海洋要素计算与预报(海浪1)
1706043-01-海洋要素计算与预报2014-刘浩
教 学 日 历 表课程类别 学科教育课程代码1706043 课 序 号 01 课程名称 海洋要素计算与预报学分3归属学院 海洋 主讲教师 刘浩 授课章节 全部 联系电话 61900298辅讲教师 授课章节 联系电话 辅讲教师 授课章节 联系电话 辅讲教师授课章节联系电话答疑时间与地点 每周三下午2：30到4：00，海洋学院245室 总学时 学 时 分 配 授课班级 讲授 实验 上机 其他 2013级海环、海技、海测48 3414课程建设精品或重点课程双 语 ☐国家级 ☐市级 ☐校级 ☐院级 是 ●否考核性质 ●考试 考查 考核形式●开卷 闭卷 论文 其他成绩评定总成绩比 %平时成绩比 % 期末 平时 出勤 作业 实验 实习 讨论 测验 其它 7040101010成绩评定和学习要求描述本课程学习目标是帮助学生学会用数值手段了解海洋要素变化的内在本质和基本规律；通过本门课程培养学生数学分析和计算机编程的能力。
由于需要用到图表,因此期末考试采取开卷的形式，占总成绩的70%,平时成绩由学生出勤，课堂表现，作业完成以及课程设计组成,占总成绩的30% 教 材名 称 潮汐原理及计算 编著者刘浩版 别版 次性 状 统编 ●自编 翻印 ☐近三年 ☐国省部优秀 ☐国家规划参考书《潮汐和潮流的分析和预报》周次 星期 学时 授课主要内容和形式 课后作业及阅读2 9/22 2潮汐潮流现象概念以及中国近海潮汐特点；理论讲解2 9/24 2天文学的基本知识以及引潮力的受力分析和一般展开式的推导；理论讲解 参阅《潮汐和潮流的分析和预报》（方国洪等编著） 4 10/6 2引潮力的第一和第二展开式的推导及相关天文要素的计算；理论讲解 作业：阐述主要分潮的含义以及周期变化规律 4 10/8 2引潮力的第三和第四展开式的推导及相关天文要素的计算；理论讲解作业：计算8个主要分潮的角速度6 10/20 2引潮力的准调和展开和浅水分潮的基本特征；理论讲解6 10/22 2最小二乘法在潮汐观测资料分析中的应用；理论讲解作业：编程实现最小二乘法 8 11/3 2长期观测资料的分析的关键问题；理论讲解8 11/5 2 潮流的椭圆要素及潮流的调和常数之间的相互计算；理论讲解10 11/17 2 潮流观测资料的调和分析和误差分析；理论讲解10 11/19 2 潮汐中期观测资料的分析；理论讲解 12 12/1 2 潮汐短期观测资料的分析；理论讲解 12 12/3 2规则半日潮港潮汐特征值的计算；理论讲解14 12/15 2 不规则半日潮港和全日潮港潮汐特征值的计算；理论讲解14 12/17 2课程设计和大作业：潮汐潮流的调和分析；授课形式：上机给定一个月连续的水位资料编程求解主要分潮的调和常数，下同 16 12/29 2课程设计和大作业：潮汐潮流的调和分析；授课形式：上机给定一个月连续的水位资料编程求解主要分潮的调和常数，下同 16 12/31 2课程设计和大作业：潮汐潮流的调和分析；授课形式：上机给定一个月连续的水位资料编程求解主要分潮的调和常数，下附注：1. 本表（电子版）于每学期开学预备周交学院，同时需上传URP 教务管理系统，供选课学生查看。
海洋工程环境课件07-1-海浪要素的统计分析,海浪谱2
gF 0.22 ) 2 U10
为量纲为一的常数
F为风区长度，
U10为海面上10m高处风速；
为峰形参数，取
或
=0.07 =0.09
m m
第17届ITTC推荐如下的JONSWAP波浪谱。并引入 有义波高h1/3和特征周期T1两个参数，并考虑 T1=0.834T0得：
频率 无关，只是组成波方向 的函数，如
G ( ) An cos n
一种简单的近似处理方法是假定方向分布函数 G 与
n
2 范围内传播与分布。 2 2
为方向分布参数， ，波浪能量在主波向 ；
2 An ITTC（国际船舶拖曳水池会议）建议取n=2， 8 An ISSC（国际船舶结构会议）建议取n=4， 3 。
2g S ( ) 6 exp( 2 2 ) U
式中：U为海面上7.5 m高处的风速。下图给出不同 风速下的Neumann谱分布。
2.4
2
海浪谱特征初步认识： 谱的能量集中在窄的频带内； 随着风速的增大，谱峰频率变小。
