第八章海浪觀測

1、第八第八章章 海浪觀測海浪觀測主要內(nèi)容主要內(nèi)容海浪概述海浪概述海浪基本要素海浪基本要素目測海浪目測海浪測波儀器簡介測波儀器簡介123Phillips共振共振機(jī)制機(jī)制Miles切切流不穩(wěn)定機(jī)制流不穩(wěn)定機(jī)制海浪是怎樣生成、發(fā)展的？海浪是怎樣生成、發(fā)展的？4nJohn Wilder Miles(1920.12.01-2008.10.20)1942本、本、1943碩、碩、1944博博1957發(fā)表波浪生成機(jī)制文章發(fā)表波浪生成機(jī)制文章nOwen Martin Phillips(1930.12.30-2010.10.13)1952本、本、1955博博1957發(fā)表波浪生成機(jī)制文章發(fā)表波浪生成機(jī)制文章概述概述n

2、 海洋中的波動(dòng)海洋中的波動(dòng)時(shí)間尺度：十分之幾秒時(shí)間尺度：十分之幾秒-幾天、幾個(gè)月、幾年幾天、幾個(gè)月、幾年空間水平尺度：幾厘米空間水平尺度：幾厘米-幾千千米幾千千米恢復(fù)力：表面張力、重力、科氏力恢復(fù)力：表面張力、重力、科氏力5n本章涉及的海浪指周期為幾秒到幾十秒的、風(fēng)能本章涉及的海浪指周期為幾秒到幾十秒的、風(fēng)能量傳輸給海面引起的波動(dòng)現(xiàn)象量傳輸給海面引起的波動(dòng)現(xiàn)象n海浪海浪觀測的主要對(duì)象：風(fēng)浪、觀測的主要對(duì)象：風(fēng)浪、涌浪涌浪6由由當(dāng)?shù)仫L(fēng)當(dāng)?shù)仫L(fēng)引起且引起且直到觀測時(shí)仍處于直到觀測時(shí)仍處于風(fēng)力作用下的海面風(fēng)力作用下的海面波浪波浪成長取決于成長取決于風(fēng)速風(fēng)速、風(fēng)區(qū)風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)風(fēng)時(shí)7u風(fēng)浪風(fēng)浪風(fēng)區(qū)風(fēng)區(qū)：速度

3、、方向基本恒定的風(fēng)：速度、方向基本恒定的風(fēng)在在一定時(shí)間一定時(shí)間內(nèi)所歷經(jīng)的海區(qū)長度內(nèi)所歷經(jīng)的海區(qū)長度風(fēng)時(shí)風(fēng)時(shí)：速度、方向基本恒定的風(fēng)：速度、方向基本恒定的風(fēng)所吹的時(shí)間所吹的時(shí)間8風(fēng)浪外形比較雜亂粗糙，有時(shí)伴有浪花和泡沫，風(fēng)浪外形比較雜亂粗糙，有時(shí)伴有浪花和泡沫，傳播方向大多與風(fēng)向一致傳播方向大多與風(fēng)向一致外形比較規(guī)則，波面比較光滑，周期大于原外形比較規(guī)則，波面比較光滑，周期大于原來風(fēng)浪周期，且隨傳播距離增加而逐漸增大來風(fēng)浪周期，且隨傳播距離增加而逐漸增大9u涌浪涌浪風(fēng)浪離開風(fēng)浪離開風(fēng)的作用區(qū)域風(fēng)的作用區(qū)域后，在風(fēng)力甚小或無后，在風(fēng)力甚小或無風(fēng)水域中依靠慣性維持的波浪風(fēng)水域中依靠慣性維持的波浪10

