8--第八章-海浪与内波观测-1

海浪与内波观测第八章Chapter8.Observationofoceanwaveandinternalwave1第八章海浪与内波观测2海浪是发生在海洋中的一种波动现象，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。是海水运动形式之一，它的产生是外力、重力与海水表面张力等共同作用的结果。海浪（oceanwave）通常指海洋中由风产生的波浪。主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。第八章海浪与内波观测3海浪（oceanwave）通常指海洋中由风产生的波浪。主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。•风浪，指的是在风的直接作用下产生的水面波动。•涌浪，指的是风停后或风速风向突变区域内存在下来的波浪和传出风区的波浪。•近岸浪，指的是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。第八章海浪与内波观测4海浪是海水的波动现象。•通常所说的海浪，是指海洋中由风产生的波浪。包括风浪、涌浪和近岸波。•无风的海面也会出现涌浪和近岸波，但实际上它们是由别处的风引起的海浪传播来的。•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。第八章海浪与内波观测5在不同的风速、风向和地形条件下，海浪的尺寸变化很大，通常周期为零点几秒到数十秒，波长为几十厘米至几百米，波高为几厘米至20余米，在罕见地形下，波高可达30米以上。第八章海浪与内波观测6内波是指海洋中的自然波，它沿着不同密度的水域分界面，有像表面波一样的传播的波动过程，是一种重要的海水运动。它的产生与主跃层的温度波动有关，主要是由于温度的突变而形成。主跃层在强烈的风、潮汐、海流等驱动之下，产生温度波动，就形成在海洋介质内部的一种波动过程，称为内波。它通常发生在分层介质中，是在海洋内部密度不均匀水层间发生的一种波动。只要海水密度稳定分层，并有扰动源存在，内波就会产生。第八章海浪与内波观测7•由于内波的能量比相应的表面波小得多，只需小小的扰动就能引起内波的形成，且这种扰动是普遍存在的。因此，内波像海面波浪一样广泛发育于各大洋中，只是其波长、振幅、周期、传播速度及存在深度有很大的变化。•由于内波的存在，在界面上下水质点运动的方向相反，在界面处发生最大速度剪切，可形成速度可高达1.5m/s以上的内波流，犹如锐利的剪刀，破坏力极大。第八章海浪与内波观测8内波与表面波区别：内波与表面波虽然都是液体波动，但它们又各不相同：•在海面形成的波浪，它的波动最大值在海面，随着深度增加而减少，到达一定深度就消失了。•海水密度随着水温盐度及压力的不同，通常由上至下密度逐渐增大，形成稳定连续密度层结。在外力扰动下，就会海水内部产生内波。第八章海浪与内波观测9内波与表面波区别：•内波的振幅，一般要比表面波高大得多，从几十米甚至达到上百米；内波的波长，一般有几百米，甚至万米以上。•这主要是由于海水密度和空气密度的差异不同引起的。因为同样的外力，使海水内部产生的波动，要比海面上大很多。10海浪的危害：•海浪中包含巨大的能量，可引起海上船舶倾覆、折断和触礁，摧毁海上平台，对海上运输和施工、渔业捕捞、海上军事活动等带来很大的灾害。第八章海浪与内波观测第八章海浪与内波观测第一节导言112014年，台湾耗资15亿打造的海研五号出海调研时因海况差沉船12海浪的危害：•海浪中包含巨大的能量，可引起海上船舶倾覆、折断和触礁，摧毁海上平台，对海上运输和施工、渔业捕捞、海上军事活动等带来很大的灾害。•巨浪可摧毁沿海的堤岸、海塘、码头、海水养殖设施等各类海工建筑物。海浪对沿岸工程设施的破坏往往是毁灭性的，二次巨浪来袭可能会破坏整个港口的设施。第八章海浪与内波观测13海浪的危害：•海浪对泥沙有搬运作用，若携带大量泥沙进入海港、航道，会使海港淤积、航道变浅、影响船只进出港口等。