《海洋學(xué)》第八章 非線性波-有限振幅波

第八章海洋中的波動(dòng)前面課程內(nèi)容掌握波動(dòng)的概念、特征——了解波動(dòng)要素、海浪主要特征值——熟悉小振幅重力波水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征（軌跡、運(yùn)動(dòng)速度）深水波和淺水波定義、波速——重點(diǎn)掌握熟悉波動(dòng)的能量——熟悉波群、群速——重點(diǎn)掌握實(shí)際的波浪波面非對(duì)稱，包括上下和左右不對(duì)稱波動(dòng)相速度與振幅有關(guān)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不閉合，存在水平方向上向前的凈位移，此水平位移稱Stokes漂流，也有稱“波流”。波流可解釋物質(zhì)輸運(yùn)現(xiàn)象。對(duì)海流、波浪成長(zhǎng)及泥沙輸運(yùn)有一定影響。波浪破碎：理論上證明，當(dāng)波峰角小于120o，或波陡大于1/7時(shí)波浪會(huì)破碎有限振幅波動(dòng)主要有stokes波、擺線波、孤立波等第三節(jié)非線性波—有限振幅波擺線波擺線是什么？?jī)?nèi)孤立波1834年，J.S.羅素在一篇報(bào)告中提到他觀察到一種奇特的自然現(xiàn)象，當(dāng)一艘快速行駛的船突然停下來(lái)，船頭出現(xiàn)一圓形平滑、輪廓分明的孤立波峰急速離去，滾滾向前，行進(jìn)中形狀和速度保持不變。1834年，J.S.羅素在一篇報(bào)告中提到他觀察到一種奇特的自然現(xiàn)象，當(dāng)一艘快速行駛的船突然停下來(lái)，船頭出現(xiàn)一圓形平滑、輪廓分明的孤立波峰急速離去，滾滾向前，行進(jìn)中形狀和速度保持不變。第四節(jié)

海浪

風(fēng)浪和涌浪（一）風(fēng)浪和涌浪（二）淺海和近岸海浪什么是海浪？海浪是由風(fēng)引起的表面重力波本節(jié)也是本章重點(diǎn)內(nèi)容風(fēng)浪和涌浪風(fēng)浪定義：當(dāng)?shù)仫L(fēng)產(chǎn)生，且一直處在風(fēng)的作用之下的海面波動(dòng)狀態(tài)。涌浪定義：海面上由其他海區(qū)傳來(lái)、或當(dāng)?shù)仫L(fēng)速減小、平息、轉(zhuǎn)向后的波浪。典型波面特征風(fēng)浪：波面不規(guī)則、波峰陡、波谷光滑、波峰線短、浪大時(shí)有白浪。涌浪：波面光滑、波峰線長(zhǎng)、傳播距離長(zhǎng)風(fēng)浪涌浪波浪的破碎“無(wú)風(fēng)不起浪”“風(fēng)大浪高”決定風(fēng)浪因素風(fēng)浪成長(zhǎng)決定因素風(fēng)浪的成長(zhǎng)不僅取決于風(fēng)速大小，還取決于風(fēng)作用時(shí)間長(zhǎng)短和作用水域的大小風(fēng)時(shí)：風(fēng)速和風(fēng)向不變的風(fēng)持續(xù)作用在海面上的時(shí)間風(fēng)區(qū)：風(fēng)速和風(fēng)向不變的風(fēng)持續(xù)作用海域的范圍風(fēng)時(shí)風(fēng)區(qū)風(fēng)時(shí)（duration）：穩(wěn)定的風(fēng)持續(xù)吹送在海域的時(shí)間風(fēng)區(qū)（fetch）：穩(wěn)定的風(fēng)持續(xù)吹送的海域距離離岸風(fēng)時(shí),離岸近浪小,離岸遠(yuǎn),浪大一般而言，離岸浪比向岸浪的風(fēng)區(qū)要短。海岸離岸風(fēng)向岸風(fēng)風(fēng)區(qū)風(fēng)區(qū)表征風(fēng)浪成長(zhǎng)狀態(tài)的參量波齡：波浪傳播速度與風(fēng)速之比，波齡越大，代表風(fēng)浪越成長(zhǎng)波齡一般不大于1，最大不超過(guò)1.4無(wú)因次風(fēng)區(qū)和風(fēng)時(shí)：其值越大，代表風(fēng)浪越成長(zhǎng)，與波齡具有等效性風(fēng)浪的充分成長(zhǎng)狀態(tài)風(fēng)輸入給風(fēng)浪的能量與破碎耗散掉的能量達(dá)到平衡的狀態(tài)。此時(shí)風(fēng)浪停止成長(zhǎng)，與風(fēng)區(qū)和風(fēng)時(shí)無(wú)關(guān)。海浪波高的定義相鄰峰-谷法：定義為相鄰的峰、谷間的高度差，相鄰峰或谷對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度即為周期海浪波高的定義上（下）跨0點(diǎn)波高：相鄰上（下）跨0點(diǎn)的時(shí)間間隔定義為周期，兩0點(diǎn)之間的最大波峰與最小波谷間的高度差定義為波高有效波高和周期有效波高:將得到的波高從大到小排列，前1/3部分的大波的平均波高，稱為~

