第八章_海浪的观测
第八章波浪理论
第八章 波浪理论１.波浪 液体 液体具有自由表面２.动力 风波 重力回复波３.周期 推进能力 ４.流体由静止 运动无旋海姆兹定理无旋势流理论不可压流体 拉普拉斯定理 叠加法 ５.波 船（产生摇摆，击水）船 波（船舶在水面运动或在近水面运动时产生波） 本章研究内容：1）波浪运动中流体质点的运动特点，自由表面的波形特性，以及两者之间的关系2）波浪运动中流体的能量 兴波阻力的概念 §8.1波浪的概念海浪：扑岸浪、风浪、涌浪 船波：简化处理：涌浪 简化模型为余弦波或规则波 一般海浪、船波 由规则波迭加而成本章主要研究规则波的特点，以便得到关于波浪的初步知识涌浪：远离强风区的水域，可以观察到波峰呈圆滑状，峰线较长的长周期波浪向前传播。
这种近似有一定规律的波浪称为涌浪。
小振幅波的周期解是用余弦函数表达的余弦波，可以作为涌浪的简化模型。
风 波浪产生的原因：水面压力的不均匀船舶运动的扰动微波风的继续作用风V PV P逐渐形成巨大的波浪 波浪消失的原因：风停止后 重力作用 占主要 压力均匀 水内部摩擦力 可略去不计∴1）波浪运动可近似为理想流体的运动，粘性力不起主要作用（可略去）2）风停止后重力是唯一的外力，必须考虑，视流体为重流体 3）波浪运动是周期性运动，是非定常运动中的一种特例 4）若流体为理想流体，质量力有势，则流体受风扰动后所产生的运动为无旋运动 Thomas 定理 正压流体波浪运动是一种无旋运动，永远无旋∴解波浪问题 △φ=0 边界条件φV 柯西 拉格朗日积分 P§8.1.2微振幅波边界条件 基本假设：1）理想不可压重流体 2）运动是无旋的3）波浪是微振幅波 二元的λ ＞＞ h波长 波高h ＝2A 波幅基本思路：拉格朗日积分方程运动学边界条件动力学边界条件波浪方程1.微幅波的拉格朗日方程考虑重力作用时，不可压理想势流的拉格朗日方程为2()2v p gz C t tρ∂Φ+++=∂……（1）（6.2.9）（8.1.2）令0()tap t C t dt ϕρ=Φ+-⎰（8.1.3）自由液面上的大气压则 202a p p v gz tϕρ-∂+++=∂ （8.1.4） 拉普拉斯方程 22220x zϕϕ∂∂+=∂∂ （8.1.6）8.1.2边界条件1.底部不可穿透边界条件底部法向分速|0z d nϕ=-∂=∂ 2.自由面上的动力学边界条件 在自由液面上的压力等于大气压力 ∴（8.1.4）21()2z v g tζϕζ=∂=-+∂（8.1.7）3.自由面上运动学边界条件自由面上液体质点永远在自由面上(,,)0F x z t = （8.1.8） x=f(a,b,t) 拉格朗日法 邻点a,b 为t=0时该质点的坐标（为常数）(8.1.9)z=h(a,b,t) P 点恒在自由表面上∴[(,,),(,,)]0F f a b t h a b t ≡ （8.1.10）0dFdt= ∴0F F dx F dz t x dt z dt ∂∂∂+⋅+⋅=∂∂∂ （8.1.11） 因为(,,)(,)F x z t x t z ζ=-0x dz t x t dtζζ∂∂∂+-=∂∂∂ （8.1.12） z 向速度|z dz dt zζϕ=∂=∂ x 向速度 |x dx dt x ζϕ=∂=∂ ∴8.1.12为||z x z t x x ζζϕζϕζ==∂∂∂∂=+∂∂∂∂ （8.1.13）8.1.3小振幅波理论假设和边界条件的线性化自由面上的边界条件：非线性的，而且在不定边界(,)z x t ζ=成立假定（1）波动是小振幅的，即H/L<<1;（2）流体质点的远动缓慢，因此， 趋于0; （3）水深d=常数。
海浪观测
7 8
将观测到的周期代入公式
(P130) 中，得
深水波的波长和波速 (或查“海洋水文 常用表”)。
若水深d＜/2时，则计算的波长、波速
必须进行浅水订正（公式 见P130）。
测波仪测波
光学式测波仪 加速度测波仪 水压式测波仪
声学式测波仪
通过测波仪观测其跳动幅度，测定波高和周期
测波仪
加速度测波仪
当浮标随波面做升沉运动时， 安装在浮标内的垂直加速度 计输出一反映波面升沉加速 度变化的电压信号。对该信 号做二次积分处理后，即可 得到与波面升沉高度变化成 比例变化的电压信号
测波仪
水压式测波仪
直接采用高精度高灵敏度压力传 感器，当仪器固定于水下某一点， 由压力传感器测得压力，海水密 度已知，这样即可求的压力传感 器以上水柱的高度的变化，即可 反映水表面变化，从而推得波浪 波高、周期，同时进行波流的测 量， 进而获得波向信息 仪器采样周期 0.25 ， 0.5 ， 1 ， 2 或 4s ，可获得大量波浪资料，并可 计算波浪谱
目测海浪
部分大波波高及周期观测
根据观测所得平均周期，计算100个波浪所需要的时 段，然后，在时段内，目测15个显著波(在观测的波 系中，较大的、发展完好的波浪)的波高及周期。取 其中10个较大的波高的平均值，作为1/10部分大波波 高H1/10值，查波级表(表7-3)得波级。从15个波高记录 中选取一个最大值作为最大波高Hm。填入表中
波面随时间变化曲线
从连续记录中量出波高，取所有波高的平均值称为平均波高 将海上固定点连续观测到的一系列波高或周期按大小次序排列并 加以统计整理，它们遵从一定的分布规律。总个数的 1/p个大波 波高的平均值称为1/p 部分大波的平均波高，简称1/p 部分大波波 高，记为H1/p。常用的为1/10和1/3部分大波波高（有效波高）
