第八章 海洋中的波动,第一节 概述第二节 小振幅重力波第三节 有限振幅波第四节 风浪和涌浪第五节 海洋内波第六节 开尔文波与罗斯贝波第七节 观测、研究及应用,主要内容,什么是波动?,A wave can be described as a disturbance that travels through a medium from one location to another location. 以可辨认的传播速度从介质的一部分向另一部分转移的任何可辨识的讯号波动是波形和能量的传播区别于物质（粒子）的传输,一、概述,共同点：是信号（能量）的传播而不是物质的传播,概述,1.横波：质点振动方向与传播方向垂直的机械波如手拿平铺在地上的绳子的一端，并上下抖动(振动)绳子，这时形成的波，呈水平方向向前传播振动方向垂直于地面，而且传播方向水平向前，这就是横波 2.纵波：质点的振动方向与传播方向一致的波如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是一致的，声波是纵波横波与纵波,海洋中的波动,以海水为介质；定义：在外力作用下，水质点离开平衡位置作周期性或准周期性运动；海水的重要运动形式之一（其他有哪些？），从海面到海洋内部都存在；运动形态（机械能）的传播;并非严格的周期性运动；近似将实际波动看做是简单波动的叠加,波浪要素,波峰：波动曲线的最高点波谷：波动曲线的最低点波长（L）：相邻两波峰（或波谷）之间的水平距离,周期（T）：相邻两波峰（或波谷）通过某固定点所经历的时间波形的传播速度（c）：波长与周期之比波高（H）：波峰到波谷之间的铅直距离振幅（a）：波高的一半，是指水质点离开其平衡位置的向上（或向下）的最大铅直位移波陡（）：波高与波长之比波峰线：垂直于波传播方向波峰的连线波向线：指向波浪传播方向的线,波动特点,波动种类很多，成因很多； 海面上的风应力：表面波浪、海洋内波、行星波动 海底及海岸附近的火山、地震：海啸 大气压力变化：风暴潮 日、月引潮力等：潮波波动周期非常宽泛，从零点几秒到多年；波高范围非常宽泛，从几毫米到几十米、上百米,波动的能量,风引起的周期从130秒的海浪所占能量最大；周期从30秒5分钟为长周期重力波、多以长涌或者先头涌的形式，一般由风暴系统引起；周期从5分钟数小时的长周期波主由地震、风暴等产生；周期1224小时的波动，主要是日、月引潮力产生的潮波；更长周期的波动则多为大尺度行星波。
波动的分类,按照成因划分：海浪：由风引起的水重力波潮波：天体引潮力引起海啸：海底地震引起风暴潮：气压骤降引起开尔文波和罗斯贝波：风引起的大尺度行星波按相对水深划分：深水波、浅水波按波形传播：前进波、驻波按发生位置：表面波、内波、边缘波,二、小振幅重力波,定义：亦称正弦波，系指海洋中波动振幅相对波长为无限小、重力是其唯一外力的简单海面波动；求解假设：流体无粘性、运动无旋、波面上压力为常数,波剖面方程： 波数（rad/m）; 角频率（rad/s）;小振幅：频散关系：,g:重力加速度;d:水深;tanh:双曲正切函数,波剖面方程,深水情况,浅水情况,与波长有关，与水深无关,与波长无关，只与水深有关,(海底摩擦起作用),频散波！,非频散波！,波形传播速度/相速度,不同波长波速随水深的变化,水质点的运动,波形向前传播完全是通过水质点的运动来实现的，但是水质点在一个波周期内并没有净的位置变化,实例：麦浪、人浪等等,水质点的运动,海浪,波形传播与水质点的运动,波形传播与水质点的运动,深水波或者短波：h/L0.5,质点速度,质点速度大小,水质点轨迹,1.水质点的运动轨迹为圆2.轨迹半径随深度增大而减小，表面最大3.到达一个波长深度时，波动已近消失,波形传播与水质点的运动,波峰处有正的最大水平速度，铅直速度为零。
