第四章 海浪觀測

1、第四章第四章 海浪觀測與海浪譜海浪觀測與海浪譜2013/03/27l 巨浪可引起海上船舶傾覆、折斷和觸礁，摧毀海上平臺，對海上運輸和施工、漁業(yè)捕撈、海上軍事活動等帶來很大的災(zāi)害。l 巨浪可摧毀沿海的堤岸、海塘、碼頭、海水養(yǎng)殖設(shè)施等各類海工建筑物。海浪對沿岸工程設(shè)施的破壞往往是毀滅性的，巨浪來襲可能會破壞整個港口的設(shè)施。據(jù)測量，近岸浪對海岸的壓力，可達到每平方米3050噸。據(jù)記載，在一次大風暴中，巨浪曾把1370噸重的混凝土塊移動了10米，20噸的重物也被它從4米深的海底拋到了岸上。巨浪沖擊海岸能激起60-70米高的水柱。 l 此外，海浪有時還會攜帶大量泥沙進入海港、航道，造成淤塞等災(zāi)害。l海浪

2、促進海水上下層混合，使混合后水層富有氧氣，滿足海中魚類和其他動植物需要；l波浪發(fā)電；葡萄牙的“海蛇”海浪發(fā)電站世界首座商用波浪能發(fā)電廠 預(yù)備知識l波動產(chǎn)生的條件：波動產(chǎn)生的條件： 平衡狀態(tài)、擾動力、恢復(fù)力平衡狀態(tài)、擾動力、恢復(fù)力l波浪的擾動力、恢復(fù)力？1965 年 Kinsman 根據(jù)波浪周期，結(jié)合主要擾動力與回復(fù)力來劃分海洋波浪的類型，給出其能量的近似分布（如下圖）。海洋工程考慮的主要荷載：周期處于 4 16s內(nèi)的重力波。 形成原因：風浪、涌浪、近岸浪、內(nèi)波、潮汐波、海嘯、風暴潮。形成原因：風浪、涌浪、近岸浪、內(nèi)波、潮汐波、海嘯、風暴潮。 l風浪風浪： 由風直接作用而引起的水面波動稱為風浪。

3、由風直接作用而引起的水面波動稱為風浪。l涌浪涌浪： 由其他海區(qū)傳來的波浪或由于當?shù)氐娘L力急劇減小、風向改由其他海區(qū)傳來的波浪或由于當?shù)氐娘L力急劇減小、風向改變或風平息后遺留的波浪均稱涌浪。變或風平息后遺留的波浪均稱涌浪。l近岸浪：風浪或涌浪傳至淺水或近岸區(qū)后，因受地形影響發(fā)生一系列近岸浪：風浪或涌浪傳至淺水或近岸區(qū)后，因受地形影響發(fā)生一系列變化。變化。l內(nèi)波：內(nèi)波： 不同密度的水層界面處而產(chǎn)生的波動。不同密度的水層界面處而產(chǎn)生的波動。l潮汐波：由于天體引潮力作用所產(chǎn)生的波動。潮汐波：由于天體引潮力作用所產(chǎn)生的波動。l海嘯：海嘯： 由于海底或海岸附近發(fā)生的地震或火山爆發(fā)所形成的波動。由于海底或海

4、岸附近發(fā)生的地震或火山爆發(fā)所形成的波動。l風暴潮：由于氣象原因，如臺風，強風暴等引起的海面異常升高現(xiàn)象。風暴潮：由于氣象原因，如臺風，強風暴等引起的海面異常升高現(xiàn)象。l風浪的產(chǎn)生：風浪的產(chǎn)生：共振理論共振理論、剪流理論剪流理論 l所謂所謂共振理論共振理論，是指因自然界的風具有紊流特征，當風，是指因自然界的風具有紊流特征，當風吹行于水面時，后者受到的正壓力不均勻，從而產(chǎn)生水吹行于水面時，后者受到的正壓力不均勻，從而產(chǎn)生水面起伏，形成初始的水面波動。當壓力和波動中同頻率面起伏，形成初始的水面波動。當壓力和波動中同頻率的成分間發(fā)生共振時，該頻率的波動成分隨時間增大，的成分間發(fā)生共振時，該頻率的波動成

5、分隨時間增大，此即風浪通過共振機制生成的概念。此即風浪通過共振機制生成的概念。l共振理論共振理論解釋了波浪的最初形成和成長過程。解釋了波浪的最初形成和成長過程。 l剪流理論剪流理論是將風對水面的作用力分為兩部分：風與水面是將風對水面的作用力分為兩部分：風與水面間的間的切應(yīng)力切應(yīng)力 以及風作用在波浪迎風面上的法向以及風作用在波浪迎風面上的法向正壓力正壓力 N 。切應(yīng)力。切應(yīng)力 與風速與風速 u 成正比，因為水質(zhì)點主要在原地成正比，因為水質(zhì)點主要在原地做振蕩運動，波速做振蕩運動，波速 C 是位相速度，故是位相速度，故 與與 C無關(guān)。無關(guān)。 N 使使波浪的迎風面和背風面形成壓力差，故其大小與（波浪的

