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第八章 海浪
第一节 概述
一、波浪(Wave)要素
1、波峰――波面的最高点。
2、波谷――波面的最低点。
3、波高(H)――相邻波峰与波谷之间的垂直距离。
4、波幅(a)――波高的一半,a=H/2。
5、波长(λ)――相邻两波峰或相邻两波谷之间的水平距离。
6、波陡(δ)――波高与波长之比,δ=H/λ。
7、周期(T)――相邻的两波峰或两波谷相继通过一固定点所需要的时间。
8、频率(f)――周期的倒数,f=1/T。
9、波速(C)――波峰或波谷在单位时间内的水平位移(波形传播的速度),C=λ/ T。
10、波峰线――通过波峰垂直于波浪传播方向的线。
11、波向线――波形传播的方向线,垂直于波峰线。
二、波浪的分类
1、按周期或频率分类
海浪大部分能量集中在周期4~12s的范围内,属重力波范围。
最常见的重力波是风浪和涌浪。
2、按成因分类
1)风浪和涌浪
风浪(Wind Wave)――风的直接作用所引起的水面波动。(无风不起浪)
涌浪(Swell)――风浪离开风区传至远处,或者风区里风停息后所遗留下来的波浪。
(无风三尺浪)
2)海啸(Tsunami,又称地震波)
――由于海底或海岸附近发生地震或火山爆发所形成的海面异常波动。
特点:
周期长,波长长,波速大,在外海坡度很小,当传至近岸时,波高剧增。
世界上常受海啸袭击的国家和地区有:
日本、菲律宾、印度尼西亚、加勒比海、墨西哥沿岸、地中海。
3)风暴潮(Storm Surge)
――由强烈的大气扰动(强台风、强锋面气旋、寒潮大风等)引起的海面异常上升现象。
主要原因:海面气压分布不均匀――气压每下降1hPa,海面约升高1cm;
大风――风暴向岸边移动时,受强风牵引海水涌向岸边,海面升高,升高幅度与风速的平方成正比。
我国风暴潮多发区:
莱州湾、渤海湾、长江口至闽江口、汕头至珠江口、雷州湾和海南岛东北角,其中莱州湾、汕头至珠江口是严重多发区。
4)内波(Internal Wave)
――密度相差较大的水层界面上的波动。
内波对航行船舶的影响:死水和共振
船舶克服“死水”和“共振”的有效方法是改变航速和航向。
3、按水深相对于波长的大小分类
1)浅水波(λ?水深h,λ≧20水深h)
C=(gh)1/2
波速与波长和周期无关,只取决于水深。
2)深水波(水深h≥λ/2)
波速与波长和周期有关,与水深无关。
三、水质点的运动与波形传播的关系
1、深水波:
水质点的运动轨迹是圆,海表面的水质点的轨迹直径等于波高,水质点运动到最高位置时,运动方向与波向一致,运动到最低位置时,运动方向与波向相反。波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成一次圆周运动时,整个波形就向前传播一个波长的距离。
2、浅水波:
水质点的运动轨迹是椭圆,水质点运动到最高位置时,运动方向与波向一致,运动到最低位置时,运动方向与波向相反。波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成一次椭圆周运动时,整个波形就向前传播一个波长的距离。
总结:波浪沿海面向前传播,水质点在原地附近作周期运动――前进波。
第二节 群波和驻波(简述)
一、群波(Group of Waves)
――当许多周期和波长不同但很相近的简单波动沿着同一方向传播时,在固定地点,有时出现振幅大的波动,有时出现振幅小的波动,两者相继交错发生,看起来大波是一群一群出现的,称之为群波。
深水波的群速为相速的一半;浅水波的群速与相速相同。
二、驻波(Standing Wave)
――波面随振幅的变化作上、下振动而波形不向前传播的波浪。
当两列振幅、波长、周期相近但传播方向相反的前进波相叠加时,会形成驻波。
在海滨峭壁处常出现驻波;热带气旋眼区的“金字塔”浪亦属于驻波。
第三节 风浪、涌浪和近岸浪
一、风浪(Wind Wave)
1、特征
――周期短、波峰尖、波长短、波峰线短,波面不规则,易破碎。
方向(指来向)与风向较为一致。
2、影响风浪成长的三要素
1)几个概念
① 风区――风速、风向近似一致的风作用的海域范围。
沿风吹的方向,从风区上沿至下沿的距离,称为风区长度或风程。
② 风时――近似一致的风速和风向连续作用于风区的时间。
2)风速、风时、风区与风浪成长的关系――风浪的三种状态
① 过渡状态――风区内各点波浪要素随风吹刮时间增加而增长(尤指波高)。
因此,在过渡状态,风时长短决定风浪的成长,风时越长,波高越大。
② 定常状态――随风时的不断延长,风区内离风区上沿较近的点上的浪高不再增长,这些点上的浪即进入定常状态。
离风区上沿越近,波浪进入定常状态的时间越早,波高也越低。因此,处于定常状态的风浪的波高取决于该点离风区上沿的远近(即该点的风程长短)。
③ 充分成长状态――风区、风时无限时,风浪成长到一定程度后停止发展(并变得不稳定
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