第六章-海浪--

第六章海洋中的波动现象－海浪6.1波浪概况6.2波浪运动的基本性质6.3几种典型波浪6.4波浪的生活史6.5中国沿海和近海波浪6.1波浪的概况海浪的定义波浪的要素波浪的分类一、海浪定义海洋波动是海水重要的运动形式之一。从海面到海洋内部，处处都存在着波动。“海上无风三尺浪”，“风大浪高”。海浪是海水的波动现象。通常所指的海浪，是指海洋中由风产生的波浪。包括风浪、涌浪和近岸波。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。海浪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，水质点的振动能形成动能，海浪起伏能产生势能，这两种能的累计数量是惊人的。在全球海洋中，仅风浪和涌浪的总能量相当于到达地球外侧太阳能量的一半。海浪的能量沿着海浪传播的方向滚滚向前。因而，海浪实际上又是能量的波形传播。海浪波动周期从零点几秒到数小时以上，波高从几毫米到几十米，波长从几毫米到数千千米。一、海浪定义海洋的恬静瞬间汹涌的海浪拍打着岸礁海面大浪基本特征：运动随时间与空间的周期性变化基本特征：运动随时间与空间的周期性变化研究方法：近似看成一正弦或余弦曲线研究方法：近似看成一正弦或余弦曲线二、波浪要素1波峰（Wavecrest）：波面昀高点。波谷（Wavetrough）：波面昀低点。波高（Waveheight,H）：波峰、波谷间的垂直距离。波长（Wavelength,L）：相邻两波峰间的水平距离。周期（Waveperiod,T）：相邻两波峰通过某固定点所经历的时间。波形传播的速度c=L/T。二、波浪要素2振幅：波高的一半，为水质点离开平衡位置的向上的昀大垂直位移。a=H/2。波陡：波高与波长之比。δ=H/L波向线：与波峰垂直,指向波浪传播方向的线。波峰线：与波向线正交，并通过波峰的线。波峰线波向线三、波浪的分类1根据波动的周期分为：波浪种类周期波长毛细波Capillarywave0.1s2cm碎浪Chop1-10s1-10m涌浪Swell10-30supto102/sm荡漾Seiche10m–10hupto102/sm海啸Tsunami10-60mupto102/sm潮汐Tide12.4-24.8h103/sm内波Internalwavemin-hupto102/smIdealizedwavespectrum毛细波碎波涌浪荡漾海啸潮汐三、波浪的分类2按成因分：风浪：在风直接作用下水面出现的波动。潮汐波：在月球、太阳引潮力作用下产生的波浪。海啸：因气象、地震等原因形成的巨大波动。气压波：相邻海区气压不同，或某一海区气压发生急剧变化而产生的波动。内波：海洋中密度相差较大的水层处形成的波动。波浪成因：风火山、地震大气压力的变化日、月引潮力成因波浪类型周期风碎浪1~30s风暴涌30s~5min地震、风暴荡漾、海啸min~hr日、月引潮力潮汐12～24h毛细波三、波浪的分类3根据与海底相互作用程度大小(按照水深相对波长大小)分为：深水波Deepwaterwave：水深相对波长很大，又叫短波。h/L1/2半深水波Intermediatewaterwave：浅水波Shallowwaterwave：水深相对波长很小，又叫长波。h/L1/20三、波浪的分类4根据波形传播性质分为：前进波Progressivewave：波形不断向前传播。驻波Standingwave：波形不向前传播,只是波峰和波谷在固定位置不断地升降交替着的波形。按受力情况分为：自由波Freewave：波形形成后不再受力,自由移动。强迫波Forcedwave：波形形成后仍有力持续作用。根据发生的位置分为：表面波(surfacewave)内波(internalwave)边缘波(marginalwave)根据发生的动力机制分为：开尔文波(Kelvinwave)罗斯贝波(Rossbywave)四、波浪的分类46.1波浪概况6.2波浪运动的基本性质6.3几种典型波浪6.4波浪的生活史6.5中国沿海和近海波浪进行波：波形会向外传播(e.g.,风浪).