第6章海洋中的波动现象.ppt

第六章第六章 海洋中的波动现象海洋中的波动现象引引 言言n海洋波动是海水运动的重要形式之一海洋波动是海水运动的重要形式之一 从海面到海洋内部，无处不在，从海面到海洋内部，无处不在，表面波、天文潮波、海啸、海洋内波等表面波、天文潮波、海啸、海洋内波等波动的主要特点波动的主要特点：在外力的作用下，水质点离：在外力的作用下，水质点离开其平衡位置，作周期性和准周期开其平衡位置，作周期性和准周期性运动。性运动。波动的主要特征波动的主要特征：运动随时间与空间的周期：运动随时间与空间的周期性变化。性变化。研究方法研究方法：近似地把实际的海洋波动看作是：近似地把实际的海洋波动看作是简单波动（正弦波）或简单波动的简单波动（正弦波）或简单波动的叠加。叠加。n 灾害性海浪灾害性海浪 灾害性海浪是指海上波高达灾害性海浪是指海上波高达6 6米以上的海浪。其实波高在米以上的海浪。其实波高在4-54-5米米以上的海浪就会造成恶性海难。以上的海浪就会造成恶性海难。航海：世界海难事故航海：世界海难事故60%60%80%80%由大风巨浪造成的由大风巨浪造成的 海上作业：海上作业：1955195519891989年间，年间，5050多座海洋石油钻井平台翻沉多座海洋石油钻井平台翻沉 军事活动、港口码头和各类建筑物等带来巨大威胁和灾害。军事活动、港口码头和各类建筑物等带来巨大威胁和灾害。“桑美桑美”台风在南麂岛引起的狂涛巨浪台风在南麂岛引起的狂涛巨浪东海东海18号浮标记录到的号浮标记录到的“桑美桑美”台风浪过程（台风浪过程（2006年年8月月8日日10）及其造成福建沙埕港重大损失）及其造成福建沙埕港重大损失 温岭市石塘镇沿海海温岭市石塘镇沿海海浪高达十几米，巨浪浪高达十几米，巨浪扑打大桥扑打大桥 新能源的海浪新能源的海浪-海浪动能转换成电能海浪动能转换成电能 1964年，日本研制成了世界上第一个海浪发电装置年，日本研制成了世界上第一个海浪发电装置航标灯（电能只航标灯（电能只有有60瓦），开创了人类利用海浪电能的新纪元。瓦），开创了人类利用海浪电能的新纪元。1985年，挪威在托夫特斯塔林建造了年，挪威在托夫特斯塔林建造了500千瓦的海浪电站。千瓦的海浪电站。1992年，英国建成了一座发电能力为年，英国建成了一座发电能力为75千瓦的海浪发电站。千瓦的海浪发电站。联合国在联合国在1992年把海浪发电列在开发海洋可再生能源的首位年把海浪发电列在开发海洋可再生能源的首位 2008年，葡萄牙投入运转的年，葡萄牙投入运转的“海蛇海蛇”海浪发电厂是世界上第一个商业海浪发电厂是世界上第一个商业海浪发电厂。发电机是海浪发电厂。发电机是150米长的钢铰接结构，通过弯曲移动带动水轮米长的钢铰接结构，通过弯曲移动带动水轮发电机发电，发电量为发电机发电，发电量为750千瓦。千瓦。“海蛇海蛇”海浪发电厂海浪发电厂n第一节 概述n第二节 小振幅重力波n第三节 有限振幅波n第四节 海洋内波n第五节 开尔文波与罗斯贝波n第六节 风浪和涌浪nA wave can be described as a disturbance that travels through a medium from one location to another location.n以可辨认的传播速度从介质的一部分向另一部分转移的以可辨认的传播速度从介质的一部分向另一部分转移的任何任何可辨识的讯号可辨识的讯号。n波动可看作是是波动可看作是是能量能量的传播。的传播。n区别：物质（粒子）的传输区别：物质（粒子）的传输n 振动振动一、什么是波动一、什么是波动?第一节 概述共同点：是信号（能量）的共同点：是信号（能量）的传播传播而不是物质的而不是物质的传播传播海洋波动基本概念海洋波动基本概念n波动要素：用来描述海洋波动基本特征波动要素：用来描述海洋波动基本特征波峰（波峰（Crest）；波谷）；波谷（Trough）波高（波高（Wave Height）：）：H2a（a为振幅）为振幅）波长（波长（wavelength）:L周期（周期（wave period）:T波速（波速（wave speed）:CL/T频率（频率（frequency）:f=1/T角频率（角频率（Circular frequency）:=2pi/T波数波数（wave number）:k=2PI/Ln海洋中的波动：海洋中的波动：n以海水为介质。以海水为介质。