4、風(fēng)前風(fēng)前風(fēng)浪和涌浪在淺海傳播時(shí)，由于地形的影響，風(fēng)浪和涌浪在淺海傳播時(shí)，由于地形的影響，在海岸與島嶼附近常出現(xiàn)折射、繞射、反射、倒在海岸與島嶼附近常出現(xiàn)折射、繞射、反射、倒卷和破碎現(xiàn)象卷和破碎現(xiàn)象傳播過程中波向、波速、波形及其他性質(zhì)都在傳播過程中波向、波速、波形及其他性質(zhì)都在不斷發(fā)生變化不斷發(fā)生變化波峰守恒波峰守恒11能量巨大：船舶搖擺顛簸、船速減小、航向偏移，能量巨大：船舶搖擺顛簸、船速減小、航向偏移，沉船事故，對(duì)航海、捕撈和其他海上作業(yè)危害很大沉船事故，對(duì)航海、捕撈和其他海上作業(yè)危害很大破壞性強(qiáng)：沖擊海岸防護(hù)、港口碼頭、防波堤破壞性強(qiáng)：沖擊海岸防護(hù)、港口碼頭、防波堤泥沙泥沙搬運(yùn)：海港淤積、

5、航道變淺，影響船只進(jìn)出搬運(yùn)：海港淤積、航道變淺，影響船只進(jìn)出12n海浪觀測的重要性海浪觀測的重要性促進(jìn)混合：攪拌上下層海水，混合水層富營養(yǎng)化促進(jìn)混合：攪拌上下層海水，混合水層富營養(yǎng)化能源利用：海浪發(fā)電能源利用：海浪發(fā)電1314日本三菱重工建造的集裝箱船“mol comfort”號(hào)，事故是由“惡劣天氣使船舶從中部斷裂，海水進(jìn)入貨艙”造成的。事故發(fā)生海域當(dāng)時(shí)有高達(dá)6米的強(qiáng)浪15災(zāi)害性海浪畸形波災(zāi)害性海浪畸形波(freak wave)16觀測項(xiàng)目：海面狀況、波型、波向、周期、波高觀測項(xiàng)目：海面狀況、波型、波向、周期、波高利用觀測值計(jì)算：波長、波速、部分大波波高利用觀測值計(jì)算：波長、波速、部分大波波高

6、觀測方式：目測、儀器測量觀測方式：目測、儀器測量(波高、波向、周期波高、波向、周期)觀測時(shí)間：觀測時(shí)間：連續(xù)站：每連續(xù)站：每3小時(shí)一次，小時(shí)一次，2、5、8、11、14、17、20、23時(shí)觀測時(shí)觀測大面站：船到站即觀測大面站：船到站即觀測同時(shí)應(yīng)觀測風(fēng)速、風(fēng)向、水深同時(shí)應(yīng)觀測風(fēng)速、風(fēng)向、水深17n海浪觀測的主要項(xiàng)目海浪觀測的主要項(xiàng)目觀測風(fēng)浪觀測風(fēng)浪和涌浪的波面時(shí)空分布及其外貌特征和涌浪的波面時(shí)空分布及其外貌特征188.1 海浪的基本要素海浪的基本要素一、海浪的基本要素一、海浪的基本要素19波長波長/ /波數(shù)波數(shù)周期周期/ /頻率頻率振幅振幅波高波高波速波速波陡波陡：波高：波高/ /波長，表示波形

7、陡峭的程度波長，表示波形陡峭的程度波齡波齡：波速：波速/ /風(fēng)速，表示波浪發(fā)展程度的量；風(fēng)速，表示波浪發(fā)展程度的量；波浪初期小，隨波浪成長逐漸增大波浪初期小，隨波浪成長逐漸增大諧波諧波振幅振幅波高波高波長波長海面描述海面描述Longuet-Higgins20不同頻率波的合成不同頻率波的合成21海面合成海面合成復(fù)雜的實(shí)際海面復(fù)雜的實(shí)際海面22上跨零點(diǎn)、下跨零點(diǎn)上跨零點(diǎn)、下跨零點(diǎn)顯著波峰、波谷顯著波峰、波谷海浪統(tǒng)計(jì)特征海浪統(tǒng)計(jì)特征23實(shí)際海面雜亂無章，同時(shí)存在各種尺度的波浪，實(shí)際海面雜亂無章，同時(shí)存在各種尺度的波浪，無法精確描述無法精確描述1111NiiNiiHHNTTN在海上固定點(diǎn)連續(xù)觀測到在海