•据测量，近岸浪对海岸的压力，可达到每平方米30～50吨。据记载，在一次大风暴中，巨浪曾把1370吨重的混凝土块移动了10米，20吨的重物也被它从4米深的海底抛到了岸上。巨浪冲击海岸能激起60~70米高的水柱。第八章海浪与内波观测14海浪的益处：•海浪会促进海水上下层混合，使混合后水层富有氧气，满足海中鱼类和其他动植物需要；•海浪的巨大能量可以用于波浪发电；第八章海浪与内波观测15海浪的益处：第八章海浪与内波观测中国电科38所最新研制的波浪发电装置助摆式海浪发电装置世界上第一个商业海浪发电厂——“海蛇”位于葡萄牙北部海岸英国拟建造海下浮标发电系统16内波的危害：•虽不像海面波浪那样汹涌澎湃，但它隐匿水中，暗中作祟，常使人们防范不及，故有“水下魔鬼”之称。•内波的破坏力，主要是产生内波的跃层上下，会形成两支流向正相反的内波流。这种内波流可高达1．5米/秒，犹如剪刀一般，破坏力极大。第八章海浪与内波观测17•加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾遭内波袭击而不得不中断作业，为此，美国英特俄辛公司为其安装了内波预警系统，以保障其安全作业。内波峰高谷深，垂直作用也很大。•1963年4月10日，美国“长尾鲨”号核潜艇，在大西洋距波士顿港口350公里处突然沉没，艇上160人无一生还，事后经过对沉入海底，变成碎片的残核分析判断，下沉的原因是潜艇在水中航渡时，遇到了强烈的内波，将其拖拽至海底，承受不了超极限的压力而破碎，这就是强大内波垂直力作用的后果。第八章海浪与内波观测18内波沉积的研究意义：•由于内潮汐和内波沉积是以前人们尚未认识到的一种新的沉积类型，因此开展内潮汐相内波沉积的研究，对发展沉积学理论、丰富沉积相和沉积环境的研究内容具有重要的理论意义，对古地理、古环境、古气候和古大地构造等相关学科的研究也有重要意义。第八章海浪与内波观测19内波沉积的研究意义：•对沉积矿产尤其是油气的勘探有重要的实际意义，因为内潮汐和内波沉积是潜在的良好的油气储层。与浊积岩和等深积岩相似，砂级的内潮汐、内波沉积与深水细粒沉积互层，具有良好的生储盖组合条件。而又由于深水潮汐和波浪的反复淘洗，使其沉积物的结构成熟度较浊积岩高得多，原生和后生孔隙发育，储集性能远比浊积岩好，为深水沉积中颇具勘探前景的潜在油气储层。因此研究内潮汐和内波沉积具有重要的实际意义。第八章海浪与内波观测20内波沉积的研究意义：•对海洋中的声波传播过程也具有不可忽视的作用。由于内波的扰动，将使得海洋中的声速分布结构产生时间、空间的起伏变化，因而产生声场的起伏。研究内波与声波起伏的相互关系的问题已日益受到水声学家和海洋学家的重视。这有两方面的原因，一方面从水声信号处理的角度而言，需要弄清内波引起声信号起伏的统计规律，以便建立可靠的合理的信号处理体制，另一方面有可能根据声信号起伏规律中所蕴含的关于内波运动本身的信息量加以提取，从而形成为一种对海洋内波的声学监测手段。第八章海浪与内波观测第八章海浪与内波观测21导言第一节海浪的基本要素目测海浪海浪的观测第二节第三节第四节第五节卫星遥感第八章海浪与内波观测22导言第一节23一、观测对象海洋中可以发生各种各样的波动：•海浪的时间尺度：十分之几秒的周期到几天、几个月甚至儿年的长周期波动。•海浪的水平尺度：从几厘米的波长到几千千米的波长。•波动的恢复力：表面张力、重力、科氏力。第八章海浪与内波观测第一节导言本章要讨论的海上波浪和海浪，是周期为几秒至几十秒的由风传输给海面能量引起的波动现象。第八章海浪与内波观测第一节导言24一、观测对象海浪的分类：•风浪：由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。•涌浪：由其他海区传来的波浪或由于当地的风力急剧减小、风向改变或风平息后遗留的波浪均称涌浪。•近岸浪：风浪或涌浪传至浅水或近岸区后，因受地形影响发生一系列变化。风浪和涌浪是海浪观测的主要对象第八章海浪与内波观测第一节导言25一、观测对象海浪的分类：•内波：不同密度的水层界面处而产生的波动。