第四章海浪观测教材

第四章海浪观测与海浪谱2013/03/27巨浪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，巨浪来袭可能会破坏整个港口的设施。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。此外，海浪有时还会携带大量泥沙进入海港、航道，造成淤塞等灾害。海浪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；波浪发电；葡萄牙的“海蛇”海浪发电站世界首座商用波浪能发电厂预备知识波动产生的条件：平衡状态、扰动力、恢复力波浪的扰动力、恢复力？1965年Kinsman根据波浪周期，结合主要扰动力与回复力来划分海洋波浪的类型，给出其能量的近似分布（如下图）。海洋工程考虑的主要荷载：周期处于4~16s内的重力波。形成原因：风浪、涌浪、近岸浪、内波、潮汐波、海啸、风暴潮。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。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。风浪的产生：共振理论、剪流理论所谓共振理论，是指因自然界的风具有紊流特征，当风吹行于水面时，后者受到的正压力不均匀，从而产生水面起伏，形成初始的水面波动。当压力和波动中同频率的成分间发生共振时，该频率的波动成分随时间增大，此即风浪通过共振机制生成的概念。共振理论解释了波浪的最初形成和成长过程。剪流理论是将风对水面的作用力分为两部分：风与水面间的切应力以及风作用在波浪迎风面上的法向正压力N。切应力与风速u成正比，因为水质点主要在原地做振荡运动，波速C是位相速度，故与C无关。N使波浪的迎风面和背风面形成压力差，故其大小与（U－C）成正比。风对水面的作用力在UC的整个期间，由于和N的作用，风将能量不断传给水体，使波浪不断发展，波高和波长不断增大；随着波浪尺度的增大，C也相应加大，致使水体内的摩擦也不断加大。当C接近U时，风仅在的作用下继续将能量传给水体，已不通过N传给海水能量；而当CU时，空气将阻碍波形前进，反而要消耗波浪的能量，所以总的输入能量是随C的逐步增大而逐渐减小的。当能量的输入等于能量的消耗时，波浪不再发展而趋于稳定，形成在某风速条件下所能形成的最大波浪。这种理论解释了初始波浪形成后的发展过程。风停止后，海水无新能量输入，一部分波能向四周传播扩散，另一部分波能不断消耗于水体内部的分子粘滞性和紊动粘滞性。此外，空气阻力、海底摩擦和渗透也消耗了部分的波浪能量，使波浪逐渐衰减，直至最后消亡。总之，波浪的生成、发展和衰减取决于水体能量的摄取和消耗之间的数量关系，当能量输入大于输出时，风浪将成长发展；反之，波浪将趋于衰减直至消亡。影响风浪成长的因素：风速、风时、风距、（风场三要素）地形、水深、海流从深水的风区到风区外浅水岸边工程所在地，波浪的传播和变化过程可分为3个阶段：①风区中风浪的产生和发展；②风区外风浪（深水波）转变成涌浪继续传播，波浪将逐渐衰减；③涌浪进入近岸浅水区发生波浪变形。风浪发展的三种状态风浪的过渡状态：风速很大而且风场宽阔，风浪的成长取决于风时的长短风浪的定常状态：风速很大但风场范围很小，一定时间后，海域范围内波浪要素趋于定常，不再随时间变化。但海域各点的波浪要素并不相同，而取决于各点的位置或风距，风距越大，风浪也越大，这种风浪处于定常状态。风浪的充分成长状态：风时和风距都足够大，在一定的风速条件下，风浪不再增大而达到该风速条件下的极限状态，常称为风浪的充分成长状态。判断风浪状态的标准：最小风时、最小风距最小风时:在一定风速U下，在给定的风区长度F处出现最大波浪，即达到定常状态，所需的最短时间称为最小风时，记为tmin。若实际风时ttmin，则风浪随风时变化处于过渡状态，在风浪推算时取实际风时t作为计算风时。若t＞tmin，由于风距的限制，风浪不能继续增大而处于定常状态，风浪推算时取tmin作为计算风时。最小风距——在一定风速U下，在给定的风时t时产生最大波浪所需的最短风距，记为Fmin。1）当实际风距FFmin时，风浪受制于风距，处于定常状态，风浪推算时取F作为计算风距。2）当FFmin时，则风浪受制于风时而处于过渡状态，风浪推算时取Fmin作为计算风距。如风区足够大，在给定时刻，风区内可能有两种风浪状态同时存在。在FFmin的位置，风浪处于过渡状态，在FFmin的位置，风浪处于定常状态。随着时间的推移，定常状态的范围将逐渐扩大。对于指定的位置，风浪总是先处于过渡状态，而后过渡到定常状态。海浪要素的统计规律海浪要素的统计规律海浪可看作是平稳随机过程,具有各态历经性.各态历经性保证可以用一个样本来代替总体,平稳性保证记录上的时间起点不影响计算的结果。可从一个样本中任取出足够长的一段来进行统计分析研究，亦即可以采用某一样本的时间特征值。§4.1海浪的观测一、海浪要素上跨零点下跨零点大波波高p1N/101ii=11010H=HNN/31ii=133H=HN波高换算关系,表4.1.1,p61N/3r1/3r=13T=TN111010H=KH1133H=KH1/31.15TT1/101/31.14TT1/101.31TT201.56LT01.56CT周期的换算关系深水波长的计算公式一、波浪观测的主要内容：风浪和涌浪的波面时空分布及其外貌特征二、波浪观测的项目海况、波形、波向、波高和周期，风速、风向和水深波浪三要素:波高、周期和水深波高、波长和水深海况观测:风力作用下海面外貌特征波形观测:风浪(F)、涌浪(U)和混合浪(F/U,U/F,FU)波向观测:波浪来向,16方位海况等级表三、波浪观测的要求阅读岸边观测海上观测目测仪测观测时间:0205081114172023四、观测仪器和方法传感器安装位置水面上测波仪水面附近测波仪水面下测波仪航空测波立体摄影雷达测波测波杆光学测波重力测波水压式测波声学式测波浅水测波通常采用易于固定的测波仪，深水测波一般采用浮球式加速度型测波仪测量范围:点式,多点式,面式图4.1.2HAB-2型测波仪示意图1．