海洋要素计算与预报海浪学习教案

1、会计学1海洋要素计算海洋要素计算(j sun)与预报海浪与预报海浪第一页，共23页。几种几种(j zhn)典型的海浪谱典型的海浪谱 2122expUgCH241222expUgCH或或 Neumann谱（谱（1952） 第1页/共22页第二页，共23页。Neumann假定： 外观具有周期 的个别波为波谱(bp)中周期介于至 的各组成波叠加的结果。 2/d2/dNeumann谱（谱（1952） dUgCdS22262exp14)(22262exp14)(UgCS2/5510/1109 . 0UH52sm05. 3CUg320qpBASexp)(第2页/共22页第三页，共23页。Pierson-M

2、oscowitz（P-M）谱（）谱（1964） u 从北大西洋的从北大西洋的460组风浪组风浪(fnglng)观测资料中挑选出观测资料中挑选出54组属于组属于充分成长情形的数据，依风速分成充分成长情形的数据，依风速分成5组并将各组谱进行平均，发组并将各组谱进行平均，发现它们有良好的相似性。现它们有良好的相似性。 u 采用采用Kitaigorodskii的相似定律对的相似定律对5个平均的谱进行因次分析。个平均的谱进行因次分析。 gUfUgS53)(4553exp)(gUgUUgS38.1 10 , 0.74452exp)(gUgSUg877. 00405225. 1exp)(gS第3页/共22页

3、第四页，共23页。JONSWAP谱（谱（1973） 第4页/共22页第五页，共23页。 观测方法为观测方法为5种：小浮子式、水下压力式、电阻式测波杆、种：小浮子式、水下压力式、电阻式测波杆、“波浪波浪”骑士浮标骑士浮标(fbio)、纵摇、纵摇-横摇浮标横摇浮标(fbio)。各种仪器测得。各种仪器测得的数据很一致。共得到的数据很一致。共得到2500个谱。个谱。 JONSWAP谱（谱（1973） 202202)(exp405225. 1exp)(gS ,09. 0 ,07. 00022. 0076. 0 x2/Ugxx gU/00第5页/共22页第六页，共23页。JONSWAP谱相对谱相对(xin

4、gdu)于风区的成长于风区的成长 第6页/共22页第七页，共23页。文氏谱（文氏谱（1994） 000)()(mSSnjjjecS1)(无因次化无因次化 1)(0dS111njjcj0)(1dSd01njjjec j0R213211Rcjnjj2/102)/(mm第7页/共22页第八页，共23页。文氏谱（文氏谱（1994） )()()()(1)(222112222221SRRSRRRRS2699. 035. 05 . 525. 4) 1(1 .41exp)705. 01 (62. 3 ) 1(773. 0exp02. 1)(QQQQS42. 112 RQ)809. 0exp(14. 4766.

5、 0PQ000)(mSP7 . 23/135. 13/13 .95THP 第8页/共22页第九页，共23页。风浪风浪(fnglng)方向谱方向谱 nKGcos),(2cos)(),(2ssGG)(hsec2),(2G),(2exp14)(2226GUgCS 2 , 02 ,4cos32. 02cos)82. 050. 0(11),(44444422gUgUeeGSWOP（Stereo Wave Observation Project）方向(fngxing)谱 简单简单(jindn)余余弦形式弦形式 Longuet-Higgins形式形式 Donelan形式形式 第9页/共22页第十页，共23页

6、。海浪方向海浪方向(fngxing)谱的观测方法谱的观测方法 u 仪器阵列：测量浪场中同一物理量在不同位置处的时间序列。仪器阵列：测量浪场中同一物理量在不同位置处的时间序列。如采用垂线测波仪、如采用垂线测波仪、ADCP等。等。 u 单点测量：测量浪场中某一点处不同物理量的时间序列。如波单点测量：测量浪场中某一点处不同物理量的时间序列。如波面起伏与波面斜率的两个分量面起伏与波面斜率的两个分量(fn ling)，水下某深度处的压，水下某深度处的压强和流速的两个分量强和流速的两个分量(fn ling)。u 遥感方法遥感方法 ：在某一固定时刻对海面浪场的空间分布进行光学：在某一固定时刻对海面浪场的空间

