第六章-海浪.课件

第六章海浪本章重点：1、了解风的形成及类型和风况观测并掌握风资料的整理；2、了解海浪观测方法并掌握海浪观测资料的整理；3、掌握固定点波高和周期的统计分布及理论分布函数；4、掌握海浪要素的统计规律和海浪谱的基本知识。第一节海浪要素和分类一、海浪要素波峰波谷波峰线波向线波高波长周期波陡波速二、海浪分类1．强制波、自由波和混合浪2．毛细浪、重力波和长周期波4．长峰波和短峰波3．不规则波和规则波6．深水前进波和浅水前进波5．前进波和驻波深水波浅水波第二节风况基础知识一、风的形成及类型空气的水平运动大气压标准气压地面天气图高空天气图1．气压梯度力2．地转偏向力（科氏力）由法国数学家科里奥利（G.G.Coriolis)1835年确定。如：在北半球由南向北流的河流冲刷东岸。3．离心力概念——空气作圆周运动时，为保持沿惯性方向运动产生的力。•

惯性离心力同运动方向相垂直，自曲率中心沿半径指向外缘，其大小同空气运动的线速度（U）的平方成正比，与曲率半径（r）成反比。•实际大气空气运动曲率半径（几十千米——几千千米）很大，故C很小。但在低纬度或空气运动速度大而曲率半很小时，C较大并可能超过G。

•

作用——只改变风向，不改变风速大小。4．摩擦力在离海平面500-1000m的自由大气中，可忽略摩擦力的影响。在自由大气以下的摩擦层内，空气运动受到摩擦力的影响。例：△p=2.5hPa,△n=4,F=10°,△T=5℃,Us=13.5m/s,Ug=18m/s诺馍图1．经验公式2．诺馍图当没有风的实测资料时，可根据以下方法估算海面风速：例：△p=5hPa,△n=3.5,F=30°,△T=5℃,则：Us=？m/s,Ug=？m/s二、我国近海风况的特点1．季风——海陆间热力差异导致。2．寒潮大风——气温在24小时内降低10度以上，且最低气温降至5度以下，称为寒潮。3．台风——热带气旋台风（12级及以上）强热带风暴（10~11级）热带风暴（8~9级）热带低压（8级以下）三、风况观测风速风向（十六方位，表6-2）无风用C表示。（1）（2）蒲福风级，表6-3四、测风资料的整理风况图（风况玫瑰图）1．风向频率玫瑰图常风向ENE、E，同时也是大风风向2．最大风速玫瑰图资料：各个方向20-30年内的最大风速强风向为ENE、E、SSE3.风速的换算（1）标准：我国海港技术工程规范规定：对于波浪推算采用的标准是海面上10m高度处2min风速的平均值；对于港口建筑物设计采用的标准是海面上10m高度处10min风速的平均值。（2）高度换算式中，Z——仪器高度Z0——地（海）面粗糙度，地面取0.03m，海面取0.003mkZ——高度换算系数，见表6-5则：（3）海陆换算其中，K——海面风速增大系数（表6-6）注意：此公式岸站的海拔高度没有考虑。时距越短，风速U越大（4）风速时距换算简写为：第三节海浪观测一、波浪观测的方法1．岸用光学测波仪波浪观测的项目：海况（表6-7）、波型、波向、波高、周期、风速、风向、水深2．遥测重力测波仪3．压力式测波仪二、海浪资料的整理第四节海浪要素统计规律一、固定点波高和周期的统计分布周期平均周期波高平均波高下跨零点上跨零点波峰顶波谷底不规则波的平均周期与平均波长之关系：系数：波高模比系数ki波高分组Hi出现次数ni区间频率fi平均频率累积次数累积频率F（%）2.4—2.25.3—4.820.020.10222.2—2.04.8—4.410.010.05332.0—1.84.4—4.030.030.1566…………………0.2—0.00.4—0.020.020.101001001001.0表6-10列出了连续100个波高，对其进行分析（表6-11）：问：绘制累积频率图时，为什么用波高的模比系数？对于海洋中同一点，不同场次的波浪，尽管其波高的分布规律差异很大，但他们的波高的模比系数的统计规律是近似一样的。二、固定点波高和周期的理论分布函数1．波高的理论分布函数波面的概率密度函数进而推导出波面振幅的概率密度函数波高的理论概率密度函数——瑞利（Rayleigh)分布李雅普诺夫地定理：如果某随机变量是大量独立互不依赖的一系列量值很小的随机变量的总和，那么不论它们各自的分布规律如何，它们之和的分布规律总是服从正态分布。偏态系数为：离差系数为：密度最大处对应的波高：累积频率函数（分布函数）：对应于指定累积频率F%的波高：浅水区波高的分布函数：为浅水系数，当水很深时，即H*=0，则上式还原为深水公式。H*F%0(深水)0.10.20.30.40.5(破碎)0.52.5972.4032.2132.0291.8541.68712.4212.2562.0921.9321.7771.62822.2322.0961.9601.8251.6921.56351.9531.8591.7621.6621.5621.463…900.3360.4120.4620.5150.5720.633950.2560.2980.3460.4000.4610.529深水及浅水中各种累积频率所对应的波高模比系数：当波由深水处移向浅水处时，平均波高将发生变化，波列的分布规律也发生变化。深水中最大波高与波数的近似关系：在浅水中，还与有关：同样，当水很深时，即H*=0，则上式还原为深水公式。例1：P107例2：已知某浅水区d=20m，=3.0m，求H1%=？解：由/d=0.15，查表6-12得：H1%

