海浪谱的研究现状
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我国近海波浪浮标的历史_现状与发展_毛祖松
我国近海波浪浮标的历史、现状与发展毛祖松(海军司令部航海保证部,天津 300042)摘 要:回顾了我国波浪测量技术特别是近海波浪浮标技术的发展历程,提出了今后发展的若干建议。
关键词:波浪测量技术;波浪浮标;发展建议中图分类号:P71512 文献标识码:C 文章编号:100322029(2007)022*******1 引言我国是一个濒海大国,拥有18000多km的大陆海岸和近300万km2的可管理的海域,有6000多个(500m2以上的)岛屿和1000多个可以利用的港湾。
近海波浪的观测研究对海洋开发、交通运输、国民经济建设、国防建设及海上舰船活动都有十分重要的作用。
波浪浮标是目前对海洋波浪进行长期、实时、定点观测的主要设备,发展波浪浮标是发展海洋观测的必然需求。
2 我国波浪测量技术的历史和现状从20世纪60年代以来,我国的波浪测量技术特别是近海波浪浮标技术取得了一定的进展,国内一些单位如中国科学院海洋研究所、南海海洋研究所、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、国家海洋技术中心、国家海洋局第三海洋研究所、中国海洋大学、中山市探海仪器公司等都进行了比较深入的研究和探索,取得了相应的成果和宝贵的经验。
这一发展过程大致分为三个阶段。
211 第一阶段这一阶段从20世纪60年代中期到70年代中期,是我国波浪测量技术发展的起始阶段,主要是进行技术上的探索,其研究成果投入应用的较少。
1965年,为了适应我国海洋调查的需要,由国家计委、第一机械工业部、水利部、国家海洋局等在青岛组织全国海洋仪器会战,全面开展各种海洋仪器设备研制(共47项课题),其中就有岸用测波仪、岸用波浪自记仪、船用波浪自记仪、接触式测波仪(测波杆)、重力测波仪和船舷测波仪等7种波浪测量仪器设备。
21111 H05型岸用测波仪收稿日期:2007201212 H05型岸用测波仪在海上布设一个浮标,在岸边架设双筒望远镜观测浮标的上下浮动幅度和周期,用以推算波高和波周期。
海浪谱的概念
海浪谱的概念
海浪谱是指描述海浪大小和频率分布的统计图谱。
它用于分析和预测海浪的特征，包括波高、波长、波速等。
海浪谱通常以频率为横轴，以波高或波能为纵轴，展示不同频率的海浪在海洋中的能量分布情况。
海浪谱的主要作用是提供海浪的统计信息，可以帮助船舶、海洋工程、沿海城市等进行风险评估和设计。
通过分析海浪谱，可以了解不同频率的海浪对海洋结构物的影响，比如船只的航行安全性、海上平台的稳定性等。
此外，海浪谱也对海岸侵蚀、海岛形成等自然地理过程有一定的指导作用。
海浪谱的获取可以通过浮标、船只、卫星等多种观测手段进行，目前常用的方法是使用浮标或船只上的测浪仪进行实时监测，并通过数据处理和分析得出海浪谱。
通过长期观测和分析，可以建立海洋中不同地区、不同季节的海浪谱统计数据，为海洋工程、海岸管理等领域提供科学依据。
中国海散射计风、浪算法研究及海面风场、有效波高的时空特征分析的开题报告
中国海散射计风、浪算法研究及海面风场、有效波高的时空特征分析的开题报告一、研究背景海洋是地球表面上占据面积最广、最为复杂、最为神秘的自然地理单元。
对于海洋的研究，除了对海洋物理学、海洋化学、海洋生物学等自然科学的探索外，也有着深远的经济、战略和生态意义。
海洋的风、浪是海洋物理学中不可避免的重要成分，对于海洋的能量、物质传输，以及海上工程和航海等都具有重要的影响。
海面风场、有效波高时空特征的研究，在探讨海洋物理规律，保障海上交通运输，制定海洋资源的开发利用都有着不可或缺的重要作用。
海散射计作为遥感技术在海洋领域应用的一个重要工具，能够对海洋表面的风浪进行精确的测量，因此研究中国海散射计风、浪算法及其时空特征分析具有重要意义。
