第五章 波浪观测c

第四节
浅海和近岸的海浪
4.6 波浪流 波浪流是指当波浪传入近岸时，因受地形影响而产 生的波浪流。由前可知，当波浪从深海向近岸传播时， 在临界水深处发生破碎，破碎后的击岸波继续向前推进， 由于水深不断变浅，使得波浪多次破碎，直到离水边线 不远的地方，波浪最后完全破碎。波浪破碎后，水体运 动已不服从波浪运动的规律，而是整个水体的平移运动。 既有在惯性力作用下，涌向岸滩的击岸水流，又有在重 力作用下沿坡向下退回的水流。这样，在近岸由波浪产 生的波浪流表现为：引起水体质量输送的向岸流及其导 致近岸水位升高而使海水向海洋的回流。
第四节
浅海和近岸的海浪
4.5 海浪得绕射 海浪可以绕过障碍进入被岛屿、海岬或防波堤等遮 蔽的水域，这种现象叫做绕射。当波峰线与防波堤平行 的波浪传到港口时，一部分被防波堤迎面挡住，其余的 波浪继续向港内传播，并绕过防波堤向被隐蔽的水域扩 散，绕射后的波浪的波峰线为以防波堤一端处为中心的 一系列弧线。由于越过防波堤后，波向线的扩散，所以 波高将变低。
第四节
浅海和近岸的海浪
4.2 波浪的折射 当海浪传至浅水或近岸区域后，由于地形的影响， 将发生一系列的变化，由于深度变浅，不仅波长变短， 而且波速也要变慢，从而使波向发生转折，出现折射现 象。由于能量的集中，波高增大，最后发生破碎，通过 绕射，海浪可深入到隐蔽的水域，在直壁或陡壁面前， 海浪又能产生反射。研究这些现象，对筑港、航运和海 岸保护等均有很大的意义。
第六节
波浪能调查要求
（P164） 观测站设站要求 波浪能源要素的观测在定位站进行，附近海区有关 部门设有波浪观测站时，可直接引用其波浪观测资 料。附近海区无波浪观测站或其位置不能满足本次 调查要求时，应设临时波浪观测站，临时波浪观测 站应设在海面开阔、海底平坦、无暗礁和沙洲等障 碍物影响的地段。此外，应尽量避免在陡岸、急流 和养殖区域设站。
第三节
海浪的产生、种类和特征
3.1 海浪是发生在海洋中的一种波动现象。我们这里指
的海浪是由风产生的波动，其周期为0.5至25秒，波 长为几十厘米到几百米，一般波高为几厘米到20米， 在罕见的情况下波高可达30米以上。 3.2 海浪包括风浪、涌浪和近岸浪（要于海滨规范的混 合浪区别开）3种。 风浪--指的是在风的直接作用下产生的水面波动。其基 本特征：风浪中同时出现许多高低长短不等的波，波 面较陡，波峰附近有浪花或大片泡沫。此起彼伏，瞬 息万变。初看无规律可循。波面粗糙，波峰线也短。
第七节
波浪观测方法
目前世界上监测海浪主要手段仍以海洋船舶、海洋浮标 站、岸边和岛屿海洋站监测为主。常用的海浪观测仪器 有几种： 视距测波仪或称光学测波仪（P165） 电阻和电容测波仪（P166） 压力测波仪（P166、186） 声学测波仪（P169） 遥感测波仪（P167）
（原理、操作、问题）
第七节
波浪观测方法
图5-4 海上浮筒
图5-5光学测波仪
第七节
波浪观测方法
视距测波仪
7.2.1 视距测波仪（光学测波仪 图6-5） 光学测波仪可测定波浪高度、周期、波向和波长。还可 以测量海面上物体的距离、流冰的速度和方向。此种仪 器严格地说仍属于目测的范围，其观测的结果要受到观 测者主观作用的影响。 光学测波仪主要由望远镜瞄准机构、俯仰微调机构、方 位指示机构、调平机构和浮筒等组成。 俯仰微调机构、方位指示机构、调平机构是调整仪器和 确定波浪方向的主要部件； 望远镜瞄准机构是观测波浪的重要部分，望远镜内靠目 镜的一端装有透视网格的分划板，其刻度值等于在海面 上布设一个直角坐标系统，将望远镜瞄准海上布放的浮 筒就能观测波浪的高度和周期。
