海洋科学导论第四章

1、海洋的运动现象第四章、海洋中的波动现象第四章、海洋中的波动现象学习目的学习目的 波动现象是海水的基本运动形式之一。海洋波动的波动现象是海水的基本运动形式之一。海洋波动的基本特点是：基本特点是：水质点离开平衡位置作周期与准周期性的水质点离开平衡位置作周期与准周期性的运动。由于流体的连续性，致使波动状态随时间与空间运动。由于流体的连续性，致使波动状态随时间与空间周期性传播。周期性传播。 海洋中实际的波动复杂。了解海洋中波动现象规海洋中实际的波动复杂。了解海洋中波动现象规律、成因和发展有利于我们更好的适应它、利用它。律、成因和发展有利于我们更好的适应它、利用它。第四章、海洋中的波动现象第四章、海洋中

2、的波动现象第一节、波浪要素和分类第一节、波浪要素和分类第二节、波浪运动的基本特性第二节、波浪运动的基本特性第三节、有限振幅波动第三节、有限振幅波动第四节、风浪和涌浪第四节、风浪和涌浪第五节、浅海和近岸的海浪第五节、浅海和近岸的海浪第六节、大洋风浪基本状况第六节、大洋风浪基本状况第一节、波浪要素和分类第一节、波浪要素和分类一、波浪要素一、波浪要素波峰波峰波浪高出平衡面的部分波浪高出平衡面的部分 最高点最高点-波顶波顶 波峰波峰波谷波谷波浪低于平衡面的部分波浪低于平衡面的部分 最低点最低点-波底波底 波谷波谷波高波高(H)相邻波顶到波底间垂直距离相邻波顶到波底间垂直距离振幅振幅(a)波高的一半波高

3、的一半波高波高波长（波长（）相邻波顶相邻波顶(或波底或波底)间水平距离。单位：间水平距离。单位：m波长波长波陡（波陡（）H/H/，理论极限，理论极限:1/7周期（周期（T）一个波通过一固定点的时间。单位：秒一个波通过一固定点的时间。单位：秒波速波速(C)波形向前移动的速度。波形向前移动的速度。C=/T 单位单位:米秒米秒波峰线波峰线波顶的连线。波顶的连线。波向线波向线与波峰线垂直表示波动传播方向的线与波峰线垂直表示波动传播方向的线 。波波峰峰线线波向线波向线二、波浪表示法二、波浪表示法 1、平均波高、平均波高 Hi21ii2211NNNHNHNHN N：波高总个数：波高总个数i：波高依大小排列

4、的顺序号：波高依大小排列的顺序号 海面波高的平均状态海面波高的平均状态2、均方根波高、均方根波高 Hs =NHN1i2i1反映海浪能量的平均状态反映海浪能量的平均状态3、部分大波的平均波高、部分大波的平均波高 波浪的显著部分或特别显著部分波浪的显著部分或特别显著部分 H1/100 H1/3 H1/10H1/3波高波高有效波高有效波高N/3HN?iiH1/3=国际和国内船舶通报以及海浪和预报图中最常用的波高国际和国内船舶通报以及海浪和预报图中最常用的波高 最大最大1/3 、 1/10、 1/100波高波高波级表波级表0-5級級蒲福风级与海浪状况蒲福风级与海浪状况三、波浪分类三、波浪分类1 1、按

5、、按成因：成因：1）海浪海浪(ocean wave) ： 由风产生的波浪由风产生的波浪:风浪风浪 涌浪涌浪2）.潮汐波潮汐波( tidal wave ) ： 天体引潮力作用下产生的波动天体引潮力作用下产生的波动3）.海啸海啸 海底地震、火山爆发、塌陷和滑海底地震、火山爆发、塌陷和滑坡向海水释放能量引起的波动。坡向海水释放能量引起的波动。 深水区：深水区：传播速度快传播速度快T：几分：几分-几十分几十分：数百千米：数百千米H ：数米：数米 ：10-5左右左右波长很大波长很大波形不易崩溃波形不易崩溃接近浅水区域，波高增大接近浅水区域，波高增大4）.风暴潮（风暴潮（storm surge） 热带气旋

