海洋要素计算与预报(海浪7)-课件·PPT

g 2 S() 8.110 5 exp[0.74( ) ] U
3
g2
式中：U为海面上19.5 m高处的风速。下图为不同风速 下的P-M谱分布。
PM谱的一般特性： ①与Neumann谱相比，两者比 较接近。 ②风速相同，低风速时： Neumann谱的峰值<PM谱的峰 值，高风速时：Neumann谱的 峰值>PM谱的峰值。


频率 无关，只是组成波方向 的函数，如
G ( ) An cos n
一种简单的近似处理方法是假定方向分布函数 G 与
n
2 范围内传播与分布。 2 2
为方向分布参数， ，波浪能量在主波向 ；
2 An ITTC（国际船舶拖曳水池会议）建议取n=2， 8 An ISSC（国际船舶结构会议）建议取n=4， 3 。
《海洋工程环境学》
第四章 海洋波浪
船舶工程学院 马山 副教授
5、海浪谱
前面我们讲解的都是确定性意义上的规则波理论。如线性 艾瑞波、椭圆余弦波、孤立波等。解释自然界波浪运动特征（ 深水、浅水、非线性特征等）
自然界中的海浪随时间和空间随机性地发生变化。随机过 程的海浪远比采用一个确定函数描述的规则波复杂，属于非周 期性的不规则波，各种海浪要素都是随机变量。
t an cos(nt n )
n1

相位。
an 、 n 、 n 分别是第n个余弦组成波的振幅、圆频率和
下图表示某固定点5个简谐波叠加得到的合成海面波 动结果。
5.2 频谱
对任一组成波，其单位面积波能形式为：
En ga
1 2
n
2 n
对其任意圆频率间隔 内的波能求得总 能量后再除以圆频率间隔得到的表达式为：

H


4

1
H
2

ln
1 F

2
H 为浅水系数， H H d
当水很深时，即H*=0，则上式还原为深水公式。
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
的分布规律也发生变化。
HF H
H* F%
0.5 1 2 5 … 90 95
例3：已知某浅水区d=20m，H1%=5.0m，求H5%=？
解：采用试算法
设 H =2.2m
H /d=0.11
计算得 H1% / H =2.273，查表得 H1% / H =2.239
H5% / H =1.85
则H5%=4.1m
2．周期的理论分布函数 周期的概率密度函数：
f
T


4 4
• 惯性离心力同运动方向相垂 直，自曲率中心沿半 径指向 外缘，其大小同空气运动的 线速度（U）的 平方成正比， 与曲率半径（r）成反比。
• 实际大气空气运动曲率半径（几十千米——几千千米）很 大，故C很小。但在低纬度或空气运动速度大而曲率半很小时， C 较大并可能超过G。
• 作用——只改变风向，不改变风速大小。
例：△p=5hPa, △n=3.5, F=30°, △T=5℃, 则：Us=？ m/s,
Ug=？ m/s
二、我国近海风况的特点
1．季风——海陆间热力差异导致。 2．寒潮大风——气温在24小时内降低10度以上，且最低气 温降至5度以下，称为寒潮。 3．台风——热带气旋
台风（12级及以上） 强热带风暴（10~11级） 热带风暴（8~9级） 热带低压（8级以下）

0.076(
gF 0.22 ) 2 U10
为量纲为一的常数
F为风区长度，
U10为海面上10m高处风速；
为峰形参数，取
或

=0.07 =0.09

m m
第17届ITTC推荐如下的JONSWAP波浪谱。并引入 有义波高h1/3和特征周期T1两个参数，并考虑 T1=0.834T0得：


频率 无关，只是组成波方向 的函数，如
G ( ) An cos n
一种简单的近似处理方法是假定方向分布函数 G 与
n
2 范围内传播与分布。 2 2
为方向分布参数， ，波浪能量在主波向 ；
2 An ITTC（国际船舶拖曳水池会议）建议取n=2， 8 An ISSC（国际船舶结构会议）建议取n=4， 3 。
2g S ( ) 6 exp( 2 2 ) U
式中：U为海面上7.5 m高处的风速。下图给出不同 风速下的Neumann谱分布。
2.4
2
海浪谱特征初步认识： 谱的能量集中在窄的频带内； 随着风速的增大，谱峰频率变小。
不同风速下的Neumann谱分布
② Pierson-Moscowitz谱(P-M谱)：根据北大西洋 1955～1960年间的观测资料进行谱分析得到，并被第11届 ITTC(国际船模水池会议)(1966)列为标准单参数谱。
不同风速下的P-M谱分布
③单参数谱不能合理表征非充分发展海浪特征，第15届 ITTC(1978)给出的频谱形式为：
S ( )
173H123 T 5
2m0 T m1
4
exp(
691
4T
4

