮相关比较2）地理位置临近3）受河流径流包括汛期径流影响相似,4、设计潮位的近似计算方法,潮位实测资料不足，又不具备进行差比计算条件的工程地点。,4.3.2.2极端高、低潮位,1、频率分析法,解题步骤,特大值的处理问题,2、极值同步差比法,使用条件：1）拟建工程位置有不少于连续5年的最高或最低潮位资料，附近有不少于连续20年资料的港口或验潮站。2）符合同步差比条件潮汐性质相似地理位置临近受河流径流包括汛期径流的影响相似受增减水影响相似,其它近似计算方法：,4.3.2.3乘潮潮位,4.4风暴潮的形成与推算,定义：风暴潮是指由强烈大气扰动如台风、热带气旋、温带气旋引起的海面异常升高的现象。,1、产生风暴潮的天气系统：（1）热带气旋（2）寒潮类（3）温带气旋类（内陆低压引起）,2、风暴潮的形成过程,3、风暴潮的成灾机制,（1）主振阶段，天文大潮+台风风暴潮+海浪（2）余震阶段，余震高峰+天文大潮（3）风暴潮速度与重力长波共振,4、风暴潮的成灾方式,（1）工程设施的破坏（2）海岸湿地生态系统的破坏（3）盐水入侵（4）海滩侵蚀,4.4.2风暴潮的推算,1、经验统计法1）台风风暴潮单站最大增水推算方法2）台风风暴潮单站增水过程方法,2、诺谟图法1）开敞海岸台风风暴潮推算诺谟图法2）半封闭海台风风暴潮推算诺谟图法,3、数值模拟法,（1）五区块模式,中国沿海风暴潮计算的五个区域划分,基本方程,=,=,=,（2）SLOSH模式（3）国家海洋预报中心模式,4.5.2台风暴潮强度等级划分,第五章：