不同风速下的Neumann谱分布
② Pierson-Moscowitz谱(P-M谱)：根据北大西洋 1955～1960年间的观测资料进行谱分析得到，并被第11届 ITTC(国际船模水池会议)(1966)列为标准单参数谱。
不同风速下的P-M谱分布
③单参数谱不能合理表征非充分发展海浪特征，第15届 ITTC(1978)给出的频谱形式为：
S ( )
173H123 T 5
2m0 T m1
4
exp(
691
4T
4
海洋要素计算与预报
海洋要素计算与预报 (1)第一部分数据预处理与统计分析方法 .............................................................. 1第一章数据预处理 ...................................................................................... 1一、数据质量控制 (1)1、异常数据的认定和排除 (1)2、数据系统性偏差的检查和修正 .............................................. 1二、不规则空间分布数据网格化 .. (1)1、数学插值法 (1)2、网格统计法 .............................................................................. 2三、要素统计特征 .. (3)1、要素数据标示 (3)2、均值与距平 (3)3、平均差 (3)4、方差 (3)5、协方差与相关系数 (3)6、自协方差与自相关系数 (3)7、落后协方差与相关系数 (4)8、经验分布 .................................................................................. 4第二章谱分析 (5)一、 Fourier 变换与谱分析 . (5)二、功率谱估计 (6)三、交叉谱分析 .................................................................................... 7第三章经验模态分解 . (8)一、前言 (8)二、 EMD 计算方法与 IMF 分量 (9)三、 EMD 方法中存在的问题 . ........................................................... 11 1、 EMD 方法在处理间歇信号时的不可分问题和产生的模态混合问题 .................................................................................................. 11 2、 EMD 分解方法的边界问题 . ................................................. 15四、应用实例 (17)1、 SST 资料处理 . (17)2、海平面数据处理 .................................................................... 17第四章回归分析 ........................................................................................ 18一、一元线性回归 (19)1、一元线性回归模型 (19)2、一元线性回归的方差分析 (19)3、回归方程的显著性检验 (20)4、预报值的置信区间 ................................................................ 20二、多元线性回归 (21)1、多元线性回归模型 (21)2、回归方程显著性检验 (22)3、预报值的置信区间 ................................................................ 