二、研究内容1. 综述国内外海散射计风、浪算法的研究现状和发展趋势；2. 建立中国海散射计风、浪算法，对相关参数进行优化，并进行验证和评估；3. 分析中国海面风场、有效波高的时空分布特征，探讨其与风浪生成机理和海洋环境要素之间的联系；4. 提出对未来海散射计遥感技术在海洋领域中的应用前景和研究方向的展望。
三、研究方法本研究将采用实验室模拟、数字模拟、数据采集、数据处理、统计分析等方法，对中国海散射计风、浪算法进行研究，并分析其时空特征。
具体步骤包括：1. 收集中国海散射计遥感数据，并进行质量筛选、处理和分析；2. 利用数据模拟等方法对中国海散射计风、浪算法进行验证、评估和优化；3. 分析海面风场、有效波高在时间和空间上的变化规律，并探讨其与海洋环境和气象要素的关系；4. 根据研究结果，提出对未来海散射计技术的发展方向和应用前景的建议。
四、预期成果及意义本研究预期可以建立中国海散射计风、浪算法，对其进行验证和评估，分析中国海面风场、有效波高的时空分布特征，并探讨其与海洋环境要素之间的联系。
通过本研究，能够揭示中国海洋风浪的时空分布特征，及其在海洋环境、气象要素、海上交通运输等方面的重要影响，推动海洋科学和跨学科领域的发展，为制定海洋资源的开发利用和海洋环境保护政策提供科学依据。
海浪谱的研究现状
海浪谱的研究现状海浪谱是描述海浪的频谱特性的数学工具。
它通常用于描述海洋工程、海洋天气预报和海洋科学中与海浪有关的现象和过程。
海浪谱的研究是海洋科学领域的重要研究方向，其研究现状主要表现在以下几个方面。
首先，海浪谱的测量技术得到了显著的提升。
传统的海浪观测主要依靠浮标、船只和海底测量站等固定或移动平台来采集观测数据，这种方法难以对较大尺度的海浪进行全面观测。
近年来，随着可编程逻辑器件和数字信号处理技术的发展，出现了可以连续记录海面高度的高精度测量设备。
此外，卫星观测技术的进步也使得对全球范围内的海浪进行观测成为可能。
这些新技术为海浪谱的研究提供了大量的高质量数据，促进了相关研究领域的发展。
其次，基于测量数据的海浪谱分析方法得到了进一步的改进。
传统的海浪谱分析主要依赖于经验公式和统计方法。
近年来，通过对观测数据的深入分析，研究人员发现海浪的谱特性表现出非线性、非高斯分布的特点，而传统方法在描述这些特点时存在一定的局限性。
因此，研究人员提出了多种基于海浪非线性特性的谱分析方法，如小波变换、独立成分分析和奇异谱分析等。
这些新方法在海浪谱研究中得到了广泛应用，提高了海浪谱分析的准确性和可靠性。
此外，海浪谱的数学模型也得到了改进和完善。
海浪的形成和演变是一个复杂的非线性过程，传统的海浪数学模型难以真实地模拟这些过程。
近年来，研究人员提出了一系列基于非线性波动方程的数学模型，如KdV方程、NSWE方程和Boussinesq方程等。
这些新模型在描述海浪的传播、相互作用和能量转移等方面具有更高的准确性和可靠性，为海浪谱的研究提供了有力的工具。
最后，海浪谱的应用领域正在不断扩展。
海浪是海洋工程和海洋交通的重要影响因素，认识和预测海浪谱对于合理设计和安全运营这些海洋工程和交通设施至关重要。
近年来，海浪谱的研究正在逐渐向海洋可再生能源、海洋环境保护和海洋资源开发等方向扩展。
研究人员通过对海浪谱特性的深入研究，为海洋可再生能源的开发提供了理论指导和数据支持，有助于提高可再生能源的利用效率和可持续发展。
波浪增阻预报的研究现状与未来展望
2023年·第3期·总第204期波浪增阻预报的研究现状与未来展望刘树魁（南洋理工大学 机械与宇航工程学院 新加坡 ６３９７９８）摘 要：…随着国际海事组织减少温室气体排放战略的稳步推进，波浪增阻预报成为近十多年来的热点研究课题之一。
作为二阶波浪力，其成因既与船舶本身特征相关，又与其营运状态和海洋环境相关。
由于存在各种限制，对其进行精确测定和数值预报均十分困难。
该文阐述了各种波浪增阻预报方法的研究现状，包括实验方法、基于势流理论的方法、基于求解黏性方程的方法、半经验方法和数据驱动方法等，回顾和评述了各种方法的发展历程并展望了未来发展趋势；此外，基于半经验公式，文中展示了新型船舶各航速与各海况下的平均波浪增阻等值线图，该图表便于工程实践应用；最后，在充分讨论的基础上，提出了未来研究工作需重点关注的方向。
