物理海洋学海浪与海洋波动
《海洋科学导论》---第六章--波动现象
《海洋科学导论》---第六章--波动现象第六章海洋中的波动现象海洋中的波动是海⽔的重要运动形式之⼀。
从海⾯到海洋内部处处都可能出现波动。
波动的基本特点是，在外⼒的作⽤下，⽔质点离开其平衡位置作周期性或准周期性的运动。
由于流体的连续性，必然带动其邻近质点，导致其运动状态在空间的传播，因此运动随时间与空间的周期性变化为波动的主要特征。
实际海洋中的波动是⼀种⼗分复杂的现象，严格说，它们都不是真正的周期性变化。
但是，作为最低近似可以把实际的海洋波动看作是简单波动（正弦波）或简单波动的叠加，从研究简单波动⼊⼿来研究海洋中的波动是⼀种可⾏的⽅法。
⽽且简单波动的许多特性可以直接应⽤于解释海洋波动的性质[13]-。
§6.1 概述6.1.1 波浪要素⼀个简单波动的剖⾯可⽤⼀条正弦曲线加以描述。
如图6-1所⽰，曲线的最⾼点称为波峰，曲线的最低点称为波⾕，相邻两波峰（或波⾕）之间的⽔平距离称为波长（λ）相邻两波峰（或者波⾕）通过某固定点所经历的时间称为周期（T ）。
显然，波形传播的速度/c T λ=。
从波峰到波⾕之间的铅直距离潮位波⾼（H ），波⾼的⼀半2a=H/称为振幅，是指⽔质点离开其平衡位置的向上（或向下）的最⼤铅直距离。
波⾼与波长之⽐称为波陡，以(/)H δλ=表⽰。
在直⾓坐标系中取海⾯为x y -平⾯，设波动沿x ⽅向传播，波峰在y ⽅向将形成⼀条线，该线称为波峰线，与波峰线垂直指向波浪传播⽅向的线称为波向线。
图6-1 波浪要素6.1.2 海洋中的波浪海洋中的波浪有很多种类，引起的原因也各不相同。
例如海⾯上的风应⼒，海底及海岸附近的⽕⼭、地震，⼤⽓压⼒的变化，⽇、⽉引潮⼒等。
被激发的各种波动的周期可从零点⼏秒到数⼩时以上，波⾼从⼏毫⽶到⼏⼗⽶，波长可以从⼏毫⽶到⼏千千⽶。
海洋中波动的周期和相对能量的关系如图6-2所⽰。
由风引起的周期从1~30s 的波浪所占能量最⼤；周期从30s ⾄5min ，为长周期重⼒波，多以长涌或先⾏涌的形式存在；⼀般是由风暴系统引起的。
第八讲 海洋中的波动
风暴潮预报
• 经验统计预报 用回归分析和统计相关来建立指标站的风和气压 与特定港口风暴潮位之间的经验预报或相关图表
• 动力数值预报 用数值天气预报给出海上风场和气压场，之后
用风暴潮数值模式给出风暴潮位和潮流的时空分 布
2004印度洋海啸
• 2004年12月26日，印度 洋发生里氏9.0级强烈地 震并引发海啸。吞噬了22 万3千多人的生命，让人 类再次感到海啸的恐怖
• 在海洋中的各种波动中，以海浪所占据的 能量最大，相当于28680颗广岛原子弹
海洋的节拍---海浪
海浪是很多文学作品的讴歌对象
会相一一 教搅重泊 相 山 相 浪 沙 海淘灭来 无 一 无 一 一 时 歇重泊 平日生去 。，。，
白居易 《浪淘沙》
海浪是如何生成的？
• “无风不起浪”-----风浪 • “无风三尺浪”-----涌浪 • 海浪是由风引起的表面重力波 • 风浪：一直处在风作用下的海浪 • 涌浪：风停止、减弱、转向时的海浪
2011年3月11日，日本东北部海域发生9.0级地震,
引发了强大的海啸
• 截止4月29日，死亡14616人，失踪11111人
防波堤
震源
日本仙台机场
海啸
• 因海底地震或火山爆发而引起海水剧烈的起伏， 形成强大的波浪，称之为海啸。
• 是一种长重力波，英语中称为Tsunami，由日语 “律波”而来
产生海啸的原因
近岸的海浪
• 涌浪传播的速度很快，常在风暴系统到来 之前先行到达
• 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
为何波峰线大致平行于海岸线？
• 海浪的折射
浅水中的波速 h为水深
c
=
物理海洋学 主要课程
物理海洋学主要课程
物理海洋学是研究海洋中的物理现象和过程的学科，主要课程涵盖了许多方面。
以下是物理海洋学的一些主要课程：
1. 海洋动力学，这门课程主要研究海洋中的运动规律，包括海洋流体的动力学特性、海洋环流系统、海洋波动等内容。
学生将学习海洋中的惯性、科里奥利力、风生海浪等现象，以及它们对海洋环境和气候的影响。
2. 海洋热力学，这门课程主要研究海洋中的热量分布、热量传输和热力学特性。
