6第六章 海浪.ppt

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1、第六章第六章 海浪海浪本章重点：本章重点：1 1、了解、了解风的形成及类型风的形成及类型和和风况观测并掌握风资料风况观测并掌握风资料的整的整理；理；2 2、了解、了解海浪观测方法海浪观测方法并掌握并掌握海浪观测资料海浪观测资料的整理；的整理；3 3、掌握、掌握固定点波高固定点波高和和周期的统计分布周期的统计分布及及理论分布函数理论分布函数；4 4、掌握掌握海浪要素海浪要素的统计规律和的统计规律和海浪谱海浪谱的基本知识。的基本知识。第一节第一节 海浪要素和分类海浪要素和分类一、海浪要素一、海浪要素波峰波峰波谷波谷波峰线波峰线波向线波向线波高波高波长波长周期周期 波陡波陡 波速波速二、海浪分类二、

2、海浪分类1 1强制波、自由波和混合浪强制波、自由波和混合浪2 2毛细浪、重力波和长周期波毛细浪、重力波和长周期波4 4长峰波和短峰波长峰波和短峰波3 3不规则波和规则波不规则波和规则波6 6深水前进波和浅水前进波深水前进波和浅水前进波5 5前进波和驻波前进波和驻波深水波深水波浅水波浅水波第二节第二节 风况基础知识风况基础知识一、风的形成及类型一、风的形成及类型空气的水平运动空气的水平运动大气压大气压标准气压标准气压地面天气图地面天气图高空天气图高空天气图1 1气压梯度力气压梯度力2 2地转偏向力（科氏力）地转偏向力（科氏力）由法国数学家科里奥由法国数学家科里奥利（利（G.G.Coriolis)

3、1835G.G.Coriolis)1835年确定。如：在北半球年确定。如：在北半球由南向北流的河流冲刷由南向北流的河流冲刷东岸。东岸。3 3离心力离心力 概念概念空气作圆周运动时，为保持沿惯性方向运动产生的力。空气作圆周运动时，为保持沿惯性方向运动产生的力。惯性离心力同运动方向相垂惯性离心力同运动方向相垂直，自曲率中心沿半直，自曲率中心沿半 径指向径指向外缘，其大小同空气运动的外缘，其大小同空气运动的线速度（线速度（U）的）的 平方成正比，平方成正比，与曲率半径（与曲率半径（r）成反比。）成反比。实际大气实际大气空气运动曲率半径（几十千米空气运动曲率半径（几十千米几千千米）很大，几千千米）很大

4、，故故C C很小。但在低纬度或空气很小。但在低纬度或空气运动速度大而运动速度大而曲率半很小时，曲率半很小时，C C 较大并可能超过较大并可能超过G G。作用作用只改变风向，不改变风速大小。只改变风向，不改变风速大小。4 4摩擦力摩擦力 在离海平面在离海平面500-1000m500-1000m的自由大气中，可忽略摩的自由大气中，可忽略摩擦力的影响。在自由大气擦力的影响。在自由大气以下的摩擦层内，空气运以下的摩擦层内，空气运动受到摩擦力的影响。动受到摩擦力的影响。例：例：p=2.5hPa,n=4,F F=10,T=5,Us=13.5 m/s,Ug=18 m/s诺馍图诺馍图1 1经验公式经验公式2

5、2诺馍图诺馍图当没有风的实测资料当没有风的实测资料时，可根据以下方法时，可根据以下方法估算海面风速：估算海面风速：例：例：p=5hPa,n=3.5,F F=30,T=5,则：则：Us=？m/s,Ug=？m/s二、我国近海风况的特点二、我国近海风况的特点 1 1季风季风海陆间热力差异导致。海陆间热力差异导致。2 2寒潮大风寒潮大风气温在气温在2424小时内降低小时内降低1010度以上，且最低气度以上，且最低气温降至温降至5 5度以下，称为寒潮。度以下，称为寒潮。3 3台风台风热带气旋热带气旋台风（台风（12级及以上）级及以上）强热带风暴（强热带风暴（1011级）级）热带风暴（热带风暴（89级）级

6、）热带低压（热带低压（8级以下）级以下）三、风况观测三、风况观测风速风速风向（十六方位，表风向（十六方位，表6-2）无风用无风用 C C 表示。表示。（1）（2）蒲福风级，表）蒲福风级，表6-3四、测风资料的整理四、测风资料的整理风况图（风况玫瑰图）风况图（风况玫瑰图）1 1风向频率玫瑰图风向频率玫瑰图常风向常风向ENEENE、E E，同时，同时也是大风风向也是大风风向2 2最大风速玫瑰图最大风速玫瑰图资料：各个方向资料：各个方向20-3020-30年内的最大风速年内的最大风速强风向为强风向为ENEENE、E E、SSESSE3.风速的换算风速的换算（1）标准：）标准：我国海港技术工程规范规定

