海洋科學(xué)導(dǎo)論-第四章

1、海洋運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，波浪，海流和潮汐湍流，第4章，海洋中的波浪現(xiàn)象，學(xué)習(xí)目的波浪現(xiàn)象是海水的基本運(yùn)動(dòng)形式之一。海洋波動(dòng)的基本特征是水質(zhì)點(diǎn)周期性和準(zhǔn)周期性地遠(yuǎn)離平衡位置。由于流體的連續(xù)性，波態(tài)隨時(shí)間和空間周期性傳播。海洋的實(shí)際波動(dòng)是復(fù)雜的。了解海洋波浪現(xiàn)象的規(guī)律、成因和發(fā)展，有助于我們更好地適應(yīng)和利用海洋波浪。第4章，海洋中的波浪現(xiàn)象，第1節(jié)，波浪要素和分類，第2節(jié)，波動(dòng)的基本特征，第3節(jié)，有限振幅波，第4節(jié)，風(fēng)浪和浪涌，第5節(jié)，淺海和沿海波浪，第6節(jié)，海洋風(fēng)浪的基本情況，第1節(jié)，波浪要素和分類，第1節(jié)，波浪要素， 波峰高于平衡平面波谷的頂部，波谷低于平衡平面波谷的最低點(diǎn)，波高(h)，相鄰波峰與波谷之

2、間的垂直距離，振幅(a)，波高的一半，波高，波長()，相鄰波峰(或波谷)之間的水平距離。 單位：米、波長、波陡度(H)/理論極限：1/7周期(t)，波通過固定點(diǎn)的時(shí)間。單位：以秒為單位的波速(c)波形向前移動(dòng)的速度。C=/T單位：米/秒，波峰線與波峰的連線。波向線和波峰線相互垂直，代表波的傳播方向。波峰線，波向線，2。波形表示1。平均波高、n:波高總數(shù)I:根據(jù)大小排列的波高的階數(shù)，海面波高的平均狀態(tài)，2。均方根波高，Hs=，反映波能的平均狀態(tài)，3。一些大波浪的平均波高，重要或特別重要的部分波浪，H1/1000 H1/3=，最常用的波高在國際和國內(nèi)船舶報(bào)告和波浪和預(yù)報(bào)圖表中，最大波高是1/3，1

3、/10和1/100，波位表，0-5，波弗特風(fēng)位和波況，三。波浪分類1。根據(jù)成因：1)海浪：波由風(fēng)產(chǎn)生深水區(qū)：傳播速度快T:分鐘-分鐘：數(shù)百公里H:米：約10-5。波長大的波形不容易坍塌，靠近淺水區(qū)，波高增加。4)風(fēng)暴潮熱帶氣旋引起局部海面振蕩或不定期異常上升(下降)。別名：氣象海嘯，結(jié)合天文潮汐，水位飆升；5)內(nèi)波流體密度垂直分布分層時(shí)外力擾動(dòng)引起的波動(dòng)。相同能量產(chǎn)生的內(nèi)波振幅大于海面波振幅。海面上海水的上升需要克服重力，重力和浮力幾乎是相互抵消的。海洋內(nèi)波的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)以及由內(nèi)波引起的混合，特別是跨越躍床的混合，有利于物質(zhì)和能量的輸送，對(duì)海洋環(huán)境和生態(tài)保護(hù)具有重要作用。它能反復(fù)將深而冷的海水

4、和營養(yǎng)物質(zhì)帶到溫暖的淺層，促進(jìn)生物的生存和繁殖。海洋內(nèi)波的優(yōu)缺點(diǎn)增加了水下通信和目標(biāo)探測的難度，有利于聲納探測水深和魚類資源。海洋內(nèi)波的利弊將導(dǎo)致潛艇的不可操作性和魚雷離靶近海平臺(tái)的破壞。1963年4月10日，美國核潛艇“長尾鯊”在距波士頓港350公里的大西洋上突然沉沒，船上129人遇難。后來，他們沉入海底，2。根據(jù)波形的傳播特性：1)。前進(jìn)波：波形連續(xù)向前傳播的波。駐波波形不向前傳播，而只是波峰和波谷在固定點(diǎn)不斷交替上升和下降的波。3.根據(jù)水深的相對(duì)波長：1)深水波深h很大相對(duì)波長h/1/2-深水波邊界2)淺水波深h/1/20-淺水波邊界很小相對(duì)波長1)毛細(xì)波恢復(fù)力表面張力波波長1.74厘米

5、，圓形波峰和v形波谷表面張力波2，重力波恢復(fù)力重力正弦曲線峰尖，波谷圓形，4，根據(jù)主波恢復(fù)力，5。根據(jù)作用力的影響，1)自由波的外力消失，波繼續(xù)存在并自由振動(dòng)。2)受迫波的連續(xù)作用產(chǎn)生的波干擾了力。第二節(jié)，波動(dòng)的基本特征，小振幅波理論，有限振幅波理論，振幅相對(duì)于波長是有限的。1.水質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)和波形傳播的傳播：在同一波面上水質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)一次，一個(gè)波長水質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)一次的時(shí)間=周期T水質(zhì)點(diǎn)軌道=波高H水質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)速度S=H/T、30、2。波長、周期、波速和水深之間的關(guān)系，C2=，C:波速，g:重力加速度，波長，水深。1)已知TC=1.56t=1.56t2)已知3)已知TC=0.64C=0.64c2，2)淺水

