海洋水文氣象要素-為龍講課教案

海洋水文氣象要素-為龍海浪（SeaWave)海浪與海流都是海水運(yùn)動(dòng)的重要形式，對(duì)船舶航行有很大的影響。大風(fēng)浪造成航速下降，舵效降低，甚至停止不前；在狂濤巨浪中還會(huì)出現(xiàn)“中垂”或“中拱”使船舶結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重時(shí)造成船體斷裂，導(dǎo)致重大海難事故。海浪按其形成原因分為：風(fēng)浪、涌浪、近岸浪、內(nèi)波、潮汐波、海嘯、風(fēng)暴潮。按水深相對(duì)波長(zhǎng)大小分為：深水波、淺水波。（后述）波浪要素波峰：波面的最高點(diǎn)；波谷：波面的最低點(diǎn)；波高H：相鄰的波峰與波谷間的垂直距離；波長(zhǎng)λ：相鄰的兩個(gè)波峰（或波谷）間的水平距離，單位米；波陡δ：波高與波長(zhǎng)之比，它是表示波形陡峭的量；波幅a：波高的一半稱為波幅；周期T：兩相鄰的波峰（或波谷）相繼通過一固定點(diǎn)所需時(shí)間，單位為秒；波速c：波形傳播的速度，即波峰（或波谷）在單位時(shí)間內(nèi)的水平位移；波峰線：沿垂直于波浪傳播方向通過波峰的線叫波峰線；波向線：垂直于波峰線的線叫波向線；波長(zhǎng)、波速、周期三者關(guān)系：波浪的分類（按成因分類）風(fēng)浪：由風(fēng)直接作用而引起的水面波動(dòng)稱為風(fēng)浪。涌浪：風(fēng)浪離開風(fēng)區(qū)傳至遠(yuǎn)處或者風(fēng)區(qū)中風(fēng)停息后所留下來的波浪，稱為涌浪。近岸浪：風(fēng)浪或涌浪傳至淺水或近岸區(qū)后，因受地形影響將發(fā)生一系列變化，稱近岸浪。風(fēng)暴潮：由于氣象原因，如臺(tái)風(fēng)，強(qiáng)風(fēng)暴等引起的海面異常升高現(xiàn)象稱風(fēng)暴潮，亦稱風(fēng)暴海嘯。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(dòng)。亦稱海嘯。潮汐波：由于天體引潮力作用所產(chǎn)生的波動(dòng)。內(nèi)波：不同密度的水層界面處而產(chǎn)生的波動(dòng)。深水波和淺水波深水波：波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于海深的波（）波速與波長(zhǎng)和周期有關(guān)，與水深無關(guān)。淺水波：波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于海深的波（）波速取決水深，與與波長(zhǎng)和周期無關(guān)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與波形傳播的關(guān)系理論上證明：深水波中海面上水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡是以波高為直徑的圓，在海面以下其直徑以指數(shù)形式迅速減小。淺水波中水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡為橢圓?！?群波和駐波群波海洋中的波浪常以“群”的形式出現(xiàn)，通常稱為群波(GroupofWaves)。設(shè)兩列波向、振幅相同，波長(zhǎng)和周期稍有差別的正弦波相互疊加，疊加以后的合成波形如下圖。駐波

由兩列波向相反的正弦波疊加，可以得到一種波形不向前傳播的波，波面只在原地振動(dòng)，稱為駐波（standingwave）。海濱峭壁處常出現(xiàn)駐波，臺(tái)風(fēng)眼區(qū)的“金字塔浪”就是駐波。波腹處的水質(zhì)點(diǎn)只作垂直運(yùn)動(dòng)，波節(jié)處的水質(zhì)點(diǎn)只做水平運(yùn)動(dòng)。§3風(fēng)浪、涌浪和近岸浪風(fēng)浪(WindWave)風(fēng)浪：