7、：对于波浪推算采用的我国海港技术工程规范规定：对于波浪推算采用的标准是标准是 海面上海面上10m高度处高度处2min风速的平均值；对于港口建筑物风速的平均值；对于港口建筑物设计采用的标准是海面上设计采用的标准是海面上10m高度处高度处10min风速的平均值。风速的平均值。（2）高度换算）高度换算式中，式中，Z仪器高度仪器高度 Z0地（海）面粗糙度，地面取地（海）面粗糙度，地面取0.03m，海面取，海面取0.003m kZ高度换算系数，见表高度换算系数，见表6-5则：则：（3）海陆换算）海陆换算其中，其中，K海面风速增大系数（表海面风速增大系数（表6-6）注意：注意：此公式岸站的海拔高度没有考虑

8、。此公式岸站的海拔高度没有考虑。时距越短，风速时距越短，风速U越大越大（4）风速时距换算）风速时距换算简写为：简写为：第三节第三节 海浪观测海浪观测一、波浪观测的方法一、波浪观测的方法1 1岸用光学测波仪岸用光学测波仪波浪观测的项目：海况（表波浪观测的项目：海况（表6-7）、波型、波向、波高、周）、波型、波向、波高、周期、风速、期、风速、风向、水深风向、水深2 2遥测重力测波仪遥测重力测波仪3 3压力式测波仪压力式测波仪二、海浪资料的整理二、海浪资料的整理第四节第四节 海浪要素统计规律海浪要素统计规律一、固定点波高和周期的统计分布一、固定点波高和周期的统计分布周期周期平均周期平均周期波高波高平

9、均波高平均波高下跨零点下跨零点上跨零点上跨零点波峰顶波峰顶波谷底波谷底不规则波的平均周期与平均波长之关系：不规则波的平均周期与平均波长之关系：系数：系数：波高模比系波高模比系数数k ki i波高分组波高分组H Hi i出现次数出现次数n ni i区间频率区间频率f fi i平均平均频率频率累积次数累积次数累积频率累积频率F F（%）2.42.42.22.25.35.34.84.82 20.020.020.100.102 22 22.22.22.02.04.84.84.44.41 10.010.010.050.053 33 32.02.01.81.84.44.44.04.03 30.030.03

10、0.150.156 66 60.20.20.00.00.40.40.00.02 20.020.020.100.101001001001001001001.01.0表表6-106-10列出了连续列出了连续100100个波高，对其进行分析（表个波高，对其进行分析（表6-116-11）：）：问：绘制累积频率图时，为什么用波高的模比系数问：绘制累积频率图时，为什么用波高的模比系数？对对于于海海洋洋中中同同一一点点，不不同同场场次次的的波波浪浪，尽尽管管其其波波高高的的分分布布规规律律差差异异很很大大，但但他他们们的的波波高高的的模模比比系系数数的的统统计计规规律是近似一样的。律是近似一样的。二、固定点

11、波高和周期的理论分布函数二、固定点波高和周期的理论分布函数1 1波高的理论分布函数波高的理论分布函数波面波面 的概率密度函数的概率密度函数进而推导出波面振幅进而推导出波面振幅 的概率密的概率密度函数度函数波高的理论概率密度函数波高的理论概率密度函数瑞利（瑞利（Rayleigh)分布分布李雅普诺夫地定理：如果某随机变量是大量独立互不依赖的一李雅普诺夫地定理：如果某随机变量是大量独立互不依赖的一系列量值很小的随机变量的总和，那么不论它们各自的分布规系列量值很小的随机变量的总和，那么不论它们各自的分布规律如何，它们之和的分布规律总是服从正态分布。律如何，它们之和的分布规律总是服从正态分布。偏态系数为

12、：偏态系数为：离差系数为：离差系数为：密度最大处对应的波高：密度最大处对应的波高：累积频率函数（分布函数）：累积频率函数（分布函数）：对应于指定累积频率对应于指定累积频率F%的波高：的波高：浅水区波高的分布函数：浅水区波高的分布函数：为浅水系数，为浅水系数，当水很深时，即当水很深时，即H H*=0=0，则上式还原为深水公式。，则上式还原为深水公式。H*F%0(深水深水)0.10.20.30.40.5(破碎破碎)0.52.5972.4032.2132.0291.8541.68712.4212.2562.0921.9321.7771.62822.2322.0961.9601.8251.6921.5

