海洋波浪常规特征参数的定义和说明

海洋波浪常规特征参数的定义和说明第一部分波浪的相关知识第二部分波浪的主要参数第一部分波浪的相关知识波浪测量入门：本文介绍有关波浪的一些知识，通过本文，你会对波浪有一些了解，并对你要测量什么样的波浪以及如何去测量出这些波浪有一些相关的认识。本文可以作为PDF文旦下载，只需点击“相关内容”即可下载。什么是波浪？在所有的水体中，我们都能体验到波的存在。这些波浪波长范围很广，长波的有潮汐（有太阳和月亮之间的万有引力产生的），短波的是由微风吹过水面产生的。如果从波浪的能量分布来看，你会发现波浪能量主要分布在0.5秒到12小时之间的波浪范围。比较有意义的能量分布区域为频段在0.5至30秒范围的波浪区域，这些波浪通常都是风产生的（见图1）。这一波浪频段也正是波浪学家和海洋学家分析波浪时所关注的。如何精确地测绘波浪，也就是说如何使用正确的测量方法将这一频段的波浪描绘出来。对于0.5-30秒的波浪，表明波浪是变化的，而且特征独特。波浪起始于当地季风产生的波高较小、周期较短的小波，随着风力的加大，风持续时间的延长，波浪就会越来越大。因此，位于一个特定海域的波浪状态是由当地海风产生的微波和远距离（可能是几百或几千公里外）以外的飓风产生的波浪的组合形成的。这对于我们测波的人来说，就需要明白，测量点的波浪情况通常是由不同幅度、不同周期、不同方向的波浪组成的集合。掌握这一点是精确测绘波浪的第一步。我们如何测量波浪？既然波浪是随机的，当我们测量波浪就需要在采样一段时间内，而且呢，这段采样时间最好能代表测量海区的完整的波浪状态。经验上，我们一般会设定预计所测量的最大的波周期的100倍的时间作为采样周期。例如，若我们预计测量海域的最长波周期为10秒，我们取1000秒作为采样周期。单纯时间序列的原始数据是没有太大实际意义的，我们需要将这些数据进行处理并得出相关的波浪特征值的参数，这些特征值能够广泛的精确地代表测量海域的波浪状态。最通常的波浪特征值包含，对应于时间序列的波高、周期、波向的单一数值。图1能量分布。影区代表0.5-30秒的风浪频段。通常测波浪的频段。时间序列分析最简单的估算波浪参数的方法是在一个测量点位上估算时间序列的海水表面的高度变化。一个比较经典的例子是在实验室中使用一个测波标杆测量波浪随时间繁衍的轨迹变化。通过时间序列分析结果，可以确定出波面相对于平均水位的上下位移变化。这样，单个的波当轨迹穿过平均水位时可以被确定下来，这就是所谓的跨零算法（见图2）。这个波就可以以周期（定义为跨越平均水位的时间）和波高（在定义为在两个跨零之间的波谷和波峰之间的距离）这两个特性描述出来。将很多个这种的波都分别以波高和周期的特性记录下来，就构成了一个波浪记录。若把这些波的高度和周期都记录下来，用这些记录就可以计算出特征参数周期和波高。最有代表性的特征值是三分之一波高(H3)和平均周期(Tz)。三分之一波高(H3)波高的定义是所测量到的所有波高数据，取排在前面得1/3个，再做平均所得的波高值。平均周期的定义是所测量到的所有波浪的周期做平均，所得的周期数据。其他的特征值包含：最大波高（Hmax），就是所有测量到得波高数据中最大的。1/10波高（H1/10），取排在前面得1/10个波高数据，再做平均所得的波高值。这两个特征值通常用于近岸工程的设计和评估，只有使用能直接测量波面变化的测量设备才能获得，间接测量波面变化的测量设备得不出这两个特征值。图2波面的时间序列实例。在这里，跨零算法用于确定单个的波高和波周期谱分析上面有关时间序列分析的讨论看起来是一种比较合适的波浪测量手段，但它还是会受两个方面的限制。第一个是时间序列分析延续时间一般比较短，第二个是，对于很多测波设备，无法直接测量水面的位移变化，因此无法实现时间序列分析。通常这些设备测量的是与波浪相关的参数，例如压力、流速，再推算出波浪的时序谱（例如图3的波谱例子）。对各种波浪测量来说，即使减少非直接测量仪器的安装数量，而波谱分析仍是主要的波浪数据处理方式。它提供多种波浪参数并支持有向波浪分析。这些从谱分析得到的波参数，包括峰值周期、峰值波向，和平均周期的特殊推算和有效波高，分别表示为Tm02和Hm0。最完整的解决方案，既是一个时间序列分析,有是一个频谱分析，然而通常当今的大多数测量设备是不能同时实现的。.图3时间序列的能量密度谱。这用于估算波高和周期。界面波特性：处于水面以下的波浪测量设备会以以下几种方式进行测量。间接测量波面方式主要是通过测量与波面相关联的水文参数实现，如压力和轨道流速。在我们继续讨论有关的原理前，我想先对波浪经过一个点位时所出现的现象作一些说明，这会有助于对这些不太熟悉的用户理解相关的原理。图4水面下流速轨迹的传播描述。注意流速轨迹也随水深变大而衰减。