8、上固定點(diǎn)連續(xù)觀測到N個(gè)波個(gè)波高和周期記錄高和周期記錄平均波高：所有波高的平均值平均波高：所有波高的平均值平均周期：所有周期的平均值平均周期：所有周期的平均值平均波高、平均周期平均波高、平均周期24將海上將海上固定點(diǎn)連續(xù)觀測固定點(diǎn)連續(xù)觀測到的到的N個(gè)波高和周期記個(gè)波高和周期記錄錄，按按波高或周期由大到小波高或周期由大到小排列排列1/p部分大波的平均波高：總個(gè)數(shù)的部分大波的平均波高：總個(gè)數(shù)的1/p個(gè)個(gè)大波大波波高的平均值，簡稱為波高的平均值，簡稱為1/p部分大波波高，常用：部分大波波高，常用：1/10、1/3(有效波高有效波高)/10/101/101/1011/3/31/31/3111010,33

9、,NNjjjjNNjjjjHH TTNNHH TTNNTj：與：與Hj對(duì)應(yīng)的波的周期對(duì)應(yīng)的波的周期1/p部分大波的平均波高部分大波的平均波高251/p部分大波的平均波高、周期與平均波高、周期關(guān)系部分大波的平均波高、周期與平均波高、周期關(guān)系1/101/101/31/31/101/31/3,1.141.31 ,1.15HKHHKHTTTTT二、周期、波長和波速二、周期、波長和波速26一個(gè)波的波長一個(gè)波的波長L、波速、波速C與周期與周期T的關(guān)系的關(guān)系22222gTdLthLgTdCthL水深水深d=L/2時(shí)：時(shí)：20022gTLgTC三、波向和波峰線三、波向和波峰線27波向：波浪波向：波浪傳來傳來的

10、方向的方向波峰線：垂直于波向的波峰連線波峰線：垂直于波向的波峰連線28四、海浪譜四、海浪譜一維海浪譜一維海浪譜二維海浪譜二維海浪譜298.2 目測海浪目測海浪目測海浪時(shí)，觀測員應(yīng)站在目測海浪時(shí)，觀測員應(yīng)站在船只迎風(fēng)面船只迎風(fēng)面，以離，以離船身船身30 m(或船長一半或船長一半)以外的海面作為觀測區(qū)域以外的海面作為觀測區(qū)域30觀測內(nèi)容：觀測內(nèi)容： 海況海況 波型波型 波波向向 周期周期 波高波高一、海面狀況一、海面狀況(海況海況)觀測觀測31海況海況等級(jí)等級(jí)海面征狀海面征狀波高范波高范圍圍(m)0海面光滑如鏡，或僅有涌浪存在海面光滑如鏡，或僅有涌浪存在01波紋或涌浪和小波紋同時(shí)存在波紋或涌浪和小

11、波紋同時(shí)存在0-0.12波浪很小，波峰開始破裂，浪花不顯白色而僅呈玻璃色波浪很小，波峰開始破裂，浪花不顯白色而僅呈玻璃色0.1-0.53 3波浪不大，但很觸目，波峰破碎；有些地方形成白色浪花波浪不大，但很觸目，波峰破碎；有些地方形成白色浪花( (白浪白浪) )0.5-1.254波浪具有明顯的形狀，到處形成白浪波浪具有明顯的形狀，到處形成白浪1.25-2.55 5出現(xiàn)高大波峰，浪花占了波峰上很大面積，風(fēng)開始削去波峰上的浪花出現(xiàn)高大波峰，浪花占了波峰上很大面積，風(fēng)開始削去波峰上的浪花2.5-4.06波峰上被風(fēng)削去的浪花，開始沿著波浪斜面伸長成帶狀，波峰出現(xiàn)風(fēng)波峰上被風(fēng)削去的浪花，開始沿著波浪斜面伸

12、長成帶狀，波峰出現(xiàn)風(fēng)暴波的長波形狀暴波的長波形狀4.0-6.07 7風(fēng)削去的浪花布滿了波浪斜面，有些地方到達(dá)波谷，波峰上布滿浪花風(fēng)削去的浪花布滿了波浪斜面，有些地方到達(dá)波谷，波峰上布滿浪花層層6.0-9.08稠密的浪花布滿波浪斜面，海面變成白色，只有波谷有些地方?jīng)]有浪稠密的浪花布滿波浪斜面，海面變成白色，只有波谷有些地方?jīng)]有浪花花9.0-14.09 9整個(gè)海面布滿稠密的浪花層，空氣中充滿水滴和飛沫，能見度顯著降整個(gè)海面布滿稠密的浪花層，空氣中充滿水滴和飛沫，能見度顯著降低低14.0海況：在風(fēng)力作用下的海面外貌特征海況：在風(fēng)力作用下的海面外貌特征3233二、波型觀測二、波型觀測1. 波型波型風(fēng)浪