6、迎風面和背風面形成壓力差，故其大小與（ UC ）成正比。）成正比。 風對水面的作用力風對水面的作用力 l在在 U C 的整個期間，由于的整個期間，由于 和和 N 的作用，風將能量不的作用，風將能量不斷傳給水體，使斷傳給水體，使波浪不斷發(fā)展波浪不斷發(fā)展，波高和波長不斷增大；，波高和波長不斷增大；l隨著波浪尺度的增大，隨著波浪尺度的增大， C 也相應(yīng)加大，致使水體內(nèi)的也相應(yīng)加大，致使水體內(nèi)的摩擦也不斷加大。當摩擦也不斷加大。當 C 接近接近 U 時，風僅在時，風僅在 的作用下繼的作用下繼續(xù)將能量傳給水體，已不通過續(xù)將能量傳給水體，已不通過 N 傳給海水能量；傳給海水能量；l而當而當 C U 時，空

7、氣將時，空氣將阻礙波形前進阻礙波形前進，反而要消耗波浪，反而要消耗波浪的能量，所以總的輸入能量是隨的能量，所以總的輸入能量是隨C的逐步增大而逐漸減的逐步增大而逐漸減小的。小的。l當能量的輸入等于能量的消耗當能量的輸入等于能量的消耗時，波浪不再發(fā)展而趨于時，波浪不再發(fā)展而趨于穩(wěn)定，形成在某風速條件下所能形成的穩(wěn)定，形成在某風速條件下所能形成的最大波浪最大波浪。這種。這種理論解釋了初始波浪形成后的發(fā)展過程。理論解釋了初始波浪形成后的發(fā)展過程。l 風停止風停止后，海水無新能量輸入，一部分波能向后，海水無新能量輸入，一部分波能向四周傳播擴散，另一部分波能不斷消耗于水體四周傳播擴散，另一部分波能不斷消耗

8、于水體內(nèi)部的分子粘滯性和紊動粘滯性。此外，空氣內(nèi)部的分子粘滯性和紊動粘滯性。此外，空氣阻力、海底摩擦和滲透也消耗了部分的波浪能阻力、海底摩擦和滲透也消耗了部分的波浪能量，使波浪逐漸量，使波浪逐漸衰減衰減，直至最后消亡。，直至最后消亡。l總之，波浪的生成、發(fā)展和衰減取決于水體能總之，波浪的生成、發(fā)展和衰減取決于水體能量的攝取和消耗之間的數(shù)量關(guān)系，當能量輸入量的攝取和消耗之間的數(shù)量關(guān)系，當能量輸入大于輸出時，風浪將成長發(fā)展；反之，波浪將大于輸出時，風浪將成長發(fā)展；反之，波浪將趨于衰減直至消亡。趨于衰減直至消亡。l影響風浪成長的因素影響風浪成長的因素 ：l風速、風時、風距風速、風時、風距、（風場三要

9、素）（風場三要素）l地形、水深、海流地形、水深、海流l從從深水深水的風區(qū)到風區(qū)外的風區(qū)到風區(qū)外淺水岸邊淺水岸邊工程所在地，工程所在地，波浪的傳播和變化過程可分為波浪的傳播和變化過程可分為 3 個階段：個階段： 風區(qū)中風浪的產(chǎn)生和發(fā)展；風區(qū)中風浪的產(chǎn)生和發(fā)展； 風區(qū)外風浪（深水波）轉(zhuǎn)變成涌浪繼續(xù)傳播，風區(qū)外風浪（深水波）轉(zhuǎn)變成涌浪繼續(xù)傳播，波浪將逐漸衰減；波浪將逐漸衰減； 涌浪進入近岸淺水區(qū)發(fā)生波浪變形。涌浪進入近岸淺水區(qū)發(fā)生波浪變形。l風浪發(fā)展的三種狀態(tài)風浪發(fā)展的三種狀態(tài) l風浪的風浪的過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)： 風速很大而且風場寬闊，風浪的風速很大而且風場寬闊，風浪的成長取決于風時的長短成長取決于風