22三、非线性回归 . (23)1、曲线函数线性化 (23)2、多项式回归 ............................................................................ 23第五章经验正交函数分解 ........................................................................ 23一、主成分的定义 (24)1、两个变量的主成分定义 (24)2、多变量的主成分定义 (25)二、主成分的导出 (26)三、主成分的性质 (27)四、主成分的计算 (28)五、经验正交函数分解 (EOF (28)六、时空转换 ...................................................................................... 29第六章最小二乘法潮汐调和分析与潮汐特征值 (30)一、分潮与潮汐调和常数 (30)二、最小二乘法潮汐调和分析方法 (32)1、任意时间间隔观测序列的方程组导出 (32)2、等时间间隔观测序列的方程组系数 (34)3、 Fourier 系数的计算 . (35)4、天文变量与调和常数计算 (36)三、潮流调和常数与潮流椭圆要素 (42)四、潮汐性质与潮汐特征值 (43)1、潮汐性质 (43)2、潮汐特征值 (43)3、平均海面、平均海平面与陆地高程,海图深度基准面与海图水深 .................................................................................................. 45 (4海图深度基准面与海图水深 ............................................ 45第七章海浪数据分析 (48)一、去倾向和去均值处理 (48)二、从波面高度序列中读取海浪的波高和周期 .............................. 48 1、跨零点波高、周期定义 .. (48)2、极值点波高、周期定义 ........................................................ 49三、波面高度分布、波高和周期的分布,波高和周期的联合分布 (49)1、波面高度分布 (49)2、波高和周期的分布 (50)四、各种波高计算 (51)五、海浪谱估计 (52)1、海浪谱估计方法 (52)2、谱矩的计算 (52)3、谱的零阶矩与各种波高的关系 (52)4、海浪谱的谱宽度计算 (52)5、谱峰频率与周期的关系 ........................................................ 53第二部分海洋数值预报 .................................................... 错误!未定义书签。
海洋工程环境课件07-2-海浪观测和海浪预报
海浪玫瑰图
根据特征波高的观测值大小可给出波浪等级及对应海 浪名称，如下表所示。
海况可依据海面外部特征分为10级，见下表。
2、海浪预报
1）根据海浪现场实测资料，结合天气气象图资料进行海浪 计算分析就可得到海浪的波高、周期和波向。 2）在缺乏现场实测海浪资料时，则可利用海洋天气图或 相邻海域气象观测站的观测资料确定对应海域的风区、风时、 风速等风场要素，利用以上风况资料推算得到相应海浪，亦可 借助海浪预报图解查取风浪要素和涌浪要素。
台风区内的波浪要素可用经验公式计算得到，常用的 如Bretschneider(1957)计算深水区台风浪的公式为：
H1/3 5.03exp
RP 4700
(1
0.29U F UR
)
TH1/3 8.6exp
RP 9400
(1
0.145UF UR
)
式中：U F 为台风移动速度(m/s)；R 为台风最大风速 Pc 为台风中心气压(hPa P 1013.3 Pc ， 半径(km)； 、百帕)；U R 为海面上空10m高处风速(m/s) ；系数 对 移动缓慢的台风风速计算取为1.0。