13、：波型極其不規(guī)則，風(fēng)浪：波型極其不規(guī)則，背風(fēng)面較陡，迎風(fēng)面較平背風(fēng)面較陡，迎風(fēng)面較平緩，波峰較大，波峰線較緩，波峰較大，波峰線較短，短，45級(jí)風(fēng)時(shí)，波峰翻級(jí)風(fēng)時(shí)，波峰翻倒破碎，出現(xiàn)白浪，波向倒破碎，出現(xiàn)白浪，波向一般與平均風(fēng)向一致，有一般與平均風(fēng)向一致，有時(shí)偏離平均風(fēng)向時(shí)偏離平均風(fēng)向20左右左右涌浪：波型較規(guī)則，涌浪：波型較規(guī)則，波波面平坦圓滑面平坦圓滑，波峰線較長，波峰線較長，無破碎現(xiàn)象無破碎現(xiàn)象波型為風(fēng)浪時(shí)記波型為風(fēng)浪時(shí)記F波型為涌浪時(shí)記波型為涌浪時(shí)記U風(fēng)浪、涌浪并存且具備原有的外貌特征時(shí)：風(fēng)浪、涌浪并存且具備原有的外貌特征時(shí)：風(fēng)浪、涌浪波高相差不多時(shí)記風(fēng)浪、涌浪波高相差不多時(shí)記FU風(fēng)浪波

14、高大于涌浪波高時(shí)記風(fēng)浪波高大于涌浪波高時(shí)記F/U風(fēng)浪波高小于涌浪波高時(shí)記風(fēng)浪波高小于涌浪波高時(shí)記U/F342. 波型記法波型記法三、三、 波向觀測波向觀測35用羅經(jīng)的方位儀，用羅經(jīng)的方位儀，使其瞄準(zhǔn)線平行于使其瞄準(zhǔn)線平行于離船較遠(yuǎn)的波峰線，離船較遠(yuǎn)的波峰線，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)90后，使其后，使其對(duì)著波浪的來向?qū)χɡ说膩硐?，羅經(jīng)刻度盤的度數(shù)羅經(jīng)刻度盤的度數(shù)即為波向即為波向海面無波或波向不明時(shí)，記海面無波或波向不明時(shí)，記C風(fēng)浪、涌浪同時(shí)存在時(shí)，波向分別觀測風(fēng)浪、涌浪同時(shí)存在時(shí)，波向分別觀測波向分波向分16個(gè)方位個(gè)方位36用羅經(jīng)的方位儀，用羅經(jīng)的方位儀，使其瞄準(zhǔn)線平行使其瞄準(zhǔn)線平行于離船較遠(yuǎn)的波于離船較遠(yuǎn)的

15、波峰線，轉(zhuǎn)動(dòng)峰線，轉(zhuǎn)動(dòng)90后，使其后，使其對(duì)著波對(duì)著波浪的來向浪的來向，羅經(jīng)，羅經(jīng)刻度盤的度數(shù)即刻度盤的度數(shù)即為波向?yàn)椴ㄏ蚝Ｃ鏌o波或波向不明時(shí)，記海面無波或波向不明時(shí)，記C風(fēng)浪、涌浪同時(shí)存在時(shí)，波向分別觀測風(fēng)浪、涌浪同時(shí)存在時(shí)，波向分別觀測1. 周期的觀測周期的觀測觀測員手持秒表，注視隨海面浮動(dòng)的某一標(biāo)志觀測員手持秒表，注視隨海面浮動(dòng)的某一標(biāo)志物物(波長大于船長時(shí)，應(yīng)以船身為標(biāo)志物波長大于船長時(shí)，應(yīng)以船身為標(biāo)志物)當(dāng)一個(gè)顯著的波的波峰經(jīng)過此物時(shí)，啟動(dòng)秒表，當(dāng)一個(gè)顯著的波的波峰經(jīng)過此物時(shí)，啟動(dòng)秒表，待相鄰的波峰再經(jīng)過此物時(shí)，關(guān)閉秒表待相鄰的波峰再經(jīng)過此物時(shí)，關(guān)閉秒表記錄時(shí)間即為波的周期記錄時(shí)間即