10、時的長短l風浪的風浪的定常狀態(tài)定常狀態(tài)： 風速很大但風場范圍很小，一定時風速很大但風場范圍很小，一定時間后，海域范圍內(nèi)波浪要素趨于定常，不再隨時間變間后，海域范圍內(nèi)波浪要素趨于定常，不再隨時間變化。但海域各點的波浪要素并不相同，而取決于各點化。但海域各點的波浪要素并不相同，而取決于各點的位置或風距，風距越大，風浪也越大，這種風浪處的位置或風距，風距越大，風浪也越大，這種風浪處于定常狀態(tài)。于定常狀態(tài)。l風浪的風浪的充分成長狀態(tài)充分成長狀態(tài)：風時和風距都足夠大，在一定：風時和風距都足夠大，在一定的風速條件下，風浪不再增大而達到該風速條件下的的風速條件下，風浪不再增大而達到該風速條件下的極限狀態(tài)，常

11、稱為風浪的充分成長狀態(tài)極限狀態(tài)，常稱為風浪的充分成長狀態(tài)。l判斷風浪狀態(tài)的標準：判斷風浪狀態(tài)的標準：最小風時最小風時、最小最小風距風距l(xiāng)最小風時最小風時:在一定風速在一定風速 U 下，在給定的風區(qū)長度下，在給定的風區(qū)長度 F 處處出現(xiàn)最大波浪，即達到定常狀態(tài)，所需的最短時間稱出現(xiàn)最大波浪，即達到定常狀態(tài)，所需的最短時間稱為最小風時，記為為最小風時，記為tmin 。l若實際風時若實際風時 t tmin ，則風浪隨風時變化處于過渡狀，則風浪隨風時變化處于過渡狀態(tài)，在風浪推算時取實際風時態(tài)，在風浪推算時取實際風時 t 作為計算風時。作為計算風時。l若若 t tmin ，由于風距的限制，風浪不能繼續(xù)增

12、大而，由于風距的限制，風浪不能繼續(xù)增大而處于定常狀態(tài)，風浪推算時取處于定常狀態(tài)，風浪推算時取tmin作為計算風時。作為計算風時。 最小風距最小風距在一定風速在一定風速 U 下，在給定的風時下，在給定的風時 t 時產(chǎn)生時產(chǎn)生最大波浪所需的最短風距，記為最大波浪所需的最短風距，記為Fmin 。1）當實際風距）當實際風距 F Fmin 時，則風浪受制于風時而處于過渡狀態(tài)，時，則風浪受制于風時而處于過渡狀態(tài)，風浪推算時取風浪推算時取Fmin作為計算風距。作為計算風距。l如風區(qū)足夠大，在給定時刻，風區(qū)內(nèi)可能有兩種風浪狀如風區(qū)足夠大，在給定時刻，風區(qū)內(nèi)可能有兩種風浪狀態(tài)同時存在。態(tài)同時存在。l在在 F F

13、min 的位置，風浪處于過渡狀態(tài)，的位置，風浪處于過渡狀態(tài)，l在在 F Fmin 的位置，風浪處于定常狀態(tài)。的位置，風浪處于定常狀態(tài)。l隨著時間的推移，定常狀態(tài)的范圍將逐漸擴大。對于指隨著時間的推移，定常狀態(tài)的范圍將逐漸擴大。對于指定的位置，風浪總是先處于過渡狀態(tài)，而后過渡到定常定的位置，風浪總是先處于過渡狀態(tài)，而后過渡到定常狀態(tài)。狀態(tài)。 海浪要素的統(tǒng)計規(guī)律海浪要素的統(tǒng)計規(guī)律l海浪要素的統(tǒng)計規(guī)律海浪要素的統(tǒng)計規(guī)律海浪可看作是平穩(wěn)隨機過程,具有各態(tài)歷經(jīng)性.各態(tài)歷經(jīng)性各態(tài)歷經(jīng)性保證可以保證可以用一個樣本來代替總體用一個樣本來代替總體,平穩(wěn)性平穩(wěn)性保證記錄上的時間保證記錄上的時間起點不影響起點不影響

14、計算的結(jié)果。計算的結(jié)果?？蓮囊粋€樣本中任取出足夠長的一段來進行統(tǒng)計可從一個樣本中任取出足夠長的一段來進行統(tǒng)計分析研究，亦即可以采用某一樣本的時間特征值。分析研究，亦即可以采用某一樣本的時間特征值。4.1 海浪的觀測海浪的觀測一、海浪要素一、海浪要素上跨零點上跨零點 下跨零點下跨零點 大波波高大波波高p1N/10N/101i1ii=1i=110101010H=HH=HN NN/3N/31i1ii=1i=13 33 3H=HH=HN N波高換算關(guān)系波高換算關(guān)系,表表4.1.1,p61N/3N/3r r1/31/3r=1r=13 3T=TT=TN N1 11 11 10 01 10 0H H= =