关键词：波浪增阻；船舶耐波性；半经验公式；绕射效应；数值实验；绿色航运中图分类号：U661.73………文献标志码：A………DOI ：10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.001State-of-the-Art in Predicting the Added Resistance ofShip Advancing in WavesLIU Shukui(School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University,Singapore 639798, Singapore)Abstract: Along with the advancement of the International Maritime Organization’s strategy on reducing greenhouse gas emissions, the prediction of added resistance in waves has become a hot issue during the last decade. As a second-order wave force, the mechanism of added resistance in waves is not only related to the characteristics of the ship itself, but also to its operating conditions and marine environment. However, the experimental determination and numerical prediction of the added resistance in waves have remained a challenge due to various technical constraints. This study briefly presents the state-of-the-art of various methods for the prediction of the added resistance in waves by reviewing and commenting the development of various methods, such as experimental methods, potential flow methods, viscous flow methods, semi-empirical methods and data-driven methods. In addition, based on a newly developed semi-empirical formula, a new type of contour diagram of the average added resistance for a ship sailing at various speeds under various sea states is presented to facilitate engineering applications. Finally, the prime concern of the future research is proposed based on thorough discussion.Keywords:…added resistance in waves; seakeeping; semi-empirical formula; wave diffraction effect; numerical experiment; green shipping收稿日期：2022-12-13；修回日期：2023-01-06作者简介：刘树魁（1982-），男，博士，讲师。
