海洋要素计算与预报(海浪1)

教 学 日 历 表课程类别 学科教育课程代码1706043 课 序 号 01 课程名称 海洋要素计算与预报学分3归属学院 海洋 主讲教师 刘浩 授课章节 全部 联系电话 61900298辅讲教师 授课章节 联系电话 辅讲教师 授课章节 联系电话 辅讲教师授课章节联系电话答疑时间与地点 每周三下午2：30到4：00，海洋学院245室 总学时 学 时 分 配 授课班级 讲授 实验 上机 其他 2013级海环、海技、海测48 3414课程建设精品或重点课程双 语 ☐国家级 ☐市级 ☐校级 ☐院级 是 ●否考核性质 ●考试 考查 考核形式●开卷 闭卷 论文 其他成绩评定总成绩比 %平时成绩比 % 期末 平时 出勤 作业 实验 实习 讨论 测验 其它 7040101010成绩评定和学习要求描述本课程学习目标是帮助学生学会用数值手段了解海洋要素变化的内在本质和基本规律；通过本门课程培养学生数学分析和计算机编程的能力。

由于需要用到图表,因此期末考试采取开卷的形式，占总成绩的70%,平时成绩由学生出勤，课堂表现，作业完成以及课程设计组成,占总成绩的30% 教 材名 称 潮汐原理及计算 编著者刘浩版 别版 次性 状 统编 ●自编 翻印 ☐近三年 ☐国省部优秀 ☐国家规划参考书《潮汐和潮流的分析和预报》周次 星期 学时 授课主要内容和形式 课后作业及阅读2 9/22 2潮汐潮流现象概念以及中国近海潮汐特点；理论讲解2 9/24 2天文学的基本知识以及引潮力的受力分析和一般展开式的推导；理论讲解 参阅《潮汐和潮流的分析和预报》（方国洪等编著） 4 10/6 2引潮力的第一和第二展开式的推导及相关天文要素的计算；理论讲解 作业：阐述主要分潮的含义以及周期变化规律 4 10/8 2引潮力的第三和第四展开式的推导及相关天文要素的计算；理论讲解作业：计算8个主要分潮的角速度6 10/20 2引潮力的准调和展开和浅水分潮的基本特征；理论讲解6 10/22 2最小二乘法在潮汐观测资料分析中的应用；理论讲解作业：编程实现最小二乘法 8 11/3 2长期观测资料的分析的关键问题；理论讲解8 11/5 2 潮流的椭圆要素及潮流的调和常数之间的相互计算；理论讲解10 11/17 2 潮流观测资料的调和分析和误差分析；理论讲解10 11/19 2 潮汐中期观测资料的分析；理论讲解 12 12/1 2 潮汐短期观测资料的分析；理论讲解 12 12/3 2规则半日潮港潮汐特征值的计算；理论讲解14 12/15 2 不规则半日潮港和全日潮港潮汐特征值的计算；理论讲解14 12/17 2课程设计和大作业：潮汐潮流的调和分析；授课形式：上机给定一个月连续的水位资料编程求解主要分潮的调和常数，下同 16 12/29 2课程设计和大作业：潮汐潮流的调和分析；授课形式：上机给定一个月连续的水位资料编程求解主要分潮的调和常数，下同 16 12/31 2课程设计和大作业：潮汐潮流的调和分析；授课形式：上机给定一个月连续的水位资料编程求解主要分潮的调和常数，下附注：1. 本表（电子版）于每学期开学预备周交学院，同时需上传URP 教务管理系统，供选课学生查看。