16、為波的周期2. 平均周期的觀測平均周期的觀測測量測量11個(gè)波峰經(jīng)過某一標(biāo)志物的時(shí)間，測量三個(gè)波峰經(jīng)過某一標(biāo)志物的時(shí)間，測量三次，結(jié)果相加除以次，結(jié)果相加除以30，即為平均周期，即為平均周期兩次測量的時(shí)間間隔不得超過兩次測量的時(shí)間間隔不得超過1分鐘分鐘37四、四、 周期和平均周期的觀測周期和平均周期的觀測根據(jù)觀測得到的平均周期，計(jì)算根據(jù)觀測得到的平均周期，計(jì)算100個(gè)波個(gè)波浪所需的時(shí)間浪所需的時(shí)間(100平均周期平均周期)在此時(shí)間內(nèi)，目測在此時(shí)間內(nèi)，目測15個(gè)顯著波個(gè)顯著波(較大的、較大的、發(fā)展完好的波浪發(fā)展完好的波浪)的波高的波高取取15個(gè)波中個(gè)波中10個(gè)較大的波高的平均值作為個(gè)較大的波高的平

17、均值作為1/10部分大波波高部分大波波高利用利用1/10大波波高查波級(jí)表得波級(jí)大波波高查波級(jí)表得波級(jí)38五、五、 部分大波波高的觀測部分大波波高的觀測39波級(jí)波級(jí)波級(jí)波級(jí)波高范圍波高范圍(m)海浪名稱海浪名稱000無浪1H1/30.1H1/100.1微浪20.1H1/30.50.1H1/100.5小浪30.5H1/31.250.5H1/101.5輕浪41.25H1/32.51.5H1/103.0中浪52.5H1/34.03.0H1/105.0大浪64.0H1/36.05.0H1/107.5巨浪76.0H1/39.07.5H1/1011.5狂浪89.0H1/314.011.5H1/1018.0狂

18、濤9H1/314.0H1/1018.0怒濤將觀測到的周期代入波長、波速公式將觀測到的周期代入波長、波速公式4022222gTdLthLgTdCthL20022gTLgTC淺水淺水深水深水六、六、 波長和波速的計(jì)算波長和波速的計(jì)算418.3 測波儀器簡介測波儀器簡介一、波浪騎士浮標(biāo)一、波浪騎士浮標(biāo)42提供二維方向譜等統(tǒng)提供二維方向譜等統(tǒng)計(jì)信息計(jì)信息利用衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)利用衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)1. 基本原理基本原理采用重力加速度原理進(jìn)采用重力加速度原理進(jìn)行波浪測量行波浪測量波浪浮標(biāo)隨波面變化作波浪浮標(biāo)隨波面變化作升沉運(yùn)動(dòng)，浮標(biāo)內(nèi)的垂升沉運(yùn)動(dòng)，浮標(biāo)內(nèi)的垂直加速度計(jì)輸出一個(gè)反直加速度計(jì)輸出一個(gè)反映波面升沉運(yùn)動(dòng)的變化映波面升沉運(yùn)動(dòng)的變化信號(hào)，處理后可得到波信號(hào)，處理后可得到波高的各種特征值及其對(duì)高的各種特征值及其對(duì)應(yīng)的周期應(yīng)的周期43二、二、SZF2-1型測波儀型測波儀1小時(shí)定時(shí)測量小時(shí)定時(shí)測量浮標(biāo)在每天浮標(biāo)在每天24個(gè)整時(shí)進(jìn)行測量個(gè)整時(shí)進(jìn)行測量浮標(biāo)內(nèi)的傳感器在正點(diǎn)前的浮標(biāo)內(nèi)的傳感器在正點(diǎn)前的21分鐘加電，傳分鐘加電，傳感器通電后穩(wěn)定感器通電后穩(wěn)定3分鐘，工作分鐘，工作17分鐘，發(fā)射機(jī)分鐘，發(fā)射機(jī)工作工作1分鐘，之后斷電分鐘，之后斷電442. 工作方式工