海洋调查方法 课时6
观测波向时，观测员站在较高位置，用罗经的 方位仪，使其瞄准线平行于离船较远的波峰线 ，转动90度后，使其对着波浪的来向，读取罗 经刻度盘上的读数，即为波向。
4、周期和平均周期的观测
周期的观测 手持秒表，注视随海面浮动的标志物，记录其两 次经过波峰的时间，即这个波的周期 平均周期 测量11个波峰相继经过此标志物的时间，测量3 次，总时间/30即为平均周期。两次测量间隔不超 过1分钟。
2
波长小于水深一半时
2d C 1.56Tth
L 1.56T th
2
2d
L 1.56T
2
例：
C 1.56T
2d C 1.56Tth
L 1.56T 2 th
2d
某站水深20m，测得的海浪周期是10s，计算波长和波速
首先，根据深水公式计算，L = 156m，C = 15.6m/s， 由于，d/L = 0.13 < 1/2，需要进行浅水订正 Th(2*pi*d/L) = 0.7804 因此， L = 156 * 0.7804 = 122m C = 15.6 * 0.7804 = 12.2m/s
频率 方向 波高 能量：约为波高的平方乘以波长
观测方式
台站观测和海上观测
台站观测：取得沿岸带较有代表性的海浪资料，观测地 点应面向开阔海面，安设浮标的水深，应不小于该海区 常年风浪的波长的一半，海底尽量平坦并避开潮流过急 地区
海上观测：用于理论研究、风浪预报、船舶航行和捕捞 等
2、测波杆 3、波浪骑士浮标
4、数字波温仪
规格型号：SZF1-11 波浪测量：波高0.3m-20m 周期2S-20S, 精度 水温测量: -3°C--40°C 生产厂家:中国科学院海洋研究所 用途：可测量波浪和表层海水温度 是一种能自动定时(或连续)地 进行测量的小型浮标系统
第八章_海浪的观测
波向观测
观测波向时，观测员站在船只较高位臵，利用罗经 方位仪，使其瞄准线平行于离船舷较远的波峰线，转动 90°后读取罗经示度盘上波浪来向的示数即为波向。当 海上无浪或浪向不明时波向记C，风浪和涌浪同时存在 时，波向分别观测。波向分16个方位：
波型观测
目视判断所属波型 风浪波型记F 涌浪波型记U 两者并存时：
点上随海面自由运动，通过测波仪观测其跳动幅度，以达到测定波高
和周期的目的。 一、浮筒：一般为钢制圆柱体，按海区海浪大小分为轻型和重型，浮筒 由测波标杆、浮体、尾管和重锤组成。 1、标杆：顶部为一漏斗状测波标志，长约1.5—2m。 2、浮体：浮筒主要部分，主体略扁吃水较浅，尾管略长重心较低。 3、尾管及重锤：尾管长50—60cm，尾管上套以铸铁重锤，用以调节 深度。
实际海浪
实际海浪
上跨零点
下跨零点
1 p
大波的平均波高
H1
10
10 = N
N/10
Hi i= 1
T1/3
3 = N
Tr r=1
N/3
3 H1 = N 3
Hi i= 1
N/3
H1 =K1H
10 10
H1 = K1H
3 3
有效周期
周期的换算关系
T1/10 1.31T
T1/ 3 1.15T
3）波向的观测： 第一种情况，是波浪向岸边传来或由岸边向外传去，观 测时使望远镜分划板的基准水平线与波峰平行，如果波浪向 岸边传来，物镜下方刻度盘的度数即为波向，如果波浪运动
方向由岸边向外传去，则目镜下方刻度盘的读数即为波向。
第二种情况，波浪的传播方向与岸线夹角较小或近似
平行的情况转动望远镜，使波浪沿分划板的水平距离标尺线 与波浪的传播方向垂直，读目镜下方刻度盘上的度数，如波 浪自观测者右方传向左方，由上述读数减去90°即为波向， 如波浪自观测者的左方传向右方。则上述读数加90°即为波 向。
气象学多媒体讲义第八篇
第八章海浪第一节概述一、波浪（Wave）要素一、波峰――波面的最高点。
二、波谷――波面的最低点。
3、波高（H）――相邻波峰与波谷之间的垂直距离。
4、波幅（a）――波高的一半，a=H/2。
五、波长（λ）――相邻两波峰或相邻两波谷之间的水平距离。
六、波陡（δ）――波高与波长之比，δ＝H/λ。
7、周期（T）――相邻的两波峰或两波谷接踵通过一固定点所需要的时刻。
八、频率（f）――周期的倒数，f＝1/T。
九、波速（C）――波峰或波谷在单位时刻内的水平位移（波形传播的速度），C＝λ/ T。
10、波峰线――通过波峰垂直于波浪传播方向的线。
1一、波向线――波形传播的方向线，垂直于波峰线。
二、波浪的分类一、按周期或频率分类海浪大部份能量集中在周期4～12s的范围内，属重力波范围。
最多见的重力波是风浪和涌浪。
二、按成因分类1）风浪和涌浪风浪（Wind Wave）――风的直接作用所引发的水面波动。
（无风不起浪）涌浪（Swell）――风浪离开风区传至远处，或风区里风停歇后所遗留下来的波浪。
（无风三尺浪）2）海啸（Tsunami，又称地震波）――由于海底或海岸周围发生地震或火山暴发所形成的海面异样波动。
特点：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。
世界上常受海啸解决的国家和地域有：日本、菲律宾、印度尼西亚、加勒比海、墨西哥沿岸、地中海。
3）风暴潮（Storm Surge）――由强烈的大气扰动（强台风、强锋面气旋、寒潮大风等）引发的海面异样上升现象。
主要原因：海面气压散布不均匀――气压每下降1hPa，海面约升高1cm；大风――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比。
