海洋水文气象要素-为龙讲课教案.ppt
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1、海洋水文气象要素-为龙 海浪海浪(Sea Wave)Sea Wave)海浪与海流都是海水运动的重要形式,对船舶航行有很大的影响。海浪与海流都是海水运动的重要形式,对船舶航行有很大的影响。大风浪造成航速下降,舵效降低,甚至停止不前;在狂涛巨浪中还大风浪造成航速下降,舵效降低,甚至停止不前;在狂涛巨浪中还会出现会出现“中垂中垂”或或“中拱中拱”使船舶结构变形,严重时造成船体断裂,使船舶结构变形,严重时造成船体断裂,导致重大海难事故。导致重大海难事故。海浪按其形成原因分为:风浪、涌浪、近岸浪、内波、潮汐波、海海浪按其形成原因分为:风浪、涌浪、近岸浪、内波、潮汐波、海啸、风暴潮。啸、风暴潮。按水深相对
2、波长大小分为:深水波、浅水波。(后述)按水深相对波长大小分为:深水波、浅水波。(后述)波浪要素波浪要素波峰:波峰:波面的最高点;波面的最高点;波谷:波谷:波面的最低点;波面的最低点;波高波高H H:相邻的波峰与波谷间的垂直距离;相邻的波峰与波谷间的垂直距离;波长波长:相邻的两个波峰(或波谷)间的水平距离,单位米;:相邻的两个波峰(或波谷)间的水平距离,单位米;波陡波陡:波高与波长之比,它是表示波形陡峭的量;:波高与波长之比,它是表示波形陡峭的量;波幅波幅a a:波高的一半称为波幅;波高的一半称为波幅;周周期期T T:两两相相邻邻的的波波峰峰(或或波波谷谷)相相继继通通过过一一固固定定点点所所需
3、需时时间间,单位为秒;单位为秒;波波速速c c:波波形形传传播播的的速速度度,即即波波峰峰(或或波波谷谷)在在单单位位时时间间内内的的水水平位移;平位移;波峰线:沿垂直于波浪传播方向通过波峰的线叫波峰线;波峰线:沿垂直于波浪传播方向通过波峰的线叫波峰线;波向线:垂直于波峰线的线叫波向线;波向线:垂直于波峰线的线叫波向线;波长、波速、周期三者关系:波长、波速、周期三者关系:波浪的分类波浪的分类(按成因分类)(按成因分类)风浪:风浪:由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。涌浪:涌浪:风浪离开风区传至远处或者风区中风停息后所留下来的风浪离开风区传至远处或者风区中
4、风停息后所留下来的波浪,称为涌浪。波浪,称为涌浪。近岸浪:风浪或涌浪传至浅水或近岸区后,因受地形影响将发生近岸浪:风浪或涌浪传至浅水或近岸区后,因受地形影响将发生一系列变化,称近岸浪。一系列变化,称近岸浪。风暴潮:由于气象原因,如台风,强风暴等引起的海面异常升高风暴潮:由于气象原因,如台风,强风暴等引起的海面异常升高现象称风暴潮,亦称风暴海啸。现象称风暴潮,亦称风暴海啸。海啸:海啸:由于海底或海岸附近发生的地震或火山爆发所形成的波由于海底或海岸附近发生的地震或火山爆发所形成的波动。亦称海啸。动。亦称海啸。潮汐波:由于天体引潮力作用所产生的波动。潮汐波:由于天体引潮力作用所产生的波动。内波:不同
5、密度的水层界面处而产生的波动。内波:不同密度的水层界面处而产生的波动。深水波和浅水波深水波和浅水波深水波深水波:波长远小于海深的波(:波长远小于海深的波()波速与波长和周期有关,与水深无关。波速与波长和周期有关,与水深无关。浅水波浅水波:波长远大于海深的波(:波长远大于海深的波()波速取决水深,与与波长和周期无关波速取决水深,与与波长和周期无关水质点的运动与波形传播的关系水质点的运动与波形传播的关系理论上证明:理论上证明:深水波中海面上水质点运动的轨迹是以波高为直径的深水波中海面上水质点运动的轨迹是以波高为直径的圆,在海面以下其直径以指数形式迅速减小。浅水波中水质圆,在海面以下其直径以指数形式
6、迅速减小。浅水波中水质点运动的轨迹为椭圆。点运动的轨迹为椭圆。2 2 群波和驻波群波和驻波 群群 波波 海洋中的波浪常以海洋中的波浪常以“群群”的形式出现,通常称为群波的形式出现,通常称为群波(Group of Waves)。设两列波向、振幅相同,波长和周期。设两列波向、振幅相同,波长和周期稍有差别的正弦波相互叠加,叠加以后的合成波形如下图。稍有差别的正弦波相互叠加,叠加以后的合成波形如下图。驻驻 波波 由两列波向相反的正弦波叠加,可以得到一种波形不由两列波向相反的正弦波叠加,可以得到一种波形不向前传播的波,波面只在原地振动,称为驻波(向前传播的波,波面只在原地振动,称为驻波(standing