学生将学习海洋中的温度分层、热盐环流、热量交换等内容，以及它们对海洋生态系统和气候的影响。
3. 海洋声学，这门课程主要研究海洋中的声波传播、声学特性和海洋声学技术应用。
学生将学习海洋中的声速变化、声波传播路径、声纳技术等内容，以及它们在海洋资源勘探、海洋生物学研究等方面的应用。
4. 海洋地球物理学，这门课程主要研究海洋地球物理场的特性和海底地质结构。
学生将学习海洋中的地磁场、重力场、地震活动
等内容，以及它们对海洋地质和地球构造的影响。
5. 海洋气象学，这门课程主要研究海洋中的气象现象和气候特征。
学生将学习海洋中的风暴、台风、季风等气象现象，以及它们对海洋环境和海洋交通的影响。
除了上述主要课程外，物理海洋学还涉及海洋环境监测、海洋工程学、海洋资源开发等方面的课程。
这些课程的学习将帮助学生全面了解海洋的物理特性和过程，为他们未来从事海洋科研、工程技术和环境保护等领域提供扎实的理论基础和专业知识。
物理探索海洋知识点总结
物理探索海洋知识点总结1. 海洋的形成海洋占据了地球表面70%以上的面积，但其形成却是一个漫长而复杂的过程。
据研究，地球的海洋是在地球形成后不久就开始形成的，当地球表面冷却后，水蒸气凝结成液态水，最终形成了海洋。
但是，海洋的形成并不仅仅是由水的凝结所形成的，它还受到地球内部运动、板块漂移以及其他自然因素的影响。
2. 海洋的运动海洋是一个充满活力的系统，其运动包括了海浪、洋流、海潮以及海洋的环流。
其中，海浪是由风和地球自转引起的海水波动，其特点是波峰与波谷之间的距离不定，高度也不定。
洋流是海水在海洋中的定向运动，其产生原因有多种，主要包括风力和地球自转。
海潮则是由海水因月球和太阳的引力而产生的周期性波动。
海洋环流是由风和地球自转引起的海水水平方向的运动，能够对海洋环境产生深远的影响。
3. 海洋的生物海洋是地球上最神秘的环境之一，同时也是生命的摇篮。
海洋中生活着各种形态各异的生物，包括海藻、浮游生物、鱼类、贝类、脊椎动物等。
这些生物对海洋的生态系统有着重要的作用，它们之间相互依存，构成了复杂的海洋生物链。
随着人类的发展，海洋的生物资源得到了充分的利用，但同时也面临了严峻的挑战，包括过度捕捞、环境污染等问题。
4. 海洋环境海洋环境是指海洋中的各种自然环境要素，包括海水的化学成分、海水的温度、海水的盐度、海水中的悬浮颗粒物、海水的透明度、海水的压强等。
这些环境要素对海洋生物和海洋经济活动有着重要的影响。
随着人类的工业化和城市化进程的加快，海洋环境受到了越来越严重的破坏，包括海水的污染、海洋酸化、海洋温度上升等问题。
总之，海洋是地球上重要的自然资源，对地球的生态平衡和人类的生存都有着极其重要的影响。
探索海洋，了解海洋，保护海洋，将会成为人类永恒的使命。
物理学的方法可以帮助我们更好地了解海洋，保护海洋，实现海洋资源的可持续利用。
希望本文介绍的海洋知识点，可以帮助读者更深入地了解海洋，关心海洋，保护海洋。
海洋学导论6(波动)
2、波群 两列振幅相等，波长与周期相近，传播方向相同的正 弦波叠加后，波动振幅由小到大（0→2a）又由大到 小（2a→0）形成群集分布，称为波群。
深水波的群速为波速的一半，浅水波的群速与波速相等。
第三节：有限振幅波
第六章：海洋中的波动现象
第一节：概述
一、波浪要素
பைடு நூலகம்
二、海洋中的波浪
深水波、浅水波
前进波、驻波
波浪的分类
表面波、内波 风浪、涌浪、地震波
第二节：小振幅重力波
小振幅重力波，亦称正弦波，是一种简单波动。指 波动振幅相对波长为无限小，重力是其唯一外力的 简单海面波动。 一、波形传播与水质点的运动 频散 关系
波动具有动能和势能 在一个波长内，总能量为 其中，动能与势能相等
（三）正弦波的叠加 1、驻波：
（1）随着时间的变化，在 这些点称为波腹
时，波面具有最大的
铅直升降，其值为2a，即合成前振幅的2倍，
在 处，波面始终无升降，这些点称为波节 在波节与波腹之间的波面升降幅度均在0~2a之间
随着时间的变化，波节两侧的波面一侧上升，另一侧 下降，在 时，波面ζ ≡0 波面水平
一、风浪成长与风时、风区的关系 1、风时：指状态相同的风持续作用在海面上的时间 2、风区：指状态相同的风作用海域的范围
习惯上把从风区的上沿，沿风吹方向到某一点的距离 称为风区长度，简称风区