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，其中莱州湾、汕头至珠江口是严峻多发区。
4）内波（Internal Wave）――密度相差较大的水层界面上的波动。
海底两万里第八章批注加原文
海底两万里第八章批注加原文原文：大西洋：广阔的水面，面积共有二千五百万平方海里。
长九千海里，宽平均二千七百海里，是很重要的大海，在古代除了迎太基人②，可以说几乎没有人知道这个海。
迎大基人是古代的荷兰人，他们因为贸易的关系，曾沿着欧洲和非洲的西部海岸往来航行！洋洋大观的水面，有各国的船只往来其间，船荫蔽在世界上所有的旗帜下面，西头终点为两个尖角，就是航海家所害怕的合恩角和暴风角！诺第留斯号推动它前头的冲角，冲破大西洋的海浪，向前驶去。
在三个半月的期间，它走了近一万里了，超过绕地球一周的大圈了。
现在我们上哪里去呢？将来有什么可以给我。
们看的呢？诺第留斯号从直布罗陀海峡出来，驶到大西洋面上。
它又浮上水面来，我们每天在平台上的散步现在又恢复了。
我立即上平台去，尼德·兰和康塞尔陪着我。
在距离十二海里的地方，隐约现出圣文孙特角，那就是西班牙半岛的最西南的尖角。
当时起了相当厉害的南风。
海面波涛汹桶，海水滚滚打来，使诺第留斯号发生激烈的颠簸。
在平台上简直不可能呆下去，因为时刻都有大浪打来。
所以我们呼吸了几下新鲜空气后，就回到船中。
我回到我的房中，康塞尔也回到他的舱房。
但是加拿大人像心中有事的样子，跟着我来。
我们过地中海时的飞快速度，不容许他实行他的计划，他很显然地表示了他的失望。
当我的房门关上了，他坐下，不作声，望着我。
尼德朋友，”我对他说，我了解您，您没有什么可以责备自己的地方。
当诺第留斯号行驶时，在那样的条件下，想要离开它，简直就是发疯！”尼德·兰不回答。
他紧闭的嘴唇，他紧蹙的眉毛，表示他心中有一个坚定的思想死死纠缠着他。
瞧着吧，”我又说，事情并不是完全没有希望。
我们现在沿葡萄牙海岸上溯了。
不远就是法国、英国，我们可以很容易找到一个逃走的地方。
啊！如果诺第留斯号从直布罗陀海峡出来，往南方驶去，如果它把我们带到没有陆地的那些区域去，那我心中跟您一样，感到烦恼。
但是，我们现在知道尼摩船长并不躲避有文化的海面，我想在几天内，您可以比较安全地来执行您的计划。
海洋波浪特性的观测与分析方法研究
海洋波浪特性的观测与分析方法研究海洋波浪是指海面上形成的波浪现象，它是地球上最常见的波动形式之一。
对于海洋波浪的观测与分析，可以帮助我们深入了解海洋的物理特性、研究气候变化以及进行海洋工程设计等方面。
本文将介绍几种常用的海洋波浪观测与分析方法。
一、海洋波浪观测方法1. 浮标观测法浮标观测法是一种常见的海洋波浪观测方法。
观测过程中，我们可以通过在海面上设置浮标，使用测量设备记录波浪的运动情况。
浮标通常通过浮子和锚链连接，以保持浮标在海面上的稳定位置。
观测设备会记录波浪的高度、周期、传播速度等参数。
2. 船舶观测法船舶观测法是另一种常用的海洋波浪观测方法。
在这种方法中，我们可以在船舶上设置观测设备，通过测量船舶在波浪中的运动情况来了解波浪的特性。
观测设备可以记录波浪的频率、波长、振幅等参数。
3. 雷达观测法雷达观测法是一种基于雷达技术的波浪观测方法。
雷达可以通过发射电磁波并接收其反射信号来获取波浪的信息。
通过分析雷达反射信号的特征，我们可以得到波浪的高度、方向、能量等参数。
二、海洋波浪分析方法1. 频域分析法频域分析法是通过将波浪信号在频域上进行分解和分析来了解波浪的特性。
在该方法中，我们可以使用傅里叶变换等数学工具将波浪信号转换为频域信号，并从中获取波浪的频谱信息。
频域分析法可以帮助我们研究波浪的频率分布、波谱的特征等。
2. 时域分析法时域分析法是通过分析波浪信号在时间域上的变化来了解波浪的特性。
这种方法常用的分析手段包括自相关函数分析、滤波分析等。
通过时域分析法，我们可以了解波浪的传播速度、波形变化等信息。
3. 统计分析法统计分析法是一种通过统计学方法来分析波浪特性的方法。
通过收集大量的波浪数据，并对其进行统计分析，我们可以了解波浪的平均值、方差、相关性等统计特征。
这种方法适用于研究海洋波浪的长期变化趋势以及波浪与其他环境因素之间的关系。
三、海洋波浪观测与分析的意义1. 研究气候变化通过对海洋波浪的观测与分析，我们可以了解气候变化对海洋波浪特性的影响。
海洋水文观测：海浪观测目测法和仪器法详细介绍
海洋水文观测：海浪观测目测法和仪器法详细介绍海洋水文观测是研究海洋、开发海洋、利用海洋的基础，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境等方面起着十分重要的作用。
海洋水文观测中的海浪观测主要观测要素为波高、周期、波向、波型、海况、风速和风向。
检测具有国家认可的测绘资质，拥有多名专业级海洋测绘高级工程师、注册测绘师。
我们将利用自身专业的技术、丰富的经验和完善的。
海面无浪，波型栏空白。
风浪，F：受风力的直接作用，波形极不规则，波峰较尖，波峰线较短，背风面比迎风面陡，波峰上常有浪花和飞沫涌浪，U：受惯性力作用传播，外形较规则，波蜂线较长，波向明显，波陡较小混合浪，FU：风浪和涌浪同时存在，风浪波高和涌浪波高相差不大F/U：风浪和涌浪同时存在，风浪波高明显大于涌浪波高U/F：风浪和涌浪同时存在，风浪波高明显小于涌浪波高海浪观测：仪器方法1、以船只为承载工具观测波浪1）仪器设备目前一般采用浮球式加速度型测波仪。
