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第六章 海洋中的波动想象
概述(Summary)
一、波浪要素(Anatomyofawave)
波峰(crest/trough)(谷)，波长(wavelength)，周期(waveperiod)，波速(wavespeed)，波高(waveheight)，振幅(waveamplitude)，波陡(wavesteepness)，波峰线(crests)，波向线(waveray)
二、波浪类型(Wavetypes)
成因分：风浪(windwave)、涌浪(swell)、地震波、海啸(tsunami)
相对水深：深水波(deep-waterwave)、浅水波(shallow-waterwave)
波形传播：前进波(travellingwave)、驻波(standingwave)
发生位置：表面波(surfacewave)、内波(internalwave)、边缘波(marginalwave)
动力机制：开尔文波(Kelvinwave)、罗斯贝波(Ros*****ywave)
波浪分级：
小振幅重力波(GravitywaveofsmallAmplitude)
一、波形传播与水质点的运动(Waveformpropagationandthemotionofwaterparticles)
1.波剖面方程(equationofwaveprofile)：
波数(wavenumber);
频率(wavefrequency);
频散关系(dispersionrelation)：
深水波速(deep-waterwavespeed)：
浅水波速(shallow-waterwavespeed):：
3.水质点运动(motionofwaterparticles)
水质点运动速度随深度指数衰减；运动轨迹为圆(浅水为椭圆)；在波峰处有正的最大水平速度，波谷处负的最大水平速度，铅直速度为零。在平均水面上的水质点，水平速度为零，铅直速度最大。
水质点运动与波形传播(propagation)
二、波动能量(Waveenergy)
1、势能(potentialenergy)：
单位截面铅直水柱内的势能：
沿波峰线单位宽度一个波长内的势能
2、动能(kineticenergy)
波峰线方向单位宽度，自表至波动消失，一个波长所具有的动能。
3、总能量(totalenergy)：
4、能通量(fluxofwaveenergy)：
三、波动叠加(wavecomposing)
1、驻波(standingwave)：
两列振幅、周期、波长相等，传播方向相反的正弦波叠加。(Theyareprogressivewavesreflectedbackonthemselvesandappearasanalternationbetweenatroughandacrestatafixedposition.)
波腹(antinodes)：波面具有最大的升降；
波节(nodes)：无升降；波形不传播，故称驻波。
水质点运动速度：
波节处只有水质点的水平运动分量u，波腹处只有铅直分量w；波面上各点
2、波群(wavegroup)：
两列振幅、周期、波长相近，传播方向相同的正弦波叠加。
合成后波动以振幅(waveamplitude)
波速(wavespeed)
振幅变化的速度：群速(groupspeed-----Thespeedatwhichwaveenergyis
transportedawayfromitssource)
变化周期(waveperiod)
群速(groupspeed)：
有限振幅波(WaveofFiniteAmplitude)
一、有限重力波(gravitywaveoffiniteamplitude)
相对于小振幅波而言，有限振幅波有较大振幅。与实际海浪的形状更接近。如Stokes波，摆线波、孤立波等。
1、波面(wavesurface)：对于横轴不对称，水质点振动中心高于平均水面。
2、波速(wavespeed)：与波长有关，还与波高有关。当波陡愈大时，波速也愈大。
近似公式：
当δ很小时，蜕变为小振幅波速的形式。
3、水质点运动轨迹(water-particleorbits)：
接近为圆，但在一个周期内不封闭。有净位移，此水平位移称“波流”。波流可解释物质输运现象。对海流、波浪成长及泥沙输运有一定影响。
4、能量(energy)：动能(kineticenergy)>势能(potentialenergy)
5、波浪破碎(wavebreaking)：波陡(wavesteepness)达一定限度，波峰就会破碎。
海洋内波(InternalWave)
研究意义：能量传递、混合等；海洋生物生长；声波传输；潜艇航行和停留等。
一、界面内波(Interfaceinternalwave)：（密度不同两层海水界面处）
1、波速(wavespeed)：
具有相同波长(wavelength)的界面波(interfacewave)与表面波(surfacewave)波速比为1/20。
慢镜头
2、振幅(amplitude)：界面内波比表面波振幅大30倍。
3、能量(energy)：
4、水质点运动(water-particleorbits)：
上下两层海水水平运动方向相反，界面处形成强烈的流速剪切。同一层流速方向相反，形成辐聚与辐散。
二、密度连续变化海洋中的内波(Internalwaveintheoceanwithitsdensitycontinuous
changing)
1、内波的恢复力(restoringforceofinternalwave)：
弱化重力（重力与浮力之差）
2、内波的频率(frequencyofinternalwave)：
介于惯性频率与Brünt-Vａisａlａ频率之间。
3、内波传播方向(directionofinternalwavepropagating)：
一般沿与水平方向成一角度传播，频率(frequency)越高，夹角越小。
4、内波能量的输送(energytransportationofinternalwave)：
能量以群速传播，但群速与波速量值不同，传播方向垂直，在同一铅直面上。
5、内波的反射(reflectionofinternalwave)：
群速的入射与反射与铅直方向夹角相等。
开尔文波与罗斯贝波(KelvinwaveandRos*****ywave)
一、开尔文波(Kelvinwave)：
长周期重力波(gravitywave)，同时受重力(gravity)和科氏力(coriolis
force)作用。是右界波振幅为a的自由长波)，通过一无限长，具有侧向铅直边界，水深为h的水道时波动。波动振幅是y的函数，波峰处，波面右高左低，波谷处左高右低。
即右岸波高大于左岸。
二、罗斯贝波(Ros*****ywave)：
亦称行星波,是一种远小于惯性频率f的低频波，恢复力(restoringforce)是科氏力随纬度的变化率。
风浪和涌浪(WindwaveandSwell)
风浪和涌浪(Windwaveandswell)
一、定义(definition)
1、风浪(windwave)：
当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态。(Theyaregeneratedbythewind,restored
bygravity,andprogressinaparticulardirection.)