当波浪传播到一个位置时，在水面以下的流速是独特的，由于波峰下的水流沿波浪传播方向受波浪的影响，波谷下的水流受波浪沿传播方向相反的影响，所以流向是变化的。这些在随着水深的变化形成循环的运动线路是圆形的轨迹，被称之为波浪的轨道流速。有关轨道流速的描述，一个比较重要的特性是它随着水深增加和波浪波长的减小而成指数次衰减。这意味着短周期波在深水域不会产生轨道流。同样对于压力测量，都是随着水深增加和波浪波长的减小，而成指数次衰减。以下会讨论相关的测量技术，你会发现这一重要特征的影响和由此所造成的测量的局限性，在投放水深和测量波浪的波长方面。对于动态压力的测量也是如此，由于对于轨道速度也是相同的依赖，这意味着它也会伴随深度越深和波长越短而测量的作用急剧衰减。在下面的测量技术讨论中，会看到这一点的重要性，它的测量局限于仪器投放的深度和波浪特征，才能保证（比如长波相对于短波）有效地测量。以下的网址提供以上特性的动态图示，这是一个很有效的工具，用可自行设定波高，周期和水深，看相关的变化。/faculty/rad/linearplot.htmlNortek波浪测量手段Nortek生产的波浪仪测量时投放在水下，有效地回避了水面的船只碰撞、认为损坏、被盗等危险。可同时采集压力、流速、和声学波高数据（AST）用于波浪测量。以下分别描述不同的波浪测量方式及其相关的设备。另外插一句，这些测量方式对水下波浪测量仪器的发展都起到了一定的推动作用。Nortek经历十多年的研究和发展所生产的水下波浪仪，已经完善地将测波范围拓宽至0.5至30秒的最佳测量波段了。PUV法PUV法可能是最早用于水下波浪仪测量有向和无向波的方法，最早可追述至20世纪70年代，由于这种方法对测量仪器和数据处理的方式要求不高，所以目前依然仍在使用。其实，它的名字本身就对他的定义做了很好的说明：P是指压力，UV代表横向轴向的两维轨道流速压力测量可提供所有无向无向波浪参数的平均估算，结合PUV参数，就可做有向波浪的参数估算。PUV这三个参数的测量点位都是在一起的投放点位完成的，而且都是测量的同一点位，也被称为三要素测量。针对PUV法测波仪，Nortek提供三种测量仪器，它们是威龙（Vector）,小阔龙（AquadoppCurrentMeter）和阔龙（AquadoppCurrentProfiler）。对于PUV法测波最重要的事是：(a)投放水深要浅(小于10-15meters)。(b)测量的波是长波(大约是4秒以上)。后边的这一条尤为重要，对于那些想要测量完整波浪波段的用户，一定要注意，使用PUV法是测不出来短波的。在本文开始时就说过，精确地波浪测量要测量完整的风浪波段（0.5-30秒），若不能完整的测量这一个波段，可能会造成波高估算不足或丢失波谱的峰值点。唯一的解决办法就是缩减投放测量点的水深。（例如选择3米水深的投放点）。PUV法测波存在切断周期的原因是由于所测量的参数信号（压力或轨道流速）随水深的增加和波浪周期的减小而快速衰减。图5NortekPUV法测波仪。从左至右依次为(a)小阔龙Aquadopp,(b)威龙Vector,(c)阔龙AquadoppProfiler.Arraymethod阵列法PUV法测波的不足促发了另一个新的测波技术的发展，这一技术出现在90年代初期。这一方法包含将剖面流速仪放在接近水表的位置，并测量接近水表的轨道流流速。这样，就可以在深水域测量比较短周期的波浪了。使用这种方式，投放水深可以加倍或切断频率可以减半。当然，这种方法也有它的缺点。需要一个更加复杂的处理方法，因为他测量的是水面以下的单元的阵列。最通用的这列处理方法成为最大似然法（MaximumLikelihoodMethod）。这一方案是非凡的，而且有着非常好的演示结果。阵列方法的一个问题是若将设备投放在通常水域测波（如15米水深）依然很难覆盖波浪的所有波段（0.5-30s）。这是由于组成阵列的流速单元之间的横向宽度限制了测波的波长。当水平宽度大于1/2测量波浪的波长时，计算也许不在有效。而且，这一限制同时出现在有向波和无向波的测量上。表1给出了了不同水深的切断频率。标准配置的Nortek浪龙AWAC提供这种测量方法。这一测量方法对水下测波技术是一个很大的进步；然而，整个波浪波段依然未能完全覆盖，也就是说可能出现波高估算的误差。这就促使了更加直接测量波表面的测量方式。图6(a)浪龙AWAC和轨道流速的测量单元阵列(黄色)以及表面声跟踪AST(红色),(b)浪龙AWAC测量阵列的俯视图水深与切断频率、周期的对应关系DepthCutoffFrequencyCutoffPeriod50.71.45100.452.2200.323.1300.263.85400.234.35500.205.0600.185.5表1阵列法切断频率(cutofffrequency)限制表表面声跟踪(AST)2002，NortekAS公司新推出的AWAC浪龙首次加入了表面声跟踪选项。