海浪谱的研究现状
根据前面所讲的谱的概念，波高是各随机正弦波叠 加的结果，由于其中频率与相近的波，其位相也相 近，可认为对 H 贡献最大，因此：
H
2
ww ww
(2a(w))
2
……………….(2)
根据上式（ 2 ）和一维谱的定义，可得
S ( w)
ห้องสมุดไป่ตู้
H 2 ( w) ………………………………..(3) 8w
4.3Jonswap 普 60 年代末 , 按照 “ 北海联合海浪计划 ”（ JONSWAP ） ，对海浪 进行了系统的观测，提出了一种频谱，其中包括分别反映能量水平、峰的频率尺度和 谱形在内的 5 个参量。这种谱表示风浪处于成长的状态，它具有非常尖而高的峰。 它的谱形式为对
其为谱峰升高因子， 谱峰值， 为 PM 谱的峰值。
6 其它形式海浪谱
正是由于完全从理论上确定海浪谱的解析形式十分困难，研究者们引入了海 浪外观谱的概念，试图利用海浪外频谱与通常海浪频谱之间的某种相似性更好地 推断真实的海浪谱。孙孚等提出了海浪外观能量分布的概念，利用海浪波高与 周期的联合分布导出了海浪解析谱模型，称为外观海浪谱，或外频谱，为海浪理 论提供了一条新途径。 涌浪谱的研究相对风浪谱的研究较少， 60 年代文圣常 137] 基于绕射和涡动消耗 研究了涌浪传播规律，提出了一种充分成长的涌浪谱，并考虑到台风区是圆形的
特点，提出了相应的计算方法。王涛 [3sl 在文氏涌浪谱基础上引进了波散概念和 滤波器技术，提出了涌浪成长与消衰全过程的涌浪谱。 实际海浪的频谱结构是复杂、多样的，除少数清况下频谱仍呈现为单峰外， 多数为双峰谱和多峰谱。观测研究表明，当波场为单一系风浪或涌浪时，海浪谱为单 峰形状。当波场为混合浪时，常有双峰或多峰出现，近岸波浪站和大洋的波浪观测资 料统计表明，纯风浪和纯涌浪出现的概率均小于混合浪。因此，将双峰谱型海浪纳入 海浪谱反演的研究是必要的。尽管实测双峰海浪谱形是多样的，但典型的双峰谱形如 图所示 a. 以涌浪为主的混合浪，谱的大部分能量集中于低频峰左右，高频峰的能量很小 ; b 以风浪为主的混合浪，其高频峰谱值远大于低频峰谱值 ; c. 涌字解口风浪强度相当的混合浪。
海洋工程中的海浪测量技术研究
海洋工程中的海浪测量技术研究引言：海洋工程是指在海洋环境中建设和操作各种工程设施的学科，其中海浪测量是海洋工程中不可或缺的一项技术。
海浪测量技术的研究对于海洋工程的规划、设计和运营具有重要意义。
本文将探讨海洋工程中的海浪测量技术的研究现状、方法和应用，并对未来的发展进行展望。
一、海洋工程中的海浪测量技术的重要性海洋工程是一个复杂而危险的领域，其施工和运营过程中需要考虑海浪的波高、波浪方向和周期等参数。
这些参数对于海洋结构物的设计、定位和安全运行至关重要。
海洋测量技术的精确性能决定着海洋工程的可行性和可靠性。
二、现有的海浪测量技术1. 测浪浮标测浪浮标是一种在海面上浮动以测量波浪参数的仪器。
它可以通过测量浮标上的加速度、倾角或位移来估计波浪的参数。
测浪浮标广泛应用于海洋工程中，能够提供准确的波浪数据。
2. 远程遥感技术利用遥感技术可以从远距离获取大范围的波浪数据。
这些遥感技术包括雷达、卫星和无人机等。
雷达通过发送和接收电磁波来测量海面的高度，卫星则利用微波辐射进行测量，无人机则通过搭载传感器进行测量。
远程遥感技术可实现对海洋的全球范围内的连续监测，为海洋工程提供了重要的数据支持。
3. 水声测量技术水声测量技术是通过传播声波来测量海洋中波浪的参数。
传统的水声测量技术包括接收声波的音频引擎和测量声波到达时间的深度计。
近年来，声纳阵列和水声多普勒技术等新兴技术也得到了广泛的应用。
三、未来发展方向1. 海洋数值模式通过建立数学模型，可以模拟和预测海洋中的波浪行为。
这些海洋数值模型可以帮助工程师更好地规划和设计海洋工程。
未来，海洋数值模型的发展将更加精确和全面，提供更准确的波浪数据。
2. 机器学习和人工智能技术机器学习和人工智能技术在海洋工程中的应用正逐渐增加。
通过收集大量的海洋数据，机器学习算法可以帮助建立更准确的波浪模型，并预测未来的波浪行为。
