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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46.1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