海洋科学导论ppt课件-08海浪-3-4风浪.ppt
第八章 海洋中的波动,前面课程内容掌握,波动的概念、特征了解波动要素、海浪主要特征值熟悉小振幅重力波水质点运动特征（轨迹、运动速度）深水波和浅水波定义、波速重点掌握熟悉波动的能量熟悉波群、群速重点掌握,实际的波浪波面非对称，包括上下和左右不对称波动相速度与振幅有关水质点的运动轨迹不闭合，存在水平方向上向前的净位移，此水平位移称Stokes 漂流，也有称“波流”。波流可解释物质输运现象。对海流、波浪成长及泥沙输运有一定影响。波浪破碎：理论上证明，当波峰角小于120，或波陡大于1/7时波浪会破碎有限振幅波动主要有stokes波、摆线波、孤立波等,第三节 非线性波有限振幅波,摆线波,摆线是什么？,内孤立波,1834 年，J.S.罗素在一篇报告中提到他观察到一种奇特的自然现象，当一艘快速行驶的船突然停下来，船头出现一圆形平滑、轮廓分明的孤立波峰急速离去，滚滚向前，行进中形状和速度保持不变。,1834 年，J.S.罗素在一篇报告中提到他观察到一种奇特的自然现象，当一艘快速行驶的船突然停下来，船头出现一圆形平滑、轮廓分明的孤立波峰急速离去，滚滚向前，行进中形状和速度保持不变。,第四节 海浪风浪和涌浪,（一）风浪和涌浪（二）浅海和近岸海浪,什么是海浪？,海浪是由风引起的表面重力波,本节也是本章重点内容,风浪和涌浪,风浪定义：当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态。涌浪定义：海面上由其他海区传来、或当地风速减小、平息、转向后的波浪。,典型波面特征,风浪：波面不规则、波峰陡、波谷光滑、波峰线短、浪大时有白浪。涌浪：波面光滑、波峰线长、传播距离长,风浪,涌浪,波浪的破碎,“无风不起浪”“风大浪高”,决定风浪因素,风浪成长决定因素,风浪的成长不仅取决于风速大小，还取决于风作用时间长短和作用水域的大小,风时：风速和风向不变的风持续作用在海面上的时间风区：风速和风向不变的风持续作用海域的范围,风时风区,风时（duration）：稳定的风持续吹送在海域的时间风区（fetch）：稳定的风持续吹送的海域距离离岸风时,离岸近浪小,离岸远,浪大一般而言，离岸浪比向岸浪的风区要短。,表征风浪成长状态的参量,波龄：波浪传播速度与风速之比，波龄越大，代表风浪越成长波龄一般不大于1，最大不超过1.4无因次风区和风时：其值越大，代表风浪越成长，与波龄具有等效性,风浪的充分成长状态,风输入给风浪的能量与破碎耗散掉的能量达到平衡的状态。此时风浪停止成长，与风区和风时无关。,海浪波高的定义,相邻峰-谷法：定义为相邻的峰、谷间的高度差，相邻峰或谷对应的时间长度即为周期,海浪波高的定义,上（下）跨0点波高：相邻上（下）跨0点的时间间隔定义为周期，两0点之间的最大波峰与最小波谷间的高度差定义为波高,有效波高和周期,有效波高:将得到的波高从大到小排列，前1/3部分的大波的平均波高，称为.有效周期:对应的平均周期为通常所说的海浪波高，即为有效波高,风浪的生成机制,风浪的生成机制,Phillips共振机制具有随机特性的风形成的湍涡作用于海面，形成小波与平均风速传播速度相等的小波与风之间形成共振而得以成长，波动振幅与时间成正比 该机制可用来描述海浪的初始生成,风浪的生成机制,Miles剪切流不稳定机制海面有波动情况下海浪成长的过程海面上的波动自临界高度汲取能量而得以成长，振幅随时间以e指数形式增大。