这将帮助海洋工程师更好地预测和应对不同海况下的挑战。
3. 增加测浪设备的高精度和自动化水平随着科技的进步，测浪设备的精确性和自动化水平将不断提升。
海浪谱
描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。
为研究海浪的重要概念。
通常假定海浪由许多随机的正弧波叠加而成。
不同频率的组成波具有不同的振幅，从而具有不同的能量。
设有圆频率ω的函数S（ω），在ω至(ω＋ω)的间隔内,海浪各组成波的能量与S(ω)ω成比例,则S(ω)表示这些组成波的能量大小，它代表能量对频率的分布,故称为海浪的频谱或能谱。
同样,设有一个包含组成波的圆频率ω和波向θ的函数S(ω,θ)，且在ω至(ω＋ω)和θ至(θ＋ω)的间隔内，各组成波的能量和S(ω,θ)ωθ成比例，则S(ω,θ)代表能量对ω和θ的分布，称为海浪的方向谱。
将组成波的圆频率换为波数，可得到波数谱；将ω换为2π（频率为周期的倒），得到以表示的频谱S()数。
以上各种谱统称为海浪谱。
海浪谱不仅表明海浪内部由哪些组成波构成，还能给出海浪的外部特征。
比如，理论上可由谱计算各种特征波高和平均周期，利用这些特征量连同波高与周期的概率密度分布，可推算海浪外观上由哪些高低长短不同的波所构成。
若已知海浪的谱，海浪的内外结构都可得到描述，因此谱是非常有用的概念。
事实上，海浪的研究（包括许多应用问题），大多和谱有关。
频谱在海浪谱中,风浪频谱得到最广泛的研究,因为它的应用最广，也最易于得到。
但尚无基于严格理论的风浪频谱。
已提出的经验的或半经验的频谱很多，大多数用[245-1]的乘积来表达。
通常p为5～7，q为2～4,在正量A和B之内。
除了数值常数外，还包含风要素（如风速、风时和风区）或浪要素（如特征波高和周期）作为参量，故谱的形状随风的状态或对应的浪的状态而变化。
上述两项的乘积代表的谱，在ω=0处为0，在0附近的值很小，ω增加时，它骤然增大至一个峰值，然后随频率的增大而迅速减小,在ω→∞ 时趋于0。
这表明谱的频率范围在理论上虽为0～∞,但其显著部分却集中在谱峰附近。
海面上存在的许多波，其显著部分的周期范围很小,恰和理论结果相对应。
随着风速的增大,谱曲线下面的面积（从而风浪的总能量或波高）增大，峰沿低频率方向推移，表明风浪显著部分的周期增大。
海浪谱的概念
海浪谱的概念海浪谱是海洋学中的一个重要概念，用于描述海浪的频率分布和能量分布。
通过分析海浪谱，可以了解海洋中波浪的性质和变化规律，对海洋工程和海洋气象预报具有重要的意义。
海浪谱最早由瑞典科学家Ekman于1903年提出，是描述海浪频率和能量的分布函数。
频率分布指的是不同频率波浪的能量含量，能量分布则指的是在所有频率上的波浪能量变化情况。
海浪谱可以分为高度谱和动力谱两种。
高度谱是描述波浪高度在各个频率上的分布。
在海洋中，波浪往往呈现出多种频率的混合状态，因此需要将波浪按照频率进行分类。
高度谱通常使用一维函数形式表示，对应于不同频率上的波浪高度。
常见的高度谱函数有洛兰兹函数和威斯彭函数等。
高度谱可以通过观测或数值模拟获得，是进行海洋气象预报和海洋工程设计的重要输入参数。
动力谱是描述波浪能量在各个频率上的分布。
由于波浪的速度和能量关系紧密，往往将波浪的动能转化为分析量。
动力谱通常使用二维函数形式表示，其中一个维度是频率，另一个维度是波向。
波向指的是波浪传播的方向，起始于海面上向水平方向传播的波浪。
动力谱可以通过观测或数值模拟获得，在海洋气象、海洋工程和海洋资源的开发利用中具有重要意义。
海浪谱的分析方法主要有时间域分析和频域分析两种。
时间域分析是通过观测波浪的时间序列数据，从而获得波浪的高度、周期等信息。
频域分析则是将时间序列数据转化为频率-幅度谱或频率-相位谱的形式，以更好地了解波浪的频率特性。
频域分析可以利用傅里叶变换等数学方法进行计算。
海浪谱的研究在海洋学和气象学中具有广泛的应用。
海浪谱可以用于预测海面波浪的高度和周期，对海上作业和航海安全具有重要意义。
同时，海浪谱还可以用于海洋能源的开发利用。