n水质点离开平衡位置作周期性或准周期性水质点离开平衡位置作周期性或准周期性运动运动n运动形态（机械能）的传播运动形态（机械能）的传播二、波动尺度二、波动尺度毛细波毛细波风风 浪浪 涌涌 浪浪长周期波长周期波潮波潮波周期：周期：130s 30s5min 5min数数h 1224h名称：名称：长周期重力波长周期重力波 长周期波长周期波 潮波潮波产生原因：风产生原因：风 风暴系统风暴系统 地震、风暴地震、风暴 日月引潮力日月引潮力恢复力：恢复力：科氏力、重力科氏力、重力存在形式：存在形式：长涌、先行涌长涌、先行涌海洋中的波动海洋中的波动按周期长短分类按周期长短分类：三、波浪类型三、波浪类型n波浪类型波浪类型n按成因分：风浪、涌浪、地震波按成因分：风浪、涌浪、地震波n相对水深：深水波、浅水波相对水深：深水波、浅水波n波形传播：前进波、驻波波形传播：前进波、驻波n发生位置：表面波、内波、边缘波发生位置：表面波、内波、边缘波n动力机制：开尔文波、罗斯贝波动力机制：开尔文波、罗斯贝波第二节 小振幅重力波n什么叫小振幅重力波什么叫小振幅重力波（what）正弦波；简单波动正弦波；简单波动 小振幅；重力小振幅；重力n小振幅重力波小振幅重力波（正弦波）：指波动振幅相对波长为（正弦波）：指波动振幅相对波长为无限小，重力是其唯一外力的简单波动。无限小，重力是其唯一外力的简单波动。n理论上的解决方法理论上的解决方法：根据流体力学的连续方程、运：根据流体力学的连续方程、运动方程和边界条件，在假定流体动方程和边界条件，在假定流体无粘滞性无粘滞性，运动是，运动是无旋无旋的，波面上的的，波面上的压力为常数压力为常数的条件下求解。的条件下求解。一个简单波动的剖面可以用一条正弦曲线加以描述。一个简单波动的剖面可以用一条正弦曲线加以描述。l 波峰波峰l 波谷波谷l 波长波长l 周期周期T Tl 波速波速C CT Tl 波高波高H Hl 振幅振幅a aH H2 2l 波陡波陡H H l 波峰线波峰线l 波向线波向线波浪要素波浪要素一、波形传播与水质点的运动一、波形传播与水质点的运动n1.波剖面方程：波剖面方程：n 波数波数;角频率角频率;n频散关系：频散关系：相速为相速为：（63）对于深水波（对于深水波（h/h/0.50.5）而言而言，水质点在x轴和y轴方向的速度分别为：分析式（分析式（63）：）：水质点在水平方向和铅直方向的速度分量都是周期变化的。并随深度-z的增加而呈指数减小。自由表面（自由表面（z=0z=0）上，水质点的速度分量为：上，水质点的速度分量为：小振幅重力波的运动速度分量为：小振幅重力波的运动速度分量为：对以上两式积分，两边平方相加，消去t得：对上式进行讨论：对上式进行讨论：1.水质点的运动轨迹为圆2.圆半径为：aexp(kz0)3.轨迹半径随深度的增大而迅速减小如：自由表面上，如：自由表面上，z=0，半径半径=振幅振幅=a z=-，半径半径=a/535，此时半径可忽略。此时半径可忽略。u1/2）DEEP OCEANSHALLOW WATERS浅水海浪的轨迹：椭圆浅水海浪的轨迹：椭圆Intermediate depth 注意：注意：无论深水波还是浅水波，尽管它们的水质无论深水波还是浅水波，尽管它们的水质点运动轨迹不同，但随水深的增大，波长是不变的。点运动轨迹不同，但随水深的增大，波长是不变的。即：自由水面的波长与随水深增大至波动消失处的波即：自由水面的波长与随水深增大至波动消失处的波长相等。长相等。深水波深水波（h/2)h/2)：无论水质点的运动速度还是轨迹半径都随深：无论水质点的运动速度还是轨迹半径都随深度的增大而呈指数减小。当水深度的增大而呈指数减小。当水深h h时，波动几乎消失。时，波动几乎消失。浅水波浅水波（hh2020）：水质点的运动轨迹为椭圆。）：水质点的运动轨迹为椭圆。随深度的增加，椭圆的长轴几乎不变，而短轴迅速减小，近海底随深度的增加，椭圆的长轴几乎不变，而短轴迅速减小，近海底处几乎只在水平方向作周期性往复运动。处几乎只在水平方向作周期性往复运动。n1 1、势能：、势能：n单位截面铅直水柱内的势能：单位截面铅直水柱内的势能：n沿波峰线单位宽度一个波长内的势能：沿波峰线单位宽度一个波长内的势能：二、波动能量二、波动能量n2 2、动能：、动能：n波波峰峰线线方方向向单单位位宽宽度度，自自表表至至波波动动消消失失，一一个个波波长长所具有的动能。所具有的动能。