13、6351.9531.8591.7621.6621.5621.463900.3360.4120.4620.5150.5720.633950.2560.2980.3460.4000.4610.529深水及浅水中各种累积频率所对应的波高模比系数：深水及浅水中各种累积频率所对应的波高模比系数：当波由深水处移向浅水处时，平均波高将发生变化，波列当波由深水处移向浅水处时，平均波高将发生变化，波列的分布规律也发生变化。的分布规律也发生变化。深水中最大波高深水中最大波高 与波数与波数 的近似关系：的近似关系：在浅水中，在浅水中，还与还与 有关：有关：同样，当水很深时，即同样，当水很深时，即H H*=0=0，则

14、上式还原为深水公式。，则上式还原为深水公式。例例1：P107例例2 2：已知某浅水区：已知某浅水区d=20md=20m，=3.0m=3.0m，求，求H H1%1%=？解：由解：由 /d=0.15，查表，查表6-12得：得：H H1%1%/=2.174，则则H H1%1%=2.174=2.174 =6.5m =6.5m例例3：已知某浅水区已知某浅水区d=20md=20m，H H1%1%=5.0m=5.0m，求，求H H5%5%=？解：采用试算法解：采用试算法 设设 =2.2m /d=0.11 计算得计算得 H H1%1%/=2.273，查表得，查表得 H H1%1%/=2.239 H H5%5%

15、/=1.85 则则H H5%5%=4.1=4.1m m2 2周期的理论分布函数周期的理论分布函数周期的概率密度函数：周期的概率密度函数：周期的分布函数：周期的分布函数：上式改写改写为：F%F%F%0.51.67201.25700.8511.62301.16800.7621.56401.08900.6251.46501.01950.52101.36600.94三、两种特征波及其相互关系三、两种特征波及其相互关系特征波特征波特征波高特征波高特征周期特征周期1 1特征波高的两种表示方法特征波高的两种表示方法a.在波列中选取某一累积频率在波列中选取某一累积频率对应的波高作为特征波高（对应的波高作为特征

16、波高（HF）b.以所谓部分大波的以所谓部分大波的平均波高作为特征波高（平均波高作为特征波高（HP）部分大波的特征波高为：部分大波的特征波高为：显著波高（显著波高（）有效波高（有效波高（）部分大波的平均波高模比系数表部分大波的平均波高模比系数表 2 2两种特征波高的相互关系两种特征波高的相互关系令令则则设设，如，如F(%)HHPHFF则则则则对于误差函数：对于误差函数：x 0，erf 0 x ,erf 1,erf 1所以：所以：即：即：例：例：=4.7m，求，求H1%=？解：由表解：由表6-12查得，查得，=2.421由表由表6-14查得，查得，=2.031可得统计规律：可得统计规律：3.特征周

17、期特征周期 四、我国海港工程设计波浪的波列累积频率标准四、我国海港工程设计波浪的波列累积频率标准 （自学）（自学）五、我国沿岸海域波况的特点（自学）五、我国沿岸海域波况的特点（自学）第五节第五节 海浪谱基础知识（自学）海浪谱基础知识（自学）第六节第六节 根据海浪观测推算设计波浪根据海浪观测推算设计波浪设计波浪：设计波浪：设计波浪的波列累积频率标准设计波浪的波列累积频率标准指设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的指设计波浪要素在实际海面上不规则波列中的出现概率出现概率设计波浪的重现期标准设计波浪的重现期标准指某一特定的波列平均多少年出现一次指某一特定的波列平均多少年出现一次设计波浪的设计波浪的重

18、现期标准重现期标准设计波浪的设计波浪的波列标准波列标准一、设计波浪的标准一、设计波浪的标准二、利用长期观测资料推算设计波浪二、利用长期观测资料推算设计波浪1 1确定驻港地区主要的波浪方向确定驻港地区主要的波浪方向2 2收集和整理波浪观测资料收集和整理波浪观测资料如图：实线为最大风速玫如图：实线为最大风速玫瑰图；虚线为风向频率玫瑰图；虚线为风向频率玫瑰图。瑰图。收集收集4545范围内的年范围内的年如：如：1969年年ENE、E、ESE方向各有一个方向各有一个 ，则选其中最大的。则选其中最大的。但注意不能重复计算。但注意不能重复计算。3 3设计波浪的推算设计波浪的推算频率分析法频率分析法（1）经验

19、累积频率的）经验累积频率的 计算计算（2）理论累积频率）理论累积频率 曲线的选用曲线的选用皮尔逊皮尔逊型累积频率型累积频率曲线曲线例：例：(P130)某观测站有某观测站有23年年S(SSW、SSE)方方向年最大向年最大 （表（表6-19），为深水区，试推求），为深水区，试推求该站该站50年一遇的年一遇的H1%、H5%。（1）资料选取）资料选取第1年第2年第m年每年出现的最大一场波浪每年出现的最大一场波浪求部分大波求部分大波的特征波高的特征波高求特征波高求特征波高的模比系数的模比系数（2）选线（选线（P-IIIP-III曲线），求三参数。曲线），求三参数。（3）适线，求某一重现期的设计波高。适线

