波浪

第3章波浪

海洋运动可按周期性与非周期性运动区分，也可按大尺度、小尺度、高频、低频运动来区分。周期性运动有风浪、涌浪、潮波等。由海表面风应力产生的风浪是空间小尺度、高频周期性运动。涌浪是远处扰动产生的波浪，在传播过程中已滤掉了高频的、小尺度的波动。潮波则是由天体引潮力产生的外重力长波的传播，较之于风浪，属大尺度、低频波动。

3.1波浪参数的定义

波浪为机械能通过水体的传播，是能量而不是水体随着波速传播，这个现象是容易观测到的。观测一个漂浮瓶子，随着每个波的经过而上下浮动，我们可以发现波能通过海表面快速的水平传播，但漂浮瓶子自身只作上下运动。在开阔大洋，瓶子在垂向做圆周运动。在浅海地区，例如大陆架坡，在垂直方向作椭圆运动。

我们在水中实际看到的是波能驱动水体的形态或者波形。每个波形有一些确定的性质。5个典型的参量用来描写海洋波浪，它们是（1）波长L；（2）周期T；（3）水深D；（4）波高H；（5）波速C(相速)；

波长L：波形上任意两个相似点之间的距离，例如两个连续的波峰和波谷。波长测量需平行于波的传播方向。

周期T：某个参考点两个连续波峰通过所需的时间间隔。

波高H：从波峰到波谷测量的垂向距离。

水深D：从波谷到海底的水深。

波速C：波的传播速度，它为波长／周期，即C=L/T；

这5个参量定义示意图见图3.1。波的运动轨迹如图3.2所示。

图3.1 波参量

图3.2波的轨迹运动

3.2风浪(wind-generated waves)

形成：由移动空气（风）向水体传输能量，形成于海表面。

尺度：风产生波的范围由毛细波（最小波）到飓风产生巨浪。最小的波，如毛细波，周期小于1/10s，波长小于2cm。这些波可以在非常平静的海面和湖面上，被一阵风初始扰动后观测到。

风和风浪之间的关系：风浪的高度和周期是三个因子的函数：（1）风速；（2）风期；（3）风区（风吹在海面上的距离），见图3.3

图3.3影响风浪高度和周期的因子：风区，风速和风期。风浪大小将随风速、风期和风区增

加而增大。

波高和波长一般随风速和风区的增加而增加。

风区在决定波长方面是重要的。在湖中只有几米的波长是常见的，因为在湖中风区短。

由于海洋中风区长，就几百米波长的风浪，在海洋中是常见的。

在浅水，如湖中和大陆架，水深可能成会影响风浪的重要因子。

在由风暴和飓风产生风浪时，长波一般传播得较快，短波传播得慢。我们可以从波速的传播中容易看到，它是波长与周期的比值。如果长波和短波的周期相同，长波的波速将比短波的波速大。这个例子可从图3.3中看到。

一般地，风暴和飓风能产生非常高的表面波。然后，因为在风暴和飓风期间测量波高是十分困难的，所以不清楚风浪的最大可能高度。但大的巨浪可由来自不同方向和具有不同波长的波相交产生。在它们相交的地方，波形之间相互叠加，导致在波形的一个地方加强，在波形的另一个地方减弱。两个波相交产生的波的例子可见图3.4。波的相交可用来说明为什么海洋表面一会儿也许是平静的，随后很快地出现一些大波。

图3.4 2个不同波长的波形相互叠加，形成具有极高和极低的新的波形。

风浪，涌浪和破波(sea, swell, surf)风浪分三个阶段完成它们的生命：风浪，涌浪和破波。某个地方由风直接影响产生的波，如风暴发生的地方，称为风浪。风浪是不规则的，没有系统的形态。因为风浪是由独立的风拖曳海水事件产生的，风浪具有不同周期、波高，以及不同的传播方向。

因为相近尺度的风浪以相近速度传播，趋于类聚，所以风浪最终变为均匀波形。具有规则波形的波浪称为涌浪。当涌浪进一步从生成地向外传播时，它们的波形在长度上趋于保持一致，但因能量损失波高下降。

当波浪向岸传播时，波高增大，波浪破碎。这个过程叫破波。因为波浪质点不再在运动轨迹内运动，而是向海岸运动，因此破波与风浪和涌浪不同。这个过程通过向岸波浪破碎，导致大量能量被释放出来。

图3.5 进入破碎带波浪。当波形进入浅水（水深小于波长的一半）波长减小，波高增大。

周期仍然保持一致。波破碎后它的能量将消耗在海滩上。

当波浪进入浅水区，只有它的周期保持不变其它特征均改变，包括波长、波高和波速（见图3.5）。波长和波速在较浅海区减小，这个变化是较小的，一直到水深为波长一半为止。在这个水深，可以说波浪感觉到了海底，使得波高快速增大。

在浅水区，水质点的轨迹运动变得压缩，形态变得扁平。更多的能量被压入更小的空间内，所以波浪开始增加波高。当波浪变得很高以致在波峰上质点的速度超过波速时，波浪向前摇晃，或者破碎。在缓坡海滩上，当H/d(波高/水深)的比值介于0.8与0.6之间时破波经常发生。

海岸是一个观测地球系统间如何相互联结的一个很好的地点：来自太阳的能量引起大气运动(风)，它输入一部分能量进入海表面，产生波浪。这些波浪传播几百至几千公里，把能量消耗在海岸上，导致海岸冲刷。在这个过程中，能量来自太阳，最终消耗在海滩上。

波的折射如果波垂直海岸进入浅水区，它们将把能量直接消耗在海滩上。然而，波以其它的角度进入浅水时，或者如果它们遇到近岸地形不规则的变化，它们的传播方向将发生改变。这个方向改变叫折射。在另一部分波进入浅水前一部分波已进入浅水，折射将发生。当第一部分到达浅水时，它的波速下降，引起整个波转向，趋向于平行海底和等深线。最后，波浪在近乎平行海岸时破碎(见图3.6和3.7)。折射也绕水中物体发生，如冰山。

图3.6 沿海滩波浪折射。当波浪以某个角度接近直线海岸时，浅水中一部分波相对于较深水中一部分波较慢传播。这个效应产生折射和波的方向的改变。

折射依赖于海底地形、波长、趋近海岸的方向。在不规则海岸，在底形高的地区，如水下海脊、岬角、隆起点，折射能引起波能的汇合和辐合。波能的发散或辐散，发生在水下峡谷和海湾。与能量辐合区域相比，它们是水体平静的区域。在能量辐合区域，冲刷较大，而在能量辐散区淤积较大。

图3.7 近岸区域波的折射。当波进入浅水区，它们感觉到底形存在，相对于较深水区部分，波速变慢。这导致波形弯曲或折射。在地形高的地方波能辐合，在开阔海湾地区波能辐散。