n3 3、总能量：、总能量：l表面波的概念：表面波的概念：(小振幅重力波、小振幅重力波、有限振幅波，均为表有限振幅波，均为表面波）面波）l波动能量的传播：波动能量的传播：PEC2上式上式说明说明：波动的总：波动的总能量以半波速向前传能量以半波速向前传递。递。三、正弦波的叠加三、正弦波的叠加（一）（一）驻波驻波 设有两列振幅、周期、波长相等，但传播方向相反的正弦波。设有两列振幅、周期、波长相等，但传播方向相反的正弦波。两波叠加后，两波叠加后，取以下几个取以下几个特定时刻的特定时刻的波面进行讨波面进行讨论：论：l 结论结论：1.随时间变化，在随时间变化，在x=+(2n+1)/4(n=0,1,2)处，波面具处，波面具有最大的铅直升降，其值为有最大的铅直升降，其值为2a，即：合成前振幅的即：合成前振幅的2倍，这些倍，这些点称为波腹。点称为波腹。2.在在x+n/2(n=0,1,2)处，波面始终无升降，这些处，波面始终无升降，这些点称为波节。点称为波节。3.随时间变化，波节两侧的波面一侧上升，另一侧下降，随时间变化，波节两侧的波面一侧上升，另一侧下降，在在t=+(2n+1)T/4(n=0,1,2)时，波面时，波面恒等于零；波面水平。恒等于零；波面水平。驻波的概念驻波的概念l波节处只有水质点的水平速度分量波节处只有水质点的水平速度分量u u，其方其方向指向波面上升的一侧。向指向波面上升的一侧。l波腹处只有水质点的铅直运动分量波腹处只有水质点的铅直运动分量w w，与波与波面升降方向相同。面升降方向相同。l波面上其它各点两种速度分量均存在。波面上其它各点两种速度分量均存在。l当波面上各点当波面上各点 达正负最大值时，达正负最大值时，u=w=0u=w=0。0 0时，时，u,w u,w 达最大值。达最大值。驻波的特点：驻波的特点：（二）波群（二）波群 设设两列振幅相等，波长与周期相近，传两列振幅相等，波长与周期相近，传播方向相同的正弦波叠加，其剖面方程为：播方向相同的正弦波叠加，其剖面方程为：其中：其中：振幅：振幅：波速波速:结论：结论：n1）其传播速度与合成前简单波动速度相似。）其传播速度与合成前简单波动速度相似。n2）其振幅）其振幅A为为x和和t的函数，在的函数，在0，2a之之间不断进行周期性变化。其变化速度和变化周间不断进行周期性变化。其变化速度和变化周期分别为：期分别为：把频散关系式深水波：深水波：浅水波：浅水波：所以，所以，结论：结论：深水波的群速为波速的深水波的群速为波速的一半，浅水波的群速与波速相一半，浅水波的群速与波速相等。群速也可视为波动能量的等。群速也可视为波动能量的传递速度。传递速度。小振幅重力波理论波动小振幅重力波理论波动小结n波剖面方程：波剖面方程：n波速表达式：波速表达式：n水质点运动轨迹：水质点运动轨迹：n水质点在不同位置处的速度：水质点在不同位置处的速度：n水质点运动速度水质点运动速度及轨迹半径随深度指数衰减及轨迹半径随深度指数衰减n动能动能=势能；总能量表达式势能；总能量表达式波动叠加波动叠加n驻波：驻波：两列振幅、周期、波长相等，两列振幅、周期、波长相等，传播方向相反的正弦波叠加。传播方向相反的正弦波叠加。n波群：波群：两列振幅、周期、波长相近，两列振幅、周期、波长相近，传播方向相同的正弦波叠加。传播方向相同的正弦波叠加。第三节第三节 有限振幅波动有限振幅波动n相对于小振幅波而言，有限振幅波有较大振幅。相对于小振幅波而言，有限振幅波有较大振幅。与实际海浪的形状更接近。与实际海浪的形状更接近。StokesStokes波（斯托克波（斯托克斯波）斯波），摆线波、孤立波等。，摆线波、孤立波等。n本节为与小振幅波进行比较，只介绍了斯托克本节为与小振幅波进行比较，只介绍了斯托克斯波理论的一些主要结论，不作进一步论证。斯波理论的一些主要结论，不作进一步论证。n有限振幅波相对小振幅波而言具有较大振幅。有限振幅波相对小振幅波而言具有较大振幅。l由上式可知：有限振幅波的波速略大于小振幅波波速。由上式可知：有限振幅波的波速略大于小振幅波波速。当波陡很小时，上式可变为：当波陡很小时，上式可变为：C2=g/2为小振幅波的波动为小振幅波的波动形式。形式。波速的近似公式为：6.3.2 波速与波高波速与波高有限振幅波的波速与波长和波高有关，当波陡（波高与波长之比）越大，波速越大。6.3.1 斯托克斯波的波剖面斯托克斯波的波剖面该波剖面不是简谐曲线，它对于横轴上下不是对称的，水质点的振动中心高于平均水面ka2/2。6.3.3 水质点的运动轨迹水质点的运动轨迹l 水质点的运动轨迹与小振幅波动中的运动轨迹相似，接近为圆，但在一个周期内不是封闭的。