20、，求某一重现期的设计波高。（4）重现期重现期5050年一遇（部分大波平均波高的设计波高）年一遇（部分大波平均波高的设计波高）记为记为2.532.53（5）重现期重现期5050年一遇年一遇（累积频率为（累积频率为1%1%的设计波高）的设计波高）1 1、选取若干年某方向上每年出现的最大一场波浪系列；、选取若干年某方向上每年出现的最大一场波浪系列；2 2、求若干年每年最大一场波浪系列的特征波高（如、求若干年每年最大一场波浪系列的特征波高（如 ）组成系列。组成系列。3 3、求特征波高的模比系数（、求特征波高的模比系数（Ki）。）。4 4、求特征波高的模比系数对应的累积频率（、求特征波高的模比系数对应的

21、累积频率（）。）。5 5、选线（、选线（P-IIIP-III曲线），求三参数（特征波高的平均值，曲线），求三参数（特征波高的平均值，变差系数，偏态系数），适线。变差系数，偏态系数），适线。6 6、求某一重现期对应的设计波高。如：、求某一重现期对应的设计波高。如：利用长期资料推算设计波浪步骤利用长期资料推算设计波浪步骤重现期为重现期为5050年年三、利用短期测波资料推算设计波浪（自学）三、利用短期测波资料推算设计波浪（自学）四、与设计波高相对应得设计周期的推算方法四、与设计波高相对应得设计周期的推算方法（自学）（自学）第七节第七节 根据气象资料推算风浪尺度根据气象资料推算风浪尺度1.风浪成长的机

22、理风浪成长的机理 N u2.风场要素风场要素（1）风场三要素）风场三要素风距：指在一定风况作用下，对某特定点形成波浪有实际风距：指在一定风况作用下，对某特定点形成波浪有实际作用的风区范围及其水域长度。一般在风速不变的情况下，作用的风区范围及其水域长度。一般在风速不变的情况下，风距越大，波浪也越大。风距越大，波浪也越大。（2）风区划分）风区划分风速（风速（m/s）风时风时(h)风距（风距（km）移动风区移动风区固定风区固定风区风区的划分风区的划分3.风浪的成长过渡风浪的成长过渡（1）过渡状态）过渡状态 t很短，很短，u稳定，风场范围稳定，风场范围大大（受限于风时）（受限于风时）u海面海面xt1t

23、2（2）定常状态）定常状态 u稳定，稳定，t很长很长 风场范围小（受限于风距）风场范围小（受限于风距）uFxH同样的风况条件下，风距越大，风浪也越大同样的风况条件下，风距越大，风浪也越大（3）充分成长状态，）充分成长状态，u稳定，稳定，t很长，很长，F很很大，（大，（t，F均不受限）均不受限）ux风浪能量的输入风浪能量的输入=能量的消耗能量的消耗风浪不能无限制的增长风浪不能无限制的增长4 4 判别风浪状态的标准判别风浪状态的标准（1）最小风时）最小风时tmin（即某一点出现最大波高所即某一点出现最大波高所需的时间需的时间）给定）给定u,F ttmin 定常状态定常状态（2）最小风距）最小风距F

24、min（即海面上出现最大波高所需即海面上出现最大波高所需的最短距离）给定的最短距离）给定u，t FFmin 过渡过渡二、风场要素的确定方法二、风场要素的确定方法1.计算风距的确定方法计算风距的确定方法(1)确定风区、风向变化确定风区、风向变化30，风速变化，风速变化=4m/s(2)量取风距量取风距uF2.计算风速、风时的确定计算风速、风时的确定 很很容容易易达达到到定定常常态态，则则风风时时不不考考虑虑（通通常常为为定定常常态态）计计算算风风速速采采用用频频率率分分析析法法，其其设设计计标标准准与与设设计波浪相同，如计波浪相同，如50年一遇波浪由年一遇波浪由50一遇的风浪造成。一遇的风浪造成。第八节第八节 波浪浅水变形波浪浅水变形一、水深变浅引起的波浪变形一、水深变浅引起的波浪变形1 1波长与波速的变化波长与波速的变化深海深海浅海浅海2 2波高的变化波高的变化例例浅水系数二、波浪折射二、波浪折射1 1波浪折射原理波浪折射原理P点的波高：点的波高：例折射系数例题例题在在 处，观测得处，观测得 ，已，已绘出自此处至岸边折射图，求绘出自此处至岸边折射图，求 处某点处某点 P的波高的波高 、。（从折射图上量得相邻波。（从折射图上量得相邻波向线宽度向线宽度 ）。（附：）。（附：时，时，,;,;,）