2）观测步骤和要求在船上采用测波仪观测海浪的主要步骤和要求如下：a）当船只进入作业区后，应根据风向和海流确定船只的工作方式（漂移或抛锚）和测头的施放位置。
b）依观测点水深和海况确定仪器记录量程，按8.1.4的要求，选定采样时间间隔，在采样的时间长度（17 min~20 min）测定不少于100个波的波高和周期，取其中100个连续波求得各特征值或记录波面模拟曲线。
c）观测位置应避开影响海浪的障碍物，如暗礁、浅滩、岛屿和人工建筑物等。
测点附近有障碍物时，应记录影响海浪的情况。
d）在强流区测波时，不宜采用海流会导致海浪记录漂零等误差的测波仪﹔测点附近有强电干扰时，不宜采用遥测波浪仪。
2、锚碇测波1）仪器设备锚碇测波常使用声学测波仪和重力测波仪。
2）观测步骤和要求锚碇测波的主要步骤和要求如下：a）应根据项目要求以及观测现场的海洋环境，选用测波仪类型，并确定浮标系留方式。
b）锚碇系统连接前，应对仪器各项性能进行测试，确认仪器良好方可使用。
北斗新应用——海风海浪的遥感观测
了大 量的 岸基 北斗 反射 信号海 洋遥 感 试验 ，对 岸基探 风原 理 进
行 了验证 ，取得了
。 目前 中国气 象局
已组织研制出北斗反射信号海风海浪探测系统 ，并基于本系统
在广东阳江和Ｌ【 Ｉ东威海成山头气象站 ，分别建成了北斗反射信
号海 洋遥 感探 测示 范站 点 ，针对 沿海 台风 进行 长期 探测 研究 ，
测 量值与同 比风速 仪结果间均方 根误 差为２．４ｍ／ｓ，两 者具
有 良好 的 一 致 性 ，验 证 了 北 斗 反 射 信 号 对 台 风 海 况 探 测 的
可 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 性 。 在 后 续 的 研 究 中 ，为 提 升 北 斗 反 射 信 号 测 量 技 术
的精度和 稳定性 ，可 在风浪模 型计算中 ，融 入多种统 计算
近 年 来 ，随 着 全 球 导 航 卫 星 系 统 的 不 断 发 展 ，其 在提 供 传统 定 位 、导航 及 授 时服 务的 同 时 ，还 提 供 了大 量 的 电 磁 信 号 源 。利 用 全 球 卫 星 定位 系 统 的 反 射 信 号 （ＧＮＳＳ—Ｒ）反演海风海浪 技术作为一 种非接触式 、无需 发射源 设备 ，具有 全球域 、全 天时以及成 本低等特 点 ，可 弥补传统浮标投 资大 ，运行维护困难的不足 。
理 特性 。探测 系统 通 过对 反射 信 号的 精确 估 计和 接收 处
理 ，则可实现对海面物理特性的估计和 反演 。
国 际上对于ＧＰＳ卫 星反射信 号反演海 风海浪研 究起步
较早 ，从２Ｏ世￣Ｐ，９０年代 开始 ，美国和欧洲都 开展了大量飞
行及 陆上试验 ，在 海而高度 、海面风场 、土壤湿度 、海冰
基 于北斗导航 卫星反射 信号的海 洋遥感技术 ，作为一 种 新 型 的 海 风 海 浪 观 测 手 段 ，可 在 一 定 程 度 上改 善 我 国综 合 气象观测系 统在海上 缺乏有效观 测手段和 观测资料不足 的状况 ，为近海气象观测提供 了新 的思路 。
海浪观测经验总结
海浪观测经验总结引言海浪观测是海洋科学中一项重要的研究内容，对于海洋气象、海洋工程等领域具有重要的意义。
海浪观测可以帮助我们了解海洋波浪的特征、发展趋势，进而为海洋工程设计、海上作业等提供科学依据。
本文将总结海浪观测的经验，包括观测方法、工具和数据处理技巧等方面的内容。
1. 海浪观测方法海浪观测可以采取不同的方法，常用的方法包括目测观测、遥感观测和浮标观测。
1.1 目测观测目测观测是最简单、最直观的海浪观测方法。
观测人员可以通过目测海面波浪的高度、周期、形状等特征来评估海浪的情况。
这种方法对于海上作业、沿海旅游等有一定的实用性，但其主观性较强，观测结果的准确性有一定局限性。
1.2 遥感观测遥感观测是利用遥感技术获取海面波浪信息的方法。
常用的遥感观测工具包括卫星、雷达等。
通过遥感观测可以获取大范围、高分辨率的海浪数据，具有较高的准确性和实时性。
然而，由于设备成本高昂，遥感观测方法在海浪观测中的应用还有一定的局限性。
1.3 浮标观测浮标观测是一种常用的实地观测方法。
通过在海上放置浮标并记录浮标在海浪作用下的运动，可以获取海浪的相关信息。
浮标观测具有较高的准确性和可靠性，但需要耗费一定的人力和物力。
2. 海浪观测工具海浪观测需要借助一些专用工具来进行观测和记录。
以下是常用的海浪观测工具：2.1 测高仪测高仪是用来测量海浪高度的工具。
常见的测高仪有浮标式测高仪和压阻式测高仪等。
测高仪的准确性对于海浪观测至关重要，因此在选择和使用测高仪时应特别注意。
2.2 浮标浮标是用来记录海浪波动情况的重要工具。
浮标通常由浮球和传感器组成，通过记录浮标在波浪作用下的运动来获取海浪的信息。
常见的浮标有浮子浮标、浮子压力浮标等。
2.3 遥感设备遥感设备是利用遥感技术进行海浪观测的重要工具。
常见的遥感设备包括卫星、雷达等。
这些设备可以通过传感器获取海浪的实时信息，能够实现远程、全球范围的海浪观测。
3. 海浪观测数据处理技巧海浪观测获取到的原始数据通常需要经过一系列的处理和分析才能得到有用的信息。