存在一个向前的净位移解释波浪传播方向上导致的海水运输现象波流波流(Z0=0)l跨过单位波峰线宽度，自表层至波动消失处，单位时间内，波流运输的海水体积为：其水平方向和铅直方向上的位移变化分别为：l斯托克斯波的动能动能大于势能势能。l铅直方向上波动的动能大于水平方向上波动的动能。6.3.5 波动的振幅与波高波动的振幅与波高l当波陡超过一定限度值时，波面将破碎。理论上，当大于和等于 17时，波面破碎；实际观测发现，当大于110时，波峰就会破碎。与此前所学小振幅重力波的动能和势能作比较6.3.4 波动的能量波动的能量第四节第四节 海洋内波海洋内波“魔鬼海岸魔鬼海岸”探秘：惊人的破坏力源自哪里探秘：惊人的破坏力源自哪里？n挪威的挪威的“魔鬼海岸魔鬼海岸”才是世界上独具魅力的景观。其魅力在于峡湾里潋滟的才是世界上独具魅力的景观。其魅力在于峡湾里潋滟的波光下暗藏着无尽玄机、佛罗埃岛和罗弗敦岛之间惊天动地的大旋涡以及至波光下暗藏着无尽玄机、佛罗埃岛和罗弗敦岛之间惊天动地的大旋涡以及至今还在流传着的北欧海盗洗劫整个欧洲的故事。今还在流传着的北欧海盗洗劫整个欧洲的故事。n挪威海岸多峡湾、多曲折、多峭壁，风光独特旖旎。但就在这迷人的波光下挪威海岸多峡湾、多曲折、多峭壁，风光独特旖旎。但就在这迷人的波光下面暗藏着无尽的玄机。面暗藏着无尽的玄机。1893年年6月，挪威探险家南森率领月，挪威探险家南森率领“福雷姆福雷姆”号大帆船去北极探险。离号大帆船去北极探险。离开奥斯陆的航程开始时一帆风顺。几天后进入巴伦支海时，大帆船却突然走开奥斯陆的航程开始时一帆风顺。几天后进入巴伦支海时，大帆船却突然走不动了。此时，大西洋的季风依然徐徐地吹着，海面波光涟涟，帆船却像被不动了。此时，大西洋的季风依然徐徐地吹着，海面波光涟涟，帆船却像被“黏黏”在海水里，一动也不动。在海水里，一动也不动。“魔鬼魔鬼!海怪海怪!”一个老水手凄厉地惊叫起来。一些有经验的水手判定他一个老水手凄厉地惊叫起来。一些有经验的水手判定他们肯定是遇到了们肯定是遇到了“魔鬼的死水魔鬼的死水”。大家想起了种种古老的传说，不祥和恐怖。大家想起了种种古老的传说，不祥和恐怖迅速笼罩了全船。只有南森没有丝毫的慌乱，跑前跑后紧张地测量着风速、迅速笼罩了全船。只有南森没有丝毫的慌乱，跑前跑后紧张地测量着风速、水温、盐度等水文参数，苦苦思索着对策。水温、盐度等水文参数，苦苦思索着对策。直到一阵强劲的西风吹来，直到一阵强劲的西风吹来，“福雷姆福雷姆”号才渐渐脱离了险境。号才渐渐脱离了险境。究竟是什么究竟是什么“魔鬼魔鬼”在作怪在作怪?如今，海洋学家终于解开了挪威海岸的如今，海洋学家终于解开了挪威海岸的“死水死水”之迷。原来是之迷。原来是“密度跃层密度跃层”和和“内波内波”在作怪。在作怪。挪威海岸的峡湾大都与河流甚至冰川连接，有大量的淡水汇入海水。这就挪威海岸的峡湾大都与河流甚至冰川连接，有大量的淡水汇入海水。这就在海面上形成了一个密度较小的淡水层。淡水层的下面则是密度较大的咸水层，在海面上形成了一个密度较小的淡水层。淡水层的下面则是密度较大的咸水层，两层之间便有了一个密度跃变，这就是两层之间便有了一个密度跃变，这就是“密度跃层密度跃层”。前文提到的异状，究其。前文提到的异状，究其根源，就出在两层海水之间的界面上。根源，就出在两层海水之间的界面上。由于密度相差悬殊，界面上的海水不再平静如初，会产生上下波动，这就由于密度相差悬殊，界面上的海水不再平静如初，会产生上下波动，这就是是“内波内波”。从字面上看，从字面上看，“内波内波”就是发生在水里的波动。就是发生在水里的波动。“内波内波”的产生应具备两的产生应具备两个条件，一是海水密度稳定分层；二是要有扰动能源，两者缺一不可。我们知个条件，一是海水密度稳定分层；二是要有扰动能源，两者缺一不可。我们知道，海面与空气之间的密度不一样，加上风力的扰动作用，会导致海面上出现道，海面与空气之间的密度不一样，加上风力的扰动作用，会导致海面上出现狂涛巨浪。在深层海水中，当海水因温度、盐度的变化出现密度分层后，受大狂涛巨浪。在深层海水中，当海水因温度、盐度的变化出现密度分层后，受大气压力变化、地震影响以及船舶运动等外力扰动，就可能在海水内部引发内波。气压力变化、地震影响以及船舶运动等外力扰动，就可能在海水内部引发内波。内波与海面波浪虽然都是液体波动，但它们各不相同。空气与水的密度相内波与海面波浪虽然都是液体波动，但它们各不相同。