8 第八章 海浪与内波观测-1
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第八章 海浪观测
8
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)
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
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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
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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。
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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
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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
群波和驻波PPT正式版
气温和湿度的观测
干湿球温度表观测：干球用来测定空气温度；干湿球温差用来计算 湿度；空气越干燥，干湿球温差越大，空气越潮湿，干湿球温差越 小。
注意事项：（1）保持百叶箱洁白。（2）按时加蒸馏水（无蒸馏水 加雨水，其次饮用水），不能加海水。（3）及时更换纱布。
湿度查算：利用气温和干湿球温差，在湿度查算表中查出水汽压和 相对湿度；再利用水汽压（绝对湿度）查算露点温度。
HE HW2HS2
式中：HW和HS为海上观测船分别目测得到的平均显著波高。
波浪分析图
东京JMH台发布的西北太平洋 24h波浪预报图。其中绘有等波高线 （单位为米）、主波向及主波的波高 和周期。此外，还标绘出H、L、TD 的中心位置、强度以及锋线位置等。 在波浪预报图中，等波高线的数值为 有效波高（H1/3）。它是基于波谱 分析等海洋学理论经复杂计算得出的。
风浪成长主要与风速、风区和风时有关。另外还受水深及海域特
涌浪 (Swell)
涌浪: 涌浪是指风浪离开风区后传到远处，或风区里的风停息后 所遗留下的波浪。
涌浪又称长波，其波形规则，波面光滑，波速较快，波长和周期 较大，波陡小。
波速公式： C = 1.5 T
涌浪传播过程中,在波高衰减的同时，波长和周期增大,波速加快, 比风暴的移速快很多,可以作风暴来临的先兆，亦称先行波。
第八章 海浪
§1 概述
GO
§2 群波和驻波
GO
§3 风浪、涌浪和近岸浪
GO
§4 有效波高和合成波高
GO
§5 船舶海洋水文气象观测与测报 GO
§1 概述
风力等级表
海浪（Sea Wave)
海浪与海流都是海水运动的重要形式，对船舶航行有很大的影响。 大风浪造成航速下降，舵效降低，甚至停止不前；在狂涛巨浪中还 会出现“中垂”或“中拱”使船舶结构变形，严重时造成船体断裂， 导致重大海难事故。
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。
内波--看不见的海浪
内波——看不见的海浪中国海洋学报在一百多年前，长期在海上生活的人就发现海上有时会发生令人惧怕也令人不可理解的事情：海面上风平浪静，船舶也没有触底，可是正常航行的船舶却非常吃力，甚至航船会像被海水粘住一样寸步难移。
一遇到这种情况，人们便认为是遇到会粘住船的“死水”，难免产生在劫难逃的畏惧感。
那么，“死水”的现象是怎样产生的呢？我们知道，在海洋表面发生的波浪，它的波动最大值是在海面，并且随深度增加而减小，到达一定的深度就会消失。
为什么会这样呢？因为风吹在海面上，把能量传给海水，使海面产生了波动。
由于海水内部磨擦作用，能量往深处传，波动随之传下去，但因为能量不能全部传下去，只能传下去一部分。
所以，越往深处去，能量越少，波动自然也就小了。
表面上的波浪，实际上就是出现在空气和海水这两层不同密度的流体分界面上的波动。
但是，海水密度在表层和深层是不均匀的。
比如，温度高的海水密度小，而温度低的海水密度大；盐度低的海水密度小，而盐度高的海水密度大。
密度小的海水会集聚在密度大的海水上面，上轻下重，使海水成层分布起来。
这上下层之间自然形成了一个屏障，就叫做密度跃层。
密度跃层是海水的温度或盐度由很小到很大的一个飞跃变化的过渡层，有的几米厚。
这种稳定的密度跃进层可以作为界面，把海水分成密度较小和较大的两层。
在这种情况下，如果有某种外力作用在这种界面上，界面就会因振动而产生波动，于是产生了内波，也就是所谓的“死水”现象。
由于这种波浪处于海面以下，肉眼完全看不见，因此，人们又给内波一个“看不见的波浪”的别称。
在海洋中，由于海水的密度分布总是不均匀的，大洋里的内波便也是个很普遍的现象。
古代和中世纪的帆船，船速都比较低，因而被海水粘住的机会也就多。
对于现代舰船，内波的威胁已经减小了，但内波对航海还是有影响的。
像位于西班牙最南端和摩洛哥最北端之间的直布罗陀海峡和位于意大利的卡拉布里亚半岛和西西里岛之间的墨西拿海峡，由于海峡狭窄，流速增大时，内波受到破坏，就会形成内激浪，并传到海表面，形成强大的三角浪和涡流，对航船造成极大威胁。
船舶流体力学第八章 波浪理论_OK
16
（8.1.17 ） 根据假设（２）（8.1. 4）可简化为
压差 静压力项 波动引起的压力项
17
§8.2 小振幅波速度势
........