波谷处有负的最大水平速度，铅直速度为零在平均水面上的水质点，水平速度为零，铅直速度最大波形传播与水质点的运动,峰前谷后为上升运动峰后谷前为下降运动,辐聚区,辐散区,深水波或者短波,浅水波或者长波,中间情况,质点轨迹为一圆，其半径随深度增加而减小质点轨迹为一椭圆，水平轴不随深度变化，而铅直轴小且随深度而变，铅直速度远小于水平速度,不同水深情况下水质点的运动轨迹,波长随深度不变！,1、势能：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：,波动能量,2、动能：波峰线方向单位宽度，自表至波动消失处，一个波长所具有的动能3、总能量,波动能量,波动能量,海洋中波动的能量是巨大的,海洋波动巨大的绿色能源,定义：两列振幅、周期、波长相等，传播方向相反的正弦波叠加波动叠加：驻波,波腹：波面具有最大的升降；波节：波面无升降；波形不传播，故称驻波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；对于波腹，在波面为平衡位置时流速最大 波面最大时流速为零波面其他点水质点运动速度：,驻波的特点,驻波,波腹,波节,定义:两列振幅相等，周期、波长相近，传播方向相同的正弦波叠加波动叠加：波群,合成前的波,合成后的波，我们看到的,波群,波速（波形传播速度）：,与合成前简单波动相近,合成后的波动振幅：,与合成前简单波动不同，呈周期性变化,有波动性质,波动能量正比于振幅的平方！振幅变化的速度（波群传播的速度） 群速波能传播的速度 群速公式：,波群：能量传播速度,很多不同频率、波数的波叠加，取极限,波群速度与相速度,波包络线,三、有限振幅波,相对于小振幅波而言(a/L1)，有限振幅波有较大振幅(a/L)。
又称非线性波形状与实际海浪更接近种类：Stokes波、摆线波、椭圆余弦波、孤立波等有限振幅波,显著特点：波面非对称正余弦函数，波峰窄，波谷宽，且向上的振幅大于向下的振幅,波面：关于横轴上下不对称，水质点振动中心高于平均水面波速：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： 当很小时，蜕变为小振幅波速的形式Stokes波,水质点运动轨迹：接近为圆，但在一个周期内不封闭有净位移（随深度指数减小！），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能量：动能势能波浪破碎：波陡达一定限度，波峰就会破碎Stokes波,摆线是什么？,摆线波,1834 年，J. S.罗素在一篇报告中提到他观察到一种奇特的自然现象，当一艘快速行驶的船突然停下来，船头出现一圆形平滑、轮廓分明的孤立波峰急速离去，滚滚向前，行进中形状和速度保持不变 内孤立波,四、风浪和涌浪,（一）概述（二）风浪的成长与消衰（三）浅海和近岸海浪（四）海浪谱,概述：风浪,风浪：当地风产生，且一直处在风的作用之下的海面波动状态波面状态：波面不规则、波峰陡、波峰线短、浪大时有白浪涌浪：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。
波面状态：波面光滑、波峰线长、传播距离长破坏性,概述：涌浪,风浪,涌浪,涌浪,风浪大小的决定因素,风速：风力大小；风时：状态相同的风持续作用在海面上的时间；风区：状态相同的风作用海域的范围风浪成长状态,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；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，波浪不再增大判别风浪的状态,最小风时：对应风区内某点，风浪达到定常状态所用的最短时间最小风区：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最小风时和最小风区,判别方法,风区最小风区，风浪是过渡态，反之定常态风时最小风时，风浪是定常态，反之是过渡态风时和风区,风速一定时，波浪成长与风时、风区的关系,风浪的分级,根据波高大小，通常将风浪分为10个等级波级表（海况等级）0级 无浪 0 光滑如镜1级 微浪 0.1 波纹2级 小浪 0.1-0.5 波浪很小，浪花是玻璃色3级 轻浪 0.5-1.25 波峰开始破碎；渔船略觉颠簸4级 中浪 1.25-2.5 