波浪有效波浪高度说明
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有效波浪高度
美国国家海洋和大气局(NOAA)气象观测(NWS)的海洋天气预报包含有主要风速与风向及有效波高信息。这里的“有效波高”并不像风信息那样为大家熟知。任何使用海洋天气预报的人需要对有效波高有一个清楚的认识。这里首先回顾一下基本的海洋波浪类型。
波浪构成:波浪是由风作用在海面上形成的。浪高由下列三个因素构成:风速、风区长度、风时。风区长度是状态相同的风作用海域的范围。高风速长时间作用在很长的范围内将造成最大的波浪。由当地的风造成的波浪称为风浪。风浪一般波峰线短,周期小,在风速近似15节时出现破碎现象。
风浪示意图
在开阔海域,波浪形式变得更加复杂。波浪仍然是由当地的风形成的,但一旦形成后,海浪将传播几千海里的距离。波浪在传播处其生成区域后,不再是当地风的作用,这时被称作涌浪。与风浪相比较,涌浪有更大的波长及更平滑的波峰。随着时间的推移,涌浪将传播很长的距离,与其它很远处风暴形成的浪相交汇,并向不同的方向传播,最后在海岸线处消亡。因此,海洋表面包含有上千种相互作用的,在不同位置产生,并以不同速度向不同方向运动的浪。这也就是所说的“波浪谱”:不同浪高、频率及运动方向的波浪的结合体。
波浪度量:波浪的特性取决于三个参量:浪高、浪长、浪周期(或频率)。第四个波浪参量是波陡。浪高是波浪的波谷到波峰的距离。浪长是连续波峰或波谷之间的距离。波周期是连续的波峰或波谷通过某一固定位置所花费的时间。与涌浪相比较,风浪有更小的浪高及更小的波浪周期。
波浪参数图示
波陡是波高与波长的比。波陡可以从浮标测量的波高与周期推导得出。当风浪高度与周期值接近时(例如:六英尺,六秒)波陡将非常剧烈。当波陡非常剧烈时,小船将有可能翻覆。当波浪从其发源地向远处传播时,其波长与周期都逐渐增大。因此,大于10或12秒的
长周期波浪是从远处传播来的涌浪。
有效波高:波浪谱是一个非常复杂的流现象。该谱是由波浪叠加构成的。海员必须清楚的知道该波浪高度谱在海洋气象预报中的表达方式。NOAA预报的及船只、浮标报告的波浪高度值都被称为有效波高。有效波高(Hs)波浪谱中三分之一最大波高的平均高度。这与有经验的观测者观察到的波高非常相似。
这里最大三分之一波高是什么意思?
起伏的海洋表面是由上千个互相影响,发源于不同位置,并以不同速度向不同方向传播的波浪构成的。假设人可以记录在波浪谱中的所有波浪,并在坐标中绘出其分布情况,不同波高的波浪将以
“近似钟型曲线”
分布。图中的每个
点都代表一个波
浪的高度。图中显
示,在波浪分布
中,小波浪及大浪
的数量都较少;在
波浪谱中绝大部
分浪都在中间部分。在波谱中的最大三分之一(33.3%)波浪在图中以阴影部分表示。在该阴影中的波浪高度的均值是有效波浪高度,Hs。
这里波高的参数还有平均波浪高度(H),最大可能波浪高度(Hm),最大10%波浪高度(H1/10)。平均波浪高度大约为有效波浪高度的2/3(0.64或64%),H1/10是有效波浪高度的1.27倍。另外,最大1%波浪高度是有效波浪高度的1.67%,理论最大波浪高度(Hmax),大约为两倍的有效波浪高度。该值在涌浪较小的内部海湾处可能会较窄。
示例:沿岸或近岸的水域报告中的海洋气象预报为“SEAS 10 FT”,这里包含有以下的信息:
•Hs = 10ft
•H(平均) = 0.64倍的Hs = 6.4 ft
•H(最大可能)(稍小于H平均)= 6 ft
•H1/10(10%最大波浪) = 1.27倍的Hs = 12.7 ft
•H1/100(1%最大波浪) = 1.67倍的Hs = 16.7 ft
Hmax(在波浪预警中的最大浪高) = 近似于两倍的Hs = 20 ft
因此,当预报在开阔水域为10英尺的浪时,海员将遇到大部分为6至10英尺的浪,小部分浪达到16英尺甚至有可能有20英尺的浪存在。在2005年3月10日,阿拉斯基海湾风暴中,浮标观测到的浪高在北湾为47英尺。这里有效波浪高度为47英尺,最大10%浪高为60英尺。在波浪谱中的最大浪高将达到94英尺。
有经验的海员知道自己船只的抗风浪能力。海洋气象预报提供了风速(速度及方向)信息机波浪高度信息。波浪高度值,包含预测的与观测的,都指的是有效波浪高度。这里的Hs将不仅是一个值,而是代表一个波浪范围。在开阔海域中波浪谱中将存在有效波高的60%至200%的波浪。海员不应只关注预报的有效波浪高度信息,需要有波浪谱的观念,熟知有效波浪高度的定义,可以确定海区中的波浪状况。