•潮汐波：由于天体引潮力作用所产生的波动。•海啸：由于海底或海岸附近发生的地震或火山爆发所形成的波动。•风暴潮：由于气象原因，如台风，强风暴等引起的海面异常升高现象。第八章海浪与内波观测第一节导言26一、观测对象风浪：•指由当地风引起且直到观测时仍处于风力作用下的海面波浪。第八章海浪与内波观测第一节导言27一、观测对象风浪：•其成长取决于风速、风区和风时：•风区：速度、方向基本恒定的风在一定时间内所历经的海区长度。•风时：速度、方向基本恒定的风所吹的时间。•波型不规则，背风面较陡，迎风面较平缓，波峰较大。4到5级风时，波峰翻倒破碎，出现白浪。传播方向大都和风向一致。第八章海浪与内波观测第一节导言28一、观测对象风浪：风浪外形比较杂乱粗糙，有时伴有浪花和泡沫，传播方向大多与风向一致第八章海浪与内波观测第一节导言29一、观测对象涌浪：•风浪离开风的作用区域后，在风力甚小或无风水域中依靠惯性维持的波浪。第八章海浪与内波观测第一节导言30一、观测对象涌浪：涌浪外形比较规则，波面比较光滑，周期大于原来风浪周期，且随传播距离增加而逐渐增大第八章海浪与内波观测第一节导言31一、观测对象涌浪：•在风作用下的水域内，由于风力显著降低使原来产生的风浪处于消退状态时也可形成涌。•海洋上也经常有不同来源的波系叠加的现象，形成混合浪。第八章海浪与内波观测第一节导言32一、观测对象涌浪：乱涌（交叉涌），不同方向的涌浪交叉汇合在一个地方，形成了“田”字型的海面景观第八章海浪与内波观测第一节导言33一、观测对象涌浪的衰减：•观测海区内本身形成的涌浪，其衰减主要决定于原风浪的尺度和风力急剧减弱后的时间；•从观测海区以外传来的涌浪，其衰减决定于原风浪区的风浪尺度和传播距离（即风区下沿到观测区的距离）；第八章海浪与内波观测第一节导言34一、观测对象风浪和涌浪在浅海传播时：•由于地形的影响，在海岸与岛屿附近常出现折射、绕射、反射、倒卷或破碎现象；•传播过程中波向、波速、波形及其他性质都在不断发生变化；第八章海浪与内波观测第一节导言35一、观测对象第八章海浪与内波观测第一节导言362015年美国寒冷天气再次创下新纪录，位于马塞诸萨州的南塔克特岛海浪也被冻住了——冰冻海浪翻滚瞬间第八章海浪与内波观测第一节导言37二、观测地点选择海浪观测既要在岸边台站进行，也要在海上（或船上）实施：岸边台站的海浪观测者是为了取得沿岸（包括港湾）较有代表性的海浪资料。•观测地点应面向开阔海面，避免岛屿、暗礁和沙洲等障碍物的影响。•安设浮标处水深，应不小于该海区常有风浪的波长的一半，海底地形尽量平坦并必过潮流过急区。第八章海浪与内波观测第一节导言38二、观测地点选择海浪观测既要在岸边台站进行，也要在海上（或船上）实施：海上或船上的观测者获得的离岸较远的开阔海域的海浪资料，可用于理论研究、风浪预报、船舶航行及捕捞等。•利用船只起伏目测等方法有较大误差。•最好使用自记仪记录。第八章海浪与内波观测第一节导言39三、观测内容和手段观测的主要内容是风浪和涌浪的波面时空分布及其外貌特征。观测项目包括海浪的波高、周期、波向、波型和海况，并利用这些观测值计算波长、波速、1/10和1/3大波的波高和波级。仪器目前仅可以测量前三者（波高、周期、波向），其他为目测。观测海流时还应同时观测风速、风向和水深。第八章海浪与内波观测第一节导言40三、观测内容和手段海浪观测的时间：•海上连续测站，每3小时观测一次，时间为02，05，08，11，14，17，20，23时（目测只在白天进行，仪器每次记录的时间为10~20min）；•大面或断面的测站，船到站即测；•海滨测站的自记仪观测时间与连续观测的要求相同；目测时间为08，11，14，17时。第八章海浪与内波观测第一节导言41三、观测内容和手段海浪观测的手段：目测和仪测•目测要求观测员具有正确估计波浪尺寸和判断海浪外貌特征的能力。•仪测目前仅可测波高、波向和周期。•当前仪器观测技术可分为：水下测量技术（压力、声学、光学测量）、水面测量技术（浮标、船载测波）、水上测量技术（气