通过分析海浪的能量分布，可以找到适合建设海上风力发电机组和波浪能发电设施的地点。
此外，海浪谱还可以用于研究海洋风暴、海浪生成机理和气候变化等问题。
总之，海浪谱是描述海浪频率分布和能量分布的概念，对于海洋工程和海洋气象预报具有重要的意义。
波浪能开发与研究现状综述
筏式技术
优点：筏体之间仅有角位移, 即使在大浪下, 该位移也不会 过大, 故抗浪性能较好。
缺点：装置顺浪向布置, 单位 功率下材料的用量比垂直浪 向布置的装置大, 可能提高装 置成本。
装置示意图 采用筏式波浪能利用技术的有英国Cork 大学和女王大学 研究的McCabe 波浪泵 波力装置和苏格兰Ocean Power Delivery 公司的Pelamis波能装置。
▪ 英国
英国具有世界上最好的波浪能资源。从20世纪7O年 代开始，英国将波浪发电研究放在新能源开发的重 要位置。20世纪80年代，英国已成为世界波浪能研 究的中心。 主要装置： LIMPET、Pelamis
▪ 挪威
挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了较大贡 献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能 装置等。
振荡水柱式
分类： A：漂浮式 B：固定式
装置示意图 优点：转动机构不与海水接触，防腐性能好, 安全可靠, 维 护方便。 缺点：二级能量转换效率较低。
英国Limpet电站（固定式） 澳大利亚OWC
振荡浮子式（点吸收式）
振荡浮子式装置是在振荡水柱 式装置的基础上发展起来的波 能发电装置，它用一个放在港 中的浮子作为波浪能的吸收载 体，然后将浮子吸收的能量通 过机械或液压装置转换出去， 用来驱动电机发电。
(1)波浪能可通过较小的装置实现其利用；
(2)波浪能价格低廉；
(3)波浪能适用于边远海域的岛屿、国防、海洋开 发等活动：
4．波浪能利用装置可在已有设施及工程的基础上 进行安装和建设，如护岸、防波堤；或与此类设 施及工程同时建设，可明显地降低波能利用装置 的开发及建设成本，并实现功能多元化；
波浪能研究现状
Tp、Tz 分别为谱峰周期、 平均波周期
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2
) cosw d 0 R(
（ R ( ) 为波浪关于时间 的随机变量的协方差）
如何求谱的及具体形式呢？主要方法有二：一是利用观测得到的波高、周期的推导， 得出半理论、半经验形式的海浪谱；二是利用某一固定点测得的波面随时间变化的这 段记录，来推算相关函数，然后求谱。也有通过建立能量平衡方程式来求谱。目前得 到的谱，主要是建立在观测数据的基础上求出的。
4.3Jonswap 普 60 年代末 , 按照 “ 北海联合海浪计划 ”（ JONSWAP ） ，对海浪 进行了系统的观测，提出了一种频谱，其中包括分别反映能量水平、峰的频率尺度和 谱形在内的 5 个参量。这种谱表示风浪处于成长的状态，它具有非常尖而高的峰。 它的谱形式为对
其为谱峰升高因子， 谱峰值， 为 PM 谱的峰值。
6 其它形式海浪谱
正是由于完全从理论上确定海浪谱的解析形式十分困难，研究者们引入了海 浪外观谱的概念，试图利用海浪外频谱与通常海浪频谱之间的某种相似性更好地 推断真实的海浪谱。孙孚等提出了海浪外观能量分布的概念，利用海浪波高与 周期的联合分布导出了海浪解析谱模型，称为外观海浪谱，或外频谱，为海浪理 论提供了一条新途径。 涌浪谱的研究相对风浪谱的研究较少， 60 年代文圣常 137] 基于绕射和涡动消耗 研究了涌浪传播规律，提出了一种充分成长的涌浪谱，并考虑到台风区是圆形的
其中 m，n，A 和 B 为待定的常数。该式的助于奥特点是对于较小的 w 来说指数部分取主 要作用，谱随着 w 而增加，对于大的 w，
绍到的各种形式的谱其实是通过实测资料而得出了不同的关于上面提到的参数的求法而已。 下面按时间顺序依次介绍各种谱的特点。
4 各种形式的一维谱简介
4.1Neumann 谱