6、波，c=，c僅取決于h，3)波動(dòng)隨深度變化1)深水波振幅a=a0e-2z/a0:波高的表面指數(shù)律減小，表面波隨深度增加，波高線性減小，水質(zhì)點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)上下一致。2，淺水波，4，波陣面方向單位寬度的波動(dòng)能量：Ep=1/16gH2，單位寬度的動(dòng)能：Ek=1/16gH2，總能量：E=Ep Ek=1/8 Gh2=1/2 Gh2，能量轉(zhuǎn)移率：P=1/2EC，能量的一半隨波速而變化。單波=100米，H=1.414m米，復(fù)合波1-=100米，H=1米，波2-=80米，H=1米，夾角：60，單波： HMAX=1.414m米，復(fù)合波3360hmax=2m米，波能密度、5兩列傳播方向相同，疊加波長和周期略有不同。

7、群速度Cg:由復(fù)合波群包絡(luò)表示的波形傳播速度。深水波：群速度是單個(gè)波速度的一半。Cg=1/2C淺水波：群速度等于單個(gè)波速。Cg=C，2。兩列駐波的振幅、波長和周期相同，波向相反的正弦波疊加形成波形不傳播、波面只原地振動(dòng)的波。1=asin(kx-t)2=asin(kx-t)，合成波：=2acostsinkx，振幅2a-波腹，(n=0，1，2)，(n=0，1，特征：兩個(gè)相鄰波腹或波節(jié)之間的水平距離為1/2波長。波腹處的水質(zhì)點(diǎn)只能垂直移動(dòng)。當(dāng)水質(zhì)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)時(shí)，它們僅在節(jié)點(diǎn)和波腹之間的點(diǎn)水平移動(dòng)。水平和垂直速度都有。當(dāng)波面處于最高和最低位置時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)速度為0，波面垂直速度為0；當(dāng)波面處于水平位置時(shí)，速

8、度的絕對(duì)值最大，波面上升和下降最快。斯托克斯波的波形類似于擺線：波峰陡而窄，波谷平緩而寬。水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)中心高于平均水位。2。波速和波高。3。水質(zhì)點(diǎn)的軌跡接近一個(gè)圓，在一個(gè)周期內(nèi)不是封閉的。波浪感生流的水質(zhì)點(diǎn)在水平方向產(chǎn)生凈位移，導(dǎo)致海水沿波浪方向流動(dòng)。水平運(yùn)動(dòng)速度：Z:從水面向下的深度穿過單位波峰線的寬度，從水面到波浪消失的地方，單位時(shí)間內(nèi)海流輸送的海水量為：4.Ek Ep波的能量。5.破浪原因1。波峰：水質(zhì)點(diǎn)的前進(jìn)速度和波速。2.波面上的水分子在垂直方向加速，水分子脫離波面。理論上，波陡度為1/7(峰角為120)。實(shí)際觀察：當(dāng)它是1/10時(shí)，峰值將被打破。第四節(jié)。風(fēng)浪和涌浪1。風(fēng)浪的發(fā)生、發(fā)

9、展和衰減。流體力學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為風(fēng)浪形成不一致的風(fēng)壓：原始接觸界面變成不穩(wěn)定的平衡面，為了保持平衡必須形成一定的波浪界面。(1)剪切應(yīng)力：與風(fēng)速(u)成正比，(1，2，2)風(fēng)浪的發(fā)展(a)能量氣流與海面之間的摩擦力，風(fēng)對(duì)海面的作用力，(2)正壓：與風(fēng)速(u)與波速(c)之差的平方成正比。U=C:波浪受兩個(gè)分量的影響：法向壓力和剪切應(yīng)力，cU:波浪受剪切應(yīng)力的影響，B:能量消耗摩擦消耗峰值傾覆釋放能量，C:能量輸入=消耗風(fēng)浪在此風(fēng)速下穩(wěn)定形成最大風(fēng)浪，3:風(fēng)浪消失，空氣阻力將海底摩擦力的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，能量消耗，U=0，能量不輸入，2。影響風(fēng)浪產(chǎn)生、發(fā)展和衰減的因素。風(fēng)速越大，波要素(波高、波長、周期和