驻波：波形不向外传播，但是会在某一节点上上下运动.波节：不产生运动的点，无垂直位移.波腹：具有昀大垂直位移的点驻波StandingwaveProgressivewave进行波Progressivewave6.2.1波浪运动的形式lookatsurface“rotary”motion(DeepWaterWave)6.2.2波形传播与水质点的运动海浪：海洋中水质点作周期性震动的水内传播现象。水深波长时，局部海域收到外力的扰动，会使水质点脱离静止时的位置，但在重力或表面张力作用下，水质点又力图恢复到平衡位置，从而引起水质点振动。这种振动是以各水质点的平衡位置为中心，作近似匀速圆周运动。6.2.2波形传播与水质点的运动每个水质点都在做同样的圆周运动，那么每个水质点的运动情况有何不同？6.2.2波形传播与水质点的运动沿波向，相邻水质点的运动半径和角速度都相同，只是后一个水质点比前一个启动要慢一段时间。这样，在同一时刻，水质点位于不同的位相上，这些水质点的连线就构成一定的波形，经过某一时刻后，每个水质点都在自己的轨道上移动相等的一段弧。把这些不同位相的水质点再连接起来，仍保持一定波形。Notethatthewatermoleculesinthecrest（波峰）ofthewavemoveinthesamedirectionasthewave,butmoleculesinthetrough（波谷）moveintheoppositedirection.6.2.2波形传播与水质点的运动水质点运动轨迹是一个圆，每个水质点运动相对于前一个水质点位相稍迟一些，但移动相同距离。水质点处于自身轨道不同位置，则形成波形；具有一定相位差的水质点，相继作周期性的圆周运动才导致波形传播。6.2.2波形传播与水质点的运动6.2.2波形传播与水质点的运动由此可以看出：波浪，只是波形在传播，而水质点只是以平衡位置为中心，作匀速的圆周运动。水质点转动一周的时间是波浪的周期，即两相邻的波峰（或波谷）经过同一点所需要的时间。水质点的运动轨迹（规律）：一系列垂直方向上的圆周型轨迹。波浪越大，轨迹粒径越大；1st轨迹的直径＝波高；轨迹的直径随深度的增加而减小水质点在波峰处具正的昀大水平速度，在波谷处具负的昀大水平速度，垂直速度分量为零。处在平均水面上的水质点，水平速度分量为零。垂直速度昀大。波峰前部为正，波峰后部为负。波峰前波谷后为水质点的辐聚区，波面未来上升，波峰后波谷前则为辐散区，未来波面下降；从而使波形不断向前传播，而水质点却只围绕自己的平衡位置作圆周运动。深水波：水深dL/2浅水波：dL/20水质点的运动轨迹为椭圆，随深度的增加椭圆长轴几乎不变，而短轴迅速减小半深水波：L/2dL/20根据水深相对波长的大小，分为：6.2.3不同水深的水质点的运动深水波，当h≥0.5λ水质点的运动轨迹为圆，轨迹半径、运动速度随深度增大迅速减小。浅水波：dL/20浅水波中水质点的运动轨迹为椭圆随深度的增加椭圆长轴几乎不变，短轴迅速减小，近海底处几乎只在水平方向上作周期性往复运动。半深水波：L/2dL/20水质点运动轨迹介于深水波和浅水波之间。无论长波还是短波，尽管它们的水质点运动轨迹不同，但是随深度(-z)的增大，它们的波长λ是不变的。6.1波浪概况6.2波浪运动的基本性质6.3几种典型波浪6.4波浪的生活史6.5中国沿海和近海波浪波浪种类周期波长毛细波Capillarywave0.1s2cm碎浪Chop1-10s1-10m涌浪Swell10-30supto102-sm荡漾Seiche10m–10hupto102-skm海啸Tsunami10-60mupto102-skm潮汐Tide12.4-24.8h103-skm内波Internalwavemin-hupto102-sm6.3.1风浪(windwave)、涌浪(swell)、近岸浪海浪包括风浪、涌浪和近岸浪三种。