海洋要素计算与预报 (1)第一部分数据预处理与统计分析方法 .............................................................. 1第一章数据预处理 ...................................................................................... 1一、数据质量控制 (1)1、异常数据的认定和排除 (1)2、数据系统性偏差的检查和修正 .............................................. 1二、不规则空间分布数据网格化 .. (1)1、数学插值法 (1)2、网格统计法 .............................................................................. 2三、要素统计特征 .. (3)1、要素数据标示 (3)2、均值与距平 (3)3、平均差 (3)4、方差 (3)5、协方差与相关系数 (3)6、自协方差与自相关系数 (3)7、落后协方差与相关系数 (4)8、经验分布 .................................................................................. 4第二章谱分析 (5)一、 Fourier 变换与谱分析 . (5)二、功率谱估计 (6)三、交叉谱分析 .................................................................................... 7第三章经验模态分解 . (8)一、前言 (8)二、 EMD 计算方法与 IMF 分量 (9)三、 EMD 方法中存在的问题 . ........................................................... 11 1、 EMD 方法在处理间歇信号时的不可分问题和产生的模态混合问题 .................................................................................................. 11 2、 EMD 分解方法的边界问题 . ................................................. 15四、应用实例 (17)1、 SST 资料处理 . (17)2、海平面数据处理 .................................................................... 17第四章回归分析 ........................................................................................ 18一、一元线性回归 (19)1、一元线性回归模型 (19)2、一元线性回归的方差分析 (19)3、回归方程的显著性检验 (20)4、预报值的置信区间 ................................................................ 20二、多元线性回归 (21)1、多元线性回归模型 (21)2、回归方程显著性检验 (22)3、预报值的置信区间 ................................................................ 22三、非线性回归 . (23)1、曲线函数线性化 (23)2、多项式回归 ............................................................................ 23第五章经验正交函数分解 ........................................................................ 23一、主成分的定义 (24)1、两个变量的主成分定义 (24)2、多变量的主成分定义 (25)二、主成分的导出 (26)三、主成分的性质 (27)四、主成分的计算 (28)五、经验正交函数分解 (EOF (28)六、时空转换 ...................................................................................... 29第六章最小二乘法潮汐调和分析与潮汐特征值 (30)一、分潮与潮汐调和常数 (30)二、最小二乘法潮汐调和分析方法 (32)1、任意时间间隔观测序列的方程组导出 (32)2、等时间间隔观测序列的方程组系数 (34)3、 Fourier 系数的计算 . (35)4、天文变量与调和常数计算 (36)三、潮流调和常数与潮流椭圆要素 (42)四、潮汐性质与潮汐特征值 (43)1、潮汐性质 (43)2、潮汐特征值 (43)3、平均海面、平均海平面与陆地高程,海图深度基准面与海图水深 .................................................................................................. 45 (4海图深度基准面与海图水深 ............................................ 45第七章海浪数据分析 (48)一、去倾向和去均值处理 (48)二、从波面高度序列中读取海浪的波高和周期 .............................. 48 1、跨零点波高、周期定义 .. (48)2、极值点波高、周期定义 ........................................................ 49三、波面高度分布、波高和周期的分布,波高和周期的联合分布 (49)1、波面高度分布 (49)2、波高和周期的分布 (50)四、各种波高计算 (51)五、海浪谱估计 (52)1、海浪谱估计方法 (52)2、谱矩的计算 (52)3、谱的零阶矩与各种波高的关系 (52)4、海浪谱的谱宽度计算 (52)5、谱峰频率与周期的关系 ........................................................ 53第二部分海洋数值预报 .................................................... 错误!未定义书签。

第五章海浪§5—1海浪的类型一.海浪要素海浪．．是发生在海洋中的一种波动现象,又称波浪海浪要素：周期：T= λ/c频率．． f=1/T波陡δ：δ=波高/波长深水中δ≯1/7，波峰线：通过波峰且垂直于波浪传播方向波向线：垂直于波峰线二.海浪运动机理深水：水质点以近似于圆形的轨道作圆周运动运动半径：随着水深的增加而减小h=λ/2时;r↓→4% r0（r0=a）浅水：（h＜λ/20）运动波及海底。

三.海浪的分类1.按海水深度分深度深: 表面波（深水波）：h↑→r↓深度浅: 长波（浅水波h＜λ/20）运动波及海底。

2.按周期分3.按生成原因分：．．．．．．．风浪、潮波、海啸4.按受力情况分：自由波：涌浪受迫波：潮波5.按波形前进与否分：进行波；驻波。

6.按边界条件分①微小振幅波H/λ很小，H可忽略所有运动方程式都是线性的。

②有限振幅波：H不可忽略a.斯托克斯波有“质量运移”b.孤立波H/λ＜1/10; 运动集中在波峰附近c.摆线波7.内波§5—2 海浪的形成一.海浪形成假说(1)形成毛细波(2)风以法向压力形式给波浪传递能量(3)空气小涡流加强了水质点的运动(4) 波长较短的波由风取得能量转给波长较长的波二、海浪的消衰1.分子粘滞性消耗的能量2.涡动消耗能量3.空气的阻力4.海底摩擦5.波浪破碎三.海浪的状态1.海浪三要素风速：大于0风时：状态相同的风作用的时间风区：状态相同的风作用的海区风大不一定浪大．．．．．．．2.定常状态风区一定，海浪达最大；风区增加，海浪高度增加；风区是限制因素。

3.过渡状态风区一定，海浪未达最大；时间增加，海浪高度增加；风时是限制因素。

4.海浪的充分成长状态能量收支平衡；海浪达最大；风区、时间增加，海浪高度不增加。

5.判断海浪状态的标准a.最小风时成长至最大海浪所需的时间；未达最小风时：过渡状态b.最小风区成长至最大海浪所需的风区。

达最小风时，未达最小风区：定常状态最小风时、风区均满足：充分成长状态四. 涌浪离开风区的海浪称为涌浪1.涌浪的特点：(1)波长小的浪衰减快(2)传播中涌浪的周期和波长都在增加原因：选择消衰作用，使周期小的波消衰得快.(3)波长比波高大40～100倍；先头涌可达1000倍以上有时是台风来临的征兆(4)传播距离远:可达10000公里以上2. 涌浪传播速度：Cg =λπ23.涌浪波高消衰原因(1) 粘滞性消耗：空气的阻力和海水的涡动粘滞性消耗(2)离散：各个波的波速不同而引起；(3)角散：侧向散开五. 观测到的大洋中的最大海浪北太平洋：波高34m，周期14.8s，波速为28.3m/s印度洋：观测到24.9m的波高；及波长超过350m的风暴波大西洋：观测到波长824m，周期为23s的大浪，其波速达35.8m/s。

