海洋波浪常规特征参数的定义和说明

第一部分波浪的相关知识

第二部分波浪的主要参数

第一部分波浪的相关知识

波浪测量入门：

本文介绍有关波浪的一些知识，通过本文，你会对波浪有一些了解，并对你要测量什么样的波浪以及如何去测量出这些波浪有一些相关的认识。本文可以作为PDF文旦下载，只需点击“相关内容”即可下载。

什么是波浪？

在所有的水体中，我们都能体验到波的存在。这些波浪波长范围很广，长波的有潮汐（有太阳和月亮之间的万有引力产生的），短波的是由微风吹过水面产生的。如果从波浪的能量分布来看，你会发现波浪能量主要分布在0.5秒到12小时之间的波浪范围。比较有意义的能量分布区域为频段在0.5至30秒范围的波浪区域，这些波浪通常都是风产生的（见图1）。这一波浪频段也正是波浪学家和海洋学家分析波浪时所关注的。如何精确地测绘波浪，也就是说如何使用正确的测量方法将这一频段的波浪描绘出来。

对于0.5 - 30秒的波浪，表明波浪是变化的，而且特征独特。波浪起始于当地季风产生的波高较小、周期较短的小波，随着风力的加大，风持续时间的延长，波浪就会越来越大。因此，位于一个特定海域的波浪状态是由当地海风产生的微波和远距离（可能是几百或几千公里外）以外的飓风产生的波浪的组合形成的。这对于我们测波的人来说，就需要明白，测量点的波浪情况通常是由不同幅度、不同周期、不同方向的波浪组成的集合。掌握这一点是精确测绘波浪的第一步。

我们如何测量波浪？

既然波浪是随机的，当我们测量波浪就需要在采样一段时间内，而且呢，这段采样时间最好能代表测量海区的完整的波浪状态。经验上，我们一般会设定预计所测量的最大的波周期的100倍的时间作为采样周期。例如，若我们预计测量海域的最长波周期为10秒，我们取1000秒作为采样周期。单纯时间序列的原始数据是没有太大实际意义的，我们需要将这些数据进行处理并得出相关的波浪特征值的参数，这些特征值能够广泛的精确地代表测量海域的波浪状态。最通常的波浪特征值包含，对应于时间序列的波高、周期、波向的单一数值。

图1 能量分布。影区代表0.5-30秒的风浪频段。通常测波浪的频段。

时间序列分析

最简单的估算波浪参数的方法是在一个测量点位上估算时间序列的海水表面的高度变化。一个比较经典的例子是在实验室中使用一个测波标杆测量波浪随时间繁衍的轨迹变化。通过时间序列分析结果，可以确定出波面相对于平均水位的上下位移变化。这样，单个的波当轨迹穿过平均水位时可以被确定下来，这就是所谓的跨零算法（见图2）。这个波就可以以周期（定义为跨越平均水位的时间）和波高（在定义为在两个跨零之间的波谷和波峰之间的距离）这两个特性描述出来。将很多个这种的波都分别以波高和周期的特性记录下来，就构成了一个波浪记录。

若把这些波的高度和周期都记录下来，用这些记录就可以计算出特征参数周期和波高。最有代表性的特征值是三分之一波高(H3)和平均周期(Tz)。三分之一波高(H3)波高的定义是所测量到的所有波高数据，取排在前面得1/3个，再做平均所得的波高值。平均周期的定义是所测量到的所有波浪的周期做平均，所得的周期数据。其他的特征值包含：最大波高（Hmax），就是所有测量到得波高数据中最大的。1/10波高（H1/10），取排在前面得1/10个波高数据，再做平均所得的波高值。这两个特征值通常用于近岸工程的设计和评估，只有使用能直接测量波面变化的测量设备才能获得，间接测量波面变化的测量设备得不出这两个特征值。

图2 波面的时间序列实例。在这里，跨零算法用于确定单个的波高和波周期

谱分析

上面有关时间序列分析的讨论看起来是一种比较合适的波浪测量手段，但它还是会受两个方面的限制。第一个是时间序列分析延续时间一般比较短，第二个是，对于很多测波设备，无法直接测量水面的位移变化，因此无法实现时间序列分析。通常这些设备测量的是与波浪相关的参数，例如压力、流速，再推算出波浪的时序谱（例如图3的波谱例子）。