近海平均波高具有区域分布特点，北方海区的平均波 高小，南方海区则大。北方海区的最大波高在冬季受到寒 潮的影响比南方海区高，但在夏季由于热带风暴的影响， 南方海区的最大波高比北方海区大，东海记录到由热带气 旋产生的狂涛波高为17.8m，南海记录到波高14m的狂涛。
风浪波高最大的海区有台湾海峡、吕宋海峡、台湾以 东海域以及南海东北部海域，东海北部和南部以及南海中 部的波高位居其次，然后是黄海南部，而渤海和黄海北部 的风浪最小。据统计，一年中．南海海域出现大浪、巨浪 及狂浪的次数最多，其次是东海、黄海，而渤海的出现次 数最少。如据1997年各海区统计，最大波高在渤海为5.0 m，在黄海为7.0 m，在东海为10.0 m，在南海为8.0 m。
海洋要素计算及预报
K M U Fx D VD UVD V 2 D V gD 2 0 ' ' D ' K M V d ' Fy fUD gD o t x y y D y D y '
二．数值分析
（1）POM 模型简介
POM 是 Princeton Ocean Model 的简称,是由美国普林斯顿大学大气和海洋科学实验 室 Alan Blumberg 和 George L. Mellor 研制发展起来的一类海洋数值计算模式。其 主要特征为： （1）垂直方向的σ坐标变换。 （2）水平网格采用正交曲线坐标和 ArakawaC 差分格式。 （3）水平时间差分采用显格式，而垂直差分为隐格式 （4）自由表面可以模拟水位变化。 （5） 垂直和水平方向的混合扩散分别采用 2.5 阶的 Mellor-Yamada 湍流闭合模 式和 Smagorinski 模式。 （6） 内外模态分别处理速度较慢的内重力波和速度较快的外重力波以提高整个 模式计算效率。
K K q q 2l E1 M D D Dq3 g U 2 V 2 ( ) ( ) E K Fl W 3 H o B1
7.海面条件，
8.海底条件
（3）模拟过程
关键词:POM 模型，风海流，渤海，数值模型，物理海洋
一．背景概括
1.1 渤海地理位置
渤海位于北纬 37°7′～41°N，东经 117°35′～121°10′E 之间，深深的嵌入中国 大陆内部，仅以渤海海峡与北黄海相通，属于内陆海，可分为以下几部分。 辽东湾 位于长兴岛与秦皇岛一线以北。处于两条大断裂之间的地堑型凹陷，中部地势 平坦，东西两侧比较复杂。 渤海湾和莱州湾 是渤海西、 南部的两个凹陷区， 之间被黄河三角洲隔开。 地形平缓单调。 渤海海峡 位于辽东半岛南端的老铁山角与山东半岛北端的蓬莱角之间，南北宽约 106 公里。海峡北部的老铁山水道，是黄海海水进入渤海的主要通道。由于过水断面窄，束水流 急，海底被冲刷出一条 U 形深槽。 中央盆地 位于辽东湾、渤海湾、莱州湾和渤海海峡之间，是一个北窄南宽、近似三角形 的盆地，中部低而东北部稍高，构造上是一个地堑型凹陷。
海洋学 第5章 海浪
第五章海浪§5—1海浪的类型一.海浪要素海浪．．是发生在海洋中的一种波动现象,又称波浪海浪要素：周期：T= λ/c频率．． f=1/T波陡δ：δ=波高/波长深水中δ≯1/7，波峰线：通过波峰且垂直于波浪传播方向波向线：垂直于波峰线二.海浪运动机理深水：水质点以近似于圆形的轨道作圆周运动运动半径：随着水深的增加而减小h=λ/2时;r↓→4% r0（r0=a）浅水：（h＜λ/20）运动波及海底。
三.海浪的分类1.按海水深度分深度深: 表面波（深水波）：h↑→r↓深度浅: 长波（浅水波h＜λ/20）运动波及海底。
2.按周期分3.按生成原因分：．．．．．．．风浪、潮波、海啸4.按受力情况分：自由波：涌浪受迫波：潮波5.按波形前进与否分：进行波；驻波。
6.按边界条件分①微小振幅波H/λ很小，H可忽略所有运动方程式都是线性的。
②有限振幅波：H不可忽略a.斯托克斯波有“质量运移”b.孤立波H/λ＜1/10; 运动集中在波峰附近c.摆线波7.内波§5—2 海浪的形成一.海浪形成假说(1)形成毛细波(2)风以法向压力形式给波浪传递能量(3)空气小涡流加强了水质点的运动(4) 波长较短的波由风取得能量转给波长较长的波二、海浪的消衰1.分子粘滞性消耗的能量2.涡动消耗能量3.空气的阻力4.海底摩擦5.波浪破碎三.海浪的状态1.海浪三要素风速：大于0风时：状态相同的风作用的时间风区：状态相同的风作用的海区风大不一定浪大．．．．．．．2.定常状态风区一定，海浪达最大；风区增加，海浪高度增加；风区是限制因素。