最小风时：在定长风的作用下，对应于风区内某点，风 最小风区：当实际风时一定时，对应于某一风区长度 浪达到定常状态所用的时间是一定的，这段时间称为最 内的波浪达到定常状态，此一风区长度称为最小风区。 小风时
海洋中的波动现象 - 海洋中的波动现象
§3.3.1 概述
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§3.3.1 概述
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§3.3.1 概述
二、常用的统计波高 平均波高
H
1 n
n i 1
Hi
均方差
Hs
n
Hi
H
2
n 1
i 1
最大波高 Hmax max H1, H2 Hn
部分大波波高: 观测的一系列波高从大到小排列，并就最 高的某部分取计算平均值。例如，1000个波高，最高的 前100个的平均值为H1 10 ；H1 3 又称为有效波高。
§3.3.3 风浪和涌浪
一、风浪、涌浪和混合浪 1. 风浪：当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态。 2. 涌浪：海面上由其他海区传来的或当地风力减小、平息，或风
2
2a cos[k k ' x ' t] • sin[ k k ' x ' t]
2
2
2
2
• 合成后波动以振幅
k k' '
A 2a cos[
x
t]
回 波
2
2
群
• 波速
c
k
'
k'
k
• 振幅变化的速度（波群传播的速度）
群速
cg
k
'
k'
dd—k —波能传播的速度
• 群速公式：
各种波高的换算，可查表
11
§3.3.而多样：
2、分类：
① 回复力 ②起因
① 波形传播与否
② 波长与水深的相对比（h/λ）
③ 参数（波高、波长、 ③ 波在水中的位置
周期、波形等）
④ 动力机制
……
海洋物理学中的海浪与海洋动力学相互作用研究
海洋物理学中的海浪与海洋动力学相互作用研究在海洋物理学研究领域中，海浪与海洋动力学的相互作用一直是一个重要的课题。
海浪是指由于风力作用在海洋表面上形成的起伏波纹，而海洋动力学则研究了其它海洋力学过程，包括洋流、海洋混合层、海洋温盐度等方面的变化。
本文将重点探讨海浪与海洋动力学相互作用的研究进展和相关应用。
一、海浪的形成与传播海浪是海洋中最为常见的波浪现象，其形成是由于风力作用引起的。
当风吹向海洋表面时，由于风力的作用，水面上的水分子会受到推动而产生波动。
随着风力的不断作用，这些波动逐渐累积形成了海浪。
海浪传播的过程可以分为两个阶段：大洋传播和近岸传播。
在大洋传播阶段，海浪的波长较长，周期较大，波浪能量传播较远。
而在近岸传播阶段，由于深度变浅，波浪开始受到水底摩擦的影响，波长变短，波浪高度增加。
这个过程中，海浪与海洋动力学之间的相互作用开始显现出来。
二、海浪对海洋动力学的影响海浪对海洋动力学的影响主要表现在以下几个方面：1. 海浪与海洋流动的相互作用：海浪的存在会对海洋流动产生影响。
首先，波动的表面会使得海洋流动产生涡旋结构，从而影响水体的流动速度和方向。
同时，海浪还会对海洋表面产生压力，从而在表面形成浪垄和浪谷，进一步改变了海洋流动的特性。
2. 海浪对海洋混合层的影响：海洋混合层是海洋表面至海洋中层之间的混合区域，其中包括海水的温度、盐度等物理性质的变化。
海浪的存在能够增加海洋混合层的混合程度，从而影响海水的温度和盐度分布。
这对于海洋生态系统和气候变化等具有重要的影响。
3. 海浪对海洋沉积过程的影响：海浪的存在能够改变海洋沉积物的输运和沉积过程。
海浪的作用下，岸边的悬浮沉积物会被搬运到近岸区域，形成海洋沉积物的堆积。
同时，海浪的侵蚀作用也使得海底的沉积物被重新悬浮并输送到其他地区。
三、海浪与海洋动力学相互作用的研究方法为了研究海浪与海洋动力学的相互作用过程，科学家们采用了多种方法和工具。
其中包括：1. 模型实验：通过设计合适的实验设备，模拟海浪与海洋动力学的相互作用过程，观察和记录相关参数的变化，以推测其相互作用机制。
海洋中的波动现象-海浪
6.2.1波浪运动的形式 Progressive wave
进行波 Progressive wave
进行波：波形会向外传播 (e.g., 风浪).