波峰破裂，到处形成白浪5级 大浪 2.5-4 风开始削去波峰上的浪花6级 巨浪 4-6 白沫沿风向呈带状7级 狂浪 6-9 飞沫使能见度受到影响，渔船不出8级 狂涛 9-14 海面变成白色，只有波谷没有浪花9级 怒涛 14米以上 超级台风生成,海况,涌浪传播,变化：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,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风暴产生的风浪,COAST,OPEN OCEAN,distance from STORM,弥散,角散,各分波传播方向不同，在传播中向各方向分散开来涌浪其他特点,传播过程中，波长短的波会很快因摩擦耗散掉，波长长的波会传播很远距离，且波速大、周期长；涌浪到近岸后，能量集中，波高增大，波长减小，形成猛烈的拍岸浪，危害巨大；传播速度极快，为先行涌，可预示风暴来临,浅海和近岸海浪,传至近岸后的变化：波向折射、波高增大而能量集中、波形倒卷、破碎、反射和绕射等,波速、波长变化,假设：周期保守 结论：当水深逐渐变浅时，波速、波长都逐渐变小 浅水波波速,有观测证明,波浪反射、折射、绕射,反射：发生在港湾、码头，会形成驻波近岸水域入射波与反射波叠加形成的棋盘状波形,波峰线有逐渐与等深线平行的趋势海底凸出的海岬处，波向线辐聚，出现大浪；而在凹进的海湾处，波向线辐散，波浪较小折射：波浪入浅水区域后，由于波速和地形影响，波向的转折现象与地形有关,绕射：当波浪前进遭遇物体阻挡时，从物体侧方通过的波浪会绕过障碍物传到被遮蔽区域，称为波浪绕射。
绕射系数：绕射后的波高与绕射前的波高之比,绕射,波浪破碎,波浪为何会破碎：当波峰附近的水微团移动的速度比波速快时；当波面上的水微团在垂直方向上的加速度大于某个限度时，水微团便会脱离波面，于是发生破碎；破碎在深海和浅海都会发生；破碎发生的情况：风大；波浪传到浅水波长变短，波陡增大；海底摩擦；波峰、谷处相速不同，波面变形；浅滩、沙丘、暗礁破碎类型：溢波、卷波、崩波或溃波,破碎类型：溢波、卷波、崩波或溃波,Spilling,Plunging,Collapsing,Surging,波浪的破碎,离岸流和沿岸流,离岸流：波浪在近岸破碎后，海水经过碎浪带返回海洋的流动；沿岸流：离岸流之间顺岸边的流动平直海岸离岸流与顺岸流,弯曲海岸离岸流与顺岸流,离岸流,对海岸泥沙等物质搬运具有重要作用,海浪谱,真实的海浪视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、位相杂乱的组成波组成，具有强随机性；海浪谱：描述海浪能量随频率和或方向分布的谱；研究海浪的重要工具；具体表达形式多是半经验、半理论的海浪谱,曲线下面总面积代表总能量；风速越大，能量越大，而且能量显著部分更趋于低频,我国物理海洋学家、海浪理论的奠基人文圣常院士,第五节 海洋内波,定义：发生在海水密度层结稳定的海洋内部的波动。
意义：能量传递；大中尺度运动能量 小尺度 海水混合； 形成温盐细结构 海洋生物生长； 营养盐输运到上层 军事意义；内波 等密度面波动 声速 的大小和传播方向 声纳效果 潜艇的隐 蔽和观测,界面内波：最简单的形式,密度连续变化海洋中的内波：普遍形式,一、界面内波,一、界面内波：发生在两层密度不同海水界面处的波动. 两层密度 厚度为,波速：具有相同波长的界面波与表面波波速比为1/20慢镜头振幅：界面内波比表面波振幅大30倍能量：水质点运动：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，形成辐聚与辐散界面内波示意,ERS-1经过吕宋海峡上空所拍摄的SAR影像(Copyright ESA)，显示吕宋海峡内由潮流所引起的内波波纹二、密度连续变化海洋中的内波,1、内波的恢复力：弱化重力（重力与浮力之差）2、内波的频率：介于惯性频率与浮性频率之间3、内波传播方向：一般沿与水平方向成一角度传播，频率越高，夹角越小4、内波能量的输送：能量以群速传播。