【2017年整理】海洋科学导论四.ppt

海洋的运动现象,波浪 海流潮汐 湍流,第四章、海洋中的波动现象,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基本特点是：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,第一节、波浪要素和分类第二节、波浪运动的基本特性第三节、有限振幅波动第四节、风浪和涌浪第五节、浅海和近岸的海浪第六节、大洋风浪基本状况,,第一节、波浪要素和分类一、波浪要素,,波峰——波浪高出平衡面的部分 最高点----波顶,,波峰,波谷——波浪低于平衡面的部分 最低点----波底,波谷,波高(H)——相邻波顶到波底间垂直距离振幅(a)——波高的一半,波高,,,波长（λ）——相邻波顶(或波底)间水平距离单位：m,,,,波长,波陡（δ）——H/λ，理论极限:1/7周期（T）——一个波通过一固定点的时间单位：秒波速(C)——波形向前移动的速度C=λ/T 单位:米／秒,,,波峰线——波顶的连线。

波向线——与波峰线垂直表示波动传播方向的线 波峰线,波向线,,二、波浪表示法 1、平均波高,,,,,,N：波高总个数i：波高依大小排列的顺序号,海面波高的平均状态,2、均方根波高,Hs =,反映海浪能量的平均状态,3、部分大波的平均波高 波浪的显著部分或特别显著部分,H1/100 H1/3 H1/10,H1/3波高,有效波高,,H1/3=,国际和国内船舶通报以及海浪和预报图中最常用的波高,最大1/3 、 1/10、 1/100波高,波级表,0-5級,蒲福风级与海浪状况,三、波浪分类1、按成因：1）．海浪(ocean wave) ： 由风产生的波浪:风浪 涌浪2）.潮汐波( tidal wave ) ： 天体引潮力作用下产生的波动3）.海啸 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深水区：传播速度快T：几分-几十分λ：数百千米H ：数米δ ：10-5左右,波长很大波形不易崩溃,接近浅水区域，波高增大,4）.风暴潮（storm surge） 热带气旋引起局部海面振荡或非周期性异常升高(降低)现象。

别名： 气象海啸,与天文大潮结合，水位暴涨,5).内波（interal wave） 流体中密度垂直分布层化时，由外力扰动产生的波动 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,海洋内波的利弊,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较暖的浅层，促进生物的生息繁衍 海洋内波的利弊,增加了水下通讯和目标探测的困难,利于声纳探测水深,利于声纳探测鱼群,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操作及鱼雷脱靶海上平台受损1963年4月10日，美国“长尾鲨”号核潜艇，在大西洋距波士顿港口350公里处突然沉没，艇上129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2、依波形的传播性质：1）.前进波( progressive wave )： 波形不断地向前传播的波浪2）.驻波(standing wave) 波形不向前传播,只是波峰和波谷在固定点不断地升降交替着的波浪,,3、依水深相对波长的大小：1）深水波（deep water wave） 水深〈h〉相对波长〈 λ 〉很大 h/ λ ≥1/2------深水波界限2）浅水波（shallow water wave）水深相对波长很小 h/ λ ＜1/20-----浅水波界限,1）、毛细波(Capillary wave) 恢复力——表面张力 波长＜1.74cm，圆形波峰以及V型波谷 表面张力波2、重力波 (gravitational wave) 恢复力——重力 正弦曲线→波峰尖，波谷圆的形状,4、按照波动的主要恢复力,,5、按作用力的影响情况1).自由波(free wave)外力作用消失，波动继续存在并自由振动2).强制波(forced wave)扰动力连续作用产生的波动,第二节、波浪运动的基本特性小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是有限的,,一、水质点运动与波形传播 波形的传播： 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，形状彼此相同的轨迹运动的结果。