驻波：波形不向外传播，但是 会在某一节点上上下运动. 波节 ：不产生运动的 点，无垂直位移. 波腹 ：具有最大垂直 位移的点
驻波 Standing wave
6.2.2波形传播与水质点的运动
6.2.2波形传播与水质点的运动
每个水质点都在 做同样的圆周运 动，那么每个水 质点的运动情况 有何不同？
沿波向，相邻水质点的运动半径和角速度都相同，只是后一个水质点 比前一个启动要慢一段时间。这样，在同一时刻，水质点位于不同的 位相上，这些水质点的连线就构成一定的波形，经过某一时刻后，每 个水质点都在自己的轨道上移动相等的一段弧。把这些不同位相的水 质点再连接起来，仍保持一定波形。
6.3.3.1 涌浪在传播过程中的特点
① 波高H逐渐降低
能量是与H2成正比的
涌浪传递传递过程能 量是衰减的
弥散 角散
Deep-water wave transformations
6.3.3.1 涌浪在传播过程中的特点
② 波长、周期逐渐变大，波速变快-P185
由于弥散, 波速快、波长大的跑在前面, 因此, 传播距离越远, 波长大、周期长的涌 浪越占优势地位。波高变得更小, 在海上 难以看到它。
波浪成因：
风 火山、地震 大气压力的变化 日、月引潮力
毛细波
成因 风
风暴 地震、风暴 日、月引潮力
波浪类型 碎浪 涌
荡漾、海啸 潮汐
周期
1~30 s 30s ~ 5 min
min ~hr 12 ～24 h
三、波浪的分类 3
海洋科学导论 第六章：海洋中的波动现象
海水运动形成的内浪
Internal waves forming as seawater moves through the Strait of Gibraltar into the
Mediterranean Sea
第六章：海洋中的波动现象
6.3 .6 孤立波
浅海中存在的波形在传播过程中保持不变的非周期性波动 的波，称为孤立波。
其波面全部位于静水面以上（或以下）。如近海潮波侵入 河口后具有类似孤立波的性质。
海洋科学导论 6.3 .6 孤立波
第六章：海洋中的波动现象
§ 6.3 有限振幅波动
第六章：海洋中的波动现象
海洋科学导论
§ 6.4 海洋内波
第六章：海洋中的波动现象
海洋科学导论
§ 6.4 海洋内波
海洋内波存在的前提
是发生在密度稳定层化的海水内部的 一种波动
最大振幅出现在海洋内部
波动频率介于惯性频率和浮性频率之间 1752年
其恢复力在频率较高时主要是重力与浮力的合力（称为约 化重力或弱化重力），当频率低至接近惯性频率时主要是 地转科 氏惯性力，所有内波也称为内重力波或内惯性—重 力波。
海洋科学导论
第六章：海洋中的波动现象
主 要 内 容 ： 2学时
1 . 概述 2 . 小振幅重力波 3 . 有限振幅波动 4 . 海洋内波 5 . 开尔文波与罗斯贝波 6 . 风浪和涌浪
海浪怎么产生？
无风不起浪----风浪：一直处在风作用下的海浪 无风三尺浪----涌浪：风停止、减弱、转向时的海浪
海浪是由风引起的表面重力波
内波的发现——“死水现象”
(完整版)第6章海洋中的波动现象
引言
海洋波动是海水运动的重要形式之一 从海面到海洋内部，无处不在， 表面波、天文潮波、海啸、海洋内波等
波动的主要特点：在外力的作用下，水质点离 开其平衡位置，作周期性和准周期 性运动。
波动的主要特征：运动随时间与空间的周期 性变化。
研究方法：近似地把实际的海洋波动看作是 简单波动（正弦波）或简单波动的 叠加。
理论上的解决方法：根据流体力学的连续方程、运 动方程和边界条件，在假定流体无粘滞性，运动是 无旋的，波面上的压力为常数的条件下求解。
波浪要素
一个简单波动的剖面可以用一条正弦曲线加以描述。
波峰 波谷 波长λ 周期T
波陡δ＝H／ λ 波峰线 波向线
波速C＝λ／T
波高H
u ack exp(kz)sin(kxt) w ack exp(kz)cos(kxt)
（6―3）