浪龙中心的垂向声束专门用于测量至水表面的距离，就像测深仪的换能器一样。直接测量有许多优势：首先，对于沿岸的测量不再有水深限制了，同时全部的风浪波段已经被基本覆盖了。AST测量也允许时间序列和谱分析同时并存。这意味着工程设计参数像Hmax和H10能直接被测量出来。AST成为了浪龙AWAC成功的基石。之后对于多次的数据100%回收的对比分析，波浪参数的测量结果非常好。总之，AST克服了水下测波仪所有的缺点，同时风浪波段已经被基本覆盖了。使用AST的有向波谱测量AST测量由于本身只局限非方向波的测量，这就意味着依然还要使用阵列法测量方向波，当然因此受限于测量的水深。2005年,Nortek申请了一个新的波浪数据处理方法的专利，这一方法是适用于表面声跟踪的浪龙波浪数据处理的。这一方法是PUV法和AST测量方法结合的产物。在这一方法中，依然测量轨道流速，但不是测量阵列而是将流速转换为沿UV轴向的分向流速。另一个不同是使用声学测波高，而不是压力。这样浪龙就可以安装在水底或浅标上测波了。这意味着，对于一些使用阵列法无法实现的测量水域（如60-100米），可以将浪龙安装在浅标上，靠近水表（如30米水深处）测波。就像是将浪龙安装在一处30米水深的水底测波一样。图7使用AST的有向波测量,(a)浪龙安装于水下浅标中靠近水表测波(b)AST,U,V的测量。总结以上的讨论阐述了各种测波方式之间的不同以及各自的限制。总之，波浪测量的精准取决于风浪的如何被尽量完整准确的测量出来。最终选择的测量方式应该能覆盖你所要测量的波浪频段。对于投放水深很浅，而且只关心长波的用户，PUV法就是很好的测量手段。例如对于调查浅水建筑波浪响应的用户。但对于一个要在港湾入口一边，测量完整的波浪环境的用户，PUV方法就不够用了，很有可能会出现波高估算不足的误差。一般来说，很少用户选购浪龙AWAC时不带AST功能。单纯的阵列法测波相对于拥有AST的波浪测量要逊色太多。AST使浪龙有更高的测波性能和更多的灵活性，他可以在PUV和AST方法之间自由切换。PUV法趋于特殊项目的使用，它对投放水深和波浪周期有一定的要求。最终用户对测波方式的选择，最好通过与Nortek资深工程师讨论做出决定。回卷首第二部分波浪的主要参数Wavespectrum波谱：（Waveformat:Nip中波浪格式）1.Tm02(orT2):MeanPeriod.(correspondingtotheMeanZero-DowncrossingPeriodTz）English:Meanperiodspectrumbased.[s].[Nip]Thisistheaverageperiodforallthewavesintheburstanditiscalculatedfromtheenergyspectrumaccordingtothefirstandsecondmomentoftheenergyspectrum:Tm02=sum(M0/M02).Thevalueisreportedinseconds.中文：平均周期。（与Tz跨零平均周期有关）是在一次脉冲测量的所有波浪的平均周期，它是从能量谱计算来的，方法是由能谱的第一和第二时刻相除：Tm02=sum（M0/M02）。该测量值以秒为单位。其中MN是指能谱的第N次的瞬时时刻。2.Tpeak(TP):PeakPeriod(Tpeak).English:Thisistheperiodofthewavescorrespondingtothepeakfrequencyforthewavespectrum.Thevalueisreportedinseconds.PeakPeriod,thisistheperiodassociatedwiththefrequencythathasthemostenergy(orpeak).ItisdefinedasTp=1/f(max(S(f))whereS(f)istheenergydistribution.中文：波峰值周期Peakperiod):这与波谱峰值频率相关的波周期，该测量值以秒为单位。代表最大能量（峰值）相关的频率周期。定义为：Tp=1/f(max(S(f))，这里S(f)能量的分布。Tz：MeanZero-crossingPeriodEnglish:Thisisthemeanperiodcalculatedfromthezero-crossingtechnique.Itiscalculatedasthemeanofalltheperiodsinthewaveburst.Thevalueisreportedinseconds.