15、K KH H1 11 13 33 3H H= = K K H H1/31.15TT1/101/31.14TT1/101.31TT201.56LT01.56CT周期的換算關(guān)系周期的換算關(guān)系深水波長的計算公式深水波長的計算公式一、波浪觀測的主要內(nèi)容：一、波浪觀測的主要內(nèi)容： 風浪和涌浪的波面時空分布及其外貌特征風浪和涌浪的波面時空分布及其外貌特征二、波浪觀測的項目二、波浪觀測的項目 海況、波形、波向、波高和周期，風速、風向海況、波形、波向、波高和周期，風速、風向和水深和水深 波浪三要素波浪三要素: 波高、周期和水深波高、周期和水深 波高、波長和水深波高、波長和水深海況觀測海況觀測:風力作用下海面外

16、貌特征風力作用下海面外貌特征波形觀測波形觀測:風浪風浪(F)、涌浪、涌浪(U)和混合浪和混合浪(F/U,U/F,FU )波向觀測波向觀測:波浪來向波浪來向,16方位方位海況等級表海況等級表三、波浪觀測的要求三、波浪觀測的要求閱讀閱讀岸邊觀測岸邊觀測 海上觀測海上觀測目測目測 儀測儀測觀測時間觀測時間:02 05 08 11 14 17 20 23四、觀測儀器和方法四、觀測儀器和方法傳感器傳感器安裝位置安裝位置水面上水面上測波儀測波儀水面附近水面附近測波儀測波儀水面下水面下測波儀測波儀航空測波航空測波立體攝影立體攝影雷達測波雷達測波測波桿測波桿光學測波光學測波重力測波重力測波水壓式水壓式測波測波

17、聲學式聲學式測波測波淺水測波通常采用易于固定的測波儀，深水測波一般采用浮球式加速度型測波儀測量范圍測量范圍:點式點式,多點式多點式,面式面式圖圖4.1.2 HAB-2 型型測 波 儀 示 意 圖測 波 儀 示 意 圖 1 望遠鏡 2 管狀水準泡 3 俯仰微動手輪 4 解脫手柄 5 方向微動手輪 6 . 指標盤 7 水平 度 盤 8 底 座 9 調(diào) 平 螺 釘 10 圓形水準泡遙測重力測波儀 荷蘭“波浪騎士”測波浮標、美國恩迪科 956 型遙控測波儀以及我國 SBF1-1 型近海遙測波浪儀 壓力測波儀 美國Inter Ocean公司的S4ADW型系列產(chǎn)品 五、波浪玫瑰圖五、波浪玫瑰圖 表示某海區(qū)

18、各向各級波浪出現(xiàn)頻率大小的圖表示某海區(qū)各向各級波浪出現(xiàn)頻率大小的圖.繪制方法同風玫瑰圖類似繪制方法同風玫瑰圖類似波高玫瑰圖波高玫瑰圖波高的經(jīng)驗與理論分布波高的經(jīng)驗與理論分布1. 特征波高特征波高海面上的波浪狀態(tài)通常用波浪要素作為特征量來描述。在海面上的波浪狀態(tài)通常用波浪要素作為特征量來描述。在波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大小是不等的，因此當我們描述某場海浪的波高是多少時，小是不等的，因此當我們描述某場海浪的波高是多少時，應(yīng)指明該波高的統(tǒng)計意義，即為哪一種特征波高。應(yīng)指明該波高的統(tǒng)計意義，即為哪一種特征波高。 （1）平均波高）

19、平均波高 將觀測到的所有波高值累加，除以波高的總個數(shù)，得將觀測到的所有波高值累加，除以波高的總個數(shù)，得到的值稱為平均波高，它反映了波列總體的大小。若樣到的值稱為平均波高，它反映了波列總體的大小。若樣本總個數(shù)為本總個數(shù)為 N ，則平均波高為，則平均波高為11NiiHHN( 2 ）部分大波的平均波高）部分大波的平均波高 將波列中的波高由大到小依次排列其中最大的將波列中的波高由大到小依次排列其中最大的P部分部分波高的平均值就稱為波高的平均值就稱為 P 部分大波的平均波高，記為。部分大波的平均波高，記為。其計算公式如下：其計算公式如下： 11NPpiiHHNP 工程設(shè)計中常用的有連續(xù)工程設(shè)計中常用的有