由風(fēng)直接作用引起的水面波動(dòng)，稱為風(fēng)浪。風(fēng)浪特征，周期較短，波面不規(guī)則，波長(zhǎng)短。波向與風(fēng)向一致，波高取決于風(fēng)力、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)。風(fēng)浪成長(zhǎng)與風(fēng)速，風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)的關(guān)系:1.風(fēng)速：一般風(fēng)速越大產(chǎn)生的風(fēng)浪也越大。這只適用于風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)不受限制時(shí)。2.風(fēng)時(shí)：同一方向的風(fēng)連續(xù)作用的時(shí)間。一般對(duì)水面持續(xù)作用的時(shí)間越長(zhǎng)，海水所獲得的動(dòng)能越大，風(fēng)浪也越大。3.風(fēng)區(qū)：指風(fēng)在海上吹過的距離。風(fēng)區(qū)的大小對(duì)風(fēng)浪的成長(zhǎng)起著不可忽視的作用，若風(fēng)區(qū)的長(zhǎng)度不夠，風(fēng)浪也不能充分發(fā)展。風(fēng)浪的三種狀態(tài)過渡狀態(tài)：風(fēng)吹到大洋上，風(fēng)浪隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。風(fēng)浪的成長(zhǎng)取決于風(fēng)時(shí)長(zhǎng)短。定常狀態(tài)：恒定的風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間吹在有限的水域上，使海面各點(diǎn)的風(fēng)浪要素趨于穩(wěn)定。風(fēng)浪的三種狀態(tài)風(fēng)浪充分成長(zhǎng)狀態(tài)：風(fēng)速越大，風(fēng)時(shí)越長(zhǎng)，風(fēng)浪就越發(fā)展。但風(fēng)浪的發(fā)展不是無限的，當(dāng)波陡接近1/7時(shí)，波浪開始破碎。這是因?yàn)轱L(fēng)傳給風(fēng)浪的能量，一部分用于增大波高，一部分消耗于渦動(dòng)摩擦，當(dāng)風(fēng)傳給風(fēng)浪的能量與渦動(dòng)摩擦消耗的能量相平衡時(shí)，風(fēng)浪不再繼續(xù)增大，即風(fēng)浪達(dá)到極限狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為風(fēng)浪充分成長(zhǎng)。風(fēng)浪成長(zhǎng)主要與風(fēng)速、風(fēng)區(qū)和風(fēng)時(shí)有關(guān)。另外還受水深及海域特征等因素影響。涌浪(Swell)涌浪:涌浪是指風(fēng)浪離開風(fēng)區(qū)后傳到遠(yuǎn)處，或風(fēng)區(qū)里的風(fēng)停息后所遺留下的波浪。涌浪又稱長(zhǎng)波，其波形規(guī)則，波面光滑，波速較快，波長(zhǎng)和周期較大，波陡小。波速公式：C=1.5T

涌浪傳播過程中,在波高衰減的同時(shí)，波長(zhǎng)和周期增大,波速加快,比風(fēng)暴的移速快很多,可以作風(fēng)暴來臨的先兆，亦稱先行波。近岸浪(CoastalWave)近岸浪：當(dāng)波浪傳到沿岸淺水區(qū)，波長(zhǎng)變短，波高增大，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度不等，在波谷處，由于水淺，水質(zhì)點(diǎn)受海底摩擦影響，其速度慢于波峰處水質(zhì)點(diǎn)的速度，使波峰超過波谷，波形前側(cè)變得陡峭突出，后側(cè)變得平緩，從而使波浪發(fā)生倒卷和破碎。流波效應(yīng)和海氣溫差對(duì)波浪的影響流波效應(yīng):波浪與海流成一定角度時(shí)，海流會(huì)影響波浪的波高、波速和傳播方向等。當(dāng)波浪與海流相向或接近于相向時(shí)，波高會(huì)增大20～30%（流速為2～3kn，風(fēng)速為10～15m/s）。如黑潮流域上冬季風(fēng)形成的波浪常增大。海氣溫差:在風(fēng)速相等的情況下，氣溫低于海溫時(shí)的波高比海氣溫度相等時(shí)的大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氣溫比海溫每低1℃，波高增大約5%。如氣溫比海溫每低10℃，波高增大約50%。在冬季西北太平洋中高緯海域，強(qiáng)盛的鋒面氣旋，氣溫低于海溫，加之流波效應(yīng)，有時(shí)出現(xiàn)比預(yù)料高2-3倍的異常大浪，是海事多發(fā)的海域，有“魔鬼海域”之稱。波高的測(cè)算平均波高：Hp=（H1+H2+H3+…Hn）/n其中n為觀測(cè)到的波的總個(gè)數(shù)，H1，H2，...Hn為各實(shí)測(cè)波的波高。合成波高：H=√HW2+HS2部分大波的平均波高：將觀測(cè)到的波高按大小排列起來，取最高的一部分波的波高計(jì)算平均值，稱為部分大波的平均波高。一般計(jì)算H1/100，H1/10，H1/3，它們的意義是，若觀測(cè)1000個(gè)波，則分別代表其中最高的10，100，333個(gè)波的平均波高（有效波高）。