空气与水的密度相差近千倍，在海面形成的波浪，其波动最大值在海面，波动会随着海水深度的差近千倍，在海面形成的波浪，其波动最大值在海面，波动会随着海水深度的增加而减小，到达一定深度后就消失了。当海水密度上下分布不均匀，尤其是增加而减小，到达一定深度后就消失了。当海水密度上下分布不均匀，尤其是在海水中出现跃层，也就是两层海水的相对密度值大于在海水中出现跃层，也就是两层海水的相对密度值大于0.1时，在外力扰动下，时，在外力扰动下，就会在两层海水界面上产生内波。由于海水的密度分布经常处于不均匀状态，就会在两层海水界面上产生内波。由于海水的密度分布经常处于不均匀状态，因此海洋内波是一种比较普遍的现象。因此海洋内波是一种比较普遍的现象。n世界上破坏程度最惨重的智利大地震海啸，波高只有世界上破坏程度最惨重的智利大地震海啸，波高只有25米，米，仅为最大内波波高的仅为最大内波波高的1/4。由此即可见内波的破坏力之大。由此即可见内波的破坏力之大。万幸的是，水面船舰受上层海水和大气的约束，即使碰上很万幸的是，水面船舰受上层海水和大气的约束，即使碰上很高的内波也往往不会有灭顶之灾。但潜水艇可就没有那么幸高的内波也往往不会有灭顶之灾。但潜水艇可就没有那么幸运了，如果完全误入其中，巨大的内波能足以把其撕碎。运了，如果完全误入其中，巨大的内波能足以把其撕碎。1963年，美国海军的核潜艇年，美国海军的核潜艇“大鲨鱼大鲨鱼”号在马萨诸塞号在马萨诸塞州海岸外州海岸外350千米处沉没，艇上千米处沉没，艇上129名船员全部遇难。事后名船员全部遇难。事后经过对沉入海底、变成碎片的残骸分析判断，潜艇失事的原经过对沉入海底、变成碎片的残骸分析判断，潜艇失事的原因是在水中航渡时，遇到了强烈的内波，内波峰高谷深，垂因是在水中航渡时，遇到了强烈的内波，内波峰高谷深，垂直作用也很大，内波中大振幅的内孤立波或内孤立子的巨大直作用也很大，内波中大振幅的内孤立波或内孤立子的巨大垂直剪切力将潜艇拖拽至海底，潜艇承受不了超极限压力而垂直剪切力将潜艇拖拽至海底，潜艇承受不了超极限压力而被压碎。这就是强大内波垂直力作用的后果。被压碎。这就是强大内波垂直力作用的后果。海洋内波的特点：海洋内波的特点：发生在海洋内部发生在海洋内部发生在海水密度层结稳定的海洋中。发生在海水密度层结稳定的海洋中。其最大振幅出现在海面以下。其最大振幅出现在海面以下。海洋内波的作用海洋内波的作用：将大中尺度运动过程的能量传递给小尺度过程。将大中尺度运动过程的能量传递给小尺度过程。是引起海水内部混合，形成温盐细微结构的重要原因。是引起海水内部混合，形成温盐细微结构的重要原因。能将深层较冷的海水连同其中的营养盐输送到海洋上层，利于海洋能将深层较冷的海水连同其中的营养盐输送到海洋上层，利于海洋生物的生长。生物的生长。内波引起的等密面的波动会影响海洋中声速的大小与传播方向，从内波引起的等密面的波动会影响海洋中声速的大小与传播方向，从而影响声呐的效应，对潜艇的隐蔽与监测起着有利或有害的作用。而影响声呐的效应，对潜艇的隐蔽与监测起着有利或有害的作用。n定义：发生在海水密度层结稳定的海洋内部的波动。定义：发生在海水密度层结稳定的海洋内部的波动。n意义：能量传递意义：能量传递:大中尺度运动能量大中尺度运动能量 小尺度小尺度 海水混合海水混合:形成温盐细结构形成温盐细结构 海洋生物生长海洋生物生长:营养盐输运到上层营养盐输运到上层军事意义；内波军事意义；内波 等密度面波动等密度面波动 声速声速 的大小和传播方向的大小和传播方向 声纳效果声纳效果 潜艇潜艇 的隐蔽和观测的隐蔽和观测界面内波：界面内波：最简单的形式最简单的形式 密度连续变化海洋中的内波：密度连续变化海洋中的内波：普遍形式普遍形式海洋内波海洋内波 6.4.1 界面内波界面内波l界面内波界面内波：发生在两层密度不同的海水界面处的波动，是：发生在两层密度不同的海水界面处的波动，是内波的一种最简单的形式。内波的一种最简单的形式。l取两层海水：密度分别为取两层海水：密度分别为1和和 2，厚度分别为厚度分别为h1和和h2，理论理论上可求得界面上存在正弦波，其波速为：上可求得界面上存在正弦波，其波速为：一、界面短波一、界面短波当当远大于远大于 h1和和h2，界面在无限深海的中部时，简化为界面在无限深海的中部时，简化为：h1、h2时，代入上式得：小振幅重力波有限振幅波、二、界面长波二、界面长波当远小于 h1和h2时，简化为：h1、h2l结论：由上面的比较可知：表面和界面内波公式的区别在结论：由上面的比较可知：表面和界面内波公式的区别在于：界面内波的波速公式中多了系数（于：界面内波的波速公式中多了系数（2 1）（）（2 1）12。