为
Jonswap 谱的谱峰随风速和风区而变。当风区一定时， 峰频随风速而增大而增大， 谱峰随风速增大相低频发展： 当风速一定时，谱峰随风区增大而减小。右图为观测结 果得到的谱相对于风区的成长过程。图中 1 ， 2 ， 3 ， 4 风区依次增大。
Jonswap 谱分析的结果表明 , 风浪的能量主要通过谱的中间频率部分传递，然后借波与 波之间的非线性相互作用，再分别向谱的高频和低频部分传递。反映这种能量交换的 谱， 具有稳定的形式。 利用此特性， 可将谱随风的变化转换为其中的参量随风的变化， 从而提供另一种海浪计算或预报的方法。 4.4 文圣常谱 以上介绍的谱没有考虑水深的影响。 当波浪进入浅水后， 由于非线性的作用明显， 在谱中也有所反映。波兰的 Basinski 和 Masssel 提出另一种适用于浅水的海浪谱。文 圣常对他们提出的理论风浪谱的低频部分又做了改进，使得谱的形式得以简化。文圣 常在谱形中引入了另一个参量，即尖度因子，推导出了理论形式的风浪频谱。这种谱 既可以适用于深海，也可以应用于浅水。鉴于所得出的谱与中国各海区的观测结果符 合良好，且又与国外广泛引用的谱相当接近，而后者得自十分系统的北海观测结果和 经验拟合，这样也就间接地支持了文圣常提出的理论风浪谱的可靠性。与国际上已提 出的各种谱相比，文圣常所提出的风浪谱能够对风浪随风速、风时、风区、水域的变 化进行较系统的描述，还可以利用有效的参量描述谱形，便于应用。这一创造性的理 论研究业已在海洋水文环境和海浪预报方法中得到应用。
PM 谱该谱也是代表充分生长的海浪谱。由于该谱资料依据 充足， 更接近事实， 因此比 Neumann 谱得到更广泛的运用。 右图为两种谱叠加一起的比较。虚线为 Neumann 谱，实线 为 p-M 谱。可得出以下结论，风速相同时，当风速低时， Neumann 谱低于 pm 谱，而风速相同时，风速》 20m/s 时， Neumann 谱高于 PM 谱。
2 组成波的平均波能为 gan / 2 ，因此全部组成波的总能量为 E Fra bibliotek ga
n 1
2 n
/2
显然 上式等号左边项的含义相当于间隔内全部组成波德能量和（差一个常数 pg ） , 故 S(w) 即相当于单位频率内的平均波能，称为波能密度。海浪的总能量有所有组成波 提供，函数未出了不同频率的间隔内组成波提供的能量，因此实际上 S(w) 就相当于波 能密度的相对于组成波频率的分布函数，称为波能谱。经傅里叶函数转换可得有协方 差确定的能谱表达式： S ( w)
上图是典型的海浪一维谱的示意图。它的特点是（ 1 ）能量集在一个比较集中的窄 频带内， （ 2 ）曲线关于极大值不对称（ 3 ）极大值左侧的谱形式曲线较陡，而右侧曲 线较平缓。据此曲线，普曲线写成下列形式：
S ( w)
A B / wn e wm A 取主要做作用，谱值随 w 而减小。下面将介 wm
2 海浪谱的研究途径
目前，获得海浪谱的主要途径是拟合观测数据的分析结果主要方法有二： 一是利用观测得到的波高、周期的推导，得出半理论、半经验形式的海浪谱；二 是利用某一固定点测得的波面随时间变化的这段记录，来推算相关函数，然后求 谱。也有通过建立能量平衡方程式来求谱。目前得到的谱，主要是建立在观测数 据的基础上求出的。 但由于目前尚缺乏精确的风和海浪的观测资料，故已提出的 一些谱，彼此相差较大。
S ( w)
A B / wn e wm
f
通过观测得到，其中最简单的形式为 cos n 。通常取 2 ～ 4 ，愈大 , 能量愈集中于主波 向附近。对于浅水波来说，比较大此种形式的谱主要有 Longuet-Higgins 谱等。
w , 2
S ( f ) 为能谱， G( f , ) 可利用观测资料分析求得， G(ω,θ) 必须
关键词
：Neumann 谱
P-M 谱
Jonswap 谱
文圣常谱
双峰谱 二维谱
1 概诉：海浪谱研究的意义