分析式（6—3）： 水质点在水平方向和 铅直方向的速度分量 都是周期变化的。并 随深度-z的增加而呈 指数减小。
➢自由表面（z=0）上，水质点的速度分量为：
u ack sin(kx t) w ack cos(kx t) ➢小振幅重力波的运动速度分量为：
运动 运动形态（机械能）的传播
二、波动尺度
毛细波
风 浪 涌 浪 长周期波 潮波
海洋中的波动按周期长短分类：
周期： 1－30s 30s－5min 5min－数h 12－24h
名称：
长周期重力波 长周期波
潮波
产生原因：风
风暴系统 地震、风暴 日月引潮力
恢复力：
科氏力、重力
存在形式：
长涌、先行涌
三、波浪类型
6.2.2 波动公式和波动能量
3-海水的物理化学特性(精)
四. 海洋中的波浪与潮汐 1、波浪、海洋中的波动是海水的重要运动形式之一。
海洋中的波动是海水的重要运动形式之一。
波动的基本特点：在外力的作用下，波动的基本特点：在外力的作用下，水质点离开其平衡位置作周期性或准周期性的运动。
由于流体的连续性，置作周期性或准周期性的运动。
由于流体的连续性，必然带动其邻近质点，导致其运动状态在空间的传播，其邻近质点，导致其运动状态在空间的传播，因此运动随时间与空间的周期性变化为波动的主要特征。
与空间的周期性变化为波动的主要特征。
最高点为波峰，最低点为波谷，最高点为波峰，最低点为波谷，相邻两波峰( 邻两波峰 ( 谷之间的水平距离为波长(λ，相邻两波峰（(λ，相邻两波峰（谷）通过某固定点所经历的时间为周期(T (T，所经历的时间为周期 (T ，波形传播的速度C=λ C=λ／速度C=λ ／ T 。
从波峰到波谷之间的铅直距离称为波高(H 波高的一半a=H/ (H， a=H/2 直距离称为波高(H，波高的一半a=H/2 为振幅，为振幅，是指水质点离开其平衡位置的向上(或向下的最大铅直位移。
向上(或向下的最大铅直位移。
引起波浪的原因：海面上的风应力，引起波浪的原因：海面上的风应力，海底及海岸附近的火地震，大气压力变化，月引潮力等。
山、地震，大气压力变化，日、月引潮力等。
被激发的各种波动的周期可从零点几秒到数十小时以上，被激发的各种波动的周期可从零点几秒到数十小时以上，波高从几毫米到几十米，波长可以从几毫米到几千千米。
波高从几毫米到几十米，波长可以从几毫米到几千千米。
2、潮汐、海水在天体（主要是月球和太阳）海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动，习惯上把海面铅直向涨落称为潮汐，周期性运动，习惯上把海面铅直向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。
平方向的流动称为潮流。
潮汐是所有海洋现象中较先引起人们注意的海水运动现象，潮汐是所有海洋现象中较先引起人们注意的海水运动现象，它与人类关系非常密切。
浪的周期概念
浪的周期概念浪的周期是指海浪从一个高峰到另一个高峰所需的时间。
它是一个重要的海洋物理概念，对于海浪的形成、传播和变化具有重要意义。
首先，我们需要了解海浪的形成过程。
海浪是由风吹动水面所引起的波动。
当风吹过海面时，会向水面传播能量和动量，使水分子发生震荡。
这些震荡在水体中传播形成波动，最终形成海浪。
海浪的周期与波长有着密切的关系。
波长是相邻两个波峰（或波谷）之间的距离，而周期则是波峰（或波谷）之间经过的时间。
根据波速等于波长除以周期的公式，我们可以得知，当波长固定时，周期越长，波速越慢；当周期固定时，波长越短，波速越快。
从物理学角度来看，海浪的周期受到多种因素的影响。
其中，风速、风向、风吹持续时间是最主要的因素之一。
当风速较大、风吹持续时间较长时，海浪的周期较短；反之，当风速较小、风吹持续时间较短时，海浪的周期较长。
此外，海洋地形、海水深度、地球自转等因素也会对海浪周期产生影响。
在海洋中，海浪周期的变化对于海浪的传播和变化具有重要意义。
例如，当海浪从深水传播到浅水区时，由于水深减小，波速减慢，波长减小，波高增大，海浪周期也会变短。