航海技术专业《第8章海浪》
第八章海浪船舶在海上航行过程中，对船舶航行危险最大的海洋与气象要素是海洋波浪，〔简称为海浪〕，所以海浪是制约船舶运动的首要因素。
海流是海水水平运动形式之一，它对海洋水文气象要素的分布和变化以及天气和气候均有显著的影响。
此外，表层海流还直接影响船舶的航速，顺流增速，逆流减速，横流使船舶偏离方案航线，导致船舶搁浅、碰撞、触礁和航行时间的增加等。
本章主要介绍海洋波浪和表层海流的有关知识。
§海浪实际航速主要受到浪高和浪向的影响，因此，大风大浪中航行会造成船舶的舵效降低、航速下降。
另外，受巨浪的冲击会造成船舶发生中拱或中垂现象，严重时能时船体发生断裂，当船舶摇摆周期与波浪的传播周期相同或根本相同时，会发生死水或共振现象，严重时会导致船舶的倾覆。
一波浪要素波动是海水运动的一种普遍形式，它的根本特征是具有周期性。
波浪的要素，如下图。
当发生海面波动时，即海浪发生时，我们将波浪看作为简单的正弦波。
将正弦波波面的最高点叫做波峰；最低点叫做波谷；相邻的波峰或波谷间的水平距离称之为波长〔λ〕；相邻波峰与波谷间在垂直方向上距离称为波高〔H〕；波形的传播速度叫波速〔或相速c〕。
两相邻的波峰〔或波谷〕通过一固定点所需的时间称为周期〔T〕。
波高与波长之比叫波陡〔δ〕。
沿垂直于波浪传播方向〔来向〕通过波峰的线叫波峰线。
垂直于波峰线的线叫波向线。
根据波长、波速和周期的定义，可以得到：λ=c·T〔〕图波浪要素二水质点的运动与波形传播的关系在海洋上波形是沿外表向前传播的，而海水那么是原地踏步。
大多数海洋中的波，振幅相对于波长为无限小，因此在理论上可以证明，深水波〔波长远小于海深的波〕中海面上水质点的轨迹是以波高为直径的圆，在海面以下其直径以指数形式迅速减小。
当水质点运动到最高位置时，其运动方向与波向一致。
当水质点运动到最低位置时，其运动方向与波向相反。
由图可见，当波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成一次圆周运动时，整个波形就向前传播一个波长的距离。
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
波浪观测方法
波浪观测方法
光学式测波仪电阻和电容测波仪浮标观测
SBF3-1型波浪浮标遥测系统
•是一种无人值守的，可用于近海波高、波向和水温监测的小型浮标测量系统。
•该类型浮标主要用于沿岸海洋环境监测台站中对常规波
浪观测工作和近海海洋环境工程的监测工作中，同时也
可在海洋调查船上随船使用。
产品特点：
•模块化设计，系统易于维护；
•通信方式灵活，VHF或CDMA/GPRS三种通信方式可
选；
•具有移位及时报警功能，安全性好；
•连续工作时间长，电池可重复利用并可快速充电。
主要技术指标：
波高
波高测量范围：0.2m～25m；
测量准确度：±(0.1+ 5％H)，H为实测波高值；波周期
波周期测量范围：2s～30s；
测量准确度：±0.25s；
波向
波向测量范围：0°～360°；
测量准确度：±10°（以室内标定为准）；
水温
测量范围：-5℃～+35℃； 测量准确度：±0.1℃；。
海洋水文观测海浪观测目测法和仪器法详细介绍
海洋水文观测海浪观测目测法和仪器法详细介绍目测法是通过观察海洋表面的现象和特征进行水文观测的方法，这是一种简单直观的测量方法。
目测法主要有以下两种观测方法。
第一种是利用观测员直接观察海浪特征进行测量，如利用目测方法分别测量波高、波周期和波长。
其中波高是指波浪顶部与波谷之间的垂直距离；波周期是指两个相邻波浪顶部通过其中一点所需的时间；波长是指相邻两个波浪顶部之间的水平距离。
测量时，观测员一般站在船舷或岸边，利用目测手段，通过直接观察波浪的特征并估计数值。
第二种是利用浮标、航标等固定设施进行测量，如测量海面的涨退和涨干的周期与幅度。
这种方法一般用于长期观测，通过记录固定设施上标志物的位置变化来进行测量。
浮标和航标会随着涨退和涨干的周期进行上升和下降，观测员可以通过观察标志物的变化来估算涨退和涨干的周期和幅度。
仪器法是利用专业仪器设备进行海洋水文观测的方法，常用的仪器包括浮标、声纳、雷达等。
仪器法的优点是观测结果准确可靠，能够进行长期连续观测。
浮标是一种常用的水文观测仪器，通过将浮标投放到海洋中，利用浮标上安装的传感器测量海洋水文要素。
浮标可以通过测量设备记录海洋表面的波高、波周期等水文要素的变化。
声纳是一种用于测量海洋底部形态和水深的仪器。
它通过发射声波并接收反射回来的声波，从而测量声波从发射到接收的时间差，并根据声速来计算出水体的深度。
声纳可以用于测量浅海和深海的水深信息。
雷达是一种利用电磁波进行测量的仪器，它可以测量海洋表面的风速、降雨量、波高等水文要素。
通过利用雷达接收和发射的电磁波的特性，可以获得水文要素的相关数据。
此外，还有一些其他的仪器用于测量海洋水文要素，如气象球、CTD仪器等。
这些仪器可以在海洋水文观测中提供更为详细和准确的数据，为海洋环境研究提供重要的参考。
总之，海洋水文观测是通过目测法和仪器法对海洋水文要素进行观测和测量，以获取海洋环境信息的一种科学方法。
目测法通过直接观察波浪特征以及浮标等设施的变化，进行波高、波周期等水文要素的估计；仪器法则通过使用浮标、声纳、雷达等专业设备进行准确测量。
海浪观测实验