.有效周期:對(duì)應(yīng)的平均周期為~通常所說(shuō)的海浪波高，即為有效波高風(fēng)浪的生成機(jī)制較為公認(rèn)的以下兩種理論:

Phillips共振機(jī)制Miles剪切流不穩(wěn)定機(jī)制風(fēng)浪的生成機(jī)制Phillips共振機(jī)制具有隨機(jī)特性的風(fēng)形成的湍渦作用于海面，形成小波與平均風(fēng)速傳播速度相等的小波與風(fēng)之間形成共振而得以成長(zhǎng)，波動(dòng)振幅與時(shí)間成正比該機(jī)制可用來(lái)描述海浪的初始生成

風(fēng)浪的生成機(jī)制Miles剪切流不穩(wěn)定機(jī)制海面有波動(dòng)情況下海浪成長(zhǎng)的過(guò)程海面上的波動(dòng)自臨界高度汲取能量而得以成長(zhǎng)，振幅隨時(shí)間以e指數(shù)形式增大。臨界高度為風(fēng)速與波浪相速相等的高度該機(jī)制用來(lái)描述海浪的成長(zhǎng)風(fēng)力、風(fēng)浪等級(jí)表風(fēng)級(jí)

名稱

風(fēng)速(m)

陸地物象

海面波浪

浪高（米）

0

無(wú)風(fēng)

0.0-0.2

煙直上

平靜

0.0

1

軟風(fēng)

0.3-1.5

煙示風(fēng)向

微波峰無(wú)飛沫

0.1

2

輕風(fēng)

1.6-3.3

感覺(jué)有風(fēng)

小波峰未破碎

0.2

3

微風(fēng)

3.4-5.4

旌旗展開(kāi)

小波峰頂破裂

0.6

4

和風(fēng)

5.5-7.9

吹起塵土

小浪白沫波峰

1.0

5

勁風(fēng)

8.0-10.7

小樹(shù)搖擺

中浪折沫峰群

2.0

6

強(qiáng)風(fēng)

10.8-13.8

電線有聲

大浪到個(gè)飛沫

3.0

7

疾風(fēng)

13.9-17.1

步行困難

破峰白沫成條

4.0

8

大風(fēng)

17.2-20.7

折毀樹(shù)枝

浪長(zhǎng)高有浪花

5.5

9

烈風(fēng)

20.8-24.4

小損房屋

浪峰倒卷

7.0

10

狂風(fēng)

24.5-28.4

拔起樹(shù)木

海浪翻滾咆哮

9.0

11

暴風(fēng)

28.5-32.6

損毀普遍

波峰全呈飛沫

11.5

12

颶風(fēng)

32.7-

摧毀巨大

海浪滔天

14.0風(fēng)浪的分級(jí)風(fēng)浪的分級(jí)風(fēng)浪的充分成長(zhǎng)狀態(tài)風(fēng)浪成長(zhǎng)必要條件風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)海岸離岸風(fēng)向岸風(fēng)風(fēng)區(qū)風(fēng)區(qū)涌浪傳播變化：波高逐漸降低，波長(zhǎng)、周期逐漸變大，從而波速變快。原因：摩擦消耗及彌散作用、角散作用頻散（彌散）作用波速是頻率的函數(shù)，頻率越低波速越快。因此一群不同頻率的波在傳播過(guò)程中，低頻波逐漸與高頻波分離，這群波在空間上覆蓋的范圍越來(lái)越大。如果在遠(yuǎn)離這群波初始位置的點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)先觀測(cè)到低頻波然后觀測(cè)到高頻波。角散作用各分波傳播方向不同，在傳播中向各方向分散開(kāi)來(lái)。涌浪傳播——拍岸浪、先頭涌

