海浪

深水波：水深 d>L/2 水质点的运动轨迹为圆，轨迹半径、运动速度随深度增 大迅速减小。 浅水波：d<L/20 水质点的运动轨迹为椭圆，随深度的增加椭圆长轴几 乎不变，而短轴迅速减小 半深水波：L/2>d>L/20
三、影响风浪特征的因素

风速 ：随风速的增加，波长L、周期T、波高H均增加。



波浪概况 波浪运动的基本性质 几种典型波浪 波浪的生活史
波浪的生活史－风区内

波浪的产生及成长：随风速及风时的增加，
H,L & C逐渐增加，直至达到充分成长状态。

波浪的相互作用：

波浪间相互叠加; 形成滔天巨浪。 波浪间相互抵消。

实际波浪：混乱，不规则。
Constructive wave interference
水质点的运动轨迹：
一系列垂直方向上的圆周型轨迹。 波浪越大，轨迹粒径越大； 1st轨迹的直径 ＝ 波高； 轨迹的直径随深度的增加而减小
水质点在波峰处具正的最大水平速度，在波谷处具负的最 大水平速度，垂直速度分量为零。 处在平均水面上的水质点，水平速度分量为零。垂直速度 最大。波峰前部为正，波峰后部为负。
Shallow-water in profile
浅水波的生活史 (3)
2.
波浪的折射Wave refraction ：波峰线与等 深线趋于一致；波峰线上 不同部分流速随水深发生 变化，波峰发生弯曲。 波浪射线Wave rays (wave orthogonal) – 指示 波浪能对海岸线的作用。

深水波 Deep water wave：水深相对波长很大， 又叫短波。h/L > 1/2

半深水波 Intermediate water wave：

浅水波 Shallow water wave： 水深相对波长很小，
又叫长波。h/L < 1/20
三、波浪的分类 4

根据波形传播性质分为：

前进波 Progressive wave：波形不断向前传播。 驻波 Standing wave：波形不向前传播,只是波峰和 波谷在固定位置不断地升降交替着的波形。

二、波浪要素 1
波峰（Wave 波谷（Wave 波高（Wave
crest）：波面最高点。 trough）：波面最低点。 height, H）：波峰、波谷间的垂直距离。 L）：相邻两波峰间的水平距离。
波长（Wavelength, 周期（Wave
period, T）：相邻两波峰通过某固定点所经 c = L/T。

浅水波的生活史 (4)
3.
波浪的破碎/消亡 – 波峰相 对波谷运动更快 (摩擦延迟) → 波浪破碎 波陡度 Wave steepness (WS) = H/L 水深D减小：波高H增加， 波长L减小 → WS增加. WS>1/7 (临界波陡度) →波 浪破碎
Shallow-water in profile

风时 ：风持续作用于海面上的时间。风时越长，将有
越多的风能传递给海水。

风区: 风作用海域的范围，将能量传递给海水。风区越 大，单位时间内将有越多的能量传递给海水。

起始海区状态 ： 新、旧波浪间会产生相互作用。通过 波浪间的相互作用，波动产生叠加或消减。



波浪概况 波浪运动的基本性质 几种典型波浪 波浪的生活史
涌浪形成近岸浪的情形
二、决定因素(determinants)
“风大浪高”“无风不起浪”
1、风速(windspeed)：风力大小；
2、风时(windduration)：状态相同的风持续作用在海 面上的时间； 3、风区(fetch)：状态相同的风作用的海域的范围。
三、风浪成长状态(phases of wind wave)

判别风浪的状态： 风时>最小风时，风浪是过渡态，反之定常态； 风区>最小风区，风浪是定常态，反之是过渡态。 充分成长： 波浪在成长过程达到一定尺度后，摄取与消耗 能量达到平衡时，波浪不再增大。
世界上最大的风浪常发生在南半球的西风带海区，那里三 大洋连成一片，海区辽阔，具备了形成大风浪的条件。
一、风浪(windwave)、涌浪(swell)、近岸浪