水质点运动一周，传播一个波长〈λ〉水质点运动一圈的时间=周期〈T〉水质点轨道Φ=波高〈H〉水质点运动速度S=πH/ T,,,,30°,二、波长、周期、波速和水深间的关系,C2=,,,C：波速，g：重力加速度，λ：波长，h：水深,,,,,,波长、波速与水深有关,定义为：,,x很大时，tanhx = 1x很小时， tanhx = x,：双曲线正切,1、深水波 C=,,C仅决定于λ, 与h无关λ,,1)已知T C=1.56 T λ=1.56T22)已知λ,3)已知C T=0.64C λ=0.64C2,,2、浅水波,C=,,C仅决定于h,三、波动随深度而变化1、深水波 振幅a=a0e-2πz/λa0：表面水质点的圆半径（振幅），z：水质点所处的深度 H=H0 e-2πz/λ,深度递增，波高指数规律递减,表面波,,,,,,,,,,,,,,,,,,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2、浅水波,四、波动的能量沿波锋方向单位宽度一个波长内势能：Ep=1/16ρgH2λ 单位宽度一个波长内动能：Ek=1/16ρgH2λ 总能量：E = Ep + Ek =1/8ρgH2λ=1/2ρga2λ,,,能量传递速率：P=1/2EC 能量的一半以波速随波传播-----势能传播,单一波λ=100m，H=1.414m,合成波波1---λ=100m， H= 1m波2 ---λ=80m， H= 1m夹角：60°,单一波: HMAX = 1.414m合成波: HMAX=2m,波浪能量密度,,,五、正弦波的叠加,五、正弦波的叠加1、波群 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。

两列传播方向相同，波长和周期稍有不同的波叠加,群速Cg： 合成波波群的包络线所表示波形的传播速度 深水波：群速为个别波速的一半Cg=1/2C浅水波：群速与个别波波速相等Cg=C,2、驻波两列振幅、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ξ1=asin(kx-σt)ξ2=asin(kx+σt),合成波:ξ=2acosσt·sinkx,,,,,幅度＝2a --------波腹,,(n=0,1,2,…处),(n=0,1,2,…处),幅度＝0 --------波节,,,( n=0,1,2,…)时，,ξ≡0 波面水平,,特点：相邻两个波腹或波节间的水平距离＝1/2波长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0，波面升降速度为0；波面处于水平位置时，流速绝对值最大，波面升降最快第三节、有限振幅波动一、斯托克斯波（Stokes wave）的波剖面 近似于摆线： 波峰较陡较窄，波谷较平缓较宽,,,,水质点振动中心高于平均水面：,二、波速与波高,,,三、水质点运动轨迹接近为圆，一个周期内不封闭。

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平运动的速度 ：,Z: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，波流运输的海水体积:,,四、波动的能量 Ek > Ep,五、波浪破碎的原因1、波峰：水质点向前运动速度>波速2、波面上水分子在垂直方向上加速度>重力加速度， 水分子脱离波面理论上： 波陡δ≥1/7（波峰角≤120°）实际观测：当δ>1/10，波峰就会破碎第四节、风浪和涌浪一、风浪的发生、发展和衰减1、风浪形成风的压力不一致 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（U）成正比,,,,,1,2,2、风浪的发展A、获得能量 气流与海面的摩擦作用,风对海面作用力,（2）正压力：与风速（U）和波速(C)差的平方成正比U >c：波浪受正压力和切应力两个分力作用c≈U：波浪受切应力的作用,B、消耗能量摩擦消耗波峰翻倒释放能量,C、能量输入=消耗风浪稳定形成该风速条件下的最大风浪,3、风浪的消亡 空气阻力海底摩擦内部运动向四周传播,能量消耗,U=0，能量不输入,,二、影响风浪生成、发展和衰减的因素1.风速〈U〉 风速越大，波浪要素（波高、波长、周期、波速）也越大,2.风时〈t〉：风速风向相同的风连续作用的时间产生波浪的风向左右30°范围以内的风连续吹刮的时间风时越大，波浪要素也越大 3.风区〈F〉：风速风向相同的风作用的海区。

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 ‖ 风距 风距越大，波浪要素也越大,4.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）1、定常状态： 海面各点的波浪要素趋于定常，但各点的值不等，风距越大，波浪越大的状态定常状态,2、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大的状态定常状态,过渡状态,3、判断风浪状态的标准：1）最小风时（tmin）：在一定风速下，在给定的风区长度处出现最大风浪(达到定常)时所需的时间实际风时<最小风时,tmin,定常状态,实际风时>最小风时,过渡状态,2）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需的风区长度实际风区<最小风区,Fmin,定常状态,实际风区>最小风区,过渡状态,一定风速下，风距↗，风浪达定常状态的时间↗ ， 风时↗，风浪达定常状态的风距↗ 原因：风传给风浪的能量与波高平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 ——充分成长状态。

4、风浪的充分成长状态,实际风距和风时同时分别> Fmin和tmin,充分成长风浪的风速、风时与风距关系表,充分成长状态的Fmin和tmin随风速↗而↗ ，充分成长状态的风浪随风速↗而↗成长初始，浅水与深水风浪无显著差异随风浪增长，差异变大，且深度愈小，差异愈大浅水，风浪较快趋于充分成长。