（8.2.1 ）
18
分离变量法求解：令 ∴（8.2.2 ）式入拉氏方程 （
（8.2.2） 关于 Z 的待定函数 ）
通常
为二阶齐次常微分方程 （8.2.3 ）
永远无旋
7
∴解波浪问题 △φ =0 边界条件 φ
V 柯西 拉格朗日积分
P
8
§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 动力学边界条件 波浪方程
运动学边界条件
9
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
12
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
x=f( a,b,t )
（8.1.8 ）
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 ∴
（8.1.10 ）
13
因为F(x, z,t) (x,t) z
x dz 0
0
+ A)2
2
dx -
1 r gLA2
2
代入式 8.2.9
V L rgA2 cos(kx t)dx L 1 rgA2[1 cos 2(kx t)]dx
0
04
∴V 1 rgLA2
4
C. 单位长度（Y 方向）平均能量
（8.1.17 ） 根据假设（２）（8.1. 4）可简化为
压差 静压力项 波动引起的压力项
17
§8.2 小振幅波速度势
........
（8.2.1 ）
18
分离变量法求解：令 ∴（8.2.2 ）式入拉氏方程 （
（8.2.2） 关于 Z 的待定函数 ）
通常
为二阶齐次常微分方程 （8.2.3 ）
永远无旋
7
∴解波浪问题 △φ =0 边界条件 φ
V 柯西 拉格朗日积分
P
8
§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 动力学边界条件 波浪方程
运动学边界条件
9
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
12
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
x=f( a,b,t )
（8.1.8 ）
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 ∴
（8.1.10 ）
13
因为F(x, z,t) (x,t) z
x dz 0
0
+ A)2
2
dx -
1 r gLA2
2
代入式 8.2.9
V L rgA2 cos(kx t)dx L 1 rgA2[1 cos 2(kx t)]dx
0
04
∴V 1 rgLA2
4
C. 单位长度（Y 方向）平均能量
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
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。
海浪与内波观测.
波面记录的时间长度和采样时间间隔
目测海浪
目测海浪时，观测员应站在船只迎风面，以离 船身30米（或船长之半）以外的海面作为观测 区域（同时还应环视广阔海面）来估计波浪尺 寸和判断海浪外貌特征。
海况的观测 波型的观测 波向的观测 波高和周期的观测 部分大波波高及周期观测 波长和波速的计算
波面随时间的变化曲线
注：在固定点利用波浪自记仪记录的
波高
Hp =（H1+H2+H3+…Hn）/n
1/p
1/p
H1/p
（
有部 效分 波大 高波 波 高 ）
1/3
波高间的换算系数，与水深d有关
H /d
K1
10
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
K1
3
2.03 1.93 1.81 1.69 1.58 1.47 1.60 1.54 1.48 1.43 1.37 1.30
海况的观测
ห้องสมุดไป่ตู้
海况（海面状况）
在风力作用下的海面外貌特征。 依波峰的形状，峰顶的破碎程度和浪花出现 的多少，海况分为10级。 依据海况等级表，目视判断海况所属等级。 观测时应注意广大海面，切勿以受暗礁、浅 滩及强流影响的局部区域的海面状况作为广 大海面的海况。
海况观测
海况等级表
等级 海面征状
涌浪(Swell)
涌浪
风浪离开风区后传到远处，或风区里的风停息后所遗 留下的波浪，又称长波。 其波形规则，波面光滑，波速较快，波长和周期较大， 波陡小。
海浪与内波观测.