海边技术指标公式1. 海浪海浪是海边工程中最重要的一个技术指标，它对于海边结构物的稳定性和抗风浪能力有直接影响。

海浪的主要参数包括波高、波长、波速等，其中波高是最常用的指标。

海浪波高的公式一般表示为：\[ H = aT^b \]其中，H为波高，a和b为系数，T为波周期。

在实际应用中，根据实测数据和不同海域的特点，可以通过拟合得到不同地区的海浪波高公式，以便进行工程设计和预测。

2. 潮汐潮汐是海边工程中另一个重要的技术指标，它对于海岸线的侵蚀、港口的淤积等有很大影响。

潮汐的主要参数包括潮位、涨落幅度、潮汐周期等。

潮汐的公式一般表示为：\[ H_t = A + Bt + Ct^2 \]其中，H为潮汐高度，t为时间，A、B、C为系数。

潮汐的周期性和规律性使得可以通过数学模型和实测数据计算得到潮汐的预测公式，以便为海边工程提供参考。

3. 风速风速是海边工程中另一个重要的技术指标，它对于海上设施的稳定性和强度有直接影响。

风速的主要参数包括平均风速、最大风速等。

风速的公式一般表示为：\[ V = A + Bt + Ct^2 \]其中，V为风速，t为时间，A、B、C为系数。

根据不同地区的气候特点和实测数据，可以得到各种不同风速的预测公式，以便为海边工程的设计和施工提供参考。

4. 海水盐度和温度海水盐度和温度是海边工程中另外两个重要的技术指标，它们对于海洋生态系统的稳定和海边工程设施的耐腐蚀性有直接影响。

海水盐度和温度的公式一般表示为：\[ S = A + Bt + Ct^2 \]\[ T = A + Bt + Ct^2 \]其中，S为海水盐度，T为海水温度，t为时间，A、B、C为系数。

根据海水盐度和温度的变化规律和实测数据，可以得到海水盐度和温度变化的预测公式，以便为海边工程的设计和施工提供参考。

总结海边技术指标是海洋工程中至关重要的一部分，通过对海浪、潮汐、风速、海水盐度和温度等多个技术指标进行准确评估和监测，可以为海边工程的设计、施工和运营提供可靠的参考。

海堤波浪要素及安全超高计算海堤是指建筑在海岸线上的一种结构工程，主要用于保护陆地免受海浪冲击。

对于海堤的设计和构建，需要考虑波浪的多个要素以及安全超高的计算。

1.波浪要素在设计海堤时，需要考虑以下几个重要的波浪要素：1.1引起海堤冲击的波浪高度（H）：波浪高度是指波浪顶部与静水面的垂直距离，通常采用H1/3、H1/10或H1/100来表示。

选择适当的波浪高度可以确保海堤能够抵御常见的波浪冲击作用。

1.2波浪周期（T）：波浪周期是指相邻波浪通过其中一点所需的时间，也叫波浪间隔。

不同的波浪周期对于海堤的冲击力有不同的影响。

1.3波浪方向（θ）：波浪方向是指波浪传播的方向，通常是以度数表示。

波浪方向的不同会导致不同的波浪冲击力，需要进行准确测量和分析。

1.4波浪频率（f）：波浪频率是指单位时间内波浪通过其中一点的次数，通常以波浪周期的倒数表示。

波浪频率越高，对海堤的冲击力就越大。

安全超高是指海堤的高度要超过理论波浪高度与预测洪水水位之和，以防止海水溢出堤体而对陆地造成伤害。

通常根据不同的海堤用途和地理条件，安全超高计算可分为以下几个步骤：2.1确定理论波浪高度：根据所在地域的波浪历史资料和波浪预报，通过数学模型计算得出预测的理论波浪高度。

2.2确定预测洪水水位：通过对该地区历史降雨和洪水资料的分析，结合水文数据模型，得出预测的洪水水位。

2.3确定安全超高：理论波浪高度与预测洪水水位之和即为安全超高。

根据该数值，设计海堤的高度应该超过此数值，以确保堤体的安全性。

3.其他考虑因素除了波浪要素和安全超高外，设计和构建海堤还需要考虑其他因素，如土质条件、地理特征、地震风险等。

这些因素将直接影响到海堤的稳定性和抗冲击能力。

综上所述，海堤设计和构建需要综合考虑波浪要素和安全超高计算，以确保海堤能够有效地抵御海浪冲击并保护陆地安全。

同时，还需要考虑其他因素的影响，确保海堤的稳定性和可靠性。

海堤的设计和施工需要专业的工程师和科学家共同合作，结合实际情况进行准确计算和方案制定。