对各种波浪测量来说，即使减少非直接测量仪器的安装数量，而波谱分析仍是主要的波浪数据处理方式。它提供多种波浪参数并支持有向波浪分析。这些从谱分析得到的波参数，包括峰值周期、峰值波向，和平均周期的特殊推算和有效波高，分别表示为T m02和H m0。

最完整的解决方案，既是一个时间序列分析,有是一个频谱分析，然而通常当今的大多数测量设备是不能同时实现的。

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图 3 时间序列的能量密度谱。这用于估算波高和周期。

界面波特性：

处于水面以下的波浪测量设备会以以下几种方式进行测量。间接测量波面方式主要是通过测量与波面相关联的水文参数实现，如压力和轨道流速。在我们继续讨论有关的原理前，我想先对波浪经过一个点位时所出现的现象作一些说明，这会有助于对这些不太熟悉的用户理解相关的原理。

图4 水面下流速轨迹的传播描述。注意流速轨迹也随水深变大而衰减。

当波浪传播到一个位置时，在水面以下的流速是独特的，由于波峰下的水流沿波浪传播方向受波浪的影响，波谷下的水流受波浪沿传播方向相反的影响，所以流向是变化的。这些在随着水深的变化形成循环的运动线路是圆形的轨迹，被称之为波浪的轨道流速。有关轨道流速的描述，一个比较重要的特性是它随着水深增加和波浪波长的减小而成指数次衰减。这意味着短周期波在深水域不会产生轨道流。

同样对于压力测量，都是随着水深增加和波浪波长的减小，而成指数次衰减。以下会讨论相关的测量技术，你会发现这一重要特征的影响和由此所造成的测量的局限性，在投放水深和测量波浪的波长方面。

对于动态压力的测量也是如此，由于对于轨道速度也是相同的依赖，这意味着它也会伴随深度越深和波长越短而测量的作用急剧衰减。在下面的测量技术讨论中，会看到这一点的重要性，它的测量局限于仪器投放的深度和波浪特征，才能保证（比如长波相对于短波）有效地测量。

以下的网址提供以上特性的动态图示，这是一个很有效的工具，用可自行设定波高，周期和水深，看相关的变化。

/faculty/rad/linearplot.html

Nortek波浪测量手段

Nortek生产的波浪仪测量时投放在水下，有效地回避了水面的船只碰撞、认为损坏、被盗等危险。可同时采集压力、流速、和声学波高数据（AST）用于波浪测量。以下分别描述不同的波浪测量方式及其相关的设备。另外插一句，这些测量方式对水下波浪测量仪器的发展都起到了一定的推动作用。Nortek 经历十多年的研究和发展所生产的水下波浪仪，已经完善地将测波范围拓宽至0.5至30秒的最佳测量波段了。

PUV法

PUV法可能是最早用于水下波浪仪测量有向和无向波的方法，最早可追述至20世纪70年代，由于这种方法对测量仪器和数据处理的方式要求不高，所以目前依然仍在使用。

其实，它的名字本身就对他的定义做了很好的说明：P是指压力，UV代表横向轴向的两维轨道流速压力测量可提供所有无向无向波浪参数的平均估算，结合PUV参数，就可做有向波浪的参数估算。PUV 这三个参数的测量点位都是在一起的投放点位完成的，而且都是测量的同一点位，也被称为三要素测量。

针对PUV法测波仪，Nortek提供三种测量仪器，它们是威龙（ Vector）,小阔龙（ Aquadopp Current Meter）和阔龙（ Aquadopp Current Profiler）。

对于PUV法测波最重要的事是： (a)投放水深要浅(小于 10-15 meters)。 (b) 测量的波是长波(大约是4秒以上)。后边的这一条尤为重要，对于那些想要测量完整波浪波段的用户，一定要注意，使用PUV法是测不出来短波的。在本文开始时就说过，精确地波浪测量要测量完整的风浪波段（0.5-30秒），若不能完整的测量这一个波段，可能会造成波高估算不足或丢失波谱的峰值点。唯一的解决办法就是缩减投放测量点的水深。（例如选择3米水深的投放点）。