上海海事大學 航海氣象與海洋學 9 海浪.ppt

上海海事大学上海海事大学 商船学院商船学院? ?航海气象学与海洋学航海气象学与海洋学? ?教研组教研组20212021年年9 9月月9 海浪海浪1目目 录录n9.1 波浪概述波浪概述 n9.2 前进波、驻波和群波前进波、驻波和群波n9.3 风浪、涌浪和近岸浪风浪、涌浪和近岸浪n9.4 常用统计波高常用统计波高n思考题思考题29.1 波浪概述一、波浪要素一、波浪要素n波峰波峰波面的最高点波面的最高点n波谷波谷波面的最低点波面的最低点n波高波高H相邻波峰相邻波峰与波谷之间的垂直距离与波谷之间的垂直距离n波长波长相邻两波峰相邻两波峰或相邻两波谷之间的水或相邻两波谷之间的水平距离n波幅波幅a波高的一半，波高的一半，a=H/23波浪要素波浪要素n波陡波陡波高与波长之比，波高与波长之比，H/H/n周期周期T T相邻的两波峰或两波相邻的两波峰或两波谷相继通过一固定点所需要的时谷相继通过一固定点所需要的时间n频率频率f f周期的倒数，周期的倒数，f f1/T1/Tn波速波速C C波峰或波谷在单位时波峰或波谷在单位时间内的水平位移波形传播的速间内的水平位移波形传播的速度，度，C C/ T/ Tn波峰线波峰线通过波峰垂直于波浪通过波峰垂直于波浪传播方向的线。

传播方向的线n波向线波向线波形传播的方向线，波形传播的方向线，垂直于波峰线垂直于波峰线4二、波浪的分类二、波浪的分类n1 1风浪和涌浪风浪和涌浪 n风浪：风的直接作用引起的水面波动无风不起浪风浪：风的直接作用引起的水面波动无风不起浪n涌浪：风浪离开风区传至远处，或者风区里风停息涌浪：风浪离开风区传至远处，或者风区里风停息后所遗留下来的波浪无风三尺浪后所遗留下来的波浪无风三尺浪n2 2潮波潮波n海水在月球和太阳引潮力作用下发生的长周期波称海水在月球和太阳引潮力作用下发生的长周期波称为潮波由此引起的海面周期性涨落称为潮汐，所为潮波由此引起的海面周期性涨落称为潮汐，所引起的海水周期性的水平流动称为潮流潮汐波又引起的海水周期性的水平流动称为潮流潮汐波又称潮波或天文潮称潮波或天文潮1. 按成因分类按成因分类53 3海啸地震波海啸地震波 n由于海底或海岸附近发生地震或火山爆发所形成的由于海底或海岸附近发生地震或火山爆发所形成的海面异常波动海面异常波动n特点：特点：周期长，波长长，波速大，在外海坡度很小，当传周期长，波长长，波速大，在外海坡度很小，当传至近岸时，波高剧增至近岸时，波高剧增n世界上常受海啸袭击的国家和地区有：世界上常受海啸袭击的国家和地区有：日本、菲律宾、印日本、菲律宾、印度尼西亚、加勒比海、墨西哥沿岸、地中海。

度尼西亚、加勒比海、墨西哥沿岸、地中海VCR64 4风暴潮风暴潮n由强烈的大气扰动强台风、强锋面气旋、寒潮由强烈的大气扰动强台风、强锋面气旋、寒潮大风等引起的海面异常上升现象大风等引起的海面异常上升现象n主要原因：主要原因：n海面气压分布不均匀海面气压分布不均匀气压每下降气压每下降1hPa1hPa，海面，海面约升高约升高1cm1cm；n大风大风风暴向岸边移动时，受强风牵引海水涌风暴向岸边移动时，受强风牵引海水涌向岸边，海面升高，升高幅度与风速的平方成正向岸边，海面升高，升高幅度与风速的平方成正比n我国风暴潮多发区：莱州湾、渤海湾、长江口至我国风暴潮多发区：莱州湾、渤海湾、长江口至闽江口、汕头至珠江口、雷州湾和海南岛东北角，闽江口、汕头至珠江口、雷州湾和海南岛东北角，其中莱州湾、汕头至珠江口是严重多发区其中莱州湾、汕头至珠江口是严重多发区7风暴潮风暴潮85内波内波n在海洋中，密度相差较大的在海洋中，密度相差较大的水层界面上的波动水层界面上的波动n内波对航海的影响：内波对航海的影响：n“死水，船舶难以前进；死水，船舶难以前进；n共振，船舶摇摆幅度大大增共振，船舶摇摆幅度大大增加n克服内波的措施克服内波的措施n改变航向航速。