这种现象在海岸附近的近岸海域中尤为显著。
另外，海浪周期的变化也影响到海浪强度的预测和海浪能量的利用。
海浪强度是指单位时间内海浪通过单位宽度的能量通量。
由于海浪的能量与其周期的平方成正比，因此周期长的海浪在单位时间内传输的能量相对较小。
这对于海浪能量的利用非常重要，例如海浪发电等领域。
此外，在海洋工程中，了解海浪周期的变化也对于海洋交通和海上工程的安全具有重要意义。
在海上航行或进行海洋工程施工时，了解海浪周期的变化，可以预测和评估海浪对于船只和工程结构的影响，从而采取相应的防护措施。
总结而言，海浪的周期是指海浪从一个高峰到另一个高峰所需的时间。
它受到多种因素的影响，包括风速、风向、风吹持续时间、海洋地形、海水深度等。
海浪周期的变化对海浪的传播、变化、强度预测、能量利用以及海洋交通和海上工程的安全都具有重要意义。
海洋物理学的基本原理和应用
海洋物理学的基本原理和应用海洋物理学是研究海洋的物理性质、过程和现象的科学学科。
它探究海洋中的水文、气象、波浪、潮汐、海流等各种物理过程，以及它们在海洋环境中的相互作用和影响。
海洋物理学的研究为我们理解和预测海洋的运动和变化提供了重要的基础和方法。
同时，海洋物理学在海洋资源开发、环境保护、海洋工程等领域也有着广泛的应用。
一、海洋物理学的基本原理海洋物理学的研究基于以下几个基本原理：1. 海水的性质：海水的物理性质如密度、温度和盐度对海洋物理过程具有重要影响。
海水的密度决定了海洋中的水团运动和混合，而温盐变化则直接影响海洋的密度结构和环流。
2. 海洋的运动：海洋中的运动包括水平和垂直方向的运动。
水平运动主要是海流，它受到风、地转偏向力、潮汐等影响。
垂直运动主要包括垂直混合和水团下沉等过程，它们对海洋环境中养分供应和能量传递起着重要作用。
3. 波浪和潮汐：海洋中的波浪和潮汐现象受到地球引力和海底地形的影响。
波浪是海洋中的表面波动，它们对海岸侵蚀、海水交换和航海安全等具有重要影响。
潮汐是由太阳和月亮引力造成的周期性海平面变化，它对海岸线、海洋生物和能源利用等都具有一定影响。
二、海洋物理学的应用海洋物理学的研究成果在许多领域具有重要的应用价值。
1. 海洋资源开发：海洋物理学可以通过研究海水中的养分分布和海流运动，为海洋渔业、沿海水产养殖等资源开发提供科学依据。
2. 海洋环境保护：海洋物理学可以用于研究海洋污染物的传输和扩散规律，预测海洋环境的受污染程度，从而制定有效的环境保护措施。
3. 海洋工程建设：海洋物理学可以用于研究海浪、海流对海洋工程结构和船舶安全的影响，为设计和建设海洋工程提供技术支持。
4. 气象预报和海上安全：海洋物理学可以通过观测和分析海洋中的风、波浪和气象变化，提供海上气象预报和航海安全预警。
5. 气候变化研究：海洋物理学的研究对于理解全球气候变化有着重要作用，海洋作为地球的热力和碳汇，其运动和变化对全球气候具有重要影响。
物理海洋学070701
物理海洋学（070701）学科门类：理学（07）一级学科：海洋科学（0707）物理海洋学学科属海洋科学一级学科，服务于海洋科学、海洋技术、海洋环境保护、海洋气象、海洋军事和海洋工程等领域。
主要从事海洋波动、海洋物质输运过程、灾害性海洋过程理论及数值预报、环境海洋动力过程、大洋环流、气候与海平面以及海洋调查与监测技术等方面研究。
目前本学科研究方向主要以近海为主，研究课题贯穿资源、环境和气候变化等诸多方面，注重学科交叉、综合与解决重大问题，同时也积极实现在深海远洋领域研究方向的拓展。
近年来学科发展成果丰硕，获国家科技进步二等奖、教育部科技进步一、二等奖各1项。
此外，近5年还得到国家基金资助研究项目4项、863课题1项、省部级基础研究项目10余项。
本学科是江苏省重点学科，拥有物理海洋学博士学位授权点，近年发表SCI、EI及国家核心刊物论文200余篇。