7、 wave)。海滨峭壁处常出现驻波,台风眼区的)。海滨峭壁处常出现驻波,台风眼区的“金字塔金字塔浪浪”就是驻波。波腹处的水质点只作垂直运动,波节处的就是驻波。波腹处的水质点只作垂直运动,波节处的水质点只做水平运动。水质点只做水平运动。3 3 风浪、涌浪和近岸浪风浪、涌浪和近岸浪风浪风浪 (Wind Wave)(Wind Wave)风浪:风浪:由风直接作用引起的水面波动,称为风浪。风浪特征,周期较由风直接作用引起的水面波动,称为风浪。风浪特征,周期较短,波面不规则,波长短。波向与风向一致,波高取决于风力、风短,波面不规则,波长短。波向与风向一致,波高取决于风力、风区、风时。区、风时。风浪成长与风
8、速,风时和风区的关系风浪成长与风速,风时和风区的关系:1.1.风速风速:一般风速越大产生的风浪也越大。这只适用于风时和风区不:一般风速越大产生的风浪也越大。这只适用于风时和风区不受限制时。受限制时。2.2.风时风时:同一方向的风连续作用的时间。一般对水面持续作用的时间:同一方向的风连续作用的时间。一般对水面持续作用的时间越长,海水所获得的动能越大,风浪也越大。越长,海水所获得的动能越大,风浪也越大。3.3.风风区区:指指风风在在海海上上吹吹过过的的距距离离。风风区区的的大大小小对对风风浪浪的的成成长长起起着着不不可可忽视的作用,若风区的长度不够,风浪也不能充分发展。忽视的作用,若风区的长度不够
9、,风浪也不能充分发展。风浪的三种状态风浪的三种状态w过渡状态:过渡状态:风吹到大洋上,风浪风吹到大洋上,风浪随着时间的增长而增大。随着时间的增长而增大。风浪的成长取决于风时长风浪的成长取决于风时长短。短。w定常状态:定常状态:恒定的风长时间吹在恒定的风长时间吹在有限的水域上,使海面各有限的水域上,使海面各点的风浪要素趋于稳定。点的风浪要素趋于稳定。风浪的三种状态风浪的三种状态风浪充分成长状态:风速越大,风时越长,风浪就越发展。但风风浪充分成长状态:风速越大,风时越长,风浪就越发展。但风浪的发展不是无限的,当波陡接近浪的发展不是无限的,当波陡接近1/71/7时,波浪开始破碎。这是因时,波浪开始破
10、碎。这是因为风传给风浪的能量,一部分用于增大波高,一部分消耗于涡动为风传给风浪的能量,一部分用于增大波高,一部分消耗于涡动摩擦,当风传给风浪的能量与涡动摩擦消耗的能量相平衡时,风摩擦,当风传给风浪的能量与涡动摩擦消耗的能量相平衡时,风浪不再继续增大,即风浪达到极限状态,这种状态称为风浪充分浪不再继续增大,即风浪达到极限状态,这种状态称为风浪充分成长。成长。风浪成长主要与风浪成长主要与风速、风区和风时风速、风区和风时有关。另外还受水深及海域特有关。另外还受水深及海域特征等因素影响。征等因素影响。涌浪涌浪 (Swell)(Swell)涌浪涌浪:涌浪是指风浪离开风区后传到远处,或风区里的风停息后涌浪
11、是指风浪离开风区后传到远处,或风区里的风停息后所遗留下的波浪。所遗留下的波浪。涌浪又称长波,其波形规则,波面光滑,波速较快,波长和周期涌浪又称长波,其波形规则,波面光滑,波速较快,波长和周期较大,波陡小。较大,波陡小。波速公式:波速公式:C=1.5 T C=1.5 T 涌涌浪浪传传播播过过程程中中,在在波波高高衰衰减减的的同同时时,波波长长和和周周期期增增大大,波波速速加加快快,比风暴的移速快很多比风暴的移速快很多,可以作风暴来临的先兆,亦称先行波。可以作风暴来临的先兆,亦称先行波。近岸浪近岸浪(Coastal Wave)(Coastal Wave)w近岸浪:近岸浪:当波浪传到沿岸浅水区,波长