风浪：在风的直接作用下产生的水面波动，即，当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态。6.3.1风浪(windwave)、涌浪(swell)、近岸浪特征：风浪中同时出现许多高低长短不等的波，波面较陡，在海面上分布很不规律，当风大时，常常出现破碎现象，形成浪花。即，波峰附近有浪花或大片泡沫。波面粗糙，波峰线也短。6.3.1风浪(windwave)、涌浪(swell)、近岸浪涌浪：海面上由其他海区传来的或当地风力减小、平息或风向改变后海面上遗留下的波动。涌浪是远处的风，或已经过去的风所引起的波浪。“无风三尺浪”指的就是涌浪。特征：波面比较平坦，光滑，周期和波长都比较大，在海上的传播比较规则，波峰线长。近岸浪：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。6.3.1风浪(windwave)、涌浪(swell)、近岸浪涌浪形成近岸浪的情形涌浪一般具有巨大的能量，当它传到浅水区域时便形成近岸浪。近岸浪受海底地形影响，发生变形效应。波浪底部因受海底摩擦停滯不前，而波浪頂部卻以原來的速度前進，這樣就使波長越來越短，波高越來越大，昀後发生波峰倒卷和波浪破碎的現象。粉碎的波浪一次又一次地湧上海岸，如果海岸是断崖的話，便會造成惊涛拍岸，捲起千堆雪的景象。近岸浪6.3.1风浪(windwave)、涌浪(swell)、近岸浪6.3.2决定因素(determinants)“风大浪高”“无风不起浪”1、风速(windspeed)：风力大小；2、风时(windduration)：状态相同的风持续作用在海面上的时间；3、风区(fetch)：状态相同的风作用的海域的范围。风速：随风速的增加，波长、周期、波高均增加。风时：风持续作用于海面上的时间。风时越长，将有越多的风能传递给海水。风区:风作用海域的范围，将能量传递给海水。风区越大，单位时间内将有越多的能量传递给海水。起始海区状态：新、旧波浪间会产生相互作用。通过波浪间的相互作用，波动产生叠加或消减。6.3.2决定因素(determinants)世界上昀大的风浪常发生在南半球的西风带海区，那里三大洋连成一片，海区辽阔，具备了形成大风浪的条件。6.3.3涌浪的传播当海面的风力迅速减小、平息或风向改变后，海面上遗留下来的波动将不会从原来的风场中继续摄取能量，但波动不会立即消失。它们在原来海区继续传播，甚至传至其它海区，经过漫长路程和时间而慢慢消衰。6.3.3.1涌浪在传播过程中的特点①波高H逐渐降低能量是与H2成正比的涌浪传递传递过程能量是衰减的弥散角散Deep-waterwavetransformations6.3.3.1涌浪在传播过程中的特点②波长、周期逐渐变大，波速变快-P185由于弥散,波速快、波长大的跑在前面,因此,传播距离越远,波长大、周期长的涌浪越占优势地位。波高变得更小,在海上难以看到它。Shallow-waterinprofile破波带涌升带③当它传播到浅水或近岸时，波高又继而增大，波长减小，常常以波群的形式出现，形成猛烈的拍岸浪，表现出惊人的能量，它是冲蚀岸滩的活跃因子之一，对岸边建筑物破坏性很大，但到此也就结束了它的生命。6.3.4浅海和近岸海浪当波浪传至浅水及近岸时，由于水深及地形、岸形的变化，无论其波高、波长、波速及传播方向等都会产生一系列的变化。诸如波向的折射、波高增大从而能量集中，波形卷倒、破碎和反射、绕射等。对海岸工程、海岸地貌的变化均具有重大影响。在海底凸出的海岬处，由于上述折射的原因，波向线产生辐聚，而在凹进的海岸处，波向线辐散。因此在海岬处常出现较大的波浪，而在海湾处相对较小。6.3.4.1波浪的辐聚和辐散：在海岬处由于波浪