波浪水槽综合实验一、实验目的：1、了解波浪水槽实验的基本原理和理论基础：包括基本造波方法、波浪理论、相似理论和近岸波浪传播现象2、了解造波机、浪高仪的基本构成和测量原理。
3、 通过实验采集一组波浪信号，分析波浪频谱特征4、 观测海堤附近波浪现象和越浪形态。
二、实验原理：1.造波方法和基本波浪理论自由表面重力波是船舶工程、海洋工程和海岸工程领域十分普遍的现象，配备造波机的波浪水槽是模拟波浪与二维结构物相互作用的常用实验设备。
通过给定造波信号由液压泵或步进电机控制推板运动，在波浪水槽中产生特定波列。
距离造波板2-3个波长外可以略去局部非传播模态的影响，可认为水槽中为行进波。
在水槽中通过浪高仪可以测量水槽中不同位置的波面时间过程线。
水槽中常用测力天平和压力传感器测量水动力载荷。
水槽末端设置多孔介质构成的消波区，消除反射波。
图1 波浪水槽示意图2.相似原理自由表面重力波的恢复力是重力，进行以重力为主要作用的流动实验通常采用重力相似准则或傅汝德数相似，其定义为/Fr v =，其中为流速，L 为特征长度，为重力加速度。
v g 波浪断面模型实验一般按重力相似准则设计。
若取几何比尺/2L p m L L 0λ==，有关物理模型比尺如下：时间比尺： 4.47t λ==速度比尺：4.47v λ==重度比尺： 38000WL λλ==单宽流量比尺：89.44Q λ==式中为工程原型长度，为模型长度。
pL mL 风速模拟通常按重力相似，风速测点位于测量断面上方中心。
3 近岸波浪现象3.1 线性波浪理论在平底均匀水深域中，根据势流理论波浪呈周期性分布。
单色行波波浪参数包括波浪周期T ，波长L ，波高H 和水深h ，如图2所示。
周期、波长和水深满足色散关系，对于线性波浪其表达式为，，其中波浪圆频率2tanh gk kh ω=2/T ωπ=，波数2/k L π=。
波高水深比为小量的波浪称为小振幅波，可用线性波浪理论描述，见图3。
第八章 海浪观测
涌浪 风浪离开风的作用区域后，在风力甚小或无 风水域中依靠惯性维持的波浪
外形比较规则，波面比较光滑，周期大于原 来风浪周期，且随传播距离增加而逐渐增大
9
风前
10
风浪和涌浪在浅海传播时，由于地形的影响， 在海岸与岛屿附近常出现折射、绕射、反射、倒 卷和破碎现象 传播过程中波向、波速、波形及其他性质都在 不断发生变化 波峰守恒
14
灾害性海浪－畸形波(freak wave)
15
16
海浪观测的主要项目 观测风浪和涌浪的波面时空分布及其外貌特征
观测项目：海面状况、波型、波向、周期、波高 利用观测值计算：波长、波速、部分大波波高 观测方式：目测、仪器测量(波高、波向、周期) 观测时间： 连续站：每3小时一次，2、5、8、11、14、17、 20、23时观测 大面站：船到站即观测 同时应观测风速、风向、水深
表面波 内波
49
2. 卫星高度计
波谷反射
波峰反射
50
思考题
波浪能是海洋中的可再生清洁能源，可利用其发电。 运用所学知识， 对某地进行波浪观测，评估该地区 利用波浪能发电的可行性。
51
17
8.1 海浪的基本要素
18
一、海浪的基本要素
谐波
振幅
波高
•波长/波数 •周期/频率 •振幅 •波高 •波速
波长
•波陡：波高/波长，表示波形陡峭的程度 •波龄：波速/风速，表示波浪发展程度的量； 波浪初期小，随波浪成长逐渐增大
19
海面描述－Longuet-Higgins
不同频率波的合成
20
海面合成
23
1/p部分大波的平均波高
将海上固定点连续观测到的N个波高和周期记 录，按波高或周期由大到小排列 1/p部分大波的平均波高：总个数的1/p个大波 波高的平均值，简称为1/p部分大波波高，常用： 1/10、1/3(有效波高)
海洋调查与观测技术教案第11讲 海浪与内波观测2
2、在污浊的海水中会导致误差。 3、由于测波杆必须以岸壁或水中固定建筑物为依托，所以在开阔的洋面上无法使用。 4、将测波杆安装在依托物上时，测波杆要与依托物保持一定距离，以免依托物影响海浪 观测的精度。
8.3.3 测波浮标
板书“8.3.3 测波浮标”
由浮筒、锚链和海底固定物三个部分组成。浮标是用其浮筒的储备浮力漂浮在海面上，
量轻型浮标约 350kg，重型浮标约 500kg，通常采用混凝土制成。
2、铁锚：适用于淤泥和乱石海区。以山字形锚最佳，无条件者亦可使用其他形式铁锚，
但要求锚头不会缠住锚链。其重量轻型浮标约为 40kg，重型浮标为 70kg。
四、测波仪安装
1、测波仪安放在专用的圆弧或梯形观测室中。测波室是进行波浪观测的专用建筑，面积
浮标内部的各种传感器将测得的数据通过发射装置发送给接收终端，终端对信号进行处理后
得出各项海浪参数。
二、水压式测波仪
通过安放在水下或海底的压力传感器测量海水压力的变化，再换算成波高。通常用在浅
海区，主要是记录长周期波。
三、声学测波仪
根据超声波发射的方式不同，分为水下声学式和水上声学式测波仪，水上上声学式测波
仅是将超声波换能器(发射器〉放置于海上平台，换能器从平台上向海面垂直发射超声波脉冲，
并接收从海面反射回来的讯号，经电子线路输送到记录系统加以记录，根据所测得的海面高
低变化，即可求得各种波浪要素。
8.3.5 遥感测波仪
板书“8.3.5 遥感测波仪”
遥感测波仪是指感应器不直接放置在海上或水下的测波装置。可以把它们安置在岸边，
课程名称：《海洋调查与观测技术》
授课题目（章、节） 本讲目的要求及重点难点：
摘要