7、分布进行光学或微波成像，然后对图象进行或微波成像，然后对图象进行Fourier分析得到海浪方向谱，分析得到海浪方向谱，其中还涉及到反演方法。如海面光学立体摄影，其中还涉及到反演方法。如海面光学立体摄影，SAR影像等。影像等。 第10页/共22页第十一页，共23页。1.3 海浪要素及统计海浪要素及统计(tngj)分布（短期分布）分布（短期分布） 海浪要素海浪要素(yo s)及特征波要素及特征波要素(yo s) u通常需要对波面记录进行预处理。通常需要对波面记录进行预处理。u上（下）跨零点上（下）跨零点(ln din)法法 。u峰峰-谷法。谷法。 u由波面记录读取的波高和周期均为随机量。由波面记录

8、读取的波高和周期均为随机量。第11页/共22页第十二页，共23页。海浪要素海浪要素(yo s)及特征波要素及特征波要素(yo s) （1）部分）部分(b fen)大波平均波大波平均波 0)(1HpdHHHfpH概率密度分布概率密度分布(fnb)函数函数 0)(HdHHfp1 , 3/1 ,10/1 ,100/1p百分之一大波、十分之一大波、三分之一大波、平均波百分之一大波、十分之一大波、三分之一大波、平均波 TTTT,3/110/1100/1有效波（有效波（significant wave） 第12页/共22页第十三页，共23页。海浪要素海浪要素(yo s)及特征波要素及特征波要素(yo s)

9、 （2）累积）累积(lij)率波率波 FHdHHfF)(%13 %,4 %,1F%13%4%1,HHH%13%4%1,TTT（3）最大波与方均根波高）最大波与方均根波高 最大波为波列中波最大波为波列中波(zhngb)高最大的波。高最大的波。 2/102rms)(dHHfHH第13页/共22页第十四页，共23页。由实测波面资料由实测波面资料(zlio)进行海浪波要素统计的具体步骤进行海浪波要素统计的具体步骤 ), 2 , 1(NiHi), 2 , 1(NiTiu对资料进行平稳性检验，去掉趋势项。u找出均线，确定上跨零点。u建立波高序列(xli)及相应的周期序列(xli)。u将波高序列(xli)按

10、从大到小的方式重新排序得到新的波高序列(xli)：将周期(zhuq)与其相应的波高一一对应得到新的周期(zhuq)序列：， 3/ ,1 ,13133/1133/133NNTNTHNHNiiNii第14页/共22页第十五页，共23页。由实测波面资料由实测波面资料(zlio)进行海浪波要素统计的具体步骤进行海浪波要素统计的具体步骤 10/ ,1 ,11011010/111010/11010NNTNTHNHNiiNii100/ ,1 ,11001100100/11100100/1100100NNTNTHNHNiiNii%1 , ,%1%1NiTTHHii%4 , ,%4%4NiTTHHii%13 ,

11、 ,%13%13NiTTHHii1max1max ,TTHH第15页/共22页第十六页，共23页。波面的分布波面的分布(fnb) 222/122exp)2(1)(f-正态分布正态分布 实际上波面的分布实际上波面的分布(fnb)为非正态的，在高海况下尤为显著。非线性海为非正态的，在高海况下尤为显著。非线性海浪模型（浪模型（Longuet-Higgins，1963） ： ijkijkijijii由随机量由随机量 的特征函数的特征函数(hnsh)可以导出其可以导出其概率分布函数概率分布函数(hnsh)为约化的为约化的Gram-Charlier级数。级数。 第16页/共22页第十七页，共23页。波高的

12、分布波高的分布(fnb) 0100)()(mmdSdS假定波动能量假定波动能量(nngling)集中于谱重心频率附近（集中于谱重心频率附近（Longuet-Higgins,1975） ：nnnntiat)(expRe)()exp(Re)(tietinnnnitiae)(exp第17页/共22页第十八页，共23页。波高的分布波高的分布(fnb) 定义定义(dngy)如下随机量：如下随机量： nnnnta)cos(cos1nnnnta)sin(sin2nnnnntat)sin()(13nnnnntat)cos()(24224230222120243212exp2exp)2(1),(f其中其中(qz

13、hng) 0)(dSrrJaccobi行列式：行列式： 24321),(),(第18页/共22页第十九页，共23页。波高的分布波高的分布(fnb) 22220220222exp2exp)2(),(f相对相对(xingdu)于于 和和 积分积分: 222022/1202/122exp2exp)2(),(f相对相对(xingdu)于于 积分积分:0202exp)(f取取 ,注意到注意到 , 则则 2H200 m2228exp4)(HHHf- Rayleigh分布分布 第19页/共22页第二十页，共23页。各种特征各种特征(tzhng)波高间的关系波高间的关系 2)(0dHHHfH2022rms8)(dHHfHH005. 43/1)(03/1HdHHHfH091. 510/1H672. 6100/1H第20页/