海况的观测
海况（海面状况）
在风力作用下的海面外貌特征。 依波峰的形状，峰顶的破碎程度和浪花出现 的多少，海况分为10级。 依据海况等级表，目视判断海况所属等级。 观测时应注意广大海面，切勿以受暗礁、浅 滩及强流影响的局部区域的海面状况作为广 大海面的海况。
海况观测
海况等级表
等级 海面征状
Ocean waves
Buoy hull motions
Measurements (Sensors) Onboard processing Transmission (or storage) Shoreside processing Wave data
SZF2-1型波浪浮标
SZF2-1型波浪浮标是一种能自动、定点、定时 （或连续）地对波浪要素进行测量的小型浮标自 动测量系统，能测量海浪的波高、周期、波向。 SZF波浪浮标可单独使用，也可作为海岸基/平台 基海洋环境自动监测系统的基本设备。既可在离 岸海区锚泊布放使用，也可随船系泊使用。
10-m discus buoy
6-m NOMAD buoy
New Stand-alone Wave System/Buoy
Directional Wave Measurement System: - Small & light - Low power consumption - Low cost - Built-in transmitter - Standalone - Configurable Directional Wave buoy: - Small & light, deployable from small vessels - Low cost - Low maintenance 1.8 m COLOS buoy
华北理工海洋调查与观测技术教案08海浪与内波观测
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。
2
8.2.5 部分大波波高及周期的观测 板书“8.2.5 部分大波波高及周期的观测”
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
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。
一、周期观测：观测员手持秒表，注视随海面浮动的某一标志物，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
【本讲课程的内容】
第八章 海浪与内波观测
内容
【本讲课程的引入】说起大海，大多数人首先想到的就是海浪了，那么我们在进行海浪观测 的时候，要进行什么工作呢？。
【本讲课程的内容】
第八章 海浪与内波观测
板书“第八章 海浪与内波观测”
海浪观测的主要对象是风浪和涌浪。
本章要讨论的海上波浪或海浪，是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。
板书“8.1 海浪的基本要素”
8.1.1 海浪的基本要素 板书“8.1.1 海浪的基本要素”
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；
第八章 海洋中的波动
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
海啸
• 因震波的动力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
海啸的特点
• 海啸波长比海洋的最大深度还要大，在海底附近 传播也没受多大阻滞，不管海洋深度如何，波都 可以传播过去， • 海啸在海洋的传播速度大约每小时五百到一千公 里，而相邻两个浪头的距离也可能远达500到650 公里， • 当海啸波进入陆棚后，由于深度变浅，波高突然 增大，它的这种波浪运动所卷起的海涛，波高可 达数十米，并形成“水墙”。
开尔文波与厄尔尼诺
罗斯贝波（Rossby wave）
• 罗斯贝波又称为行星波，是一种远远小于惯性频 率 f 的低频波，其恢复力是科氏力随纬度的变化
β=
∂f ∂y
2
• 罗斯贝波的频散关系
σ = − βk x / K
=−
• 罗斯贝波的传播方向始终偏向西方！！！
cx =
σ
kx
β
K
2
,
cy =
σ
ky
=−
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 大缘故 E = ( ρ 2 − ρ1 )a 2 gλ / 2
海洋内波
• 海洋内波的恢复力为弱化重力（重力与浮 力之差），因其恢复力很弱，使其运动比 表面波慢得多 内波的频率介于惯性频率和布伦特-维塞拉 （Brünt-Väisälä）频率（浮力频率）之间
表面重力波—海浪
• 如何描述海浪？ • 海浪具有周期性，波长一 般从几厘米到几百米 • 周期、波高、波长的随机 性 • 海浪谱：描述海浪能量在 不同频率上的分布 • 我国物理海洋学家、海浪 理论的奠基人文圣常院士
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的海浪资料，可用于理论研究、风浪预报、船舶 航行及捕捞等。 • 利用船只起伏目测等方法有较大误差。 • 最好使用自记仪记录。
38
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