海浪包括风浪、涌浪和近岸浪三种。
风浪：在风的直接作用下产生的水面波动，即， 当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波 动状态。 特征：风浪中同时出现许多高低长短不等的 波，波面较陡，在海面上分布很不规律，当风大 时，常常出现破碎现象，形成浪花。即，波峰附 近有浪花或大片泡沫。波面粗糙，波峰线也短。


Types of breaker
溢出型碎波
波浪前端上部“溢出”; 持续破碎; 能量逐渐释放
卷浪型碎波
整个波浪前部抬升、卷曲并破碎; 能量在瞬间完全释放
汹涌型碎波
波浪不发生破碎，沿着倾斜面上下波动；能量向海释放
碎波带
其它类型的前进波 – I 内波

内波Internal wave – 发 生在海水密度层结稳定 （密度跃层， pycnocline） 的海洋中的一种波动，最 大振幅出现在海面以下； 波速小于表面波。
根据发生的动力机制分为： 开尔文波(Kelvinwave):是发生在大气或海洋中的，迎向 地形边界（例如海岸线）平衡科氏力的波动现象。 罗斯贝波(Rossbywave):由于地转参数f=2Ωsinθ随纬度φ 的变化而产生大尺度波长(行星级)及大振幅的大气波动； 或是由于地转参数随着纬度的变化而产生的大尺度大气波 动。

按受力情况分为：

自由波 Free wave：波形形成后不再受力,自由移动。 强迫波 Forced wave：波形形成后仍有力持续作用。
四、波浪的分类 4

根据发生的位置分为： 表面波(surfacewave) 内波(internalwave) 边缘波(marginalwave)


波浪概况 波浪运动的基本性质 几种典型波浪 波浪的生活史
一、波浪运动的形式
Progressive wave

进行波：波形会向外传播 (e.g., 风浪). 驻波：波形不向外传播，但是 会在某一节点上上下运动.


进行波 Progressive wave

波节 ：不产生运动的 点，无垂直位移. 波腹 ：具有最大垂直 位移的点
第六章 海洋中的 波 动现象－海浪


波浪概况 波浪运动的基本性质 几种典型波浪 波浪的生活史
一、海浪定义

海洋波动是海水重要的运动形式之一。从海面到海洋内 部，处处都存在着波动。“海上无风三尺浪”， “风大浪 高”。
海浪是海水的波动现象。 通常所指的海浪，是指海洋中由风产生的波浪。包括 风浪、涌浪和近岸波。 广义上的海浪，还包括天体引力、海底地震、火山爆 发、塌陷滑坡、大气压力变化和海水密度分布不均等 外力和内力作用下，形成的海啸、风暴潮和海洋内波 等。它们都会引起海水的巨大波动。

一、风浪(windwave)、涌浪(swell)、近岸浪

涌浪：海面上由其他海区传来的或当地风力减小、 平息或风向改变后海面上遗留下的波动。 特征：波面比较平坦，光滑，周期和波长都比 较大，在海上的传播比较规则，波峰线长。

近岸浪：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。
驻波 Standing wave
二、波形传播与水质点的运动

海浪：海洋中水质点作周期性震动的水内传播现象。 水深>波长时，局部海域收到外力的扰动，会使水 质点脱离静止时 的位置，但在重力或表面张力作 用下，水质点又力图恢复到平衡位置，从而引起水 质点振动。这种振动是以各水质点的平衡位置为中 心，作近似匀速圆周运动。



定常态：某点的风浪尺度达到理论上的最大值； 过渡态：某点风浪未达理论最大，随时间的推移， 还可继续增长； 最小风时：对应风区内某点，风浪达到定常状态 所用的时间。 最小风区：实际风时一定，对应某一风区内的波 浪达到定常态，此一风区长度称为最小风区。
三、风浪成长状态(phasesofwindwave)