在温跃层处此系数约为：在温跃层处此系数约为：1 12020，所以具有相同波长，所以具有相同波长的界面波和表面波速度之的界面波和表面波速度之比约为：比约为：1 12020。即：界面。即：界面波的传播速度比表面波慢波的传播速度比表面波慢得多。得多。界面波与表面波波速进行比较：三、界面内波的振幅三、界面内波的振幅v振幅为振幅为a的正弦表面波在一个波长内具有的能量：的正弦表面波在一个波长内具有的能量：E0=2a02g/2v相应界面内波的能量为：相应界面内波的能量为：E=(2 1)a2g/2v取能量相等的界面内波和表面波进行比较，则：取能量相等的界面内波和表面波进行比较，则：2a02g (2 1)a02g所以所以 a/a0=2/(2 1)1/2=30若以相同的能量激发表面波和界面若以相同的能量激发表面波和界面内波，界面波的振幅则约为表面波内波，界面波的振幅则约为表面波的的3030倍。倍。结论：结论：四、界面内波中的水质点运动四、界面内波中的水质点运动 界面内波引起上下两层海水方向相反的水平运界面内波引起上下两层海水方向相反的水平运动，从而在界面处形成强烈的流速剪切。动，从而在界面处形成强烈的流速剪切。同一层中波峰和波谷处同一层中波峰和波谷处流向相反，导致水质点运流向相反，导致水质点运动的辐聚与辐散。在峰前动的辐聚与辐散。在峰前谷后形成辐散区，在谷前谷后形成辐散区，在谷前峰后形成辐聚区，此时若峰后形成辐聚区，此时若上层海水较薄，在海面处上层海水较薄，在海面处则会呈现出由它们引起的则会呈现出由它们引起的条状分布图案。辐散区呈条状分布图案。辐散区呈光滑明亮条带，辐聚区则光滑明亮条带，辐聚区则呈现粗糙暗淡状态的条纹。呈现粗糙暗淡状态的条纹。6.4.2 密度连续变化中的内波密度连续变化中的内波一、内波的恢复力一、内波的恢复力内波的恢复力为科氏力和弱化重力（即重力与浮力之差），内波的恢复力为科氏力和弱化重力（即重力与浮力之差），由于其恢复力较弱，故它的传播速度和由它引起的水质点的由于其恢复力较弱，故它的传播速度和由它引起的水质点的运动很慢。运动很慢。二、内波的频率二、内波的频率惯性频率：惯性频率：f=2wsin布伦特维塞拉频率布伦特维塞拉频率(N)：N：指在密度层结稳定的海洋中，海水微团受到某种力的干扰后，在铅直方指在密度层结稳定的海洋中，海水微团受到某种力的干扰后，在铅直方向上自由振荡的频率，它主要取决于海水密度的铅直梯度向上自由振荡的频率，它主要取决于海水密度的铅直梯度d/dz。内波频率内波频率界于惯性频率和维塞拉频率之间，界于惯性频率和维塞拉频率之间，即：即：f Kk kx x,k ky y，故波向的波速，故波向的波速c c最小最小xyz0讨论：讨论：、c cx x、c cy y值的正负，值的正负，得出罗斯贝波的传播方向。得出罗斯贝波的传播方向。-始终偏向西方始终偏向西方v用位涡守恒来解释罗斯贝波的传播机制：用位涡守恒来解释罗斯贝波的传播机制：相对涡度f 行星涡度+f 绝对涡度第六节 风浪和涌浪n n（一）风浪和涌浪n n（二）浅海和近岸海浪（一）风浪和涌浪（Wind wave and swell）n1 1、风浪定义：、风浪定义：当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态。动状态。n2 2、风浪的特征：、风浪的特征：波峰尖削，在海面上分布极不规律，波峰线短，波峰尖削，在海面上分布极不规律，波峰线短，周期小，风大时常出现破碎现象，形成浪花。周期小，风大时常出现破碎现象，形成浪花。n3 3、波面状态：、波面状态：波面不规则、波峰陡、波面不规则、波峰陡、波峰线波峰线短、浪大时有白浪。短、浪大时有白浪。6.6.1 风浪的成长和消衰风浪的成长和消衰l风浪的成长和消衰主要取决于对能量的摄取和消风浪的成长和消衰主要取决于对能量的摄取和消耗之间的平衡关系。耗之间的平衡关系。l风时风时：指状态相同的风持续作用在海面上的时间。：指状态相同的风持续作用在海面上的时间。l风区风区：指状态相同的风作用海域的范围。：指状态相同的风作用海域的范围。l风区长度风区长度：习惯上把从风区的上沿，沿风吹方向到某一：习惯上把从风区的上沿，沿风吹方向到某一点的距离，称为风区（长度）。点的距离，称为风区（长度）。