12、当波浪传到沿岸浅水区,波长变短,波高增大,水质点运动的变短,波高增大,水质点运动的速度不等,在波谷处,由于水浅,速度不等,在波谷处,由于水浅,水质点受海底摩擦影响,其速度水质点受海底摩擦影响,其速度慢于波峰处水质点的速度,使波慢于波峰处水质点的速度,使波峰超过波谷,波形前侧变得陡峭峰超过波谷,波形前侧变得陡峭突出,后侧变得平缓,从而使波突出,后侧变得平缓,从而使波浪发生倒卷和破碎。浪发生倒卷和破碎。流波效应和海气温差对波浪的影响流波效应和海气温差对波浪的影响流波效应流波效应:波浪与海流成一定角度时,海流会影响波浪的波高、波速和传波浪与海流成一定角度时,海流会影响波浪的波高、波速和传播方向等。当
13、波浪与海流相向或接近于相向时,波高会增大播方向等。当波浪与海流相向或接近于相向时,波高会增大2030%(流速为(流速为23kn,风速为,风速为1015m/s)。如黑潮流域上冬季风形成的波)。如黑潮流域上冬季风形成的波浪常增大。浪常增大。海气温差海气温差:在风速相等的情况下,气温低于海温时的波高比海气温度相等在风速相等的情况下,气温低于海温时的波高比海气温度相等时的大。据统计,气温比海温每低时的大。据统计,气温比海温每低1 ,波高增大约,波高增大约5%5%。如。如气温比海温每气温比海温每低低10 ,波高增大约,波高增大约50%50%。在冬季西北太平洋中高纬海域,强盛的锋面气旋,气温低于海温,加之
14、流在冬季西北太平洋中高纬海域,强盛的锋面气旋,气温低于海温,加之流波波效应,有时出现比预料高效应,有时出现比预料高2-32-3倍的异常大浪,是海事多发的海域,有倍的异常大浪,是海事多发的海域,有“魔魔鬼海域鬼海域”之称。之称。波高的测算波高的测算平均波高:平均波高:Hp=Hp=(H H1 1+H+H2 2+H+H3 3+H+Hn n)/n /n 其中其中n n为观测到的波的总个数,为观测到的波的总个数,H H1 1,H H2 2,.H.Hn n为各实测波的波高。为各实测波的波高。合成波高:合成波高:H=HH=HW W2 2+H+HS S2 2 部分大波的平均波高:将观测到的波高按大小排列起来,
15、取最高的部分大波的平均波高:将观测到的波高按大小排列起来,取最高的一部分波的波高计算平均值,称为部分大波的平均波高。一般计算一部分波的波高计算平均值,称为部分大波的平均波高。一般计算H H1/1001/100,H H1/101/10,H H1/31/3,它们的意义是,若观测,它们的意义是,若观测10001000个波,则分别代表个波,则分别代表其中最高的其中最高的1010,100100,333333个波的平均波高(有效波高)。个波的平均波高(有效波高)。H H1/31/3:称为有效波高。是波浪预报的一个重要指标。:称为有效波高。是波浪预报的一个重要指标。4 4 有效波高和合成波高有效波高和合成波
16、高波浪分析图波浪分析图图图中中粗粗实实线线表表示示等等波波高高线线,单单位位为为米米。从从2m开开始始,两两相相邻邻等等波波高高线线间间隔隔为为1m。图图中中还还绘绘出出主主波波向向(几几列列波波并并存存时时波波高高最最大大者者的的传传播播方方向向)、乱乱波波区区和和海海上上观观测测船船点点的的水水文文气气象象要要素素实实况况,其其中中包包括括风风向向、风风速速、风风浪浪向向、风风浪浪高高、风风浪浪周周期期、涌涌浪浪向向、涌涌浪浪高高和和涌涌浪浪周周期期等等。.此此外外图图中中还还标标绘绘出出同同一一时时刻刻的的高高、低低气气压压、热热带带气气旋旋中中心心位位置置、强强度度及及锋锋线线位位置置
17、等等。绘绘制制等等波波高高线线所所依依据据的的数数据据是是风风浪浪高高(HW)与与涌涌浪浪高高(HS)两两者者的合成波高(的合成波高(HE):):式中:式中:HW和和HS为海上观测船分别目测得到的平均显著波高。为海上观测船分别目测得到的平均显著波高。波浪分析图波浪分析图波浪预报图波浪预报图n 日本东京日本东京JMH台发布的西北太台发布的西北太平洋平洋24h波浪预报图。其中绘有等波波浪预报图。其中绘有等波高线(单位为米)、主波向及主波的高线(单位为米)、主波向及主波的波高和周期。此外,还标绘出波高和周期。此外,还标绘出H、L、TD的中心位置、强度以及锋线位置的中心位置、强度以及锋线位置等。在波浪
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