海洋中的海浪，不像理论的波动那样的有规律，而是具有很大的随机性。在同 一个地点很难确定某一时刻的的波高有多高， 也很难由某一个时刻波浪的大小来 预测另一时刻该地点的大小。 海浪可视为一个随机过程。海面上杂乱无章高低的 海浪现象，似乎无规律可循，但作为一种随机现象有服从统计顾虑的。运用统计 学的概念和方法，不仅可以分析海浪的对外表现（波高，波长，周期） ，而且还 可以研究海浪的内部结构。 海浪谱就是描述海浪能量相对于个组成波的分布，故 又名“能量谱”、“功率谱”和“方向谱”。 。 海浪谱不仅表明海浪内部由哪些组成波构成，还能给出海浪的外部特征。 比如，理论上可由谱计算各种特征波高和平均周期，利用这些特征量连同 波高与周期的概率密度分布，可推算海浪外观上由哪些高低长短不同的波 所构成。若已知海浪的谱，海浪的内外结构都可得到描述，因此谱是非常 有用的概念。事实上，海浪的研究（包括许多应用问题） ，大多和谱有关。
3 海浪谱的数学表达式
上世纪 50 年代，Longuet-Higgins 用赖斯分析电子管的噪音电流的方法，将无限多 个不同振幅，频率和初始相位角的余弦波叠加在一起来描述某一个固定的海平面，即
其中
为均匀分布在
的随机量。 如果将圆频率介于
～
+
范围内 其结
的各组组成波德振幅平方之半叠加起来，并除以包含这些组成波德频率范围 果将是一个 得函数，令它为 ，则有
（ a）
（ b）
（ c）
7 结语
目前，获得海浪谱的主要途径是拟合观测数据的分析结果。尽管迄今对海浪频谱己 进行了广泛的研究并提出了大量的谱型，但是由于观测、验证条件不口分析方法的 限制，大多具有较强的经验性，有关参数的选定具有不同程度的主观性。海浪谱的研 究依然有很大的研究空间。
参考文献
[1]诌志利（主编） ，严以新（主审） ，海岸动力学 [2]隋世峰，规则海浪谱和海浪谱的叠加方法分析 [3] 江林（哈尔滨工程大学） ，由航行中船舶运动预报海浪 [4]扬秉正，协方差方法函数法的海浪谱估计 [5]俞津修，随机波浪及其工程应用
s(w, )d S (w)
……………………………………..(4)
并假定与风向成角方向的波高比例于
H K c o s ……………………………………………..(5)
从而得出二维的基本形式为： A ( w, )
2
2
2 A2 ( w ) cos 。
基于（ 1 ）式的谱还有 swop 谱等； 方向普的另一种形式是 其中
在此处键入公式。
海浪谱的研究现状
杨艺平 1030302081
摘要：
海浪可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。这些组成波便构成海浪谱。此谱描述海浪能量相对于个组成波的分布， 它是随 机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组 成波能量相对于频率和方向的分布。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分 布。本文主要介绍现今各种海浪谱研究方法，及其它们的优缺点，比较等。
特点，提出了相应的计算方法。王涛 [3sl 在文氏涌浪谱基础上引进了波散概念和 滤波器技术，提出了涌浪成长与消衰全过程的涌浪谱。 实际海浪的频谱结构是复杂、多样的，除少数清况下频谱仍呈现为单峰外， 多数为双峰谱和多峰谱。观测研究表明，当波场为单一系风浪或涌浪时，海浪谱为单 峰形状。当波场为混合浪时，常有双峰或多峰出现，近岸波浪站和大洋的波浪观测资 料统计表明，纯风浪和纯涌浪出现的概率均小于混合浪。因此，将双峰谱型海浪纳入 海浪谱反演的研究是必要的。尽管实测双峰海浪谱形是多样的，但典型的双峰谱形如 图所示 a. 以涌浪为主的混合浪，谱的大部分能量集中于低频峰左右，高频峰的能量很小 ; b 以风浪为主的混合浪，其高频峰谱值远大于低频峰谱值 ; c. 涌字解口风浪强度相当的混合浪。
Neumann 最先依据观测资料（波高 H ，周期 T ，海面风速 U）绘制了下图，其中 横坐标代表（ T/U） 2 , 纵坐标为对数坐标 H/T 2. 。图中的点很分散，但是可以看出，某 一周期的海浪虽然有不同的波高，但不能超过一上限，此上限为图中的一直线表示， 可表为