20、連續(xù) 100 個波中最大個波中最大的的 10 個波的平均值稱為個波的平均值稱為 1/10大波的平均波大波的平均波高記為高記為 ，又稱為顯著波高，波列中最，又稱為顯著波高，波列中最大的大的 1 / 3 個大波的平均值記為個大波的平均值記為 , 又稱又稱為有效波高。為有效波高。 10/1H3/1H( 3 ）均方根波高）均方根波高 將波列中的所有波高的平方和，求平均值后再開方，得將波列中的所有波高的平方和，求平均值后再開方，得到的值稱為均方根波高記為到的值稱為均方根波高記為 ，計算公式如下：，計算公式如下： 由于波浪的能量正比于波高的平方故均方根波高反映由于波浪的能量正比于波高的平方故均方根波高反映

21、了波能量的平均狀態(tài)。了波能量的平均狀態(tài)。 12211()NrmsiiHHNrmsH（4）累積頻率波高）累積頻率波高 從波列中選取某一累積頻率對應(yīng)的波高作為特征波高。從波列中選取某一累積頻率對應(yīng)的波高作為特征波高。如如 等，這種特征波高反映大于等于某給定波高值的波等，這種特征波高反映大于等于某給定波高值的波浪在波列中出現(xiàn)的可能性。如浪在波列中出現(xiàn)的可能性。如 表示在波列中大于等于表示在波列中大于等于該波高的波浪出現(xiàn)概率為該波高的波浪出現(xiàn)概率為1%。1%H1%H2 波高的經(jīng)驗概率分布波高的經(jīng)驗概率分布 為了探求波高的分布規(guī)律，必須繪制頻率直方圖為了探求波高的分布規(guī)律，必須繪制頻率直方圖 ,以下以下

22、表表1所示的波浪觀測序列為例簡述其繪制方法。所示的波浪觀測序列為例簡述其繪制方法。H /mT /sH /mT /sH /mT /sH /mT /sH /mT /s2.09.21.35.30.84.50.611.42.19.23.06.63.27.32.56.61.46.62.79.82.56.65.36.84.17.31.66.53.28.63.16.93.36.93.87.91.15.31.95.61.68.61.58.31.76.91.68.30.24.11.97.11.28.61.05.32.16.01.47.92.25.41.96.62.05.81.123.02.15.63.37.11

23、.55.61.85.83.06.93.36.63.06.63.16.62.09.42.66.92.27.94.97.51.86.41.88.31.78.82.16.41.68.11.44.51.39.61.54.51.67.51.58.11.85.81.36.83.97.11.38.30.94.31.86.21.55.43.08.12.47.51.15.41.54.31.04.12.416.13.77.33.17.54.36.62.05.83.36.23.86.43.26.84.87.11.47.52.06.42.46.22.36.64.16.90.33.61.16.22.67.31.24.5

24、3.96.61.310.52.55.81.34.31.54.92.96.42.08.42.15.32.26.82.76.20.74.12.08.13.57.13.38.1表表 1某某測測站站波波浪浪觀觀測測序序列列（ l ）模比系數(shù)）模比系數(shù) 計算上表計算上表1所示波浪序列的平均波高為所示波浪序列的平均波高為 2.2m ，定義波，定義波高的模比系數(shù)高的模比系數(shù) ，即，即（ 2 ）波高分組）波高分組 按照適當?shù)慕M距按照適當?shù)慕M距 ，本例中取組距為，本例中取組距為0.2 ，將波列，將波列分成若干組，計算出各間距上、下限對應(yīng)的波高，列入分成若干組，計算出各間距上、下限對應(yīng)的波高，列入表表 2第第 l

25、 , 2 欄。欄。iK/iiKHHHH /（3）區(qū)間頻率）區(qū)間頻率 統(tǒng)計各組波高的出現(xiàn)次數(shù)，見表中第統(tǒng)計各組波高的出現(xiàn)次數(shù)，見表中第 3 欄除以總次欄除以總次數(shù)數(shù) N ，得各組波高出現(xiàn)的區(qū)間頻率，得各組波高出現(xiàn)的區(qū)間頻率 結(jié)果見表中第結(jié)果見表中第 4 欄，由此可見，各組波高出現(xiàn)的頻率不欄，由此可見，各組波高出現(xiàn)的頻率不同在模比系數(shù)等于同在模比系數(shù)等于 1.0，即平均波高附近出現(xiàn)的波高，即平均波高附近出現(xiàn)的波高次數(shù)多，而在兩端出現(xiàn)頻率較小。次數(shù)多，而在兩端出現(xiàn)頻率較小。/iifnN 為求各組距內(nèi)任何一個波高可能出現(xiàn)的頻率，即平均頻為求各組距內(nèi)任何一個波高可能出現(xiàn)的頻率，即平均頻率，假定組距內(nèi)任一