6、引起局部海面振荡或非周期性热带气旋引起局部海面振荡或非周期性异常升高异常升高(降低降低)现象。现象。 别名：别名： 气象海啸气象海啸 与天文大潮结合，水位暴涨与天文大潮结合，水位暴涨5).内波（内波（interal wave） 流体中密度垂直分布层化时，由外力扰动流体中密度垂直分布层化时，由外力扰动产生的波动产生的波动 。相同能量产生的内波振幅大于海面波振幅相同能量产生的内波振幅大于海面波振幅海面的海水上升需要克服重力海面的海水上升需要克服重力海洋内部海水上升，重力和浮力几乎抵消海洋内部海水上升，重力和浮力几乎抵消海洋内波的特点海洋内波的特点海洋内波的利弊海洋内波的利弊 内波引起的混合，尤其是

7、穿过跃层的混合有内波引起的混合，尤其是穿过跃层的混合有利于物质和能量的输送，对海洋环境和生态利于物质和能量的输送，对海洋环境和生态保护发挥重要作用。保护发挥重要作用。 可以反复将深层较冷的海水连同营养物带到可以反复将深层较冷的海水连同营养物带到较暖的浅层，促进生物的生息繁衍较暖的浅层，促进生物的生息繁衍 。海洋内波的利弊海洋内波的利弊增加了水下通讯和目标探测的困难增加了水下通讯和目标探测的困难 利于声纳探测水深利于声纳探测水深利于声纳探测鱼群利于声纳探测鱼群海洋内波的利弊海洋内波的利弊 内波大的振幅会导致处于此处的潜水艇无法内波大的振幅会导致处于此处的潜水艇无法操作及鱼雷脱靶操作及鱼雷脱靶 海

8、上平台受损海上平台受损 1963年年4月月10日，美国日，美国“长尾鲨长尾鲨”号核潜艇，在号核潜艇，在大西洋距波士顿港口大西洋距波士顿港口350公里处突然沉没，艇公里处突然沉没，艇上上129人无一生还，事后经过对沉入海底，变人无一生还，事后经过对沉入海底，变成碎片的残核分析判断，下沉的原因是潜艇成碎片的残核分析判断，下沉的原因是潜艇在水中航渡时，遇到了强烈的内波，将其拖在水中航渡时，遇到了强烈的内波，将其拖拽至海底而被压碎。拽至海底而被压碎。2、依波形的传播性质：、依波形的传播性质：1）.前进波前进波( progressive wave )： 波形不断地向前传播的波浪波形不断地向前传播的波浪2

9、）.驻波驻波(standing wave) 波形不向前传播波形不向前传播,只是波峰和波谷在固定点不只是波峰和波谷在固定点不断地升降交替着的波浪断地升降交替着的波浪,3、依水深相对波长的大小：、依水深相对波长的大小：1）深水波（）深水波（deep water wave） 水深水深h相对波长相对波长 很大很大 h/ 1/2-深水波界限深水波界限2）浅水波（）浅水波（shallow water wave）水深相对波长很小水深相对波长很小 h/ 1/20-浅水波界限浅水波界限1）、毛细波）、毛细波(Capillary wave) 恢复力恢复力表面张力表面张力 波长波长1.74cm， 表面张力波表面张力

10、波2、重力波、重力波 (gravitational wave) 恢复力恢复力重力重力4、按照波动的主要恢复力、按照波动的主要恢复力5、按作用力的影响情况、按作用力的影响情况1).自由波自由波(free wave)外力作用消失，波动继续存在并自由振动外力作用消失，波动继续存在并自由振动2).强制波强制波(forced wave)扰动力连续作用产生的波动扰动力连续作用产生的波动第二节、波浪运动的基本特性第二节、波浪运动的基本特性小振幅波理论小振幅波理论有限振幅波理论有限振幅波理论振幅相对于波长为无限小振幅相对于波长为无限小振幅是有限的振幅是有限的一、水质点运动与波形传播一、水质点运动与波形传播 波