一、风浪成长与风时、风区的关系一、风浪成长与风时、风区的关系l影响风浪成长与大小的因子影响风浪成长与大小的因子：1 1）风力）风力 2 2）风所作用）风所作用水域的大小水域的大小 3 3）风所作用时间的长短）风所作用时间的长短 4 4）海洋水深）海洋水深 5 5）地形）地形 6 6）海岸线形状）海岸线形状风浪成长状态n定常态：定常态：某点的风浪尺度达到理论上的最大值；某点的风浪尺度达到理论上的最大值；n过渡态：过渡态：某点风浪未达理论最大，随时间的推移，还某点风浪未达理论最大，随时间的推移，还可继续增长；可继续增长；n充分成长：充分成长：波浪在成长过程达到一定尺度后，摄取与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，波浪不再增大消耗能量达到平衡时，波浪不再增大最小风时最小风时：在定常风的作用下，对应于风区内某点，：在定常风的作用下，对应于风区内某点，风浪达到定常状态所用的时间是一定的，这段时间风浪达到定常状态所用的时间是一定的，这段时间称为最小风时。或者说，对应于某一风区长度，风称为最小风时。或者说，对应于某一风区长度，风浪成长至理论上最大值所经历的最小时间。浪成长至理论上最大值所经历的最小时间。不同风区，对应于不同的最小风时。不同风区，对应于不同的最小风时。l风时与风浪成长状态的关系风时与风浪成长状态的关系：当实际风时大于最当实际风时大于最小风时时，风浪处于定常状态；反之为过渡状态。小风时时，风浪处于定常状态；反之为过渡状态。l 最小风区最小风区：当实际风时一定时，当然对应于某一风区：当实际风时一定时，当然对应于某一风区长度内的波浪达到定常状态，此时风区长度称为最小风长度内的波浪达到定常状态，此时风区长度称为最小风区。对应于某一风时，风浪成长至理论上最大尺度所需区。对应于某一风时，风浪成长至理论上最大尺度所需要的最短距离。要的最短距离。l 风区与波浪成长状态的关系风区与波浪成长状态的关系：当实际风区小于最小风当实际风区小于最小风区时，风浪为定常状态；反之为过渡状态。区时，风浪为定常状态；反之为过渡状态。v 定常状态的波浪只受制于风区，而过渡状态的波浪只定常状态的波浪只受制于风区，而过渡状态的波浪只受制于风时。受制于风时。l 充分成长状态充分成长状态：摄取与消耗的能量达到平衡时的状态。：摄取与消耗的能量达到平衡时的状态。l 充分成长的风时与风区充分成长的风时与风区：风浪达充分成长状态所对应：风浪达充分成长状态所对应的风时与风区。的风时与风区。判别方法n风区风区 最小风区，最小风区，风浪是过渡态，反之定常态风浪是过渡态，反之定常态n风时风时 最小风时，最小风时，风浪是定常态，反之是过渡态。风浪是定常态，反之是过渡态。风浪的分级风浪的分级n根据波高大小，通常将风浪分为10个等级。n波级表（海况等级）n0级 无浪 0 光滑如镜n1级 微浪 c2,h1h2故故 12当波峰线由深水进当波峰线由深水进入浅水的过程中，入浅水的过程中，有逐渐与等深线平有逐渐与等深线平行的趋势，也就是行的趋势，也就是波向线与等深线逐波向线与等深线逐渐垂直的趋势。渐垂直的趋势。波浪由深水向浅水传播时发生折射现象的示意图波浪由深水向浅水传播时发生折射现象的示意图 三、波高的变化三、波高的变化l波浪传入浅海后，影响波高变化的因子：波浪传入浅海后，影响波高变化的因子：水深水深、波波速速、波向的折射波向的折射。l设波浪传入浅海后的设波浪传入浅海后的周期不变周期不变，两波向线铅直剖面，两波向线铅直剖面间的间的能量守恒能量守恒。因此，单位时间内跨过两波向线之间。因此，单位时间内跨过两波向线之间与其垂直的两断面的能量应该相等，即与其垂直的两断面的能量应该相等，即：又由于能量与波高的平方成正比：又由于能量与波高的平方成正比：所以所以n1.折射因子折射因子：n当波向线辐聚时，当波向线辐聚时，L0大于大于L，所以折射因子大于，所以折射因子大于1，说明能量集中，波高增大。当波向线辐散时，说明能量集中，波高增大。当波向线辐散时，L0小于小于L，折射因子小于，折射因子小于1，波高减小。，波高减小。n折射因子的大小说明了由波向转折而引起的波高折射因子的大小说明了由波向转折而引起的波高变化的部分。变化的部分。2.2.能量传播速度随水深的变化而对波高变化的影响因子能量传播速度随水深的变化而对波高变化的影响因子D D：由式（620）得：当波浪由深水传入浅水时，由当波浪由深水传入浅水时，由于因子于因子D D的影响，将使波高有所降的影响，将使波高有所降低，然后随相对深度的减小而迅速低，然后随相对深度的减小而迅速增大。