26、波高出現(xiàn)的機會均等，率，假定組距內(nèi)任一波高出現(xiàn)的機會均等， 且組距內(nèi)且組距內(nèi)所有波高出現(xiàn)的總頻率應(yīng)等于區(qū)間頻率。于是平均頻率所有波高出現(xiàn)的總頻率應(yīng)等于區(qū)間頻率。于是平均頻率就是區(qū)間頻率除以組距，即就是區(qū)間頻率除以組距，即 ，見表中第，見表中第 5 欄。欄。/iHfH（4）頻率直方圖）頻率直方圖 以模比系數(shù)為縱坐標，平均頻率為橫坐標，繪以模比系數(shù)為縱坐標，平均頻率為橫坐標，繪制波高平均頻率直方圖（見圖制波高平均頻率直方圖（見圖.1）。圖上各個）。圖上各個矩形的面積正是各組的區(qū)間頻率，其面積之和矩形的面積正是各組的區(qū)間頻率，其面積之和為為1.0。當組距趨于無限小時，直方圖趨于曲線，。當組距趨于無限

27、小時，直方圖趨于曲線，該曲線與縱軸包圍的面積就是該曲線與縱軸包圍的面積就是 1.0，此時橫坐標，此時橫坐標轉(zhuǎn)化為頻率密度，而曲線即頻率密度曲線。該轉(zhuǎn)化為頻率密度，而曲線即頻率密度曲線。該曲線的特點是曲線的特點是“中間大、兩頭小中間大、兩頭小”，即平均值，即平均值附近的波高出現(xiàn)機會最多。附近的波高出現(xiàn)機會最多。（5）累積頻率圖）累積頻率圖 工程設(shè)計通常要求知道波列中某一波高的累積頻率，工程設(shè)計通常要求知道波列中某一波高的累積頻率，或要求知道給定某一累積頻率的波高值?？砂幢砘蛞笾澜o定某一累積頻率的波高值。可按表 2中第中第 6 欄求出累積頻率。欄求出累積頻率。 按表按表2中第中第 1 及第及第

28、 7 欄則可繪出波高的經(jīng)驗累積頻率圖，欄則可繪出波高的經(jīng)驗累積頻率圖，當組距趨于無限小時，得累積頻率曲線，見圖當組距趨于無限小時，得累積頻率曲線，見圖2。100%iinFN圖圖 1 波高平均頻率直方圖波高平均頻率直方圖 圖圖2波高累積頻率圖波高累積頻率圖 3 波高的理論分布函數(shù)波高的理論分布函數(shù)海上某固定點的波面方程可寫為海上某固定點的波面方程可寫為 波面服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為波面服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為11( )()nnnnnntat221( )exp()22fLonguet-Higgins利用包絡(luò)線理論，推導出利用包絡(luò)線理論，推導出深水波高深水波高符合符合Rayleigh分布

29、分布 令令 ，可得最大概率密度所對應(yīng)的波高為，可得最大概率密度所對應(yīng)的波高為 22()exp() 24HHf HHH0/ )(dHHdf20.798mHHH深水波高累計頻率深水波高累計頻率 由此可得指定累積頻率由此可得指定累積頻率F的波高為的波高為 2()()exp() 4HHF Hf H dHH21)1ln4(/FHHF前蘇聯(lián)格魯霍夫斯基（前蘇聯(lián)格魯霍夫斯基（）提出了與水深有關(guān)）提出了與水深有關(guān)的經(jīng)驗累積率公式，給出了的經(jīng)驗累積率公式，給出了適用于淺水區(qū)適用于淺水區(qū)的波高分布的波高分布 由此可得指定累積頻率由此可得指定累積頻率F的波高為的波高為 )(2/1 (4exp)(*12*HHHHHF

30、dHH/*1241/(1/2)lnHFHHHF4.兩種特征波高的換算關(guān)系兩種特征波高的換算關(guān)系 若波高服從一定的分布規(guī)律，已知波列中任一累積頻率若波高服從一定的分布規(guī)律，已知波列中任一累積頻率的波高，就可換算成所要求的累積頻率波高。平均波高的波高，就可換算成所要求的累積頻率波高。平均波高是累積頻率波高間的換算橋梁，它是一種最常用的特征是累積頻率波高間的換算橋梁，它是一種最常用的特征波高。部分大波的平均波高與累積頻率波高一樣，是海波高。部分大波的平均波高與累積頻率波高一樣，是海洋工程設(shè)計中經(jīng)常使用的特征波高。洋工程設(shè)計中經(jīng)常使用的特征波高。 %4 . 0100/1HH%410/1HH%133/1