涌浪傳播特點(diǎn)：速度快，距離長(zhǎng)（一般其波長(zhǎng)周期大于風(fēng)浪）。由于涌浪傳播的速度很快，常在風(fēng)暴系統(tǒng)到來(lái)之前先行到達(dá)，被稱之為先頭涌如果某地開(kāi)始觀測(cè)到周期很大而波高極小甚至極難察覺(jué)的涌浪到來(lái)，繼而周期逐漸變小，浪高繼續(xù)增大，則意味著風(fēng)暴可能向本地襲來(lái)。近岸的海浪波浪傳播到近岸時(shí)，周期變化不大，波高增大，波長(zhǎng)減小，最后到達(dá)海岸發(fā)生破碎近岸的浪：為何波峰線大致平行于海岸線？近岸海浪周期保守波速變小在深水為短波，波速與波長(zhǎng)有關(guān)

在淺水為長(zhǎng)波，波速與水深有關(guān)近岸的海浪——1波向轉(zhuǎn)折波浪傳播到近岸時(shí)，波速減小,波向轉(zhuǎn)折,波峰線逐漸與海岸線平行波的折射淺水波速:與深水波速不同波浪傳入近岸，由于水深變淺，波速變小，引起折射，使波向轉(zhuǎn)向垂直于海岸線方向近岸海浪波峰線大致平行于海岸線近岸海浪波向轉(zhuǎn)折——輻聚輻散波的折射——波速變小波向線向淺水方轉(zhuǎn)折海灣處輻散，海岬輻聚為什么港口總是建在灣里？海浪的輻聚和輻散海灣是海浪能量的輻散區(qū)海岬是海浪能量的輻聚區(qū)為什么港口總是建在灣里？近岸海浪——2波高變化海浪的折射海岬處，海浪輻聚，出現(xiàn)大浪海灣處，海浪輻散，波浪較小地形效應(yīng)水深淺波能聚集波高變大波峰高浪能區(qū)波浪折射侵蝕崖海岬海灣海灘波谷波向線低浪能區(qū)近岸海浪—3波浪破碎溢波卷波崩波近岸浪破碎類型溢波卷波崩波或潰波海浪破碎情況波浪傳到淺水波長(zhǎng)變短，波陡增大；海底摩擦；波峰、谷處相速不同，波面變形風(fēng)大,3級(jí)海況以上；淺灘、沙丘、暗礁。從波浪開(kāi)始破碎到岸邊沿海岸線的狹長(zhǎng)范圍，稱為~破碎后的海浪形成段波，繼續(xù)向海灘傳播近岸波浪破碎帶由段波攜帶的水體首先形成沿著海岸線流動(dòng)的沿岸流沿岸流以離岸流回流到海中。近岸浪——4沿岸流和離岸流沿岸流離岸流破碎帶近岸流離岸流離岸流強(qiáng)度大，最大流速可達(dá)1.5m/s,對(duì)游泳者比較危險(xiǎn)對(duì)泥沙輸運(yùn)有重要意義。對(duì)泥沙輸運(yùn)有重要意義離岸流對(duì)游泳者造成極大威脅！韓國(guó)海云臺(tái)突現(xiàn)離岸流143名游客被水流2012年8月4日韓國(guó)的高溫天氣吸引了80萬(wàn)游客來(lái)到韓國(guó)最有名的休養(yǎng)地——海云臺(tái)海水浴場(chǎng),在第5和第7瞭望臺(tái)之間出現(xiàn)一股巨大的離岸流，143名游客被水流卷走.離岸流又被稱為回卷流。水回流海中，速度很快，流速可高達(dá)每秒2米以上，每股的持續(xù)時(shí)間為兩三分鐘甚至更長(zhǎng)。離岸流?？蓪⒂斡菊邘щx岸邊66名游客被水流卷到70至80米以外的海域，在尋求救生員救助后，安全回到海灘。余40余名游客在午間時(shí)候被救。當(dāng)天晚間時(shí)候，救生員再次救回了最后的30余名游客。離岸流對(duì)游泳者造成極大威脅！大鵬半島附近多處海灘常有離岸流，它是近岸海域最大的奪命黑手，每年在海灘救生員所實(shí)施的救援案例中，絕大部分都是由離岸流造成的，一些遇險(xiǎn)者因此不幸溺亡?！耙斡?，在能夠沖浪的海灘，浪大到有人沖浪時(shí)，離海岸三四十米處的地方最危險(xiǎn)！”深圳救生員鄭暉救生員朱雄抓住即將卷入漩渦的泳客