一、培养目标本学科专业培养物理海洋方面的高层次人才，能够胜任高等教育、科学研究或科技开发与技术管理等方面的工作；具有坚实宽广的数学力学、物理海洋学的基础理论和专业知识；熟练阅读外文资料、能用外语撰写科技论文并进行学术交流；掌握本学科理论研究与应用技术的前沿动态；能够独立从事海洋科学研究工作。
二、主要研究方向1.海洋波动2.海洋环流、环境及物质输运3.灾害性海洋过程4.气候与海平面变化5.工程海洋学三、学制和学分攻读博士学位的标准学制为3年，学习年限实行弹性学制，最长不超过5年（非全日制学生可延长1年）。
博士研究生课程由学位课程和非学位课程组成。
课程总学分不少于18学分，其中学位课程不少于12学分，非学位课程不少于6学分。
四、课程设置物理海洋学学科博士研究生课程设置。
海洋学_第八章 海洋中的波动
• 4级 中浪 1.25-2.5 波峰破裂，到处形成白浪
• 5级 大浪 2.5-4
风开始削去波峰上的浪花
• 6级 巨浪 4-6
白沫沿风向呈带状
• 7级 狂浪 6-9
飞沫使能见度受到影响，渔船不出
• 8级 狂涛 9-14
海面变成白色，只有波谷没有浪花
• 9级 怒涛 14米以上 超级台风生成
海况
涌浪传播
k
与波长有关，与 水深无关
频散波！
c L g tanh(kd )
Tk k
d 1 浅水情况
c gd
L
(海底摩擦起作
用)
与波长无关， 只与水深有关
非频散波！
不同波长波速随水深的变化
水质点的运动
波形向前传播完全是通过水质点的运动来实现的， 但是水质点在一个波周期内并没有净的位置变化
实例：麦浪、人浪等等
• 波面其他点水质点运动速度：
达最大值u w 0 0时，u, w达最大
驻波
波腹 波节
波动叠加：波群
• 定义:两列振幅相等，周期、波长相近， 传播方向相同的正弦波叠加。
1 a sin(kx t)和 2 a sin(kx t) 1 2则：
2acos[k k x t]• sin[ k k x t]
速度最大。
辐聚区
辐散区
✓峰前谷后 为上升运动
✓峰后谷前 为下降运动
不同水深情况下水质点 的运动轨迹
波长随深度不变！！
d 1 深水波或者短波 L
质点轨迹为一圆， 其半径随深度增加而减小。
中间情况
d 1 浅水波或者长波 L
质点轨迹为一椭圆，水平轴不随深度变化， 而铅直轴小且随深度而变，铅直速度远小于水平速度
第八章海洋中的波动
⎤ ⎥⎦
• 群速度
cg
=
σ
k
−σ'
− k'
=
dσ
dk
= 1 c ⋅ ⎜⎛1 + 2kh ⎟⎞ 2 ⎝ sinh 2kh ⎠
群速度的概念
• 群速度的定义
cg
=
∂ω
∂k
• 群速度与相速度的关系
cg
=
g
2ω
=
1 2
c,
Deep water;
cg = gd = c, Shallow water
• 对于表面重力波，群速度的方向与波峰线垂直， 指向波动传播方向
海洋内波
• 在海洋内部跃层附近发生的波动，称 为海洋内波
• 海洋内波的速度比表面波小得多（大 约为1/20，相同波长条件下）
c
=
⎧ ⎨ ⎩
gk (ρ2 − ρ1) ρ2cthkd2 + ρ1cthkd1
⎫1/ ⎬ ⎭
2
• 海洋内波的能量
若以相同能量激发表面波和海洋内波，
内波的振幅是表面波的30倍左右，这 是由于海洋内部铅直方向密度变化不
第八章 海洋中的波动
波动特点和要素
• 波动的特点 • 在恢复力的作用下，质点
在其平衡位置附近作周期 或准周期的往复运动 • 流体的连续性，可导致波 动在空间的传播
• 波动要素 • 波长 • 波高 • 周期 • 波陡
即波高和波长之比
海洋中的波动
• 按成因分：风浪、涌浪、海啸 • 相对水深：深水波、浅水波 • 波形传播：前进波、驻波 • 发生位置：表面波、内波、边缘波 • 动力机制：开尔文波、罗斯贝波
海浪的辐聚和辐散
• 为什么港口总是建在湾 里？
第八讲 海洋中的波动
辐聚
高压 中心
辐散
高压中心向辐聚区运动 使Rossby波向西传
北半球罗斯贝的传播
罗斯贝波的生成
• 大洋中的扰动、开尔文波激发等
厄尔尼诺的一种机制