中文：跨零周期。这是从跨零方式计算的平均周期，在波测量的，对于所有周期的平均计算。该测量值以秒为单位。3.DirTp(DP):DirectionatTp.[°]PeakdirectionEnglish:PeakDirection(TpDir)Thisisthedirectionofthewavecorrespondingtothepeakperiod.Peakdirectionisthedirectionatthepeakfrequency.Thedirectionisreportedindegrees.中文：波峰值波向。是指在最高频率的峰值波向。4.SprTp(SP):SpreadingatTp.[°]English:PeakSpreadingisameasureofhowmuchvariancethereiswiththedirectionalestimates.Highvaluesmaybethoughtofasapoorlyorganizedwavefieldwhereaslowvaluessuggestwavescomingfrommoreorlessthesamedirection.Theupperlimitis82degrees.ThedefinitionisSprTp=sqrt(2*(1.0-r1))*180/PI,wherer1=sqrt(A1*A1+B1*B1)andA1andB1arefirstpairofFouriercoefficientsatthepeakfrequency.中文：SprTp(峰值扩散度Peakspreading)：是指由对波向的测量来估算波向上的变化量。较高的数值一般代表着较乱的散波场结构，而较小的值会代表波大都来自同一个方向。最大上限为82度，公式定义为：SprTp=sqrt(2*(1.0-r1))*180/PI，这里r1=sqrt(A1*A1+B1*B1)，A1，B1是在峰值频率的第一对傅里叶系数。5.DirectionalSpread(Spr1)English:Thedirectionalspreadisameasureofthedirectionalvariance.Theestimateiscalculatedforthepeakfrequency.Thevalueisreportedindegrees.中文：波向离散度。指在波方向上的离散程度，与SprTp定义相似，是对于峰值频率的计算估计，单位度。6.DirMean(DM):Meanwavedirection.[degree]English:TheMeanDirectionistheenergyweighteddirectionorAverageDirection.TheenergyweightingisappliedtotheFouriercoefficientsinsteadoftheresultingdirectionestimates,theta.A1_band=sum(S(f)*A1(f))/sum(S(f)),B1_band=sum(S(f)*B1(f))/sum(S(f)),MeanDir=atan2(B1_band,A1_band),Forthiscasethe"band"istheentirefrequencyrangeoftheenergyspectrum.Notethatifwewereinterestedindirectionalestimateswithinaband(forexampleswell)thenwewouldsimplyperformtheintegration(sum)overtheswellfrequencyband.中文：MeanDir(平均波向，主波向Meandirection)：平均方向是指能量主要分布方向或平均的方向。一般在傅里叶系数使用能量加权法来代替方向的结果估算，A1_band=sum(S(f)*A1(f))/sum(S(f)),B1_band=sum(S(f)*B1(f))/sum(S(f)),MeanDir=atan2(B1_band,A1_band)，这里的“波带”是指能谱的全部频率范围，如果我们对于用某一波段的波向估算感兴趣（例如涌浪），可以对于涌浪频率波段简单地积分（取和）来计算。其中：[atan2（x_num,y_num）根据给定的X轴及Y轴坐标值，返回反正切值。