/

=2.174，则H1%=2.174•=6.5m例3：已知某浅水区d=20m，H1%=5.0m，求H5%=？解：采用试算法设=2.2m/d=0.11计算得H1%

/

=2.273，查表得H1%

/

=2.239

H5%

/

=1.85则H5%=4.1m2．周期的理论分布函数周期的概率密度函数：周期的分布函数：上式改写为：F%F%F%0.51.67201.25700.8511.62301.16800.7621.56401.08900.6251.46501.01950.52101.36600.94三、两种特征波及其相互关系特征波特征波高特征周期1．特征波高的两种表示方法a.在波列中选取某一累积频率对应的波高作为特征波高（HF）b.以所谓部分大波的平均波高作为特征波高（HP）部分大波的特征波高为：显著波高（）有效波高（）部分大波的平均波高模比系数表2．两种特征波高的相互关系令则设，如F(%)HHPHFF则则对于误差函数：x0，erf0x∞,erf1所以：即：例：=4.7m，求H1%=？解：由表6-12查得，=2.421由表6-14查得，=2.031可得统计规律：3.特征周期四、我国海港工程设计波浪的波列累积频率标准（自学）五、我国沿岸海域波况的特点（自学）第五节海浪谱基础知识（自学）第六节根据海浪观测推算设计波浪设计波浪：设计波浪的波列累积频率标准指设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的出现概率设计波浪的重现期标准指某一特定的波列平均多少年出现一次设计波浪的重现期标准设计波浪的波列标准一、设计波浪的标准二、利用长期观测资料推算设计波浪1．确定驻港地区主要的波浪方向2．收集和整理波浪观测资料如图：实线为最大风速玫瑰图；虚线为风向频率玫瑰图。收集45°范围内的年如：1969年ENE、E、ESE方向各有一个，则选其中最大的。但注意不能重复计算。3．设计波浪的推算——频率分析法（1）经验累积频率的计算（2）理论累积频率曲线的选用皮尔逊Ⅲ型累积频率曲线例：(P130)某观测站有23年S(SSW、SSE)方向年最大（表6-19），为深水区，试推求该站50年一遇的H1%、H5%。（1）资料选取………………第1年第2年第m年每年出现的最大一场波浪……求部分大波的特征波高求特征波高的模比系数（2）选线（P-III曲线），求三参数。（3）适线，求某一重现期的设计波高。（4）重现期50年一遇（部分大波平均波高的设计波高）记为2.53（5）重现期50年一遇（累积频率为1%的设计波高）1、选取若干年某方向上每年出现的最大一场波浪系列；2、求若干年每年最大一场波浪系列的特征波高（如）组成系列。3、求特征波高的模比系数（Ki）。4、求特征波高的模比系数对应的累积频率（）。5、选线（P-III曲线），求三参数（特征波高的平均值，变差系数，偏态系数），适线。6、求某一重现期对应的设计波高。如：利用长期资料推算设计波浪步骤重现期为50年三、利用短期测波资料推算设计波浪（自学）四、与设计波高相对应得设计周期的推算方法（自学）第七节根据气象资料推算风浪尺度1.风浪成长的机理

Nτu2.风场要素（1）风场三要素风距：指在一定风况作用下，对某特定点形成波浪有实际作用的风区范围及其水域长度。一般在风速不变的情况下，风距越大，波浪也越大。（2）风区划分风速（m/s）风时(h)风距（km）移动风区固定风区风区的划分3.风浪的成长过渡（1）过渡状态t很短，u稳定，风场范围大（受限于风时）u海面xt1t2（2）定常状态u稳定，t很长风场范围小（受限于风距）uFxH同样的风况条件下，风距越大，风浪也越大（3）充分成长状态，u稳定，t很长，F很大，（t，F均不受限）ux风浪能量的输入=能量的消耗风浪不能无限制的增长4判别风浪状态的标准（1）最小风时tmin（即某一点出现最大波高所需的时间）给定u,Ft<tmin过渡状态

t>tmin定常状态（2）最小风距Fmin（即海面上出现最大波高所需的最短距离）给定u，tF<Fmin

定常F>Fmin

过渡二、风场要素的确定方法1.计算风距的确定方法(1)确定风区、风向变化<30，风速变化<=4m/s(2)量取风距uF2.计算风速、风时的确定很容易达到定常态，则风时不考虑（通常为定常态）计算风速采用频率分析法，其设计标准与设计波浪相同，如50年一遇波浪由5