望远镜2．管状水准泡3．俯仰微动手轮4．解脱手柄5．方向微动手轮6.指标盘7．水平度盘8．底座9．调平螺钉10．圆形水准泡遥测重力测波仪荷兰“波浪骑士”测波浮标、美国恩迪科956型遥控测波仪以及我国SBF1-1型近海遥测波浪仪压力测波仪美国InterOcean公司的S4ADW型系列产品五、波浪玫瑰图表示某海区各向各级波浪出现频率大小的图.绘制方法同风玫瑰图类似0.8m0.8~1.0m1.1~1.2m1.3~1.5m波向mp/%mp/%mp/%mp/%N1545.5840.1440.14NNE1385.0090.3360.2260.22NE44015.9340.1420.07ENE451.63E612.2120.07ESE632.2810.04SE1455.2510.04SSE662.39S36613.25SSW1726.34SW1214.38WSW100.36W160.58WNW722.6170.2530.1110.04NW2639.52200.7240.1440.14NNW1957.0660.2240.14╳31111.26C331.19∑267496.81531.92200.72150.54观测总数2762波高玫瑰图波高的经验与理论分布1.特征波高海面上的波浪状态通常用波浪要素作为特征量来描述。在波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大小是不等的，因此当我们描述某场海浪的波高是多少时，应指明该波高的统计意义，即为哪一种特征波高。（1）平均波高将观测到的所有波高值累加，除以波高的总个数，得到的值称为平均波高，它反映了波列总体的大小。若样本总个数为N，则平均波高为11NiiHHN(2）部分大波的平均波高将波列中的波高由大到小依次排列．其中最大的P部分波高的平均值就称为P部分大波的平均波高，记为。其计算公式如下：11NPpiiHHNP工程设计中常用的有连续100个波中最大的10个波的平均值称为1/10大波的平均波高．记为，又称为显著波高，波列中最大的1/3个大波的平均值．记为,又称为有效波高。10/1H3/1H(3）均方根波高将波列中的所有波高的平方和，求平均值后再开方，得到的值称为均方根波高．记为，计算公式如下：由于波浪的能量正比于波高的平方．故均方根波高反映了波能量的平均状态。12211()NrmsiiHHNrmsH（4）累积频率波高从波列中选取某一累积频率对应的波高作为特征波高。如等，这种特征波高反映大于等于某给定波高值的波浪在波列中出现的可能性。如表示在波列中大于等于该波高的波浪出现概率为1%。1%H1%H2．波高的经验概率分布为了探求波高的分布规律，必须绘制频率直方图,以下表1所示的波浪观测序列为例简述其绘制方法。H/mT/sH/mT/sH/mT/sH/mT/sH/mT/s2.09.21.35.30.84.50.611.42.19.23.06.63.27.32.56.61.46.62.79.82.56.65.36.84.17.31.66.53.28.63.16.93.36.93.87.91.15.31.95.61.68.61.58.31.76.91.68.30.24.11.97.11.28.61.05.32.16.01.47.92.25.41.96.62.05.81.123.02.15.63.37.11.55.61.85.83.06.93.36.63.06.63.16.62.09.42.66.92.27.94.97.51.86.41.88.31.78.82.16.41.68.11.44.51.39.61.54.51.67.51.58.11.85.81.36.83.97.11.38.30.94.31.86.21.55.43.08.12.47.51.15.41.54.31.04.12.416.13.77.33.17.54.36.62.05.83.36.23.86.43.26.84.87.11.47.52.06.42.46.22.36.64.16.90.33.61.16.22.67.31.24.53.96.61.310.52.55.81.34.31.54.92.96.42.08.42.15.32.26.82.76.20.74.12.08.13.57.13.38.1表1某测站波浪观测序列（l）模比系数计算上表1所示波浪序列的平均波高为2.2m，定义波高的模比系数，即（2）波高分组按照适当的组距，本例中取组距为0.2，将波列分成若干组，计算出各间距上、下限对应的波高，列入表2第l,2栏。iK/iiKHHHH/（3）区间频率统计各组波高的出现次数，见表中第3栏．除以总次数N，得各组波高出现的区间频率结果见表中第4栏，由此可见，各组波高出现的频率不同．在模比系数等于1.0，即平均波高附近出现的波高次数多，而在两端出现频率较小。/iifnN为求各组距内任何一个波高可能出现的频率，即平均频率，假定组距内任一波高出现的机会均等，且组距内所有波高出现的总频率应等于区间频率。于是平均频率就是区间频率除以组距，即，见表中第5栏。/iHfH波高模比系数iK波高分组/iHm出现次数in区间频率if平均频率/iHfH累积次数in累积频率/%F12345672.4~2.25.3