H1/3：稱為有效波高。是波浪預(yù)報(bào)的一個(gè)重要指標(biāo)?！?有效波高和合成波高波浪分析圖圖中粗實(shí)線表示等波高線，單位為米。從2m開始，兩相鄰等波高線間隔為1m。圖中還繪出主波向（幾列波并存時(shí)波高最大者的傳播方向）、亂波區(qū)和海上觀測(cè)船點(diǎn)的水文氣象要素實(shí)況，其中包括風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)浪向、風(fēng)浪高、風(fēng)浪周期、涌浪向、涌浪高和涌浪周期等。.此外圖中還標(biāo)繪出同一時(shí)刻的高、低氣壓、熱帶氣旋中心位置、強(qiáng)度及鋒線位置等。繪制等波高線所依據(jù)的數(shù)據(jù)是風(fēng)浪高（HW）與涌浪高（HS）兩者的合成波高（HE）：式中：HW和HS為海上觀測(cè)船分別目測(cè)得到的平均顯著波高。波浪分析圖波浪預(yù)報(bào)圖日本東京JMH臺(tái)發(fā)布的西北太平洋24h波浪預(yù)報(bào)圖。其中繪有等波高線（單位為米）、主波向及主波的波高和周期。此外，還標(biāo)繪出H、L、TD的中心位置、強(qiáng)度以及鋒線位置等。在波浪預(yù)報(bào)圖中，等波高線的數(shù)值為有效波高（H1/3）。它是基于波譜分析等海洋學(xué)理論經(jīng)復(fù)雜計(jì)算得出的。我國國家海洋局也通過廣播傳真和電視每天發(fā)布我國海域及外海的24h波浪預(yù)報(bào)。波浪預(yù)報(bào)十分困難，目前世界各國發(fā)布的波浪預(yù)報(bào)時(shí)效一般不超過36—48h，最長(zhǎng)72h。

§5船舶海洋水文氣象觀測(cè)與測(cè)報(bào)1．觀測(cè)意義：（1）彌補(bǔ)海上測(cè)站稀少，資料不足的狀況。（2）對(duì)天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行補(bǔ)充訂正。（3）為氣象導(dǎo)航提供時(shí)實(shí)資料。2．觀測(cè)項(xiàng)目、時(shí)次和程序項(xiàng)目：溫、壓、風(fēng)、濕、云、能、天、海浪、海溫、水樣采集、海發(fā)光等。時(shí)次：世界時(shí)00Z、06Z、12Z、18Z共四次。程序：正點(diǎn)前30分鐘開始到正點(diǎn)結(jié)束，氣象項(xiàng)目觀測(cè)應(yīng)安排在正點(diǎn)前15分鐘內(nèi)進(jìn)行，氣壓觀測(cè)應(yīng)在接近正點(diǎn)時(shí)進(jìn)行。若因特殊原因不能按時(shí)觀測(cè)，可在正點(diǎn)后30分鐘內(nèi)補(bǔ)測(cè)完，記要欄內(nèi)加說明。無法補(bǔ)測(cè)時(shí)，須注明原因。3．觀測(cè)基本要求和注意事項(xiàng)基本要求：⑴認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行測(cè)報(bào)；⑵堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)禁偽造記錄；⑶用鉛筆將觀測(cè)記錄填寫在記錄表上，字跡端正，不要涂改；⑷觀測(cè)后立即發(fā)報(bào)，最遲不能超過正點(diǎn)觀測(cè)后1小時(shí)。注意事項(xiàng)：觀測(cè)儀器應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行維修保養(yǎng)，定期進(jìn)行鑒定；值班員如遇特殊情況不能觀測(cè)時(shí)，亦應(yīng)委托他人負(fù)責(zé)完成測(cè)報(bào)。氣溫和濕度的觀測(cè)干濕球溫度表觀測(cè)：干球用來測(cè)定空氣溫度；干濕球溫差用來計(jì)算濕度；空氣越干燥，干濕球溫差越大，空氣越潮濕，干濕球溫差越小。注意事項(xiàng)：（1）保持百葉箱潔白。（2）按時(shí)加蒸餾水（無蒸餾水加雨水，其次飲用水），不能加海水。（3）及時(shí)更換紗布。濕度查算：利用氣溫和干濕球溫差，在濕度查算表中查出水汽壓和相對(duì)濕度；再利用水汽壓（絕對(duì)濕度）查算露點(diǎn)溫度。氣壓的觀測(cè)船上觀測(cè)氣壓通常使用空盒氣壓表。從氣壓表上讀數(shù)到本站氣壓需經(jīng)刻度訂正、溫度訂正和補(bǔ)充訂正?？潭扔喺侵竷x器制造不夠精密造成的誤差，從儀器鑒定證上查出。溫度訂正是指溫度的變化引起空盒彈性改變?cè)斐傻恼`差，由附溫度數(shù)和訂正系數(shù)求得。