第六章 海浪.ppt

H


4

1
H
2

ln
1 F

2
H 为浅水系数， H H d
当水很深时，即H*=0，则上式还原为深水公式。
深水及浅水中各种累积频率所对应的波高模比系数： 当波由深水处移向浅水处时，平均波高将发生变化，波列
的分布规律也发生变化。
HF H
H* F%
0.5 1 2 5 … 90 95
例3：已知某浅水区d=20m，H1%=5.0m，求H5%=？
解：采用试算法
设 H =2.2m
H /d=0.11
计算得 H1% / H =2.273，查表得 H1% / H =2.239
H5% / H =1.85
则H5%=4.1m
2．周期的理论分布函数 周期的概率密度函数：
f
T


4 4
• 惯性离心力同运动方向相垂 直，自曲率中心沿半 径指向 外缘，其大小同空气运动的 线速度（U）的 平方成正比， 与曲率半径（r）成反比。
• 实际大气空气运动曲率半径（几十千米——几千千米）很 大，故C很小。但在低纬度或空气运动速度大而曲率半很小时， C 较大并可能超过G。
• 作用——只改变风向，不改变风速大小。
例：△p=5hPa, △n=3.5, F=30°, △T=5℃, 则：Us=？ m/s,
Ug=？ m/s
二、我国近海风况的特点
1．季风——海陆间热力差异导致。 2．寒潮大风——气温在24小时内降低10度以上，且最低气 温降至5度以下，称为寒潮。 3．台风——热带气旋
台风（12级及以上） 强热带风暴（10~11级） 热带风暴（8~9级） 热带低压（8级以下）
波陡
波速
二、海浪分类 1．强制波、自由波和混合浪
2．毛细浪、重力波和长周期波
3．不规则波和规则波 4．长峰波和短峰波
5．前进波和驻波
6．深水前进波和浅水前进波
d d

L 2 L 2
深水波 浅水波
第二节 风况基础知识
一、风的形成及类型
空气的水平运动 大气压 标准气压 地面天气图 高空天气图
0.4
1.854 1.777 1.692 1.562
0.572 0.461
0.5 (破碎)
1.687 1.628 1.563 1.463
0.633 0.529
深水中最大波高
H
与波数
max
N 的近似关系：
H max
H
2
ln
N
1 2

在浅水中，H max 还与 H 有关：
1H
H max
波面 的概率密度函数
f

1
2
exp

2 2 2

进而推导出波a 面振幅 的概率密
度函数
f
a

a
2
exp
a2
2 2

波高的理论概率密度函数—— 瑞利（Rayleigh)分布
f
H

2
H
2
H
exp

4
(H H
)2

离差系数为： 偏态系数为：
1
Cv
H
H

M
2 2
H
1
4 12 0.522

Cs M3
2 6
3
3 0.635
M
2 2
4 1 2

密度最大处对应的波高：
Hm
2 H 0.8H

累积频率函数（分布函数）：
F(H )
（4）风速时距换算
U 2min 1.103 U 10min 简写为： U 2 1.103 U 10
时距越短，风速U越大
第三节 海浪观测
一、波浪观测的方法
波浪观测的项目：海况（表6-7）、波型、波向、波高、 周期、风速、 风向、水深
1．岸用光学测波仪
2．遥测重力测波仪
3．压力式测波仪
二、海浪资料的整理
如图：实线为最大风速玫 瑰图；虚线为风向频率玫 瑰图。
2．收集和整理波浪观测资料
收集45°范围内的年 H 1 如：1969年ENE、E、 10 ESE方向各有一个 H 1 ， 则选其中最大的。 10 但注意不能重复计算。
3．设计波浪的推算——频率分析法
（1）经验累积频率的 计算
（2）理论累积频率 曲线的选用
5 4

T T
3 4
exp

4
5 4

T T
4

周期的分布函数：
F T


exp

4
5

T
4

4 T
上式改写为：
1

4
TF
T
1
ln
1


4

5 4
所以：H P H F HH
即： H P H F
例：H
1 10
=4.7m，求H1%=？
解：由表6-12查得，H1% =2.421
H
H
由表6-14查得，
1 10
=2.031
H
H1
10

H
4.7 2.3m
2.031 2.031
H1% H 2.421 2.3 2.421 5.7m
H

1
H
(1 2
H
2

)


4

ln
N

2
同样，当水很深时，即H*=0，则上式还原为深水公式。
例1：P107
例2：已知某浅水区d=20m，H =3.0m，求H1%=？
解：由 H /d=0.15，查表6-12得：H1% / H =2.174， 则H1%=2.174• H =6.5m
F
Fdx
H
F0
x 1
x x2
e 4 dx
F
x 1
x2
e 4 dx
Fx
则
H P H F 1 [1 2
x x2

e 4 d ( x)]
H HF
0
2
H F 1 [1 erf ( x)]
HF
2
对于误差函数：x x
0， erf 0 ∞, erf 1
第四节 海浪要素统计规律
一、固定点波高和周期的统计分布
周期
上跨零点
平均周期 T
波高
平均波高 H
下跨零点
波峰顶
波谷底
• 不规则波的平均周期与平均波长之关系：
L

k

gT 2
2

系数：
k

2 3
表6-10列出了连续100个波高，对其进行分析（表6-11）：
波高模比系 波高分组 出现次数 区间频率
H
f
(H )dH

exp

4
(H H
)
2

对应于指定累积频率F%的波高：
1
HF
H

4
ln
1
2
F
浅水区波高的分布函数：

F
(
H
)

exp


4
1

H
2
2

H H
1H

1 H
或H F
可得统计规律： H 1 H4%
10
3. 特征周期
T 1 T4% 1.31T
10
T1 T13% 1.15T
3
H 1 H13%
3
四、我国海港工程设计波浪的波列累积频率标准 （自学）
五、我国沿岸海域波况的特点（自学）
第五节 海浪谱基础知识（自学）
第六节 根据海浪观测推算设计波浪
x
HF