3.过渡状态风区一定，海浪未达最大；时间增加，海浪高度增加；风时是限制因素。
4.海浪的充分成长状态能量收支平衡；海浪达最大；风区、时间增加，海浪高度不增加。
5.判断海浪状态的标准a.最小风时成长至最大海浪所需的时间；未达最小风时：过渡状态b.最小风区成长至最大海浪所需的风区。
达最小风时，未达最小风区：定常状态最小风时、风区均满足：充分成长状态四. 涌浪离开风区的海浪称为涌浪1.涌浪的特点：(1)波长小的浪衰减快(2)传播中涌浪的周期和波长都在增加原因：选择消衰作用，使周期小的波消衰得快.(3)波长比波高大40～100倍；先头涌可达1000倍以上有时是台风来临的征兆(4)传播距离远:可达10000公里以上2. 涌浪传播速度：Cg =λπ23.涌浪波高消衰原因(1) 粘滞性消耗：空气的阻力和海水的涡动粘滞性消耗(2)离散：各个波的波速不同而引起；(3)角散：侧向散开五. 观测到的大洋中的最大海浪北太平洋：波高34m，周期14.8s，波速为28.3m/s印度洋：观测到24.9m的波高；及波长超过350m的风暴波大西洋：观测到波长824m，周期为23s的大浪，其波速达35.8m/s。
海洋要素计算与预报(海浪3)
海浪要素及统计分布（短期分布） §1.3 海浪要素及统计分布（短期分布） 海浪要素及特征波要素
通常需要对波面记录进行预处理。 通常需要对波面记录进行预处理。 上（下）跨零点法 。 谷法。 峰-谷法。 谷法 由波面记录读取的波高和周期均为随机量。 由波面记录读取的波高和周期均为随机量。
海浪要素及特征波要素 （1）部分大波平均波 ）
B exp − q ωp ω A
S (ω ) =
Pierson-Moscowitz（P-M）谱（1964） （ ） ） 从北大西洋的460组风浪观测资料中挑选出 组属于充分 组风浪观测资料中挑选出54组属于充分 从北大西洋的 组风浪观测资料中挑选出 成长情形的数据，依风速分成 组并将各组谱进行平均 组并将各组谱进行平均， 成长情形的数据，依风速分成5组并将各组谱进行平均， 发现它们有良好的相似性。 发现它们有良好的相似性。 采用Kitaigorodskii的相似定律对 个平均的谱进行因次 的相似定律对5个平均的谱进行因次 采用 的相似定律对
~ ~ S (ω )dω = 1
1~ ∑ j cj =1 j =1
~ jc j e − j = 0 ∑
j =1
n
n
~ ~ dS (ω ) =0 ~ dω ω =1 ~
n
ω R= ω0
ω = ( m 2 / m 0 )1 / 2
∑
j =1
1 ~ 1 2 c = R 3 j j 2
文氏谱（ 文氏谱（1994） ）
1 H p = ∫ Hf ( H )dH p H0
概率密度分布函数
∞
p=
∞
∫ f ( H )dH
H0
p = 1 / 100, 1 / 10, 1 / 3, 1
海边技术指标公式
海边技术指标公式1. 海浪海浪是海边工程中最重要的一个技术指标，它对于海边结构物的稳定性和抗风浪能力有直接影响。
海浪的主要参数包括波高、波长、波速等，其中波高是最常用的指标。
海浪波高的公式一般表示为：\[ H = aT^b \]其中，H为波高，a和b为系数，T为波周期。
在实际应用中，根据实测数据和不同海域的特点，可以通过拟合得到不同地区的海浪波高公式，以便进行工程设计和预测。
2. 潮汐潮汐是海边工程中另一个重要的技术指标，它对于海岸线的侵蚀、港口的淤积等有很大影响。
潮汐的主要参数包括潮位、涨落幅度、潮汐周期等。
潮汐的公式一般表示为：\[ H_t = A + Bt + Ct^2 \]其中，H为潮汐高度，t为时间，A、B、C为系数。
潮汐的周期性和规律性使得可以通过数学模型和实测数据计算得到潮汐的预测公式，以便为海边工程提供参考。
3. 风速风速是海边工程中另一个重要的技术指标，它对于海上设施的稳定性和强度有直接影响。
风速的主要参数包括平均风速、最大风速等。
风速的公式一般表示为：\[ V = A + Bt + Ct^2 \]其中，V为风速，t为时间，A、B、C为系数。
根据不同地区的气候特点和实测数据，可以得到各种不同风速的预测公式，以便为海边工程的设计和施工提供参考。