三、观测内容和手段 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，并利用这些观测值计算波长、波速、1/10 和1/3大波的波高和波级 。仪器目前仅可以测量前三
13
第八章 海浪与内波观测 海浪的益处： • 海浪会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； • 海浪的巨大能量可以用于波浪发电；
14
第八章 海浪与内波观测
海浪的益处：
世界上第一个商业海浪发电厂——“海蛇”
位中于国英葡电国萄科牙拟助38北建摆所部式造最海海海新岸浪研下发制浮电的标装波发置浪电发系电统装置 15
23
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象
海浪的分类： 风浪和涌浪是海浪观测的主要对象
• 风浪：由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。 • 涌浪：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。
第八章 海浪与内波观测
Chapter 8. Observation of ocean wave and internal wave
1
第八章 海浪与内波观测
海浪是发生在海洋中的一种波动现象，是 海面起伏形状的传播，是水质点离开平衡位置， 作周期性振动，并向一定方向传播而形成的一 种波动。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等共同作用的结果。
17
第八章 海浪与内波观测
内波沉积的研究意义： • 由于内潮汐和内波沉积是以前人们尚未认识到的一
种新的沉积类型，因此开展内潮汐相内波沉积的研 究，对发展沉积学理论、丰富沉积相和沉积环境的 研究内容具有重要的理论意义，对古地理、古环境、 古气候和古大地构造等相关学科的研究也有重要意 义。
18
第八章 海浪与内波观测
海浪的危害： • 海浪中包含巨大的能量，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。
统计规律，以便建立可靠的合理的信号处理体制，另一
方面有可能根据声信号起伏规律中所蕴含的关于内波运
动本身的信息量加以提取，从而形成为一种对海洋内波
的声学监测手段。
20
第八章 海浪与内波观测 第一节 导 言 第二节 海浪的基本要素 第三节 目测海浪 第四节 海浪的观测 第五节 卫星遥感
21
第八章 海浪与内波观测
成混合浪。
31
第八章 海浪与内波观测
一、观测对象 涌浪：
第一节 导言
乱涌（交叉涌），不同方向的涌浪交叉汇合在
一个地方，形成了“田”字型的海面景观
32
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 涌浪的衰减： • 观测海区内本身形成的涌浪，其衰减主要决定于
原风浪的尺度和风力急剧减弱后的时间； • 从观测海区以外传来的涌浪，其衰减决定于原风
第八章 海浪与内波观测
内波的危害： • 虽不像海面波浪那样汹涌澎湃，但它隐匿水中，暗
中作祟，常使人们防范不及，故有“水下魔鬼”之 称。 • 内波的破坏力，主要是产生内波的跃层上下，会形 成两支流向正相反的内波流。这种内波流可高达 1．5米/秒，犹如剪刀一般，破坏力极大。
16
第八章 海浪与内波观测
下来的波浪和传出风区的波浪。 • 近岸浪，指的是由外海的风浪或涌浪传到海岸附
近，受地形作用而改变波动性质的海浪。
3
第八章 海浪与内波观测
海浪是海水的波动现象。 • 通常所说的海浪，是指海洋中由风产生的波浪。
包括风浪、涌浪和近岸波。 • 无风的海面也会出现涌浪和近岸波，但实际上它
们是由别处的风引起的海浪传播来的。 • 广义上的海浪，还包括天体引力、海底地震、火
• 由于内波的存在，在界面上下水质点运动的方向相反， 在界面处发生最大速度剪切，可形成速度可高达1. 5 m/s以上的内波流，犹如锐利的剪刀，破坏力极大。
7
第八章 海浪与内波观测
内波与表面波区别： 内波与表面波虽然都是液体波动，但它们又各
不相同： • 在海面形成的波浪，它的波动最大值在海面，随
着深度增加而减少，到达一定深度就消失了。 • 海水密度随着水温盐度及压力的不同，通常由上
它通常发生在分层介质中，是在海洋内部密度不均匀水 层间发生的一种波动。只要海水密度稳定分层，并有扰动源 存在，内波就会产生。
6
第八章 海浪与内波观测
• 由于内波的能量比相应的表面波小得多，只需小小的 扰动就能引起内波的形成，且这种扰动是普遍存在的。 因此，内波像海面波浪一样广泛发育于各大洋中，只 是其波长、振幅、周期、传播速度及存在深度有很大 的变化。
第一节 导言
一、观测对象 风浪： • 指由当地风引起且直到观测时仍处于风力作用下
的海面波浪。
26
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 风浪： • 其成长取决于风速、风区和风时：
• 风区：速度、方向基本恒定的风在一定时间内 所历经的海区长度。
• 风时：速度、方向基本恒定的风所吹的时间。 • 波型不规则，背风面较陡，迎风面较平缓，波峰
较大。4到5级风时，波峰翻倒破碎，出现白浪。 传播方向大都和风向一致。
27
第八章 海浪与内波观测
一、观测对象 风浪：
第一节 导言
风浪外形比较杂乱粗糙，有时伴有浪花和泡沫，
传播方向大多与风向一致
28