改变航向航速9海浪大局部能量集中在周期海浪大局部能量集中在周期4 412s12s的范围内，属重力波的范围内，属重力波范围最常见的重力波是风浪和涌浪最常见的重力波是风浪和涌浪2. 按周期或频率分类按周期或频率分类103.3.按水深相对于波长的大小分类按水深相对于波长的大小分类n深水波深水波n水深大于水深大于1/2波长波长n波速与波长和周期有关，与水深无关波速与波长和周期有关，与水深无关n浅水波浅水波n波长大于水深波长大于水深20倍倍n波速取决于水深，与波长和周期无关波速取决于水深，与波长和周期无关n海洋中大局部波浪不是具有深水波的性质就是具有海洋中大局部波浪不是具有深水波的性质就是具有浅水波的性质浅水波的性质119.2 前进波、驻波与群波1. 1. 前进波前进波n波浪中水质点只在平波浪中水质点只在平衡位置附近作周期性衡位置附近作周期性的圆或者椭圆运动，的圆或者椭圆运动，并不随海浪波形向前并不随海浪波形向前传播而移动；传播而移动；n风浪和涌浪都是前进风浪和涌浪都是前进波波前进波前进波122. 驻波驻波n两列振幅、周期、波长两列振幅、周期、波长相等，但传播方向相反相等，但传播方向相反的正弦波的叠加，可以的正弦波的叠加，可以得到一种波形不向前传得到一种波形不向前传播的波，海面只在原地播的波，海面只在原地振动。

振动n台风中的金字塔浪，悬台风中的金字塔浪，悬崖峭壁处跳动的浪崖峭壁处跳动的浪驻波驻波133. 群波群波n振幅、周期、波长相近，振幅、周期、波长相近，传播方向相同的正弦波叠传播方向相同的正弦波叠加在某一固定点观测时，加在某一固定点观测时，首先出现一阵波高较小的首先出现一阵波高较小的时段，随后波高渐渐增大，时段，随后波高渐渐增大，而在连续出现几个大波后，而在连续出现几个大波后，波高又再减小；这种成群波高又再减小；这种成群的波列即称为群波的波列即称为群波n深水波的群速为相速的一深水波的群速为相速的一半，浅水波的群速与相速半，浅水波的群速与相速相同149.3 风浪、涌浪和近岸浪n特征特征 ：周期短、波峰：周期短、波峰尖、波面不规那么，易尖、波面不规那么，易破碎方向指来向破碎方向指来向与风向较为一致与风向较为一致n影响风浪成长的因素影响风浪成长的因素n风速：风力大小；风速：风力大小；n风时：状态相同的风持风时：状态相同的风持续作用在海面上的时间；续作用在海面上的时间；n风区：状态相同的风作风区：状态相同的风作用的海域的范围用的海域的范围 一、风浪一、风浪15风浪的三种状态n过渡状态过渡状态n某点风浪随时间的推移继续某点风浪随时间的推移继续增长的状态。

增长的状态n定常状态定常状态n风吹刮的时间再长，某点的风吹刮的时间再长，某点的风浪不再继续增长风浪不再继续增长n充分成长状态充分成长状态n风区、风时无限时，风浪成风区、风时无限时，风浪成长到一定程度后停止开展长到一定程度后停止开展并变得不稳定，破碎，这并变得不稳定，破碎，这种状态即为充分成长状态种状态即为充分成长状态16最小风时与最小风区最小风时与最小风区p风区、风时无限的情况风区、风时无限的情况下，风速越大，处于充分下，风速越大，处于充分成长状态的风浪波高越大，成长状态的风浪波高越大，因此，充分成长的风浪波因此，充分成长的风浪波高取决于风速高取决于风速p最小风时：一定风速下，最小风时：一定风速下，风区内风浪到达充分成长风区内风浪到达充分成长状态所需的最短时间状态所需的最短时间 p最小风区：在一定风速最小风区：在一定风速下，风区内风浪到达充分下，风区内风浪到达充分成长状态所需要的最短风成长状态所需要的最短风区长度，称为最小风区区长度，称为最小风区 17浅水中风浪的成长n在风速、风区和风时较小时，浅水区风浪的成长几在风速、风区和风时较小时，浅水区风浪的成长几乎与深水区相同；乎与深水区相同；n在风速、风区和风时较大时，浅水区的风浪将受到在风速、风区和风时较大时，浅水区的风浪将受到水底摩擦力的影响而消耗能量，从而影响风浪继续水底摩擦力的影响而消耗能量，从而影响风浪继续成长。