第八章 海浪与内波观测 8.3 测波仪器简介 8.4 内波调查
波浪观测方法
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光学式测波仪电阻和电容测波仪浮标观测
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SBF3-1型波浪浮标遥测系统
•是一种无人值守的，可用于近海波高、波向和水温监测的小型浮标测量系统。
•该类型浮标主要用于沿岸海洋环境监测台站中对常规波浪观测工作和近海海洋环境工程的监测工作中，同时也可在海洋调查船上随船使用。
产品特点：
•模块化设计，系统易于维护；
•通信方式灵活，VHF或CDMA/GPRS三种通信方式可选；
•具有移位与时报警功能，安全性好；
•连续工作时间长，电池可重复利用并可快速充电。
主要技术指标：
波高
➢波高测量围：0.2m～25m；
➢测量准确度：±(0.1+ 5％H)，H为实测波高值；
波周期
➢波周期测量围：2s～30s；
➢测量准确度：±0.25s；
波向
➢波向测量围：0°～360°；
➢测量准确度：±10°（以室标定为准）；
水温
➢测量围：-5℃～+35℃；
➢测量准确度：±0.1℃；
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合。同时，开动秒表，等到几个连续的波峰相继通过这条横
线后，停下秒表。根据时间和波峰的个数算出周期。
2）波浪的高度观测：
波高是用位于分划板右方的波高标尺来测定。观测 时使分划板的波高标尺对准海上浮筒标杆顶端，转动俯 仰微调手轮使管状水准泡居中，密切注视浮筒的跳动， 同时启动秒表，观测记录下浮标最低格数和最高格数， 利用公式可得出波高值。
某一标志物，当一个显著的波浪的波峰过此物时，启 动秒表，待相邻波峰再经过此物时，关闭秒表，读取 记录时间，即为这个波的周期。 二、平均周期观测：观测员手持秒表，当波峰经过海
面上的某标志物或固定点时，开始记时，测量11个波
峰相继经过此物的时间，如此测量三次，将三次时间 相加除以30即得平均周期。
部分大波波高及周期观测
测波浮标
二、锚链 钢制链条，水深小于20m时，取水深两倍，大于20m时，取水深1.5倍，
此外还要加上该海区最大波高的两倍。
三、海底固定物 通常采用沉石和铁锚
1、沉石：适用于海底平坦地区，要求其重心低，在海底不会翻滚，以半球形
为宜，其重量轻型浮标约350kg，重型浮标约500kg，通常采用混凝土制 成。 2、铁锚：适用于淤泥和乱石海区。以山字形锚最佳，无条件者亦可使用其他 形式铁锚， 但要求锚头不会缠住锚链。其重量轻型浮标约为40kg，重型 浮标为70kg。
波高 风浪≈涌浪时记 FU 风浪＞涌浪时记 F/U 风浪＜涌浪时记 U/F
周期的观测
当波长小于船长时，可以相邻两个显著波峰
经过海面浮动的某一标志物的时间间隔作为
Hale Waihona Puke 这个波的周期；当波长大于船长时，应以船身为标志物，相 邻两个显著波峰经过此物的时间间隔，作为 这个波的周期。
周期的观测
一、周期观测：观测员手持秒表，注视随海面浮动的
T1/10 1.14T1/ 3
波长、周期和波速
d是水深，g是重力加速度。当水深d大于或等于半波长 （L/2）时得到，
双曲正切函数
C0 1.56T
L0 1.56T 2
海浪观测方法
海浪观测既要在岸边台站上进行，也要在海上或 船上实施。
岸边台站的海浪观测者是为了取得沿岸较有代表性的海浪 资料，观测地点应面向开阔海面，避免岛屿、暗礁和沙洲 等障碍物。
测波方法分类
传感器 安装位置
水面上 测波仪
水面附近 测波仪
水面下 测波仪
航空测波
立体摄影
雷达测波
测波杆
光学测波
重力测波
水压式 测波
声学式 测波
浅水测波通常采用易于固定的测波仪，深水测波一般采用浮球式加速度型测波仪
单点测量
在某一点上测量水表面的高度变化。
一 阻容式测波 仪器安装在固定平台上，由于悬挂在海水中的电阻丝的阻值与海水 并联而产生变化从而实现波浪测量。
多点测量
一 纵摇／横摇浮标
在某点测量波高和波斜度的两个分量随时间变化的函数或利 用固定平台测得的压力和水平速度两个分量测波。
二 沿直线测波
最简单的大范围测量是沿一直线测量波高，经傅里叶变换后 知道波的方向分布。
三 大面积测波
能够保证充分的空间覆盖范围： 1 照相法 ——立体摄影测波 2 微波测波——雷达测波（散射信号的频移等于海洋波浪的频率）
巨浪可引起海上船舶倾覆、折断和触礁，摧毁海上平 台，对海上运输和施工、渔业捕捞、海上军事活动等带来很 大的灾害。 巨浪可摧毁沿海的堤岸、海塘、码头、海水养殖设施等 各类海工建筑物。海浪对沿岸工程设施的破坏往往是毁灭性 的，二次巨浪来袭可能会破坏整个港口的设施。据测量，近 岸浪对海岸的压力，可达到每平方米30～50吨。据记载， 在一次大风暴中，巨浪曾把1370吨重的混凝土块移动了 10米，20吨的重物也被它从4米深的海底抛到了岸上。巨 浪冲击海岸能激起60-70米高的水柱。
实际海浪
实际海浪
上跨零点
下跨零点
1 p
大波的平均波高
H1
10
10 = N
N/10
Hi i= 1
T1/3
3 = N
Tr r=1
N/3
3 H1 = N 3
Hi i= 1
N/3
H1 =K1H
10 10
H1 = K1H
3 3
有效周期
周期的换算关系