11、形的传播：波形的传播： 同一个波面上的水质点各以一定的位同一个波面上的水质点各以一定的位相差，相同的周期，沿着各自的，形状彼相差，相同的周期，沿着各自的，形状彼此相同的轨迹运动的结果。此相同的轨迹运动的结果。水质点运动一周，传播一个波长水质点运动一周，传播一个波长水质点运动一圈的时间水质点运动一圈的时间=周期周期T水质点轨道水质点轨道=波高波高H水质点运动速度水质点运动速度S=H/ T30二、波长、周期、波速和水深间的关系二、波长、周期、波速和水深间的关系C2= C：波速，：波速，g：重力加速度，：重力加速度，：波长，：波长，h h：水深：水深h2tanh2g波长、波速与水深有关波长、波速与水

12、深有关 -x-xxeee-exxtanh定义为：定义为： x很大时，很大时，tanhx = 1x很小时，很小时， tanhx = xh2tanh：双曲线正切：双曲线正切1、深水波、深水波 C= 2gC仅决定于仅决定于, 与与h无关。无关。 22gT 1)已知已知T C=1.56 T =1.56T22)已知已知 251.C80.T3)已知已知C T=0.64C =0.64C22、浅水波、浅水波 C=gh C仅决定于仅决定于h三、波动随深度而变化三、波动随深度而变化1、深水波、深水波 振幅振幅a=a0e-2z/z/a0：表面水质点的圆半径（振幅），：表面水质点的圆半径（振幅），z：水质点所处的深度

13、：水质点所处的深度 H=H0 e-2z/-2z/深度递增，波高指数规律递减深度递增，波高指数规律递减表面波表面波深度增加，波高线性递减，至海底为深度增加，波高线性递减，至海底为0，水质点的水平运动上下一致。水质点的水平运动上下一致。 2、浅水波、浅水波四、波动的能量四、波动的能量沿波锋方向沿波锋方向单位宽度一个波长内势能：单位宽度一个波长内势能：Ep=1/16gH2 单位宽度一个波长内动能：单位宽度一个波长内动能：Ek=1/16gH2 总能量：总能量：E = Ep + Ek =1/8gH2=1/2ga2 能量传递速率：能量传递速率：P=1/2EC 能量的一半以波速随波传播能量的一半以波速随波传

14、播-势能传播势能传播单一波单一波=100m，H=1.414m 合成波合成波波波1-=100m， H= 1m波波2 -=80m， H= 1m夹角：夹角：60单一波单一波: HMAX = 1.414m合成波合成波: HMAX=2m波波浪浪能能量量密密度度五、正弦波的叠加五、正弦波的叠加五、正弦波的叠加五、正弦波的叠加1、波群、波群 波的相互叠加，形成振幅由小到大，再由大到小的波的相互叠加，形成振幅由小到大，再由大到小的群集分布的波。群集分布的波。两列传播方向相同，波长和周期稍有不两列传播方向相同，波长和周期稍有不同的波叠加同的波叠加 群速群速Cg： 合成波波群的包络线所表合成波波群的包络线所表示波

15、形的传播速度示波形的传播速度 。深水波：深水波：群速为个别波速的一半。群速为个别波速的一半。Cg=1/2C浅水波：浅水波：群速与个别波波速相等。群速与个别波波速相等。Cg=C2、驻波、驻波两列振幅、波长、周期均相同，波向相反的正弦波叠加形两列振幅、波长、周期均相同，波向相反的正弦波叠加形成波形不传播、波面只在原地振动的波。成波形不传播、波面只在原地振动的波。1=asin(kx-t)2=asin(kx+t)合成波合成波:=2acostsinkx)sin(xat220时，0)sin(xt2041时，)sin(xat2242时，0)sin(xt2043时，幅度幅度2a -波腹波腹 (n=0,1,2,

16、处处)(n=0,1,2,处处)幅度幅度0 -波节波节412nx2nx( n=0,1,2,)时，时，0 波面水平波面水平Tnt412 特点：特点：相邻两个波腹或波节间的水平距离相邻两个波腹或波节间的水平距离1/2波长波长波腹处水质点只作垂直运动波腹处水质点只作垂直运动水质点通过波节时只作水平运动水质点通过波节时只作水平运动在波节和波腹中间的点，既有水平速度又有垂直速度在波节和波腹中间的点，既有水平速度又有垂直速度波面处于最高、最低位置时，水质点速度为波面处于最高、最低位置时，水质点速度为0，波面升降速度为波面升降速度为0；波面处于水平位置时，流速绝对值最大，波面波面处于水平位置时，流速绝对值最大