10、波速)越大；2.風(fēng)時(shí)間t:相同風(fēng)速和風(fēng)向的風(fēng)持續(xù)作用的時(shí)間，風(fēng)向周圍30范圍內(nèi)風(fēng)持續(xù)吹動(dòng)的時(shí)間，波浪要素越大；3.風(fēng)區(qū)f:風(fēng)速和風(fēng)向相同的海域。風(fēng)區(qū)長度：從風(fēng)區(qū)的上邊緣(風(fēng)開始的地方)到風(fēng)向某一點(diǎn)的距離。風(fēng)距風(fēng)距越大，波浪要素越多。4.海洋深度，地形，海岸線形狀。3.風(fēng)浪增長狀態(tài)及其判斷標(biāo)準(zhǔn)(深水波)。1.穩(wěn)態(tài)：海面上各點(diǎn)的波浪要素趨于穩(wěn)定，但各點(diǎn)的值并不相等。風(fēng)的距離越大，波浪越大。穩(wěn)態(tài)，2，過渡狀態(tài)：海面上各點(diǎn)的波浪要素相同并隨時(shí)間增加而增加的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)，過渡狀態(tài)，3。判斷風(fēng)浪狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)：1)最小風(fēng)時(shí)間(tmin):在一定風(fēng)速下，給定的風(fēng)區(qū)長度內(nèi)，最大風(fēng)浪(達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))所需的時(shí)間。實(shí)際風(fēng)

11、中的最小風(fēng)時(shí)間，tmin，穩(wěn)態(tài)，實(shí)際風(fēng)中的最小風(fēng)時(shí)間，過渡狀態(tài)，2)特定風(fēng)速下的最小風(fēng)區(qū)(Fmin)，在給定風(fēng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生最大風(fēng)浪所需的風(fēng)區(qū)長度。實(shí)際風(fēng)區(qū)最小風(fēng)區(qū)，F(xiàn)min，穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際風(fēng)區(qū)最小風(fēng)區(qū)，過渡狀態(tài)，風(fēng)距，風(fēng)浪達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，風(fēng)浪達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的風(fēng)時(shí)間和風(fēng)距。原因：風(fēng)傳遞給風(fēng)浪的能量與波高成正比。渦旋運(yùn)動(dòng)消耗的能量與波高的三次方或四次方成正比。能量平衡處于完全增長狀態(tài)。4。風(fēng)浪的全增長狀態(tài)，實(shí)際風(fēng)距和風(fēng)時(shí)分別為Fmin和tmin，全增長風(fēng)浪的風(fēng)速、風(fēng)時(shí)和風(fēng)距關(guān)系表隨風(fēng)速變化。在生長初期，淺水和深水之間沒有顯著差異。隨著風(fēng)浪的增加，差異變大，深度越小，差異越大。在淺水中，風(fēng)和浪往往會(huì)

12、迅速增長。5.在淺水中，風(fēng)浪增長的平均深度很小。4.浪涌高度降低的原因如下：1 .海水渦流粘度和空氣阻力；2.分散；3.角色散；4.重力；能源消耗，能源幾乎不變；在浪涌傳播期間，波高減小，波速、波速減小。E=1/8gH2，第5節(jié)，淺海和近岸波1。波浪折射，平海岸：E，F(xiàn)，h0 h1，h0 h1，等深線外，等深線內(nèi)，a，c，0，b，d，1，c0=C1，0=1，波浪方向不變。C0 c1，01，波的方向改變并折射，C0C1，波首先到達(dá)岬角，海灣處的波仍以原來的速度前進(jìn)，波峰線向海灣凹去。海港海岸2號(hào)。波高變化。在淺水區(qū)，海底摩擦波能量重新分布，波高減小，波高增大。在淺水中，T為常數(shù)，C為能量損失、彎

13、曲海岸，波向線會(huì)聚于：岬角，波能集中，波高增大，波能分散，波高減小。第三，波浪破碎。原因是能量被重新分配。在淺海中，傳播速度為：波峰超過波谷，導(dǎo)致波浪翻滾破碎。2。波浪破碎的位置，1)位置：不平坦、粗糙或陡峭的海床，2H，水深，非常平緩的海床，2)波浪在海岸附近破碎的區(qū)域，具有臨界水深，2)波浪在海岸附近破碎的區(qū)域，在高潮和低潮時(shí)具有不同的波浪高度和不同的水深，并改變臨界水深的位置，3。2)平緩海岸遠(yuǎn)離海岸，波形和陡度達(dá)到很大值，導(dǎo)致第一次失敗。適應(yīng)新深度的波浪繼續(xù)降落，第二個(gè)損害發(fā)生在水深等于波浪的高度。然后它被摧毀了很多次，最后的毀滅發(fā)生在離吃水線不遠(yuǎn)的地方。3)陡峭的巖石堤岸直接在陡峭的堤岸或直立的懸崖上破碎，造成極強(qiáng)的沖擊和濺射；4.波浪破碎的類型1)。洞穴頂部的碎浪：濺有泡沫的水線以波浪速度向前移動(dòng)，波高向前逐漸減小。2)。翻滾破波：波形被完全破壞，波峰隨著整個(gè)水塊向前翻滾，形成一個(gè)大氣囊。3)分散破碎波的波峰先陡