碎波带 Surf zone –海岸线与波浪开始破碎间的沿岸区域; 大量能量在此释放 涌升带 Swash zone – 波浪破碎后海水上下冲刷海岸表面的 区域

浅水波的生活史 (5)
三种类型的碎波：

溢出型碎波Spilling breaker – 海底略倾斜; 波浪前端上部 “溢出”; 持续破碎; 能量逐 渐释放。 卷浪型碎波 Plunging breaker – 海底陡峭; 整个波 浪前部抬升、卷曲并破碎; 能 量在瞬间完全释放。 汹涌型碎波 Surging breaker – 海底非常陡峭; 波浪不发生 破碎，沿着倾斜面上下波动； 能量向海释放。
涌浪一般具有巨大的能量，当它传到浅水区域时便形成近 岸浪。近岸浪受海底地形影响，发生变形效应。波浪底部 因受海底摩擦停滞不前，而波浪顶部却以原來的速度前进， 这样就使波長越來越短，波高越來越大，最後发生波峰倒 卷和波浪破碎的現象。粉碎的波浪一次又一次地湧上海岸， 如果海岸是断崖的話，便會造成惊涛拍岸，捲起千堆雪的 景象。
周期 <0.1 s 1-10 s 10-30 s 10 m – 10 h 10-60 m 12.4-24.8 h min-h
波长 <2 cm 1-10 m up to 102-s m up to 102-s m up to 102-s m 103-s m up to 102-s m
三、波浪的分类 2

按成因分：

风浪：在风直接作用下水面出现的波动。


潮汐波：在月球、太阳引潮力作用下产生的波浪。
海啸：因气象、地震等原因形成的巨大波动。 气压波：相邻海区气压不同，或某一海区气压发生急 剧变化而产生的波动。

内波：海洋中密度相差较大的水层处形成的波动。
三、波浪的分类 3

根据与海底相互作用程度大小分为：
历的时间。
波形传播的速度
二、波浪要素 2

振幅：波高的一半， 为水质点离开平衡位置的向上的最 大垂直位移。a = H/2。


波陡：波高与波长之比。δ= H/L
波向线：与波峰垂直,指向波浪传播方向的线。

波峰线：与波向线正交，并通过波峰的线。
三、波浪的分类 1

根据波动的周期分为： 波浪种类 毛细波 Capillary wave 碎浪 Chop 涌浪 Swell 荡漾 Seiche 海啸 Tsunami 潮汐 Tide 内波 Internal wave


水质点运动轨迹是一个圆，每个水质点运动相对于前一个水 质点位相稍迟一些，但移动相同距离。 水质点处于自身轨道不同位置，则形成波形； 具有一定相位差的水质点，相继作周期性的圆周运动才导致 波形传播。


由此可以看出：波浪，只是波形在传播，而水质点只是以 平衡位置为中心，作匀速的圆周运动。水质点转动一周的 时间是波浪的周期，即两相邻的波峰（或波谷）经过同一 点所需要的时间。
Destructive wave interference
Complex wave interference
深水波的生活史－风区外

在风区外的深水区－不产生新
的波浪；波浪个体的性质不发
生变化。

波浪弥散 ：根据波速C，原本叠 加在一起的波浪分散开来。C随 L及T的增大而增大； 导致结果：规则涌浪(具有规则 上、下、前后运动的海浪)
Deep-water wave transformations
浅水波的生活史 (1)
波浪与海底相互作用－改变波 浪的运动轨迹：

深水波：水深 d>L/2，不发 生相互作用，C = gT/2； 浅水波：d<L/20，波浪性质 受水深影响;
百度文库

半深水波：L/2>d>L/20
浅水波的生活史 (2)
1. 波浪的变形Wave transformation ： 波浪性质发生改变；当水深d相对于波长L减小时：波 速C减小 波浪前端的C < 波浪后端的C 波浪翻卷; 波长L减小 + 波高H增加 波面变形，破碎。
一、海浪定义

海浪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，水质点的振动能形成动能，海浪起 伏能产生势能，这两种能的累计数量是惊人的。 在全球海洋中，仅风浪和涌浪的总能量相当于到 达地球外侧太阳能量的一半。海浪的能量沿着海 浪传播的方向滚滚向前。因而，海浪实际上又是 能量的波形传播。海浪波动周期从零点几秒到数 小时以上，波高从几毫米到几十米，波长从几毫 米到数千千米。