17、，波面升降最快。升降最快。第三节、有限振幅波动第三节、有限振幅波动一、斯托克斯波（一、斯托克斯波（Stokes wave）的波剖面）的波剖面 近似于摆线：近似于摆线： 波峰较陡较窄，波谷较平缓较宽波峰较陡较窄，波谷较平缓较宽 24H水质点振动中心高于平均水面：水质点振动中心高于平均水面：二、波速与波高二、波速与波高22212Hgc三、水质点运动轨迹三、水质点运动轨迹接近为圆，一个周期内不封闭。接近为圆，一个周期内不封闭。 波流（波流（wave-induced current） 水质点在水平方向产生一净的位移而导致沿波向的海水流动。水质点在水平方向产生一净的位移而导致沿波向的海水流动。/zceH

18、u422水平运动的速度水平运动的速度 ：Z:自水面向下的深度自水面向下的深度跨过单位波峰线宽度，自表至波动消失处，单位时间内，跨过单位波峰线宽度，自表至波动消失处，单位时间内，波流运输的海水体积波流运输的海水体积:42cHV四、波动的能量四、波动的能量 E Ek k E Ep p五、波浪破碎的原因五、波浪破碎的原因1、波峰：水质点向前运动速度、波峰：水质点向前运动速度波速。波速。2、波面上水分子在垂直方向上加速度、波面上水分子在垂直方向上加速度重力加速度，重力加速度， 水分子脱离波面。水分子脱离波面。 理论上：理论上： 波陡波陡1/7（波峰角（波峰角120）。）。实际观测：实际观测：当当1/1

19、0，波峰就会破碎。，波峰就会破碎。第四节、风浪和涌浪第四节、风浪和涌浪一、风浪的发生、发展和衰减一、风浪的发生、发展和衰减1、风浪形成、风浪形成风的压力不一致风的压力不一致 流体力学的观点流体力学的观点:两种相互接触而密度不同流体间发生的相对运动，原接触界面成两种相互接触而密度不同流体间发生的相对运动，原接触界面成为不稳定平衡面，必须形成一定的波状界面，才能维持平衡。为不稳定平衡面，必须形成一定的波状界面，才能维持平衡。（1）切应力：与风速（）切应力：与风速（U）成正比）成正比122、风浪的发展、风浪的发展A、获得能量、获得能量 气流与海面的摩擦作用气流与海面的摩擦作用风对海面作用力风对海面作

20、用力（2）正压力：与风速（）正压力：与风速（U）和波速）和波速(C)差的平方成正比。差的平方成正比。U U c c：波浪受正压力和切应力两个分力作用波浪受正压力和切应力两个分力作用c cU U：波浪受切应力的作用波浪受切应力的作用B、消耗能量、消耗能量u摩擦消耗摩擦消耗u波峰翻倒释放能量波峰翻倒释放能量 C、能量输入、能量输入=消耗消耗风浪稳定风浪稳定形成该风速条件下的最大风浪形成该风速条件下的最大风浪3、风浪的消亡、风浪的消亡 空气阻力空气阻力海底摩擦海底摩擦内部运动内部运动向四周传播向四周传播能量消耗能量消耗U=0，能量不输入，能量不输入二、影响风浪生成、发展和衰减的因素二、影响风浪生成、

21、发展和衰减的因素1.风速风速U 风速越大，波浪要素（波高、波长、周期、波速）也越大风速越大，波浪要素（波高、波长、周期、波速）也越大 2.风时风时t：风速风向相同的风连续作用的时间：风速风向相同的风连续作用的时间产生波浪的风向左右产生波浪的风向左右30范围以内的风连续吹刮的时间范围以内的风连续吹刮的时间风时越大，波浪要素也越大风时越大，波浪要素也越大 3.风区风区F：风速风向相同的风作用的海区。：风速风向相同的风作用的海区。风区长度：风区长度：自风区的上沿（风开始的地方），沿风吹的方向到某一点的距离。自风区的上沿（风开始的地方），沿风吹的方向到某一点的距离。 风距风距 风距越大，波浪要素也越大