( 4 ln
1)ຫໍສະໝຸດ 1 2H F则 x2
HF xH or F e 4
设 P F ，如 1 10% 10
H
HP HF
F
F(%)
则
HP

1 F
F
0 H F dF
1
F
x H dF
F0
H
F
x dF
F0
H
F
F (xF 0 Fdx)
H P x 1
一、设计波浪的标准
设计波浪：
设计波浪的 波列标准
设计波浪的重现期标准
指某一特定的波列平均多少年出现一次
设计波浪的波列累积频率标准
指设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的 出现概率
H 1 10 2%
设计波浪的 重现期标准
二、利用长期观测资料推算设计波浪
1．确定驻港地区主要的波浪方向
三、风况观测
（1）
风速 风向（十六方位，表6-2）
无风用 C 表示。
（2）蒲福风级，表6-3
四、测风资料的整理
风况图（风况玫瑰图） 1．风向频率玫瑰图
常风向ENE、E，同时 也是大风风向
2．最大风速玫瑰图 资料：各个方向20-30年内的最大风速
强风向为ENE、E、 SSE
3. 风速的换算
（1）标准：我国海港技术工程规范规定：对于波浪推算采用 的标准是 海面上10m高度处2min风速的平均值；对于港口建筑 物设计采用的标准是海面上10m高度处10min风速的平均值。
4．摩擦力
在离海平面500-1000m 的自由大气中，可忽略摩 擦力的影响。在自由大气 以下的摩擦层内，空气运 动受到摩擦力的影响。
诺馍图
当没有风的实测资料 时，可根据以下方法 估算海面风速：
1．经验公式
Us (0.01T 0.7)Ug
2．诺馍图
例：△p=2.5hPa, △n=4, F=10°, △T=5℃, Us=13.5 m/s, Ug=18 m/s
0 (深水)
2.597 2.421 2.232 1.953
0.336 0.256
0.1
2.403 2.256 2.096 1.859
0.412 0.298
0.2
2.213 2.092 1.960 1.762
0.462 0.346
0.3
2.029 1.932 1.825 1.662
0.515 0.400
1．特征波高的两种表示方法
a. 在波列中选取某一累积频率 对应的波高作为特征波高（HF）
b.以所谓部分大波的 平均波高作为特征波高（HP）
部分大波的特征波高为：
H P

1 NP
NP i 1
Hi
显著波高（ H 1）
10
有效波高（
H
）
1
3
部分大波的平均波高模比系数表
2．两种特征波高的相互关系
令
•对于海洋中同一点，不同 场次的波浪，尽管其波高的 分布规律差异很大，但他们 的波高的模比系数的统计规 律是近似一样的。
二、固定点波高和周期的理论分布函数
1．波高的理论分布函数

(t) n n1
an cos(nt n ) n1
李雅普诺夫地定理：如果某随机变量是大量独立互不依赖的一 系列量值很小的随机变量的总和，那么不论它们各自的分布规 律如何，它们之和的分布规律总是服从正态分布。
数ki
Hi
ni
fi
2.4—2.2 5.3—4.8
2
0.02
平均 频率
0.10
累积次数
累积频率 F（%）
2
2
2.2—2.0 4.8—4.4
1
0.01
0.05
3
3
2.0—1.8 4.4—4.0
3
0.03
0.15
6
6
…
…
…
…
…
…
…
0.2—0.0 0.4—0.0
2
0.02
0.10
100
100
100
1.0
问：绘制累积频率图时，为什么用波高的模比系数？

F
F% T T
F% T T F%
0.5 1.67 20 1.25 70
1
1.62 30 1.16 80
2
1.56 40 1.08 90
5
1.46 50 1.01 95
10 1.36 60 0.94
TT
0.85 0.76 0.62 0.52
三、两种特征波及其相互关系
特征波
特征波高 特征周期
皮尔逊Ⅲ型累积频率 曲线
例：(P130)某观测站有23年S(SSW、SSE)方
向年最大 H 1（表6-19），为深水区，试推
10
求该站50年一遇的H1%、 H5% 。
（1）资料选取
每年出现的最大一场波浪
第1年
第2年
……
第m年
波高H
波高H
波高H
6 5 4 3 2 1 0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
6 5 4 3 2 1 0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
（2）高度换算
U10 UZ

lg10 lg Z0 lg Z lg Z0

kZ
式中，Z——仪器高度
则：
Z0——地（海）面粗糙度，地面取0.03m，海面取0.003m kZ——高度换算系数，见表6-5
U10 U Z kZ
（3）海陆换算
(U10 ) O (U10 )C K
其中，K——海面风速增大系数（表6-6） 注意：此公式岸站的海拔高度没有考虑。
1．气压梯度力
G 1 dp 1 p
dn n 2．地转偏向力（科氏力）
A 2U sin
由法国数学家科里奥 利（G.G.Coriolis)1835 年确定。如：在北半球 由南向北流的河流冲刷 东岸。
3．离心力
C U2 r
概念——空气作圆周运动时，为保持沿惯性方向运动产生的力。
第六章 海浪
本章重点：
1、了解风的形成及类型和风况观测并掌握风资料的整 理； 2、了解海浪观测方法并掌握海浪观测资料的整理； 3、掌握固定点波高和周期的统计分布及理论分布函数； 4、掌握海浪要素的统计规律和海浪谱的基本知识。
第一节 海浪要素和分类
一、海浪要素
波峰 波谷 波峰线 波向线 波高 波长
周期