“海浪原理与计算”课程设置研究

课程教学

Curriculum Teaching “海浪原理与计算"课程设置研究

于潭胡松魏永亮

（上海海洋大学海洋科学学院上海201306）

摘要作者对国内外主要涉海高校“海浪原理与计算”所使用进行教材及课程大纲进行了调研分析，发现大多学校都

对小振幅波和有限振幅波理论进行重点讲解.在此基础上，我们对上海海洋大学的“海浪原理与计算”课程进行了设

置.本研究方案可给国内外涉海高校“海浪原理与计算”的课程设置提供建议.

关键词海浪原理与计算课程设计调查研究

中图分类号:G424文献标识码：A D01:10.16400/ki.kjdkx.2019.03.041

Research on the Course Setting of"Principles and Computations of Waves"

YU Tan,HU Song,WEI Yongliang

(College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai201306)

Abstract The author investigates and analyses the textbooks and syllabuses of"Principles and Computations ofWaves"used

by major overseas and domestic universities,and finds that most schools focus on the theory of small and finite amplitude wa­ves.On this basis,we set up the course"Principles and Computing ofWaves"in Shanghai Ocean University.This research pro­gram can provide suggestions for the curriculum design of"Principles and Computations ofWaves"in domestic and foreign maritime universities.

Keywords Principles and Computations of Waves;course design;investigation and research

海浪是我们日常生活中一种常见的现象。居住在海边或在海边度假的人都会很熟悉海浪。“海浪原理与计算”课程中我们将学习海浪研究的发展史、描述海浪的方法、海浪的生成与成长机制、海浪模式和海浪的计算方法，讨论目前海浪研究中存在的问题及其对海-气相互作用的影响。

1国内外主要涉海高校“海浪原理与计算'所使用教材分析目前，“海浪原理与计算”已成为国内外很多涉海院校海洋学科的专业基础课程，但每个学校根据本校的教学宗旨和发展定位，对海洋学科学生的培养的计划各有迥异。下面以国内几个主要涉海院校“海浪原理与计算”所使用的教材来对比分析海洋科学专业所必须的海浪原理与计算情况。

中国海洋大学海洋环境学院物理海洋专业开设的《海浪》课程，教材选用的是文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》，这本教材主要有六章，第一章是液体表面波的基本方程及其普遍积分，主要介绍了流体动力学的基本方程、表面波问题的精确提法、线性波动的基本方程、浅水波动的基本方程、浅水波动的小参数展开法以及静压分布律的导出、二维无旋周期进行波的若干普遍积分性质等;第二章是线性波动理论，主要包括简单波动、简谐表面压强维持的简单波动、小振幅简单波动的合成、倾斜水底上波浪的传播、具有复杂水底地形水域上的波动传播一波的折射、波动绕射等;第三章是有限振幅波动，主要有斯多克斯波、摆线波、椭圆余弦波和孤立波等；第四章是作为随机过程的海浪：第五章风与海浪，主要包括气水界面附近的流场、风浪生成和成长的机制、风浪谱的成长和参数化、风浪的计算、涌的传播、风浪与涌的数值计算;第六章近岸的海浪，主要包括倾斜水底对海浪的影响、复杂地形对海浪的作用、海浪产生的近岸流和碎波拍。根据文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》的这本教材，中国海洋大学的“海浪原理与讣算”课程主要设置如下：

第一章海浪的统计性质：第一节概论、第二节风浪和涌浪、第三节海浪的随机性、第四节海浪谱、第五节波面的统计性质、第六节高的统计分布、第七节常用波高和周期定义。通过本章的讲述，使学生认识海浪的随机性和复杂性；海浪又分为风浪和涌浪两大类，海浪谱是现代海浪研究的有力工具，在线性理论下，波面和波高所遵从的统计分布。掌握海浪谱与常用波高和周期之间的关系，共占8学时。

第二章海浪的生成和成长:第一节风浪的生成机制、第二节风浪的成长、第三节风浪成长经验公式、第四节海浪谱的相似性、第五节风浪的平衡域。通过本章的讲述，使学生掌握和了解风浪生成的两种主要机制，影响风浪成长的因素；有限风区下的风浪成长关系、海浪谱的相似性；了解风浪平衡域的性质，共占10学时。

