地球流体力学：第四章-第四节 重力波趋陡：破碎和涌潮.ppt

中国科学院大气物理研究所中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室《《地球流体力学地球流体力学》》第四章：旋转浅水方程组及波动动力学第四章：旋转浅水方程组及波动动力学本章主要内容 建立旋转坐标系下的浅水波方程组，研究相应的波动动力学、地转适应过程、重力波趋陡、斯托克斯漂移、物质运输、准地转、罗斯贝波以及罗斯贝波的激发章节内容4.1 旋转坐标系下的浅水方程组4.2 线性波解4.3 地转适应过程4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮4.5 Stokes漂流和物质运输4.6 准地转4.7 罗斯贝波4.8 罗斯贝波的激发4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮孤立波：有限振幅波有限振幅波的一种，的一种，只有一个波峰或波谷只有一个波峰或波谷，而且，而且只出只出现在浅水水域在浅水水域中，中，于于1844年由年由英国科学家英国科学家斯各特斯各特ˑ罗素素发现4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮两个孤立波相互碰撞后，仍然保持原来的形状不两个孤立波相互碰撞后，仍然保持原来的形状不变变，并与物，并与物质质粒子的粒子的弹弹性碰撞一性碰撞一样样，遵守，遵守动动量守恒和能量守恒量守恒和能量守恒。

孤立波孤立波还还具有具有质质量特征，甚至在外力作用下其运量特征，甚至在外力作用下其运动还动还服从牛服从牛顿顿第二定律第二定律因此，完全可以把孤立波当做原子或分子那因此，完全可以把孤立波当做原子或分子那样样的粒子看的粒子看待，人待，人们们将将这这种种具有粒子特性的孤立波具有粒子特性的孤立波称称为为孤立子孤立子，有，有时时又又简简称称为为孤子孤子 4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮浪花的形成： 远处传来的海浪越近海岸，浪头越高，在离海岸不远处会卷起浪花，这是因为海滩对水浪运动产生某种阻滞力，浪的较低部分受到阻滞力大，较高部分阻滞力小，因此当水浪高处前进速度大，低处前进速度小，水浪会在前进中越来越前倾，在某一时刻波前出现坍塌，卷起了浪花当水浪的不同部分有不同行进速度时，会出现会聚效应，形成浪花4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮非线性对波动的动力影响非线性对波动的动力影响并非总是弱且慢的。

如：重力波并非总是弱且慢的如：重力波破碎破碎和和涌潮涌潮破碎：破碎：波峰处流体质点水平速度大于波峰移动速度（即相速度），因而波峰追赶波峰处流体质点水平速度大于波峰移动速度（即相速度），因而波峰追赶波谷，波形扭曲前倾，波峰处流体质点将会溢出波面，形成波谷，波形扭曲前倾，波峰处流体质点将会溢出波面，形成破碎波破碎波这种情形下这种情形下通常表现为通常表现为溢破波溢破波溢破波溢破波通常引起通常引起（（1 1）波面破碎，即打破海表面或内部稳定）波面破碎，即打破海表面或内部稳定分层的等密度面；分层的等密度面；（（2 2）振荡、混合、耗散以及波和更加稳定）振荡、混合、耗散以及波和更加稳定的风或水流之间的动量交换的风或水流之间的动量交换例如，例如，海表波破碎海表波破碎通常对于风动量向通常对于风动量向水流的传递非常重要海洋上方的水流的传递非常重要海洋上方的风风应力应力首先引起了重力波，随后重力波首先引起了重力波，随后重力波发展直至破碎发展直至破碎4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮波浪行进海岸时波浪行进海岸时，发生变形、折射及反射，波长波高均变，甚至一个波可分，发生变形、折射及反射，波长波高均变，甚至一个波可分解为两个或更多的波，最后解为两个或更多的波，最后破碎破碎，，涌上海滩涌上海滩。

在破碎的过程在破碎的过程中伴随着能量的中伴随着能量的变化，使变化，使波浪损失掉它所含有的大部分能量波浪损失掉它所含有的大部分能量，从海底搅起大量的泥沙，，从海底搅起大量的泥沙，给护给护岸或防波堤以强大的冲击力，造成海岸的冲蚀及建筑物的损坏岸或防波堤以强大的冲击力，造成海岸的冲蚀及建筑物的损坏4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮涌涌潮潮（（Tidal bore / bore））：：由由于于外外海海的的潮潮水水进进入入窄窄而而浅浅的的河河口口后后，，波波涛涛激激荡荡堆堆积而成涌潮涌潮是水位骤然上升的涨潮波前锋，是一定条件下潮波是水位骤然上升的涨潮波前锋，是一定条件下潮波非线性畸变非线性畸变的结果涌潮涌潮在传播在传播过程中几乎维持着界面海拔处的陡阶，通常伴随些许局地湍流和混合过程中几乎维持着界面海拔处的陡阶，通常伴随些许局地湍流和混合涌潮涌潮一般是向河口上游推进的波列，一般是向河口上游推进的波列，强度大时，表面破碎强度大时，表面破碎，进而发展成溯源推进的水滚进而发展成溯源推进的水滚涌涌潮潮通通常常发发生生在在特特殊殊地地理理位位置置，，例例如如加加拿拿大大大大西西洋洋沿沿岸岸的的芬芬迪迪湾湾或或布布列列塔塔尼尼（（接接近近圣圣米米歇歇尔尔山山））东东北北角角。

此此外外，，涌涌潮潮正正如如由由在在山山坡坡上上的的夜夜间间辐辐射射冷冷却却一一样样，，也也发发生生在在由由沿沿着着倾倾斜表面向下流动的重力流的下坡一侧斜表面向下流动的重力流的下坡一侧芬迪湾芬迪湾钱塘江大潮钱塘江大潮 八月十八潮，八月十八潮，壮观天下无壮观天下无——苏东坡苏东坡4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮潮潮涌涌到到达达时时，，水水位位骤骤然然上上涨涨，，流流速速突突变变，，造造成成河河道道大大冲冲大大淤淤，，导导致致河河口口极极不不稳稳定定，，并并往往往往掏掏空空沿沿江江建建筑筑物物的的基基础础，，使使堤堤防防失失稳稳、、毁毁坏坏，，是是沿沿江江人人民民生生活活和和经经济济社社会会发发展展的的一一大大威胁威胁涌涌潮潮是是河河口口区区的的主主要要动动力力因因素素，，对对河河口口的的河河床床演演变变、、盐盐水水上上溯溯、、污污染染物物扩扩散散、、河河口口变变迁迁、、取水排水等有着举足轻重的影响取水排水等有着举足轻重的影响4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮+ +4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮+ +推导过程推导过程+ +4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮4.4 重力波趋陡：破碎和涌潮重力波趋陡：破碎和涌潮推导过程推导过程•孤立波•波浪破碎•涌潮总结总结。