T1/10 1.31T
T1/ 3 1.15T
单点测量
二 压力法测波 海洋波浪在其下方产生可测的压力起伏，与波高在一定条件下具以下 关系：
三、惯性法测量 测量水表垂直加速度的方法可以避开在外海测量波高时寻找合 适参考坐际困难，就平均值而论，海平面是不变的，因此没有平均加 速度，所以垂直加速度对时间两次积分之后，就得到相对于平均海平 面的海面高度，这种测量并非没有困难；低频波的加速度一般较小， 为了在有高频加速度的情况下准确地测出低频波和涌浪，要求仪器对 垂直加速度具有线性响应，而对水平运动不灵敏。
点上随海面自由运动，通过测波仪观测其跳动幅度，以达到测定波高
和周期的目的。 一、浮筒：一般为钢制圆柱体，按海区海浪大小分为轻型和重型，浮筒 由测波标杆、浮体、尾管和重锤组成。 1、标杆：顶部为一漏斗状测波标志，长约1.5—2m。 2、浮体：浮筒主要部分，主体略扁吃水较浅，尾管略长重心较低。 3、尾管及重锤：尾管长50—60cm，尾管上套以铸铁重锤，用以调节 深度。
根据观测的平均周期，计算出100个波浪所需时间，在这段时
间内目测15个显著波的波高及周期，取其中10个较大的波高
平均值，作为1/10部分大波波高值，根据波级表得出波级。
波长和波速的计算
将观测的周期代入下式中,求出波长波速。
深水波长
T:周期
深水波速
光学式测波仪
常用的海浪观测仪器有6种：1）视距测波仪，也叫光学测 波仪；2）电阻和电容测波仪；3）压力测波仪；4）声学 测波仪；5）重力测波仪；6） 遥感测波仪。 光学测波仪主要测定的是波高、周期、波向和波长，并可 以测量海面上物体的距离，浮冰的速度和方向 常用的有HAB-1和HAB-2型测波仪
此外，海浪有时还会携带大量泥沙进入海港、航道，造 成淤塞等灾害。
海浪促进海水上下层混合，使混合后水层富有氧气， 满足海中鱼类和其他动植物需要； 波浪发电；
葡萄牙的“海蛇”海浪发电 站 世界首座商用波浪能发电厂
1
海浪基本要素
2
观测方法
3
目测海浪
4
测波仪（光学式测波仪）
波浪要素
波峰： 波面的最高点； 波谷： 波面的最低点； 波高H： 相邻的波峰与波谷间的垂直距离； 波长λ：相邻的两个波峰（或波谷）间的水平距离，单位米； 波陡δ：波高与波长之比，它是表示波形陡峭的量； 波龄：波速和风速之比，表示波浪发展程度。 波幅a： 波高的一半称为波幅； 周期T： 两相邻的波峰（或波谷）相继通过一固定点所需时间； 波速c： 波峰（或波谷）在单位时间内的水平位移； 波向：波浪传来的方向。 波峰线：空间的波系中，垂直于波向的波峰连线。
海上或船上的观测者获得的离岸较远的开阔海域的海浪资 料，可用于理论研究、风浪预报、船舶航行及捕捞等。
海浪观测的主要内容是风浪和涌浪的 波面时空分布及其外貌特征，观测项目 包括海浪的波高、周期、波向、波型和 海况 。仪器目前仅可以测量前三者，其 他为目测。
海浪观测时间为： 大面或断面的测站，船到站即测。 海上连续测站，每3小时观测一次，时间为02，05，08，11，14， 17，20，23时； 海滨测站的目测时间则为08，11，14，17时。
海上浮筒
光学测波仪
1 ．望远镜 2 ．管状水准泡 3 ．俯仰微动手轮 4 ．解脱手柄 5 ．方 向微动手轮 6 . 指标 盘 7 ．水平度盘 8 ．底座 9 ．调平螺钉 10 ．圆形水准泡
HAB-2 型测波仪示意图
水平度盘7与指标盘6连接，可将解 脱手柄4向前推动50度，即指标盘 镜垂直轴自由转动；调整调平螺钉 9，使圆行水准泡10居中，调整俯 仰微动手轮3，使管状泡2居中。
“无风不起浪”
“无风三尺浪”
“风平浪静”
海浪：指周期为几秒至几十秒的由于风传输给海面能 量引起的波动现象。是海水运动形式之一，它的产 生是外力、重力与海水表面张力共同作用的结果。
形成原因：风浪、涌浪、近岸浪、内波、潮汐波、海啸、风暴潮。
风浪：
涌浪：
由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。
由其他海区传来的波浪或由于当地的风力急剧减小、风向
望远镜瞄准机构中，装有透视镜网格的分划板，如下
H表示仪器物镜中心在海平面的设计高度。
F表示望远镜物镜焦距。 B表示波高标尺II上每一小格所代表的高度。 V为海天交界线。
测波浮标
由浮筒、锚链和海底固定物三个部分组成。浮标是用其浮筒的储 备浮力漂浮在海面上，并用锚链系于海底固定物上，以保证其在固定
3）波向的观测： 第一种情况，是波浪向岸边传来或由岸边向外传去，观 测时使望远镜分划板的基准水平线与波峰平行，如果波浪向 岸边传来，物镜下方刻度盘的度数即为波向，如果波浪运动
方向由岸边向外传去，则目镜下方刻度盘的读数即为波向。
第二种情况，波浪的传播方向与岸线夹角较小或近似
平行的情况转动望远镜，使波浪沿分划板的水平距离标尺线 与波浪的传播方向垂直，读目镜下方刻度盘上的度数，如波 浪自观测者右方传向左方，由上述读数减去90°即为波向， 如波浪自观测者的左方传向右方。则上述读数加90°即为波 向。
改变或风平息后遗留的波浪均称涌浪。
近岸浪：风浪或涌浪传至浅水或近岸区后，因受地形影响发生一系
列变化。 内波： 不同密度的水层界面处而产生的波动。
潮汐波：由于天体引潮力作用所产生的波动。
海啸： 象。 由于海底或海岸附近发生的地震或火山爆发所形成的波动。
风暴潮：由于气象原因，如台风，强风暴等引起的海面异常升高现