第一节
波浪观测概述
1.3 海洋中波动的分类 海洋中波动的种类很多，分法也不一，我们简单 介绍几种分类： 1.3.1 按照波的周期或频率，可将波浪分为表面张力 波、短周期重力波、长周期重力波、长周期波与长周 期潮波。 1.3.2 按照水深相对波长的大小，可将海浪分成深水 波和浅水波。如果水深相对波长很大，则称为深水波 或称为表面波（短波）。如果水深相对波长很小，则 称为浅水波或长波。
第一节
的
波浪观测概述
周期Τ—— 通过一个波长所需的时间，或两相邻
波峰（波谷）通过一固定点所需的时 间，
单位为秒； 波速C—— 波形移动的速度，即单位时间内波动 传播 的距离。波速、周期和波长之间存在 下列 关系： λ C = ——
Τ
第一节
波浪观测概述
波向线 —— 表示波浪传播方向的线； 波峰线 —— 与波向线正交，并通过波峰的线； 频率ƒ —— 在某一个固定地点上，单位时间内所经过 的波个数，即 1 ƒ = ——
第一节
波浪观测概述
第一节
波浪观测概述（P158）
1.3.3 按形成原因分类 风浪和涌浪：风浪是风直接作用下，水面出现的波动。 风浪离开风区传至远处或风停息后留下来的波浪，称 为涌浪。 •潮汐波：海水在月球和太阳引潮力作用下产生的波浪。 •海啸：依其生成原因，又分为气象海啸和地震海啸。 前者是由气象原因，如台风、风暴等所成的浪；后者 则是海底或海岸附近发生地震或火山爆发所形成的波 动。 •气压波：相邻海区的气压不同或某一海区发生急剧变 化而产生的波动。 •内波：一般说来，它是海洋中密度相差较大的水层处 形成的波动。
第四节
浅海和近岸的海浪
4.3 波高的变化 当海浪传至浅水处，深度变浅，波浪能量（不考虑 摩擦引起的能量消耗）将集中在愈来愈薄的水层内，于 是海面波浪的高度就增大，如果深度变浅，而且宽度也 很窄，则能量的集中就更为剧烈，从而波高增大的效应 也就更显著。 4.4 海浪的破碎 当海浪传至浅水或近岸区域后，将发生波长变短， 波高增大现象，导致波陡迅速增长。当波陡达到1/7时， 波浪开始变得不稳定。 破碎浪大致分为三类：卷跃破浪、崩顶破浪和激散 破浪。
第四节
浅海和近岸的海浪
我们学习的重点是波浪传入浅水或近岸后，波浪要素的 变化。（P160） 在波动基本性质一节中，已经谈到小振幅深水进行波 质点的运动轨迹为一个圆周，它的半径及其速度均随深 度剧烈减小，只要海水的深度大于波长之半，那么小振 幅进行波的这种性质将近似保持不变。 但在浅水中，由于海底上不可能存在垂直运动，因而， 波动的性质便将有所改变。在海底上，水质点的运动只 能前进或后退，因此，如果水深远较波长为小，则在所 有深度上，运动轨迹将保持几乎水平的状态。实际上， 由于受到水深变浅的影响，每一质点的运动轨迹将变为 一扁椭圆，愈接近海底，椭圆轨迹变得愈扁，在海底上， 终将成为一条直线。
第五节
中国近海和沿岸的海浪
（P162） 从风浪的季节变化来看，除夏季台风形成的海浪外， 一般冬季大而夏季小，波高常在1至3米左右。就海区而 论，东海和南海水域辽阔，风向稳定，有利于风浪的充 分成长，风浪较大；黄海和渤海海浪的成长受到区域的 限制，风浪较小；黄海南部除风浪外，涌浪也较多；东 海和南海也经常有涌浪出现。
第五节
中国近海和沿岸的海浪
图5-2 05年1月中国沿海平 均涌浪图
Hale Waihona Puke 图5-3 05年6月中国沿海 平均涌浪图
第六节
波浪能调查要求