31、HH%4 . 0100/1HH%410/1HH%133/1HH%4 . 0100/1HH%410/1HH l5.周期的統(tǒng)計分布周期的統(tǒng)計分布平均周期平均周期 實測結(jié)果顯示，波浪由深水進入淺水后，實測結(jié)果顯示，波浪由深水進入淺水后，平均周平均周期幾乎不變期幾乎不變。格魯霍夫斯基提出格魯霍夫斯基提出11niiTTN344( )exp() 1.24.8TTf TTT4( )exp() 4.8TF TTl6.波長的統(tǒng)計分布波長的統(tǒng)計分布 實測波長資料較少實測波長資料較少 格魯霍夫斯基導出深水波長分布函數(shù)與深水波格魯霍夫斯基導出深水波長分布函數(shù)與深水波高分布相同高分布相同 淺水波長分布淺水波長分布 2(

32、)exp()4LFLL)(2tanh)()(8 . 4exp)(2212LLLdLLLLLFl6.波高和周期的聯(lián)合分布波高和周期的聯(lián)合分布 l波高與周期的聯(lián)合概率分布的意義波高與周期的聯(lián)合概率分布的意義 ：對建筑物的作用對建筑物的作用力、共振、研究波浪破碎、爬高、越浪等。力、共振、研究波浪破碎、爬高、越浪等。l20 世紀世紀 50 年代，蘇聯(lián)學者假定波高與周期是相互獨立年代，蘇聯(lián)學者假定波高與周期是相互獨立的，其聯(lián)合概率密度函數(shù)由各自的概率密度函數(shù)相乘而的，其聯(lián)合概率密度函數(shù)由各自的概率密度函數(shù)相乘而得。得。 l6.波高和周期的聯(lián)合分布波高和周期的聯(lián)合分布 lLonguet-Higgins 于

33、于 1975 年首次提出了波高與周期的聯(lián)合分布模年首次提出了波高與周期的聯(lián)合分布模式式，二者的聯(lián)合概率密度函數(shù)為二者的聯(lián)合概率密度函數(shù)為 lGoda（合田良實）（合田良實）（1978）利用日本海沿岸觀測資料，結(jié)論）利用日本海沿岸觀測資料，結(jié)論 （1）對于超過某一界限的波高，其周期與波高無關(guān)，為一常值。）對于超過某一界限的波高，其周期與波高無關(guān)，為一常值。（2）相關(guān)系數(shù)越大，聯(lián)合概率密度曲線對）相關(guān)系數(shù)越大，聯(lián)合概率密度曲線對t的不對稱越明顯。的不對稱越明顯。 （3）Longuet-Higgius（1975）模式的分布僅波高較大時與實測）模式的分布僅波高較大時與實測結(jié)果吻合，波高較小時出入較大。

34、結(jié)果吻合，波高較小時出入較大。 2222(1)( , )exp144htf h thl Louguet-Higgins（1983）提出了改進模式，克服）提出了改進模式，克服1975模式的缺點，但由此聯(lián)合分布推出的波高分布，模式的缺點，但由此聯(lián)合分布推出的波高分布，不是瑞利分布，與公認的觀點矛盾。不是瑞利分布，與公認的觀點矛盾。l孫孚（孫孚（1988）依據(jù)線性海浪模型和射線理論，也導出）依據(jù)線性海浪模型和射線理論，也導出了一種分布函數(shù)。趙猛（了一種分布函數(shù)。趙猛（1991）利用）利用Hilbert變換導出變換導出了相同的結(jié)果。了相同的結(jié)果。l除了上面介紹的成果，其他學者也對波高與周期聯(lián)合分除了上

35、面介紹的成果，其他學者也對波高與周期聯(lián)合分布進行了探討，由于得出的聯(lián)合概率密度函數(shù)都有明顯布進行了探討，由于得出的聯(lián)合概率密度函數(shù)都有明顯的的地區(qū)局限性地區(qū)局限性，無法推廣使用，因此，推導出普遍適用，無法推廣使用，因此，推導出普遍適用的聯(lián)合分布模式，尚待進一步的探索研究。的聯(lián)合分布模式，尚待進一步的探索研究。 4.2 海浪譜理論基礎(chǔ)海浪譜理論基礎(chǔ)研究海浪，可從兩方面入手：研究海浪，可從兩方面入手： 外觀特征外觀特征：海浪的：海浪的統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：海浪譜海浪譜 自自20世紀世紀50年代初，人們把海浪看作為平穩(wěn)正年代初，人們把海浪看作為平穩(wěn)正態(tài)過程，且具有各態(tài)歷經(jīng)性，并利用海浪