補(bǔ)充訂正是指空盒的殘余變形引起的誤差，由空盒氣壓表鑒定證上查出。海平面氣壓=本站氣壓（經(jīng)刻度、溫度和補(bǔ)充訂正）+高度訂正風(fēng)的觀測(cè)世界氣象組織規(guī)定海面風(fēng)的觀測(cè)應(yīng)采用正點(diǎn)前10分鐘內(nèi)的平均風(fēng)速及相應(yīng)的最多風(fēng)向。船舶在航行時(shí)由自動(dòng)風(fēng)向風(fēng)速儀測(cè)得的風(fēng)為視風(fēng)，又稱合成風(fēng)。我們應(yīng)根據(jù)船風(fēng)（風(fēng)向矢量與航向相反，風(fēng)速與船速相等）和視風(fēng)確定出真風(fēng)，三者之間的矢量關(guān)系為：視風(fēng)=船風(fēng)+真風(fēng)真風(fēng)的計(jì)算可以由儀器自動(dòng)進(jìn)行，輸入航向、航速后立即可顯示出真風(fēng)向和真風(fēng)速。也可以通過上述矢量關(guān)系用圖解法求出。圖解法求真風(fēng)以船位點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，先畫出船風(fēng)矢量，方向與航向相反，矢量的長(zhǎng)短表示航速的大?。辉佼嫵鲆曪L(fēng)矢量，方向?yàn)橐曪L(fēng)向，矢量的長(zhǎng)度表示風(fēng)速；然后由船風(fēng)矢端到視風(fēng)矢端畫一矢量，其方向就是真風(fēng)向，矢量的長(zhǎng)度就是真風(fēng)速。云的觀測(cè)1．云的分類、特征及典型天氣高云：卷云、卷層云、卷積云。中云：高層云、高積云。低云：層積云、層云、雨層云、碎雨云、積云、積雨云。2．云量、云狀的觀測(cè)和記錄云量觀測(cè)包括總云量和低云量，云量用云遮蔽天空視野的成數(shù)來表示，如云占天空的1/10時(shí)，云量記1，云布滿全天時(shí)，云量記10。云狀按國際簡(jiǎn)寫字母，分高、中、低三族記入相應(yīng)的欄內(nèi)。若天空同時(shí)出現(xiàn)幾種云時(shí)，按高、中、低云和云量多少的順序記錄。云的觀測(cè)3．天氣狀況不明時(shí)云的記錄因霧等天氣現(xiàn)象使云量、云狀無法辯明時(shí)，總、低云量記10，云狀欄記天氣現(xiàn)象符號(hào)。若因煙、霾等現(xiàn)象使天空云量、云狀全部或部分不明時(shí)，總、低云量記“-”，云狀欄記天氣現(xiàn)象符號(hào)。4．云的夜間觀測(cè)夜間應(yīng)站在沒有燈光或燈光比較暗的地方進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)星光的有無和模糊程度來判斷是否有云或什么云。高云一般都可見星光，Cs使星光模糊而均勻，Ci使星光有的地方明亮，有的地方模糊。層狀云（Ns、As、St）一般都遮蔽全天，看不到星光。As使天空較明亮，Ns使天空較暗黑，St使天空均勻低暗。天氣現(xiàn)象的觀測(cè)天氣現(xiàn)象有100多種，主要掌握以下幾種：霾：大量極細(xì)微的塵粒、煙粒、鹽粒等均勻的漂浮在空中，使水平能見度小于5海里的空氣混濁現(xiàn)象。輕霧：水平能見度在0.5～5海里的薄霧。雷暴：積雨云中產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。龍卷：一種小范圍的強(qiáng)烈旋風(fēng)，外觀上表現(xiàn)為從積雨云底盤旋下垂的一個(gè)漏斗狀云體。霧：懸浮在空中的大量微小水滴，使水平能見度小于0.5海里。毛毛雨：稠密、細(xì)小而十分均勻緩慢的液態(tài)降水。微弱時(shí)徐徐下落，迎面有潮濕感。7雨：強(qiáng)度變化緩慢的滴狀液態(tài)降水。天氣現(xiàn)象的觀測(cè)8雪：白色不透明的星狀、六角形片狀結(jié)晶固體降水。9雨夾雪：雪和雨同時(shí)下降。10陣雨：開始和停止都較突然、強(qiáng)度變化大的液態(tài)降水。11陣雪：開始和停止都較突然、強(qiáng)度變化大的固態(tài)降水。12陣性雨夾雪：開始和停止都較突然、強(qiáng)度變化大。13冰雹：堅(jiān)硬的球狀、錐狀或形狀不規(guī)則的固體降水。14雷雨：雷暴和降水同時(shí)出現(xiàn)。15沙塵暴：由強(qiáng)風(fēng)將地面大量塵沙吹起，使空氣混濁，天色昏黃，水平能見度?1.0km的天氣現(xiàn)象。在1-10km稱為揚(yáng)沙，漂浮在空中?10km稱為浮塵。海浪的觀測(cè)

海浪的觀測(cè)主要包括浪高、浪向和周期的觀測(cè)。浪高是指相鄰波峰和波谷之間的垂直距離，單位為米。觀測(cè)時(shí)根據(jù)浪的特征區(qū)分出風(fēng)浪和涌浪，在較遠(yuǎn)