第三章海浪的计算与观测:第一节风浪能量平衡方程、第二节风浪源函数、第三节海浪模式与计算、第四节海浪的观测。通过本章的学习，了解现代海浪模型和计算方法，风浪源函数的参数化和存在的问题，以及现代海浪观测方法，共占8学时。

第四章近岸的海浪:第一节波速、波长及波高的变化、第二节破碎波高与破碎深度、第三节海浪的折射与绕射。通过本章的学习，了解海浪向近岸传播时由于地形变化而引起的海浪性质变化,水深引起的海浪破碎、离岸流和拍岸波等，共占6学时。

第五章海浪与海一气相互作用：第一节波浪破碎与海面

2019年/第9期/3力(T)91

课程教学Curriculum Teaching

附近湍流、第二节波浪对海■•气通量的影响。通过本章的学习，了解波浪及其破碎对大尺度海一气相互作用的贡献，认识到他们是控制海一气界面通量的重要因素，共占2学时。

厦门大学海洋与地球科学学院海洋学系的物理海洋专业的学科或专业方向性课必修课，他们课程的目的在于让学生通过学习掌握海浪研究的基本知识、方法、思想和进展，系统掌握海浪研究的基本方法,海浪调查与数据处理，培养学生处理一般有关海浪计算和解决波浪预报实际问题的能力。主要是从波浪的研究方法、研究意义、波浪研究的应用领域入手,介绍波浪要素、小振幅波和有限振幅波理论，了解波动振幅、水质点运动轨迹、质点运动速度、能量、辐射应力、水中波压、相位速度和群速度、风况、海况基础知识、波浪观测原理、海浪数据处理，海浪组成和海浪谱、有效波生成理论和谱分析理论。选用的教材主要是海浪原理与计算（自编讲义）和王树清《海洋工程波浪力学》中国海洋大学出版社。主要参考书是文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》。其中王树清的《海洋工程波浪力学》包含七章内容，期中第1章波动方程，包括流体力学基本方程（连续方程、运动方程、理想流体非定常无旋运动的拉格朗日积分）、波浪运动基本方程及定解条件（势波理论、基本方程与定解条件）；第2章线性波理论，包括常深度小振幅波理论（边界条件的简化、基本方程的解、线性波的特性、波面方程、弥散关系、水质点的速度和加速度、水质点的运动轨迹、波动压、波动能量）线性波的两种极限情况、波浪的叠加、平面斜向等；第3章非线性波浪理论，包括斯托克斯波浪理论、流函数波浪理论、椭圆余弦波、孤立波、波浪理论的适用性等;第4章波浪的传播与变形，包括波浪在深水中的弥散与传播、波浪的浅水效应、波浪的反射、波浪的绕射、波浪的破碎、复杂地形情况下的波浪传播与变形数值计算；第5章随机波浪理论，包括海浪的观测与描述、随机海浪的统计特征、随机波浪的谱特性、随机波浪的数值模拟、海浪的长期统计分布规律；第6章作用在小尺度结构物上的波浪力，包括海流中的圆柱体、作用在直立柱体上的波浪力、水动力系数、莫里森公式的修正、波流共同作用下的波浪力计算、随机波浪力的计算等；第7章作用在大尺度结构物上的波浪力，包括绕射理论、大直径直立圆柱体波浪力分析、任意形状三维结构物上的波浪力、大尺度水下潜体上的波浪力、固定物体上的二阶波浪力、作用在大型浮体上的波浪力。

University of California,San Diego,简称UCSD,加州大学圣地亚哥分校的Introduction to Ocean Waves（海浪简介）课程，所使用的是自编教材Introduction to Ocean Waves（海浪简介），主要分为10个章节：1Basic waves（基本波）、2Two waves（两个波）、3Many waves（群波）、4Waves generated by a distant storm（波浪的生成）、5Wave measurement and prediction（海浪的测量和预报）、6Shoaling waves（浅水波）、7Rogue waves and ship waves（轮船行驶生成的波（尾迹波））、8Hydrodynamics and linear theory（水波动力学和线性理论）、9The shallow-water equations.Tsunamis（浅水方程■海啸）、10Breakers,bores and longshore currents（海浪破碎和沿岸流）。

麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的Wave Motions in the Ocean and Atmosphere（海洋和大气中的波动）课程使用的是自编教材。主要内容有:1.Introduction-Kin­ematics:Frequency,Wavenumber,Phase,Phase Speed（简介:频率、波数、相位、相速度）包括Internal Gravity Waves（内重力波）＞Dispersion and the initial value problem（频散和初始值问题）、Group velocity-wave packets and inhomogeneities（群速度）、Energy,fields of motion,particle movements（能量、运动场和质点运动）；2.Surface Gravity Waves（表面重力波）；3.Rotation and Potential Vorticity-Small Scale（小尺度旋转和位涡）^.Lar­ge-Scale Hydrostatic Motions（大尺度运动）、place Tidal Equations and The Vertical Structure Equation（Laplace潮汐方程和垂向运动方程）＞6.EquatorialB-Plane and Equatorial Waves（赤道R平面和赤道波动）、7.Stratified Quasi-Geostrophic Motion and Instabilities（分层准地转运动和不稳定性）。

2上海海洋大学“海浪原理与计算”课程设置

综合国内几个主要涉海院校的“海浪原理与计算”课程设置，可以看出，线性和非线性波动理论是海浪理论的基础和重中之重，海浪的生产和成长也非常重要。鉴于上海海洋大学物理海洋学科属于初步发展阶段，并结合学生的数学物理理论基础，为在有限课时内，更有效地使学生理解数学理论方法的物理意义，掌握运用海浪原理与计算解决实际物理海洋问题的技能，特选用文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》作为“海浪原理与计算”课程的参考教材。内容立足于物理海洋现实问题，将海浪原理与计算结合实际问题进行介绍，能更有效地培养学生的逻辑思维能力和理论联系实际的能力。具体教学内容如下：

第一章概述：1.什么是波动、2.波动的要素、3.波浪是怎样产生的？ 4.波浪的分类、5.波的能量、6.海浪研究的历史。通过本章的讲述，使学生认识什么是波动？波动的要素有哪些？波浪是怎样产生的？波浪如何分类、波的能量、海浪研究的历史，共占2学时。

第二章线性和非线性波动理论：1•基本假设:①牛顿第二定律、②质量守恒一流体的连续性方程、③速度势和积分形式的运动方程、④伯努利定常积分定理、⑤非定常情形的运动方程的积分形式、⑥运动学边界条件、⑦动力学边界条件、⑧波动方程的近似求解;2.小振幅波动理论:①波动相速度、②波长的超越方程、③波列和群速度、④小振幅波动能量;3.有限振幅波动理论。通过本章的讲述，使学生掌握和了解线性和非线性波动理论的基本假设、小振幅波动理论和有限振幅波动理论，分别包括牛顿第二定律、质量守恒一流体的连续性方程、速度势和积分形式的运动方程、伯努利定常积分定理、非定常情形的运动方程的积分形式、运动学边界条件、动力学边界条件、波动方程的近似求解以及波动相速度、波长的超越方程、波列和群速度、小振幅波动能量和有限振幅波动理论等内容，共占12学时。

第三章海浪及其海浪谱：1•充分成长状态、2•海浪的波级、3•海浪的随机性、4.海浪谱、5.海浪谱估计、6.海浪谱的形式、7.海浪谱的超射现象。通过本章的讲述，使学生掌握和了解海浪及其海浪谱，包括海浪的充分成长状态、海浪的波级、海浪的随机性、海浪谱及其估计、海浪谱的形式及海浪谱的超射现象，共占6学时。

第四章海浪要素的统计分布：1.海浪波面的统计分布、2•海浪波高的概率分布、3.海浪的周期分布、（下转第173页）

922019年/第9期/3月（下

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