• 罗斯贝波从赤道附近的异常 暖的海面向西传播（厄尔尼 诺期间）。
• 当它达到海洋的西边界时会 被反射，形成开尔文波，这 种波向东传，它起着抵消或 改变海面暖信号的作用，引 发降温事件（拉尼娜期间）
• 1983年，中国加入ITWS • 目的：在海底设置压力传感器与海
面浮标相连，尽早发现海啸
海啸的预报和预警
• 2011年，中国开始一项“巨大的工程”— —“东海海底观测网”，将在未来五年内建 成
同济大学汪品先院士
海洋内波
• 海洋内部不是均匀的，任何密度、温度、盐度剧 烈变化产生分层效应
• 海洋内部任何两层界面处均可能存在波动，称之 为内波
• 波浪破碎后形成沿着海岸线流动的沿岸流 • 沿岸流最终以离岸流回流到海中
离岸流对游泳者造成极大威胁！
James B Lushine
Courtesy Miami Herald
离岸流的间隔与破碎带宽度成正比
波浪浮标
海浪的观测
声学波浪浮标
卫星高度计测波高
风暴潮
风暴潮
气象潮与风暴潮
• 由气象原因引起的局部海洋水面非周期性的升降 现象，称为气象潮。
• 整个厄尔尼诺事件循环所需 时间是由这些波传播的速度 决定的，它大约需要2年。
第八章 海洋中的波动
• 周期性或准周期性运动随时间 在空间中传播的现象称为波动。
按照成因划分： • 海浪：由风引起的水重力波 • 潮波：引潮力引起 • 海啸：海底地震引起 • 风暴潮：气压骤降引起 • 开尔文波和罗斯贝波
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海浪与海洋波动
观测的物理事实
海浪是最常见的海洋动力现象。 浪：风浪、涌浪 波：表面波、内波；线性波、非线性波；
开尔文波、罗斯Hale Waihona Puke 波... 海啸、潮波… 浪与波的关系
➢ 浪由波组成； ➢ 以上现象本质上是波动的不同表现形式。
另一方面，波的物理本质具有普遍性：
➢ 电磁波 ➢ 物质波，波粒二象性。
波的描述
CT
海浪的统计特性
实际海洋中的海浪波形十分复杂。 复杂中表现出明显的周期性。 数学上，将浪视为若干个不同频率(或周
期)正弦波叠加的结果。
海浪的统计特性
海浪的统计特性
O-O为零线，记录曲线于O1,O3,O5等点由下方向上跨过零 线、这些点称为上跨零点；O2,O4,O6为下跨零点.
观测的物理事实
观测的物理事实
观测的物理事实
波的描述
波峰：波面的最高点 波谷：波面的最低点。 波高(H)：相邻的波峰和波谷间的垂直距离。 振幅(d)：波高(H)的一半。 波长（ ）：两相邻的波峰或波谷间的水平距离。 周期(T) ：两相邻的波峰或波谷通过某一固定点所需
的时间。 波速(c)：波峰(或波形)的传播速度。 波陡（ ）：波高与波长之比。 波峰线垂直于波向线。 波数（K）：单位距离中波形的个数。
波长则为相邻两显著波峰(或显著波谷）间的水平距离，
海浪的统计特性
在一段时间所观测的波高系列中，所有波高的平 均值称为平均波高，反映波高的平均状态，可以 作为各种波高换算的媒介。
将观测到的波高按大小排列起来，就最高的部分 波的波高计算平均值，为部分大波的平均波高。
➢ 例如对于最高的1／100，1／10，l／3波，其平均值分 别以Hl／100，Hl/10,H1/3表示，如果—共观测了3000 个波，它们分别代表最高的30，300，1000个波的平均 波高。
C1,C2,C3等为波面的极大值，D1,D2,D3等为极小值。在一 组上跨零点与下跨零点之间可能出现一个以上的极大值 (如C3,C4)，其中最大的一个称显著波峰。
这样,海浪波高的定义修改为：在下跨零点前后相邻的显著 波谷与显著波峰间的高度差(如H1)。
周期定义为相邻两个显著波峰出现的时间间隔，或相邻两 上跨零点或下跨零点)出现的时间间隔。
➢ 将H1/3称为有效波高；具备这种波高的波称为有效波。
海浪的数学物理模型
水波动力学理论
➢ 线性波 ➢ 非线性波
随机海浪理论
两种理论均有重 要意义，且不可代替。 后面将进行详细讲解。