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 涌浪： • 风浪离开风的作用区域后，在风力甚小或无风水
5
第八章 海浪与内波观测
内波是指海洋中的自然波，它沿着不同密度的水域分界 面，有像表面波一样的传播的波动过程，是一种重要的海水 运动。
它的产生与主跃层的温度波动有关，主要是由于温度的 突变而形成。主跃层在强烈的风、潮汐、海流等驱动之下， 产生温度波动，就形成在海洋介质内部的一种波动过程，称 为内波。12第八章 海浪与内波观测
海浪的危害： • 海浪对泥沙有搬运作用，若携带大量泥沙进入海港、
航道，会使海港淤积、航道变浅、影响船只进出港 口等。 • 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。
至下密度逐渐增大，形成稳定连续密度层结。在 外力扰动下，就会海水内部产生内波。
8
第八章 海浪与内波观测
内波与表面波区别： • 内波的振幅，一般要比表面波高大得多，从几
十米甚至达到上百米；内波的波长，一般有几 百米，甚至万米以上。 • 这主要是由于海水密度和空气密度的差异不同 引起的。因为同样的外力，使海水内部产生的 波动，要比海面上大很多。
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
洲等障碍物的影响。 • 安设浮标处水深，应不小于该海区常有风浪的波
长的一半，海底地形尽量平坦并必过潮流过急区。
37
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
二、观测地点选择 海浪观测既要在岸边台站进行，也要在海上（或
船上）实施： 海上或船上的观测者获得的离岸较远的开阔海域
者（波高、周期、波向），其他为目测。
观测海流时还应同时观测风速、风向和水深。
内波沉积的研究意义： • 对沉积矿产尤其是油气的勘探有重要的实际意义，因为
内潮汐和内波沉积是潜在的良好的油气储层。 与浊积岩和等深积岩相似，砂级的内潮汐、内波沉
积与深水细粒沉积互层，具有良好的生储盖组合条件。 而又由于深水潮汐和波浪的反复淘洗，使其沉积物的结 构成熟度较浊积岩高得多，原生和后生孔隙发育，储集 性能远比浊积岩好，为深水沉积中颇具勘探前景的潜在 油气储层。因此研究内潮汐和内波沉积具有重要的实际 意义。
• 加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾 遭内波袭击而不得不中断作业，为此，美国英特俄辛 公司为其安装了内波预警系统，以保障其安全作业。 内波峰高谷深，垂直作用也很大。
• 1963年4月10日，美国“长尾鲨”号核潜艇，在大西 洋距波士顿港口350公里处突然沉没，艇上160人无一 生还，事后经过对沉入海底，变成碎片的残核分析判 断，下沉的原因是潜艇在水中航渡时，遇到了强烈的 内波，将其拖拽至海底，承受不了超极限的压力而破 碎，这就是强大内波垂直力作用的后果。
海浪（ocean wave）通常指海洋中由风产 生的波浪。主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。
2
第八章 海浪与内波观测
海浪（ocean wave）通常指海洋中由风产生的波浪。 主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。 • 风浪，指的是在风的直接作用下产生的水面波动。 • 涌浪，指的是风停后或风速风向突变区域内存在
域中依靠惯性维持的波浪。
29
第八章 海浪与内波观测
一、观测对象 涌浪：
第一节 导言
涌浪外形比较规则，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 30
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 涌浪： • 在风作用下的水域内，由于风力显著降低使原来
产生的风浪处于消退状态时也可形成涌。 • 海洋上也经常有不同来源的波系叠加的现象，形
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第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
三、观测内容和手段 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，并利用这些观测值计算波长、波速、1/10 和1/3大波的波高和波级 。仪器目前仅可以测量前三
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第八章 海浪与内波观测 海浪的益处： • 海浪会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； • 海浪的巨大能量可以用于波浪发电；
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第八章 海浪与内波观测
海浪的益处：
世界上第一个商业海浪发电厂——“海蛇”
位中于国英葡电国萄科牙拟助38北建摆所部式造最海海海新岸浪研下发制浮电的标装波发置浪电发系电统装置 15
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第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象