返回值在-Pi到Pi之间（不包括-Pi）]UIUnidirectivityindex.English:Thisisameasureofhowmuchofthewaveenergyoverthefullspectrumisfromasingledirection.Valuesrangefrom0.0to1.0,andavalueof1.0indicatestheenergyisfromoneprimarydirection.Wavespectrawithpeakenergyatseveraldirectionsorfrequencieswillleadtolowervalues.中文：波向离散系数。这是从一个单一的方向来对所有波谱的能量大小的测量。系数值范围从0.0到1.0，这里1.0值表示的能量从一个主方向。如果波峰值能量谱在几个方向或几个频率将会使波向离散系数的值测量较低。7.Hm0(H0):Spectralsignificantwaveheight[m].English:ThisistheclassicestimatesometimesreferredtoasHs.Itiscalculatedfromtheenergyspectrum,Hmo=4sqrt(sum(M0)).中文：有效波高，应用于特性波高的估算，一般用Hm0=4*sqrt(sum(S))来计算表示。H3STsignificant(33%)waveheight.[m]English:Mean1/3WaveHeight(H3)Thisisthemeanofthe1/3largestwaveinarecord.Itisatimeseriesbasedestimate.Typicallythisvalueis5%largerthanHm0,yetvariationscanbegreaterorsmaller.中文：H3()三分之一波高。将一段时间内观察到的波高从大到小排列，取前三分之一的数值进行平均计算。是时间序列上的估算，这是一个代表性波高的形式，它定义为所有上跨零点波浪最高1/3波高的平均值。一般比有效波高大5%，当然差别也许大也许小（比如，共有三十个数值，你从大到小排列后，取前十个的数值进行平均计算。）T3STsignificant(33%)waveperiod.[m]三分之一波高的周期，这是一个代表性参数。8.H10(H1):STwaveheighttop10%.[m]English:Mean1/10WaveHeight(H10)Thisisthemeanofthe1/10largestwaveinarecord.ItisatimeseriesbasedestimatewhenASTisavailable.WhenASTisnotavailable,thenthisestimatemaysimplybepresentedasalinearextrapolationofHmo,wherebyH10=1.27Hm0.中文：H10()：十分之一波高，将一段时间内观察到的波高从大到小排列，取前十分之一的数值进行平均计算，它定义为所有上跨零点波浪最高1/10波高的平均值。（如果采用AST测量，是对时间序列上的计算。如果简单地由有效波高的线性估算，H10=1.27Hm0。T10(T1)STwaveperiodtop10%.[s]十分之一波高的周期，这是一个代表性参数。9.HmaxHXSTmaxwaveheightinwaveensemble.[m]English:MaximumWaveHeight(Hmax)Thisisthelargestwaveinarecord.ItisatimeseriesbasedestimatewhenASTisavailable.WhenASTisnotavailable,thenthisestimatemaysimplybepresentedasalinearextrapolationofHm0,wherebyHmax=1.67Hm0.中文：Hmax:最大波高，就是观察到的最大的波高数值，是所有上跨零点波在波峰波谷之间的最大差异。（如果采用AST测量，是对时间序列上的计算。如果简单地由有效波高的线性估算，H10=1.67Hm0。10.TmaxSTmaxperiodinwaveensemble.[s]TZSTmeanzero-crossingperiod.[s]最大周期和跨零周期。11.PressureMeanPMMeanpressureduringburst.[m]English:Themeanpressureiscalculatedoverthedurationoftheburst,andprovidesestimateofthedepth.Thevalueisreportedindecibars.Infreshwater,1dbar=1meterofwater.Th