这是由于刚进入浅水后，海增大。这是由于刚进入浅水后，海底摩擦起主要作用所致。底摩擦起主要作用所致。综合折射因子和综合折射因子和D对波高的影对波高的影响，可见波浪传到近岸，波高响，可见波浪传到近岸，波高的变化完全取决于能量的变化。的变化完全取决于能量的变化。一般一般D的作用比前者大，但在的作用比前者大，但在海岬与海湾处，由于波向转折，海岬与海湾处，由于波向转折，其影响对波高变化往往起着明其影响对波高变化往往起着明显的作用。显的作用。波浪破碎波浪破碎n波浪为何会破碎：波浪为何会破碎：n当波峰附近的水微团移动的速度比波速快时当波峰附近的水微团移动的速度比波速快时n当波面上的水微团在垂直方向上的加速度大于某个当波面上的水微团在垂直方向上的加速度大于某个限度时，水微团便会脱离波面，于是发生破碎。限度时，水微团便会脱离波面，于是发生破碎。n破碎在深海和浅海都会发生。破碎在深海和浅海都会发生。n破碎发生的情况：破碎发生的情况：n风大；波浪传到浅水波长变短，波陡增大；海底摩风大；波浪传到浅水波长变短，波陡增大；海底摩擦；波峰、谷处相速不同，波面变形；浅滩、沙丘、擦；波峰、谷处相速不同，波面变形；浅滩、沙丘、暗礁。暗礁。破碎类型：溢波、卷波、崩波或溃波破碎类型：溢波、卷波、崩波或溃波五、波浪反射、折射、绕射五、波浪反射、折射、绕射反射：反射：发生在港湾、码头，会形成驻波。发生在港湾、码头，会形成驻波。近岸水域入射波與反射波疊加形成的棋盤狀波形近岸水域入射波與反射波疊加形成的棋盤狀波形 n波峰线有逐渐与等波峰线有逐渐与等深线平行的趋势深线平行的趋势n海底凸出的海岬处，海底凸出的海岬处，波向线辐聚，出现波向线辐聚，出现大浪；大浪；n而在凹进的海湾处，而在凹进的海湾处，波向线辐散，波浪波向线辐散，波浪较小。较小。折射：折射：与地形有关与地形有关绕射：绕射：当波浪前进遭遇物体阻挡时，从物体侧方通过当波浪前进遭遇物体阻挡时，从物体侧方通过的波浪会绕过障碍物传到被遮蔽区域，称为波浪绕射。的波浪会绕过障碍物传到被遮蔽区域，称为波浪绕射。6.6.3 海浪的随机性与海浪谱海浪的随机性与海浪谱研究海浪的方法：研究海浪的方法：组成波假设：海浪是由众多振幅、频率、组成波假设：海浪是由众多振幅、频率、位相不同的简单波动叠加而成。位相不同的简单波动叠加而成。波动理论波动理论统计学方法统计学方法海浪谱海浪谱海浪谱的概念海浪谱的概念n物理空间物理空间 频率（或波数）空间频率（或波数）空间n类比于光谱类比于光谱n频谱可定义为波组分的能量随频率的分布。频谱可定义为波组分的能量随频率的分布。波数谱；方向谱波数谱；方向谱二维二维表观表观组分组分1.随机性随机性：海面上的波浪高低不等，长短不齐，此起彼伏，瞬息万变，杂乱无章，故其叠加结果也是随机的。2.海浪频谱（能谱）海浪频谱（能谱）：海浪的能量E是由全部各组成波提供的，其中频率为的组成波所提供的能量，以其相当量S（）表示，故 S（）代表海浪中能量相对于组成波频率的分布。3.方向谱方向谱：由于组成波的传播方向不同，因此不同组成波的能量以S（，）或F（，）来描述。Analysis of WavesPhysical SpaceFrequency SpaceSpectra of Wave Frequency波浪要素和类型波浪要素和类型小振幅重力波小振幅重力波波形传播与水质点运动波形传播与水质点运动波动能量波动能量波动叠加波动叠加有限振幅波有限振幅波海洋内波海洋内波开尔文波与罗斯贝波开尔文波与罗斯贝波风浪和涌浪风浪和涌浪第六章第六章 复习复习波浪要素和类型波浪要素和类型小振幅重力波小振幅重力波波形传播与水质点运动波形传播与水质点运动波动能量波动能量波动叠加波动叠加有限振幅波有限振幅波海洋内波海洋内波开尔文波与罗斯贝波开尔文波与罗斯贝波风浪和涌浪风浪和涌浪第六章第六章 复习复习波峰（波峰（Crest）；波谷）；波谷（Trough）波高（波高（Wave Height）：）：H2a（a为振幅）为振幅）波长（波长（wavelength）:L周期（周期（wave period）:T波速（波速（wave speed）:CL/T频率（频率（frequency）:f=1/T角频率（角频率（Circular frequency）:=2pi/T波数波数（wave number）:k=2PI/Ln波浪类型波浪类型n按成因分：风浪、涌浪、地震波按成