海浪的分类： 风浪和涌浪是海浪观测的主要对象
• 风浪：由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。 • 涌浪：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。
第八章 海浪与内波观测
Chapter 8. Observation of ocean wave and internal wave
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第八章 海浪与内波观测
海浪是发生在海洋中的一种波动现象，是 海面起伏形状的传播，是水质点离开平衡位置， 作周期性振动，并向一定方向传播而形成的一 种波动。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等共同作用的结果。
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第八章 海浪与内波观测
内波沉积的研究意义： • 由于内潮汐和内波沉积是以前人们尚未认识到的一
种新的沉积类型，因此开展内潮汐相内波沉积的研 究，对发展沉积学理论、丰富沉积相和沉积环境的 研究内容具有重要的理论意义，对古地理、古环境、 古气候和古大地构造等相关学科的研究也有重要意 义。
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第八章 海浪与内波观测
海浪的危害： • 海浪中包含巨大的能量，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。
统计规律，以便建立可靠的合理的信号处理体制，另一
方面有可能根据声信号起伏规律中所蕴含的关于内波运
动本身的信息量加以提取，从而形成为一种对海洋内波
的声学监测手段。
20
第八章 海浪与内波观测 第一节 导 言 第二节 海浪的基本要素 第三节 目测海浪 第四节 海浪的观测 第五节 卫星遥感
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第八章 海浪与内波观测
成混合浪。
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第八章 海浪与内波观测
一、观测对象 涌浪：
第一节 导言
乱涌（交叉涌），不同方向的涌浪交叉汇合在
一个地方，形成了“田”字型的海面景观
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第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 涌浪的衰减： • 观测海区内本身形成的涌浪，其衰减主要决定于
原风浪的尺度和风力急剧减弱后的时间； • 从观测海区以外传来的涌浪，其衰减决定于原风
第八章 海浪与内波观测
内波的危害： • 虽不像海面波浪那样汹涌澎湃，但它隐匿水中，暗
中作祟，常使人们防范不及，故有“水下魔鬼”之 称。 • 内波的破坏力，主要是产生内波的跃层上下，会形 成两支流向正相反的内波流。这种内波流可高达 1．5米/秒，犹如剪刀一般，破坏力极大。
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第八章 海浪与内波观测
下来的波浪和传出风区的波浪。 • 近岸浪，指的是由外海的风浪或涌浪传到海岸附
近，受地形作用而改变波动性质的海浪。
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第八章 海浪与内波观测
海浪是海水的波动现象。 • 通常所说的海浪，是指海洋中由风产生的波浪。
包括风浪、涌浪和近岸波。 • 无风的海面也会出现涌浪和近岸波，但实际上它
们是由别处的风引起的海浪传播来的。 • 广义上的海浪，还包括天体引力、海底地震、火
• 由于内波的存在，在界面上下水质点运动的方向相反， 在界面处发生最大速度剪切，可形成速度可高达1. 5 m/s以上的内波流，犹如锐利的剪刀，破坏力极大。
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第八章 海浪与内波观测
内波与表面波区别： 内波与表面波虽然都是液体波动，但它们又各
不相同： • 在海面形成的波浪，它的波动最大值在海面，随
着深度增加而减少，到达一定深度就消失了。 • 海水密度随着水温盐度及压力的不同，通常由上
它通常发生在分层介质中，是在海洋内部密度不均匀水 层间发生的一种波动。只要海水密度稳定分层，并有扰动源 存在，内波就会产生。
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第八章 海浪与内波观测
• 由于内波的能量比相应的表面波小得多，只需小小的 扰动就能引起内波的形成，且这种扰动是普遍存在的。 因此，内波像海面波浪一样广泛发育于各大洋中，只 是其波长、振幅、周期、传播速度及存在深度有很大 的变化。
第一节 导言
一、观测对象 风浪： • 指由当地风引起且直到观测时仍处于风力作用下
的海面波浪。