因此，成长因此，当风速、风时、风区相同时，浅水区当风速、风时、风区相同时，浅水区的风浪尺寸比深水区的小得多的风浪尺寸比深水区的小得多18二、涌浪n特征：波形较规那么，波峰圆滑，波速与波长较大，特征：波形较规那么，波峰圆滑，波速与波长较大，涌浪的来向与海面实际风向无关，两者间可成任意涌浪的来向与海面实际风向无关，两者间可成任意角度19涌浪传播特性涌浪传播特性n波高逐渐降低，波长、周期逐渐变大，波速变快波高逐渐降低，波长、周期逐渐变大，波速变快台台风来临前的征兆风来临前的征兆n原因：原因：摩擦消耗摩擦消耗 离散作用、角散作用离散作用、角散作用n摩擦消耗：摩擦消耗：波长大的衰减慢，波长小的衰减快在波高衰波长大的衰减慢，波长小的衰减快在波高衰减的同时，周期和波长也逐渐加大减的同时，周期和波长也逐渐加大n离散作用：不同波长、周期、振幅的分波在传播过程中波离散作用：不同波长、周期、振幅的分波在传播过程中波长大的速度快，短的速度慢，使原来叠加一起的波分散开长大的速度快，短的速度慢，使原来叠加一起的波分散开n散射作用：各分波传播方向不同，在传播中向各方向分散散射作用：各分波传播方向不同，在传播中向各方向分散开来。

开来20三、近岸浪n风浪或涌浪传至浅水或近岸区域后，受地形影响将发生能量风浪或涌浪传至浅水或近岸区域后，受地形影响将发生能量集中、波高增大、周期和波长变小、波面变陡、波浪卷倒和集中、波高增大、周期和波长变小、波面变陡、波浪卷倒和破碎、波向折射、绕射和反射等一系列变化破碎、波向折射、绕射和反射等一系列变化211波向的改变折射折射由深水进入浅水的过程中，由深水进入浅水的过程中，波峰线波峰线有逐渐与等深线平行的趋势有逐渐与等深线平行的趋势这正是在海岸上观察从外传来的波浪，是在海岸上观察从外传来的波浪，到达近岸时，到达近岸时，波锋线总是大致与海波锋线总是大致与海岸平行的岸平行的原因绕射绕射波浪绕过障碍物进入被障波浪绕过障碍物进入被障碍物遮蔽的水域碍物遮蔽的水域222波高变化波高变化n波浪进入波浪进入开敞海岸浅水区时开敞海岸浅水区时，波高增大，波长变短，波高增大，波长变短，波陡增加，易翻卷破碎波陡增加，易翻卷破碎n波浪波浪绕射进入海湾绕射进入海湾时，波高降低时，波高降低n岬角地形岬角地形处的波高比凹陷处的高处的波高比凹陷处的高 2324破破 波波252627四、其它因素对波高的影响四、其它因素对波高的影响n海流海流n流波效应：波浪和海流反向或接近于反向时，波高要比无流波效应：波浪和海流反向或接近于反向时，波高要比无流时增大流时增大20203030左右，并产生局部波浪破碎或全部左右，并产生局部波浪破碎或全部破碎。

当波浪与海流同向时，波长增大，波高减小当波浪与海流同向时，波长增大，波高减小n水水气温差气温差n在风速相同的条件下，气温低于水温时，波高增大在风速相同的条件下，气温低于水温时，波高增大n Tw TwTaTa11，波高增加，波高增加5 5；n Tw TwTaTa22，波高增加，波高增加1010；n Tw TwTaTa1010，波高增加，波高增加5050；n例如，冬季的北太平洋上，在日本关东东部的黑潮流域，例如，冬季的北太平洋上，在日本关东东部的黑潮流域，水气温差可达水气温差可达5 51010以上，再加上流波效应，有时出以上，再加上流波效应，有时出现比预料高现比预料高2 23 3倍的异常大浪，是海事多发的海域，有倍的异常大浪，是海事多发的海域，有“魔鬼海域之称，船舶尽量避开这个区域魔鬼海域之称，船舶尽量避开这个区域289.4 常用统计波高常用统计波高一、平均波高一、平均波高二、均方根波高二、均方根波高n风浪波高风浪波高H Hw w与涌浪波高与涌浪波高H Hs s两者的合成两者的合成波浪分析图上的波高波浪分析图上的波高为。