临界高度为风速与波浪相速相等的高度该机制用来描述海浪的成长,风力、风浪等级表,风级名称 风速(m)陆地物象 海面波浪 浪高（米）0 无风 0.0-0.2 烟直上 平静 0.0 1 软风 0.3-1.5 烟示风向 微波峰无飞沫 0.1 2 轻风 1.6-3.3 感觉有风 小波峰未破碎 0.2 3 微风 3.4-5.4 旌旗展开 小波峰顶破裂 0.6 4 和风 5.5-7.9 吹起尘土 小浪白沫波峰 1.0 5 劲风 8.0-10.7 小树摇摆 中浪折沫峰群 2.0 6 强风 10.8-13.8 电线有声 大浪到个飞沫 3.0 7 疾风 13.9-17.1 步行困难 破峰白沫成条 4.0 8 大风 17.2-20.7 折毁树枝 浪长高有浪花 5.5 9 烈风 20.8-24.4 小损房屋 浪峰倒卷 7.0 10 狂风 24.5-28.4 拔起树木 海浪翻滚咆哮 9.0 11 暴风 28.5-32.6 损毁普遍 波峰全呈飞沫 11.5 12 飓风 32.7-摧毁巨大 海浪滔天 14.0,风浪的分级,风浪的分级,风浪的充分成长状态,风浪成长必要条件,风速、风时、风区,涌浪传播,变化：波高逐渐降低，波长、周期逐渐变大，从而波速变快。原因：摩擦消耗及弥散作用、角散作用,频散（弥散）作用,波速是频率的函数，频率越低波速越快。因此一群不同频率的波在传播过程中，低频波逐渐与高频波分离，这群波在空间上覆盖的范围越来越大。如果在远离这群波初始位置的点上进行观测，就会发现先观测到低频波然后观测到高频波。,角散作用,各分波传播方向不同，在传播中向各方向分散开来。,涌浪传播拍岸浪、先头涌,涌浪传播特点：速度快，距离长（一般其波长周期大于风浪）。由于涌浪传播的速度很快，常在风暴系统到来之前先行到达，被称之为先头涌如果某地开始观测到周期很大而波高极小甚至极难察觉的涌浪到来，继而周期逐渐变小，浪高继续增大，则意味着风暴可能向本地袭来。,近岸的海浪,波浪传播到近岸时，周期变化不大，波高增大，波长减小，最后到达海岸发生破碎,近岸的浪：为何波峰线大致平行于海岸线？,近岸海浪,周期保守波速变小在深水为短波，波速与波长有关 在浅水为长波，波速与水深有关,近岸的海浪1波向转折,波浪传播到近岸时，波速减小,波向转折,波峰线逐渐与海岸线平行,波的折射,浅水波速:与深水波速不同波浪传入近岸，由于水深变浅，波速变小，引起折射，使波向转向垂直于海岸线方向,近岸海浪波峰线大致平行于海岸线,近岸海浪波向转折辐聚辐散,波的折射波速变小波向线向浅水方转折,海湾处辐散，海岬辐聚,为什么港口总是建在湾里？,海浪的辐聚和辐散,海湾是海浪能量的辐散区海岬是海浪能量的辐聚区,为什么港口总是建在湾里？,近岸海浪2波高变化,海浪的折射海岬处，海浪辐聚，出现大浪海湾处，海浪辐散，波浪较小地形效应水深浅波能聚集波高变大,波峰,高浪能区,波浪折射,侵蚀崖,海岬,海湾,海滩,波谷,波向线,低浪能区,近岸海浪3波浪破碎,溢波,卷波,崩波,近岸浪破碎类型,溢波,卷波,崩波或溃波,海浪破碎情况,波浪传到浅水波长变短，波陡增大；海底摩擦；波峰、谷处相速不同，波面变形风大,3级海况以上；浅滩、沙丘、暗礁。,从波浪开始破碎到岸边沿海岸线的狭长范围，称为破碎后的海浪形成段波，继续向海滩传播,近岸波浪破碎带,由段波携带的水体首先形成沿着海岸线流动的沿岸流沿岸流以离岸流回流到海中。,近岸浪4沿岸流和离岸流,离岸流强度大，最大流速可达1.5m/s,对游泳者比较危险,对泥沙输运有重要意义。,对泥沙输运有重要意义,离岸流对游泳者造成极大威胁！,韩国海云台突现离岸流 143名游客被水流,2012年8月4日韩国的高温天气吸引了80万游客来到韩国最有名的休养地海云台海水浴场,在第5和第7瞭望台之间出现一股巨大的离岸流，143名游客被水流卷走.