4. 海水盐度和温度海水盐度和温度是海边工程中另外两个重要的技术指标，它们对于海洋生态系统的稳定和海边工程设施的耐腐蚀性有直接影响。
海水盐度和温度的公式一般表示为：\[ S = A + Bt + Ct^2 \]\[ T = A + Bt + Ct^2 \]其中，S为海水盐度，T为海水温度，t为时间，A、B、C为系数。
根据海水盐度和温度的变化规律和实测数据，可以得到海水盐度和温度变化的预测公式，以便为海边工程的设计和施工提供参考。
总结海边技术指标是海洋工程中至关重要的一部分，通过对海浪、潮汐、风速、海水盐度和温度等多个技术指标进行准确评估和监测，可以为海边工程的设计、施工和运营提供可靠的参考。
海洋要素计算及预报
3.温度方程 TD TUD TVD T K H T R FT t x y D 4.盐度方程 SD SUD SVD S K H S FS t x y D 5.湍流动能方程
海底条件3模拟过程选取渤海冬夏季风场分别为夏季为南风5ms冬季为西北风8ms模拟时间层作为海表面9层作为底层分别模拟计算渤海冬夏季海水从表层到底层的流场海表面高度场并假定平均水深下的渤海冬夏季海水从表层到底层的流场利用matlab软件处理数据作图包括
基于 POM 的渤海冬夏季 风海流数值模拟报告
学院：海洋学院 专业：海洋科学 姓名：贺芊菡 学号：1429205 指导老师：刘浩
K M U Fx D VD UVD V 2 D V gD 2 0 ' ' D ' K M V d ' Fy fUD gD o t x y y D y D y '
1.2 渤海海洋要素简介
（1）水深
渤海整个海区水深较浅，平均深度只有 20 米左右，但是中部深度较大，最深处达 70 多米。 （2）风场 渤海盛行季风，冬夏季风风向交替，是以亚欧大尺度天气系统为背景。冬季主要受制于 大陆高压，高空槽后的冷空气频繁南下造成本区较强的偏北风，每年十月持续到次年三月， 平均风力 4-5 级，6 级以上强风出现频率多达 20%以上。夏季，渤海季风受我国东南部低压 和西北太平洋高压的控制，形成了 7-8 月份偏南风，平均风力 3 级，6 级以上强风频率约占 15%[1]。但是对于中、小尺度的边缘海，海面风不仅决定于大尺度系统而且还受海陆分布和 地形的很大影响，特别是像渤海这样深入大陆的内海，地方风效应尤为显著。
海堤波浪要素及安全超高计算
海堤波浪要素及安全超高计算海堤是指建筑在海岸线上的一种结构工程，主要用于保护陆地免受海浪冲击。
对于海堤的设计和构建，需要考虑波浪的多个要素以及安全超高的计算。
1.波浪要素在设计海堤时，需要考虑以下几个重要的波浪要素：1.1引起海堤冲击的波浪高度（H）：波浪高度是指波浪顶部与静水面的垂直距离，通常采用H1/3、H1/10或H1/100来表示。
选择适当的波浪高度可以确保海堤能够抵御常见的波浪冲击作用。
1.2波浪周期（T）：波浪周期是指相邻波浪通过其中一点所需的时间，也叫波浪间隔。
不同的波浪周期对于海堤的冲击力有不同的影响。
1.3波浪方向（θ）：波浪方向是指波浪传播的方向，通常是以度数表示。
波浪方向的不同会导致不同的波浪冲击力，需要进行准确测量和分析。
1.4波浪频率（f）：波浪频率是指单位时间内波浪通过其中一点的次数，通常以波浪周期的倒数表示。
波浪频率越高，对海堤的冲击力就越大。
安全超高是指海堤的高度要超过理论波浪高度与预测洪水水位之和，以防止海水溢出堤体而对陆地造成伤害。
通常根据不同的海堤用途和地理条件，安全超高计算可分为以下几个步骤：2.1确定理论波浪高度：根据所在地域的波浪历史资料和波浪预报，通过数学模型计算得出预测的理论波浪高度。
2.2确定预测洪水水位：通过对该地区历史降雨和洪水资料的分析，结合水文数据模型，得出预测的洪水水位。
2.3确定安全超高：理论波浪高度与预测洪水水位之和即为安全超高。
根据该数值，设计海堤的高度应该超过此数值，以确保堤体的安全性。
3.其他考虑因素除了波浪要素和安全超高外，设计和构建海堤还需要考虑其他因素，如土质条件、地理特征、地震风险等。
这些因素将直接影响到海堤的稳定性和抗冲击能力。
综上所述，海堤设计和构建需要综合考虑波浪要素和安全超高计算，以确保海堤能够有效地抵御海浪冲击并保护陆地安全。