22、风距越大，波浪要素也越大4.海洋深度、地形、岸线形状海洋深度、地形、岸线形状 三、风浪成长的状态及判断标准（深水波）三、风浪成长的状态及判断标准（深水波）1、定常状态：、定常状态： 海面各点的波浪要素趋于定常，但各点的值不等，海面各点的波浪要素趋于定常，但各点的值不等，风距越大，波浪越大的状态。风距越大，波浪越大的状态。 定常状态定常状态2、过渡状态：、过渡状态： 海面各点的波浪要素相同，并随着时间的增长而增海面各点的波浪要素相同，并随着时间的增长而增大的状态。大的状态。定常状态定常状态过渡状态过渡状态3、判断风浪状态的标准：、判断风浪状态的标准：1）最小风时（）最小风时（tmin）：）：在一

23、定风速下，在给定的风区长度处出现最大风浪在一定风速下，在给定的风区长度处出现最大风浪(达到定达到定常常)时所需的时间。时所需的时间。实际风时实际风时最小风时最小风时过渡状态过渡状态2）最小风区（）最小风区（Fmin） 在一定风速下，在给定的风时内产生最大风浪所在一定风速下，在给定的风时内产生最大风浪所需的风区长度。需的风区长度。实际风区实际风区最小风区最小风区过渡状态过渡状态p一定风速下，风距一定风速下，风距 ，风浪达定常状态的时间，风浪达定常状态的时间 ， 风时风时 ，风浪达定常状态的风距，风浪达定常状态的风距 。原因：原因：l风传给风浪的能量与波高平方成正比风传给风浪的能量与波高平方成正比

24、l消耗于涡动作用的能量与波高的三次方或四次方成正比消耗于涡动作用的能量与波高的三次方或四次方成正比能量收支平衡能量收支平衡 充分成长状态。充分成长状态。4、风浪的充分成长状态、风浪的充分成长状态实际风距和风时同时分别实际风距和风时同时分别 Fmin和和tmin充分成长风浪的风速、风时与风距关系表充分成长风浪的风速、风时与风距关系表 充分成长状态的充分成长状态的Fmin和和tmin随风速随风速 而而 ，充分成长状态的风浪随风速充分成长状态的风浪随风速 而而 。 u成长初始，浅水与深水风浪无显著差异。成长初始，浅水与深水风浪无显著差异。u随风浪增长，差异变大，且深度愈小，差异愈大。随风浪增长，差异

25、变大，且深度愈小，差异愈大。u浅水，风浪较快趋于充分成长。浅水，风浪较快趋于充分成长。5、浅水中的风浪成长、浅水中的风浪成长平均深度较小的水域平均深度较小的水域 四、涌浪四、涌浪“风停浪不息风停浪不息”、“无风三尺浪无风三尺浪” 涌浪波高减低的原因：涌浪波高减低的原因：1、海水涡动粘滞性和空气阻力、海水涡动粘滞性和空气阻力2、离散作用、离散作用 3、角散、角散4、重力作用、重力作用 能量支出能量支出 能量几乎没变能量几乎没变 涌浪传播过程中，波高消减，涌浪传播过程中，波高消减，波速、周期与波长都增加波速、周期与波长都增加。E = 1/8gHE = 1/8gH2 2251.C80.T第五节、浅海和近岸的海浪第五节、浅海和近岸的海浪一、波浪折射一、波浪折射平直海岸平直海岸: E Fh h0 0h h1 1 h0 h1 等深线外侧等深线外侧00ghc 等深线内等深线内侧侧11ghc A C 0 B D1 BCsin00tc BCsin11tc 1010sinsincc C0=C1， 0=1，波向不变化。，波向不变化。C0C1 ， 01 ，波向变化，波向变化 折射折射 c c0 0 c c1 1波浪先到岬角，海湾处波浪仍以原来速度前进，波浪先到岬角，海