离岸流又被称为回卷流。水回流海中，速度很快，流速可高达每秒2米以上，每股的持续时间为两三分钟甚至更长。离岸流常可将游泳者带离岸边,66名游客被水流卷到70至80米以外的海域，在寻求救生员救助后，安全回到海滩。余40余名游客在午间时候被救。当天晚间时候，救生员再次救回了最后的30余名游客。,离岸流对游泳者造成极大威胁！,大鹏半岛附近多处海滩常有离岸流，它是近岸海域最大的夺命黑手，每年在海滩救生员所实施的救援案例中，绝大部分都是由离岸流造成的，一些遇险者因此不幸溺亡。“要牢记，在能够冲浪的海滩，浪大到有人冲浪时，离海岸三四十米处的地方最危险！”深圳救生员郑晖,救生员朱雄抓住即将卷入漩涡的泳客,大鹏海边，冲浪爱好者借离岸流之力，可以轻松滑向深海。,离岸流的间隔与破碎带宽度成正比,离岸流,近岸浪5反射和绕射,波浪遇陡峭的海岸反射形成驻波。遇障碍物绕射，波高明显减少。防波堤的效用,近岸水域入射波与反射波叠加形成的棋盘状波形,海浪观测,浪高浪向,定点,海浪观测,观测仪器悬线：测电容变化。悬线入水，电容变化量与进水高度有关，订正后得到波高。压力式测波仪：波动中压力变化。仪器固定，压力变化反应波高变化。浮标测波仪：测波面加速度变化（放在水面，跟随波面测定波面的加速度变化）;另外还有声学浮标、微波波浪仪遥感：高度计（有效波高）、散射计、合成孔径雷达（方向谱）、地波雷达（有效波高和波向）,海浪观测,基地台站：固定站位海上平台:搭建观测平台；借助石油平台。船舶观测：稳定性差浮标,海浪观测方式,海浪研究方法,实验研究实验室实验海上观测实验理论研究谱分析方法（随机性）波面方程（波动特性）数值模拟实验,海浪研究方法,实验研究实验室实验：优点易于控制，缺点是由于风区的限制，其结果能否应用于海上存在疑问，这个问题一直存在争论。海上观测实验：其优点是对实际浪场直接观测，观测精度相对也比较高，可以做长期海上观测，其缺点是海上平台成本比较高，对仪器的可靠性要求比较高。,多向不规则波造波机,海浪研究方法,实验研究实验室实验海上观测实验理论研究谱分析方法（随机性）波面方程（波动特性）数值模拟实验,海浪的随机性与海浪谱,由于海浪的随机性，通常用海浪谱来描述海浪谱用来描述海浪能量依不同频率的分布风浪谱具有相似性，高频域满足随着风浪成长（风速增大或风区增大），谱峰值增大，谱峰所对应的频率向低频移动海浪谱与波浪要素之间的关系,海浪预报,如何描述海浪？海浪谱描述海浪能量在不同频率和方向上的分布,物理海洋学家、我国海浪理论的奠基人文圣常院士,海浪预报模式,海浪能量平衡方程如何考虑波-波相互作用项成为模式划分标准第一代预报模式（60-70年代初）：完全忽略第二代预报模式（70-80年代初）：间接计算第三代预报模式（1988年之后）：直接计算,海浪谱随时间变化,海浪谱随空间变化,风输入项,波-波相互作用项,破碎耗散项,海浪应用,航海工程：海浪破坏力和过水问题。对建筑物的破坏力，单一大浪有限，严重的是波群，周期性持续拍击，可能与共振有关。波浪发电：能量贮备大，但破坏力也大。,海浪能量的利用海浪发电,本节课重点内容,驻波：波面特征（波节点和波腹）水质点运动速度分布变化特征：波面最大时速度为零，运动转向；波面为零时速度最大有限振幅波动：波流（物质输运）、波浪破碎（与波陡关系风浪和涌浪：定义、波面特征风浪成长的状态：定常态、过渡态、充分成长状态影响风浪成长因素：风速、风区、风时表征风浪成长状态参数：波龄、风区、风时海浪波高：有效波高、周期涌浪传播特性：频散和角散作用近岸海浪：波向转折、波向辐聚辐散（波高变化）、波浪破碎、沿岸流和离岸流、反射和绕射,