同时，还需要考虑其他因素的影响，确保海堤的稳定性和可靠性。
海堤的设计和施工需要专业的工程师和科学家共同合作，结合实际情况进行准确计算和方案制定。
《海洋要素计算与预报》课程教学初探
性 ， 此 在 考 核 时 不 是 以 考 察 学 生 的 记 忆 因 为 主 ， 是 检 验 学 生 对 所 学 知 识 的 掌 握 程 而 度 和 应 用 技 巧 ， 其 是 借 助参 考 书 和 计 算 尤 机 解 决 实 际问 题 的 能 力 。
３结语
本 文 主 要 介 绍 了 在 海 洋 科 学 专 业 新 开 课 程 《 洋 要 素计 算 与 预 报 》 教学 内容 和 海 的 课 程 特 点 ， 此 基 础上 提 出 了 作者 对 该 课 在 程 教 学 的 一 些 思 考 ， 望 籍 此 推 动 该 课 程 希
一
单介绍外 ， 更加 测 重 各种 要 素 的 计算 和 预 报 。 学 生 掌 握Байду номын сангаас引潮 力 和 引 潮 势 的 展 开 的 在 基 础 上 ， 重 研 究 潮 汐 潮 流 的 分 析 方 法 和 着 预 报手段 ， 以及 和 港 口海 岸 工 程 相 关 的 潮 汐特 征 值 的计 算 方 法和 潮 汐 频 率 分 布 的应 用ｌ； 引导 学生 学 会 海 洋 观 测 数据 的主 要 获 ３ ＿
取 方 法 、 征 方 法 及 数 据 分 析 基 本原 理 ， 表 重
置 一 定量 的文 献 阅 读 ， 撰 写读 书 报 告 等 ， 并 进行课堂讨 论 ， 旨在 加 深 学 生 对 所 学 知 识 的理解 、 用 ， 宽学生的知识面 ， 运 拓 了解 本 门学科的最新进展 。 在 教 学 方 法 上借 助ＭＯＤＩ 星 图片 和 Ｓ卫
境 中的 物 理 要素 ， 了解 其 长 期 的 变 化 规 律 。 针 对 各 种 海 洋 动 力过 程 ， 门 课 程 除 本 了对主要 物理 海洋要 素如 潮汐 、 流 、 潮 海 流 、 度 、 度 以 及 海 浪 的 基本 概 念 进 行 简 温 盐
海洋要素计算与预报
积分: 相对于 和
2 2 2 2 ) f ( , exp exp 1/ 2 1/ 2 (2 ) 0 2 2 2 0 2
积分: 相对于
2 f ( ) exp 0 2 0
Neumann假定： ~ ~ d ~/2 外观具有周期 的个别波为波谱中周期介于 ~ d ~ / 2 的各组成波叠加的结果。 至
2g 2 1 S ()d C exp 2 2 d 6 4 U
2g 2 1 S () C exp 2 2 6 4 U
1 H F ( H ) exp
其中
2.126, 8.42
-------------正态分布
实际上波面的分布为非正态的，在高海况下尤为显著。非线性海 浪模型（Longuet-Higgins，1963） ：
ii ijij ijkijk
由随机量 的特征函数可以导出其 概率分布函数为约化的GramCharlier级数。
波高的分布
n
波高的分布 定义如下随机量：
1 cos an cos[(n )t n ]
2 sin an sin[(n )t n ]
n
n
3
1 (n )an sin[(n )t n ] t n 4 2 (n )an cos[(n )t n ] t n
2
sec h 2 ( )
SWOP（Stereo Wave Observation Project）方向谱
2g 2 1 S () C exp 2 2 G(, ) 6 4 U
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
海洋要素计算与预报
第五篇
海浪预报分析及计算方法
中国海洋大学物理海洋实验室
管长龙
推荐参考书 《海浪理论与计算原理》，文圣常、余宙文编著，1984， 科学出版社。
பைடு நூலகம்
《随机海浪理论》，徐德伦、于定勇编著，2001，高等
教育出版社。 《Wind-Waves in Oceans》, Igor V. Lavrenov, 2003, Springer. 《Dynamics and Modeling of Ocean Waves》, G. J.