36、譜態(tài)過程，且具有各態(tài)歷經(jīng)性，并利用海浪譜（wave spectrum）描述波面，研究波況特征）描述波面，研究波況特征及海浪能量的分布。及海浪能量的分布。一、海浪譜的引入一、海浪譜的引入海面上某一固定點的波面方程為：海面上某一固定點的波面方程為： 由于組成波的初相位其概率密度函數(shù)由于組成波的初相位其概率密度函數(shù) 是隨機變量，其變是隨機變量，其變化范圍為化范圍為 ，且均勻分布，故其概率密度函數(shù)為，且均勻分布，故其概率密度函數(shù)為 1)cos()(iiiitwati201( )2f不同組成波的能量不同組成波的能量 設(shè)函數(shù)設(shè)函數(shù) 為單位頻率間隔的平均波能量為單位頻率間隔的平均波能量 波浪總能量波浪總能量

37、212iiEga21( )2iSa)(S0( )EgSd 函數(shù)函數(shù) 正比于間隔（正比于間隔（ ）內(nèi)各組成波）內(nèi)各組成波所提供的平均能量，亦即它代表了波浪能量相所提供的平均能量，亦即它代表了波浪能量相對于組成波頻率的分布。若取對于組成波頻率的分布。若取 ，則，則 正比于單位頻率間隔內(nèi)的能量，即能量密度正比于單位頻率間隔內(nèi)的能量，即能量密度,被被稱為波譜。由于它反映能量密度，又稱為能譜，稱為波譜。由于它反映能量密度，又稱為能譜，同時它給出了能量相對于頻率的分布，也稱為同時它給出了能量相對于頻率的分布，也稱為頻譜。頻譜。)(S1)(S頻譜頻譜S()的特點：的特點：（1）0附近，附近，S()很??；很小

38、；（2）隨）隨增加，增加，S()先急劇增加再減小；先急劇增加再減??；（3），S()0；譜峰頻率譜峰頻率譜曲線與橫坐標包圍的面積譜曲線與橫坐標包圍的面積正比于波浪總能量正比于波浪總能量max風速增大風速增大,譜的顯著部分由高頻向低頻方向推移譜的顯著部分由高頻向低頻方向推移l海浪譜的帶寬海浪譜的帶寬p 理論上，S()分布于=0-整個頻率帶內(nèi)p 但顯著部分卻集中于一段狹窄的頻帶內(nèi)風浪譜寬帶譜涌浪譜窄帶譜l方向譜p頻譜僅與組成波的頻率有關(guān)，與組成波的傳播方向無關(guān)p實際上某定點的海面波動為來自不同方向組成波迭加的結(jié)果（主波向其它方向組成波）二、幾種海浪頻譜模式二、幾種海浪頻譜模式一般形式一般形式( )e

39、xppqABSA ,B:包含風要素或波浪要素的參量包含風要素或波浪要素的參量 p,q:指數(shù)指數(shù),p的取值的取值46,q取取241. Neumann 譜譜262212( )exp2gSCuu 為海面上為海面上 7.5m 高度處的平均風速高度處的平均風速 系數(shù)系數(shù)C為為3.05m2s-5 lPierson-Moscowitz 譜譜 5245240.781.2250.783.11( )expexpsSHH41 . 041 . 0245691173)exp()(TBTHABASs第第15屆屆ITTC會議修改會議修改3. Bretschneider-光易譜光易譜254( )0.257()exp 1.03

40、() ssssS fH T T fT f242511( )400.5()exp1605() sssHSTTISSC譜譜 41 . 05221 . 014427. 0exp11107. 0)(fTfTHfSs4 . JONSWAP 譜譜2max22max()exp25240.783.11( )expsSH 式中，式中， 稱為譜峰升高因子，稱為譜峰升高因子， 取值范圍為取值范圍為 1.56 ，一般取一般取 3.3；用；用 表示譜峰頻率；表示譜峰頻率； 為峰形系為峰形系數(shù)，按下式選?。簲?shù)，按下式選取：maxmaxmax0.07,0.09,當當5. 文氏譜文氏譜 考慮風浪成長階段和水深的影響考慮風浪成

41、長階段和水深的影響,引入尖度因子引入尖度因子P和淺水和淺水因子因子dHdHHs/626. 0/*（1）對于深水水域，）對于深水水域， 當水域深度滿足當水域深度滿足 的條件時，的條件時， 0.626/0.1sHHd21.5220.2450.00292dyPP令令01.05/sfT當當 時時1225( )0.0687exp95ln (1.11)sssdPS fH T PT fy當當 時時1.05/sfT234( )0.0824ssdS fH Tyf1.352.795.3/ssPHT尖度因子尖度因子 （2）對于淺水水域，）對于淺水水域， 當當 時時令令 0.50.1H2(6.77 1.0880.013)(1.037syPP1.426)/(5.8135.137)HH01.05/sfT1225( )0.0687exp95ln (1.11)ssssPS fH T PT fy1.05/sfT21.05( )0.0687()mssssS f