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第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 风浪： • 其成长取决于风速、风区和风时：
• 风区：速度、方向基本恒定的风在一定时间内 所历经的海区长度。
• 风时：速度、方向基本恒定的风所吹的时间。 • 波型不规则，背风面较陡，迎风面较平缓，波峰
较大。4到5级风时，波峰翻倒破碎，出现白浪。 传播方向大都和风向一致。
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第八章 海浪与内波观测
一、观测对象 风浪：
第一节 导言
风浪外形比较杂乱粗糙，有时伴有浪花和泡沫，
传播方向大多与风向一致
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第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 涌浪： • 风浪离开风的作用区域后，在风力甚小或无风水
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第八章 海浪与内波观测
内波是指海洋中的自然波，它沿着不同密度的水域分界 面，有像表面波一样的传播的波动过程，是一种重要的海水 运动。
它的产生与主跃层的温度波动有关，主要是由于温度的 突变而形成。主跃层在强烈的风、潮汐、海流等驱动之下， 产生温度波动，就形成在海洋介质内部的一种波动过程，称 为内波。12第八章 海浪与内波观测
海浪的危害： • 海浪对泥沙有搬运作用，若携带大量泥沙进入海港、
航道，会使海港淤积、航道变浅、影响船只进出港 口等。 • 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。
至下密度逐渐增大，形成稳定连续密度层结。在 外力扰动下，就会海水内部产生内波。
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第八章 海浪与内波观测
内波与表面波区别： • 内波的振幅，一般要比表面波高大得多，从几
十米甚至达到上百米；内波的波长，一般有几 百米，甚至万米以上。 • 这主要是由于海水密度和空气密度的差异不同 引起的。因为同样的外力，使海水内部产生的 波动，要比海面上大很多。
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
洲等障碍物的影响。 • 安设浮标处水深，应不小于该海区常有风浪的波
长的一半，海底地形尽量平坦并必过潮流过急区。
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第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
二、观测地点选择 海浪观测既要在岸边台站进行，也要在海上（或
船上）实施： 海上或船上的观测者获得的离岸较远的开阔海域
者（波高、周期、波向），其他为目测。
观测海流时还应同时观测风速、风向和水深。
内波沉积的研究意义： • 对沉积矿产尤其是油气的勘探有重要的实际意义，因为
内潮汐和内波沉积是潜在的良好的油气储层。 与浊积岩和等深积岩相似，砂级的内潮汐、内波沉
积与深水细粒沉积互层，具有良好的生储盖组合条件。 而又由于深水潮汐和波浪的反复淘洗，使其沉积物的结 构成熟度较浊积岩高得多，原生和后生孔隙发育，储集 性能远比浊积岩好，为深水沉积中颇具勘探前景的潜在 油气储层。因此研究内潮汐和内波沉积具有重要的实际 意义。
• 加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾 遭内波袭击而不得不中断作业，为此，美国英特俄辛 公司为其安装了内波预警系统，以保障其安全作业。 内波峰高谷深，垂直作用也很大。
• 1963年4月10日，美国“长尾鲨”号核潜艇，在大西 洋距波士顿港口350公里处突然沉没，艇上160人无一 生还，事后经过对沉入海底，变成碎片的残核分析判 断，下沉的原因是潜艇在水中航渡时，遇到了强烈的 内波，将其拖拽至海底，承受不了超极限的压力而破 碎，这就是强大内波垂直力作用的后果。
海浪（ocean wave）通常指海洋中由风产 生的波浪。主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。
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第八章 海浪与内波观测
海浪（ocean wave）通常指海洋中由风产生的波浪。 主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。 • 风浪，指的是在风的直接作用下产生的水面波动。 • 涌浪，指的是风停后或风速风向突变区域内存在
域中依靠惯性维持的波浪。
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第八章 海浪与内波观测
一、观测对象 涌浪：
第一节 导言
涌浪外形比较规则，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 30
第八章 海浪与内波观测
第一节 导言
一、观测对象 涌浪： • 在风作用下的水域内，由于风力显著降低使原来
产生的风浪处于消退状态时也可形成涌。 • 海洋上也经常有不同来源的波系叠加的现象，形