风、涌浪的生成示意图
海浪由深水向浅水的传播
海浪研究的内容
风浪的生成机制：风的能量如何输入给海浪。
风浪的演化：能量耗散与再分配（波-波相互作用）。 海浪统计理论：海浪谱（内部结构）与统计分布（外观特 征）。 海浪破碎：深水波、浅水波。
海浪数值计算 。
近岸波计算。
海浪研究的意义 科学方面： 小尺度海气相互作用：风浪是海气相互作用的产物，反过 来提高了海气交换的效率，特别是风浪破碎对海气交换的 具有加强作用。
体波动理论结合起来。 Jeffreys（1925）在实验室模拟风浪的生成，提出了遮拦 效应（形状阻力）。
Sverdrup-Munk（1947）建立了有效波的能量平衡方程。 因第二次世界大战盟军在Normandy登陆对海浪预报的需
要。将液体波动理论与风浪经验公式结合起来。
海浪研究的历史：实际海浪（二）
上层海洋动力学：海浪的搅拌作用与风浪破碎产生的混合 作用。
与海洋较大尺度运动的相互作用：如内波、流场等。 海洋遥感机理：微波遥感（散射计、高度计，Bragg散射、 镜向反射）。声波从水下遥感海面风速（通过测量风浪破
碎产生的噪声）。
海洋地质：动力沉积地貌、海岸线的长期演化。
不同飞沫滴的产生机制示意图
航线确定。
海洋军事：掠海飞行武器系统等。
海浪研究的历史 液体波动：
Newton, Lagrange, Laplace, Cauchy, Poisson, Rayleigh, Stokes, Airy等人，采用数学力学方法，不考 虑风的作用，理想流体。 为经典位势理论提供了应用领域。
Komen et al., 1994, Cambridge Univ. Press.
研究对象 海浪是指由风的作用而产生的海洋表面重力波。具有如下特征： 小尺度-周期为1-20s，相应的深水波长为1.5-600m。
kz 运动局限于表面。运动的垂向衰减为： e ，当深度为半
个波长时，运动的幅度衰减致表面的 e 4.3% 。
水滴蒸发层（DEL）及热量交换过程的示意图
海气之间一方面通过湍过程交换热量和水汽；另一方面飞 沫滴与DEL之间进行感热交换，并通过蒸发吸收DEL的热 量同时为DEL提供水汽（from Andreas and DeCosmo，2002）
微波在海面反射的示意图
海浪研究的意义 应用方面： 海岸工程（coastal engineering）：港口设计、防波堤、 泊稳条件等。波高决定了设计强度（如材料的种类），周 期决定了结构物的型式。 船舶工程：6个自由度的运动。 近海工程（offshore engineering）。
重力波-重力作为波动的恢复力。 生成波动的扰动源为风的作用。 频散波动。 非横纵波。
海洋中的能谱
(LeBlond and Mysak, 1978)
海浪的分类
按波型分类：
风浪-比较粗糙、不规则、随机性强。 涌浪-离开风作用的海域的海浪，光滑、规则、随机性较 弱，波陡小，为长波。有时也指不能从风获得能量的海浪 组分，如风减弱或转向的情形。 混合浪-呈多谱峰性、多向性。 按水深的影响分类： 深水波-可不计水深的影响，看成为无限深水情形。 有限深度水波-仅考虑深度的影响，忽略深度变化的影响。 浅水波（或近岸波）-通常不考虑风的能量输入，主要考虑 折、绕射及浅水破碎。
Pierson（1952）引入随机海浪模型和海浪谱的概念。
Miles（1957）提出风浪生成的剪切不稳定机制。 Phillips（1957）提出风浪生成的共振不稳定机制。 Hasselmann（1962）提出非线性波-波相互作用引起的 能量传输。 Hasselmann（1974）提出谱形式的风浪破碎引起的能 量消耗。 Hasselmann et al（1973）JONSWAP计划证实了超射 现象，说明了非线性波-波相互作用在风浪成长中的重要 作用。 WAMDI Group（1988）建立了第三代海浪数值模式 WAM。
实际海浪太复杂，当时的理论从未足以解释实际观测。
Rayleigh（1876）指出“The main law of sea waves was the absence of any law”。
海浪研究的历史
实际海浪：
从19世纪末积累了一定数量的海浪观测资料，建立了一
些经验公式。Beaufort（1805）建立了风和海况的关系， 提出了波级（scale of waves）。但未能将这些公式与液
膜滴（film droplets）和喷滴（jet droplets）主要是由于破碎卷入的空 气泡上升到海面时气泡破裂而形成的水滴；飞滴（spume droplets） 是由风切削陡的波峰形成的；溅滴（splash droplets）主要是由波峰 的溢波破碎（spill breaking）或卷波破碎所产生的（from Andreas et al.，1995）