2、涌浪(swell)：
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。(Whenthewavesmoveoutof
thestormcenter,forcedwave*****ecomefreewavesmovingatspeedsdueto
theirperiodsandwavelengths.Onceawayfromthestormthese
long-period,uniformwavesarecalledswell.)
二、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。
三、风浪成长状态(phasesofwindwave)
定常态：某点的风浪尺度达到理论上的最大值；
过渡态：某点风浪未达理论最大，随时间的推移，还可继续增长；
最小风时：对应风区内某点，风浪达到定常状态所用的时间。
最小风区：实际风时一定，对应某一风区内的波浪达到定常态，此一风区长度称为最小风区。
判别风浪的状态：
风时>最小风时，风浪是过渡态，反之定常态；
风区>最小风区，风浪是定常态，反之是过渡态。
充分成长：
波浪在成长过程达到一定尺度后，摄取与消耗能量达到平衡时，波浪不再增大。
动画
四、涌浪传播(propagationofswell)
波高逐渐降低，波长、周期逐渐变大，从而波速变快。
原因：摩擦消耗及弥散作用、角散作用
弥散作用：
不同波长、周期、振幅的分波在传播过程中波长大的速度快，短的速度慢，使原来叠加一起的波分散开。(Thefaster,longerwavesgraduallymovethroughandaheadoftheshorter,slowerwaves,thisprocessiscalledsortingordispersion.)
角散作用：各分波传播方向不同，在传播中向各方向分散开来。传播速度快，距离长。
拍岸浪、先头涌
浅海和近岸海浪(Offingandcoastalwaves)
一、波速、波高变化(changesofwavespeedandwaveheight)：
波速变小(从短波与波长有关C*C=gλ/2π，在浅水为与水深有关C*C=gh)，周期保守，波长变小。
二、波向转折(deflectionofwaveray)
sinα1=AA’/A'B;sinα2=BB'/A'B
则有：sinα1/sinα2=AA’/BB’
又由AA’=c1dt;BB’=c2dt；
有sinα1/sinα2=c1/c2
由h1>h2,则c1>c2，则ａ1>ａ2
波峰线有逐渐与等深线平行的趋势，也就是波向线与等深线逐渐垂直的趋势。海底凸出的海岬处，波向线辐聚(converge)，出现大浪；而在凹进的海湾处，波向线辐散，波浪较小。
三、波高变化(changesofamplitude)
能量守恒(conservationofenergy):
称折射因子，波向线辐聚时，L0>L,折射因子大于1，能量集中，波高增大(海岬)。
称为地形因子，波浪从深水进入浅水，波高略有降低，然后随相对深度的减小而迅速增大。
四、波浪破碎、沿岸流沿岸流与离岸流(wavebreaking,coastalcurrentandripcurrent)
1、波浪破碎(wavebreaking)：风大；波浪传到浅水波长变短，波陡增大；海底摩擦(bottomfriction)；波峰、谷处相速不同，波面变形；浅滩、沙丘、暗礁。
2、破碎类型：溢波(spillers)、卷波(plungers)、崩波、溃波。
离岸流，沿岸流，物质输动，海湾沙丘
五、反射和绕射(reflectionanddiffraction)
1、波浪遇陡峭的海岸反射形成驻波(standingwave)。
2、防波堤(breakwater)的效用
3、遇障碍物绕射，波高明显减少。
观测、研究及应用(Observation,StudyandApplication)
一、观测(Observation)
1、浮标测波仪(buoywaverecorder)：
测波面加速度变化（放在水面，跟随波面测定波面的加速度变化）
2、悬线(suspendedline)：
测电容变化。悬线入水，电容变化量与进水高度有关，订正后得到波高。
3、压力式测波仪(pressuregaugetypewaverecorder)：
波动中压力变化。仪器固定，压力变化反应波高变化。
4、人工观测(manualobservation)：
目测；
用光学测波仪：
与浮筒配合，确定仪器与浮筒的位置、俯视角及平均海面高度，看浮筒位置的变化推算波高（三角原理）
5、遥感(remotesensing)：
高度计(Altimeter)（有效波高(significantwave
height)）、合成孔径雷达SAR（方向谱）、地波雷达（有效波高和波向）
二、研究方法(Methodsofresearch)：
1、谱分析方法（随机运动）(spectrumanalysismethods)
2、波面（波动方程）(waveequation)
三、应用(Applications)：
1、航海(navigation)
2、工程(project)：海浪破坏力和过水问题。
对建筑物的破坏力，单一大浪有限，严重的是波群，周期性持续拍击，可能与共振有关。
3、波浪发电(producingpower)：能量贮备大，但破坏力也大。
4、国防军事(nationaldefence)：潜艇、声纳