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪 的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的 宽度成正比。 波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源，它是 由风把能量传递给海洋所产生，实质上是吸收了风能 而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相 互作用的距离即风区有关。
Τ
第一节
波浪观测概述
波数 —— 指在2π距离内所包含的波个数； 圆频率σ—— 表示在2π秒时间内，所经过的波个数； 波岭β —— 波速与风速（U）之比，即
c
β = ——
U
第一节
波浪观测概述
1.2 用于描述海浪的要素和计算海浪的风要素各是哪 些？ 用于描述海浪的要素主要是波高、波周期、波长和波速。 波高是指相邻波峰（或波谷）和波谷（或波峰）间的垂 直距离；波周期是相邻的两个波峰（或波谷）相继通过 一固定点所经历的时间；波长是两相邻的波峰（或波谷） 间的水平距离；波速是波峰（或波谷）在单位时间内的 水平位移。 用于计算海浪的风要素主要是风速、风区长度和风时调 计算近岸浪和浅水区域波浪时还有水深。
波浪形成图解
波浪形成图解
波浪形成图解
第一节
波峰
波浪观测概述
波长λ （周期）
静止 水面
波高 H
振 幅α
波谷
（图03）
第一节
波浪观测概述
波峰 —— 波面的最高点； 波谷 —— 波面的最低点； 波高H —— 相邻波峰与波谷间的垂直距离， 单位为米； 振幅α—— 波高之半； 波长λ—— 相邻两个波峰或波谷间的水平距离， 单位为米； 波陡δ—— 波高与波长之比；
第二节
波动的基本性质
第二节
波动的基本性质
2.1.2 水质点运动和波形传播 2.1.2 波动随深度减弱的规律 P159） 能量 在波动中，水质点以一定速度运动，具有动能； 水质点相对于它们的轨迹中心不断发生变化，从而具 有势能。因此，当有波动出现时，整个流体具有能量
第二节
波动的基本性质
分析波动中的能量，对探索海浪的规律是很重要的， 因为海浪是一种十分复杂的现象，水面和水底的作用 力迄今没有得到充分的了解，单纯从作用力来分析海 浪的变化是不够的。但海浪的波高、波长等与海浪的 能量之间有一定的关系，可以从能量的变化来研究海 浪要素的变化，这是目前研究海浪的重要途径之一； 另一种重要途径着眼于海浪的内部结构，目前主要采 用能量分布来描述海浪内部结构。 由波能理论公式推导结果得知，单位水面内波动 的能量正比于波高的平方，而与其它海浪要素无关。 由于波高随深度显著减小，所以波动得能量绝大部分 集中在表层。
第一节
波浪观测概述
风区是指在风作用 的水域内，各处风速和风向近似一 致的水域；风区长度是指风区上沿至计算点的距离；风 时是指近似一致的风速和风向 连续作用于风区的时间。 风速越大，风时越长，风区越大， 风浪就越发展。但 这种发展不是无限制的。在一定风速作用 下；当风浪 能量输入等于能量消耗，这时即令风时风区无限地增加， 风浪也不再增长而处于所谓充分成长状态。海洋学上把 处于这种状态的海浪叫做充分成长风浪。所以对于给定 的风速就有达到充分成长所需的临界风时和风区。例如， 当风速20米／秒，若风区469海里，则风吹24小时后波 高能成长到6.5米；而若风区仅为205海里，则风浪成长 12小时，波高达到5.3米后就停止增长。