大鵬海邊，沖浪愛(ài)好者借離岸流之力，可以輕松滑向深海。離岸流的間隔與破碎帶寬度成正比離岸流近岸浪——5反射和繞射波浪遇陡峭的海岸反射形成駐波。遇障礙物繞射，波高明顯減少。防波堤的效用近岸水域入射波與反射波疊加形成的棋盤(pán)狀波形海浪觀測(cè)浪高浪向定點(diǎn)海浪觀測(cè)觀測(cè)儀器懸線：測(cè)電容變化。懸線入水，電容變化量與進(jìn)水高度有關(guān)，訂正后得到波高。壓力式測(cè)波儀：波動(dòng)中壓力變化。儀器固定，壓力變化反應(yīng)波高變化。浮標(biāo)測(cè)波儀：測(cè)波面加速度變化（放在水面，跟隨波面測(cè)定波面的加速度變化）;另外還有聲學(xué)浮標(biāo)、微波波浪儀遙感：高度計(jì)（有效波高）、散射計(jì)、合成孔徑雷達(dá)（方向譜）、地波雷達(dá)（有效波高和波向）海浪觀測(cè)基地臺(tái)站：固定站位海上平臺(tái):搭建觀測(cè)平臺(tái)；借助石油平臺(tái)。船舶觀測(cè)：穩(wěn)定性差浮標(biāo)海浪觀測(cè)方式海浪研究方法實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)海上觀測(cè)實(shí)驗(yàn)理論研究譜分析方法（隨機(jī)性）波面方程（波動(dòng)特性）數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)海浪研究方法實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)：優(yōu)點(diǎn)易于控制，缺點(diǎn)是由于風(fēng)區(qū)的限制，其結(jié)果能否應(yīng)用于海上存在疑問(wèn)，這個(gè)問(wèn)題一直存在爭(zhēng)論。海上觀測(cè)實(shí)驗(yàn)：其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)實(shí)際浪場(chǎng)直接觀測(cè)，觀測(cè)精度相對(duì)也比較高，可以做長(zhǎng)期海上觀測(cè)，其缺點(diǎn)是海上平臺(tái)成本比較高，對(duì)儀器的可靠性要求比較高。多向不規(guī)則波造波機(jī)海浪研究方法實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)海上觀測(cè)實(shí)驗(yàn)理論研究譜分析方法（隨機(jī)性）波面方程（波動(dòng)特性）數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)海浪的隨機(jī)性與海浪譜由于海浪的隨機(jī)性，通常用海浪譜來(lái)描述海浪譜用來(lái)描述海浪能量依不同頻率的分布風(fēng)浪譜具有相似性，高頻域滿足隨著風(fēng)浪成長(zhǎng)（風(fēng)速增大或風(fēng)區(qū)增大），譜峰值增大，譜峰所對(duì)應(yīng)的頻率向低頻移動(dòng)海浪譜與波浪要素之間的關(guān)系海浪預(yù)報(bào)如何描述海浪？海浪譜描述海浪能量在不同頻率和方向上的分布物理海洋學(xué)家、我國(guó)海浪理論的奠基人文圣常院士海浪預(yù)報(bào)模式海浪能量平衡方程如何考慮波-波相互作用項(xiàng)成為模式劃分標(biāo)準(zhǔn)第一代預(yù)報(bào)模式（60-70年代初）：完全忽略第二代預(yù)報(bào)模式（70-80年代初）：間接計(jì)算第三代預(yù)報(bào)模式（1988年之后）：直接計(jì)算海浪譜隨時(shí)間變化海浪譜隨空間變化風(fēng)輸入項(xiàng)波-波相互作用項(xiàng)破碎耗散項(xiàng)海浪應(yīng)用航海工程：海浪破壞力和過(guò)水問(wèn)題。對(duì)建筑物的破壞力，單一大浪有限，嚴(yán)重的是波群，周期性持續(xù)拍擊，可能與共振有關(guān)