F F ( , ; x , y ; t )
cg k
--------------- 二维海浪谱 --------------- 群速度
d 1 d --------------- 波向空间的群速度 c dt k d m
有限深水的弥散关系为：
gk tanh( kd )
Mitsuyasu et al. Hasselmann et al. Davidan Kahma Donelan et al. Dobson et al. Evans et al. Babanin et al.
gx ~ x 2 U
10
5
10 0 10
0
10
1
10
2
10 gx/U
2
3
10
4
10
5
10
-1
10
0
10
1
10
2
10 gx/U2
3
10
4
§1 风浪成长的经验公式
10
2
10
2
10
1
10
gH/U2102
1
gH/U2102
10
0
10
0
10
-1
10 -1 10
-2
Mitsuyasu et al. Hasselmann et al. Davidan Kahma Donelan et al. Dobson et al. Evans et al. Babanin et al. 10 gT/U
§1 风浪成长的经验公式
Ch1 103
C h2
0.504 1/2 0.412 1/2 0.38 0.396 0.436 0.414

海浪玫瑰图
根据特征波高的观测值大小可给出波浪等级及对应海 浪名称，如下表所示。
海况可依据海面外部特征分为10级，见下表。
2、海浪预报
1）根据海浪现场实测资料，结合天气气象图资料进行海浪 计算分析就可得到海浪的波高、周期和波向。 2）在缺乏现场实测海浪资料时，则可利用海洋天气图或 相邻海域气象观测站的观测资料确定对应海域的风区、风时、 风速等风场要素，利用以上风况资料推算得到相应海浪，亦可 借助海浪预报图解查取风浪要素和涌浪要素。
台风区内的波浪要素可用经验公式计算得到，常用的 如Bretschneider(1957)计算深水区台风浪的公式为：
H1/3 5.03exp
RP 4700
(1
0.29U F UR
)
TH1/3 8.6exp
RP 9400
(1
0.145UF UR
)
式中：U F 为台风移动速度(m/s)；R 为台风最大风速 Pc 为台风中心气压(hPa P 1013.3 Pc ， 半径(km)； 、百帕)；U R 为海面上空10m高处风速(m/s) ；系数 对 移动缓慢的台风风速计算取为1.0。
近海平均波高具有区域分布特点，北方海区的平均波 高小，南方海区则大。北方海区的最大波高在冬季受到寒 潮的影响比南方海区高，但在夏季由于热带风暴的影响， 南方海区的最大波高比北方海区大，东海记录到由热带气 旋产生的狂涛波高为17.8m，南海记录到波高14m的狂涛。
风浪波高最大的海区有台湾海峡、吕宋海峡、台湾以 东海域以及南海东北部海域，东海北部和南部以及南海中 部的波高位居其次，然后是黄海南部，而渤海和黄海北部 的风浪最小。据统计，一年中．南海海域出现大浪、巨浪 及狂浪的次数最多，其次是东海、黄海，而渤海的出现次 数最少。如据1997年各海区统计，最大波高在渤海为5.0 m，在黄海为7.0 m，在东海为10.0 m，在南海为8.0 m。

B 风浪向、涌浪向恒与当时的海面风向相同
C AB都对
D AB都错
• 4.下列正确的说法是
A 深水波的波速与波长和周期有关，而与水深无关
B 浅水波的波速与波长和周期无关，只取决于水深
C AB都对
D AB都错
• 5. 深水波波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成了一次圆周运动时，
A 整个波形就向前传播了一个波长的距离
3.补偿流和潮流
海面上任何地方的实际海流应为该地的定海 流、风生流和潮流
4.冷流、暖流和中性流
四、海底地形对海流的影响
北半球
当海流流经水下高地或山脉时，在上爬过程 中，水深变浅，流速增大，因柯氏力增大， 将发生顺时针方向偏转；流过海脊之后在下 坡过程中则相反，流速减少，流向逆时针方 向偏转。当海流经过水下凹地时，流速变慢， 流向发生逆转；越过凹地后流速又增大，流 向发生顺转。
2.海流的表示方法
二、风海流 1.风海流的成因
1）漂流
2）风生流
2.表层风海流的大小和方向
1）流速
v0

0.0127 sin
2）流向
3.Ekman流 埃克玛螺线
三、地转流及其他类型海流 1.倾斜流 北半球 观测者背流而立，则右边 等压面高，左边等压面低。
2.密度流 北半球 观测者背流而立，则流的 右侧等压面高，密度小 （温度高），流的左侧 等压面低，密度大（温度低）
浪级 风浪名称 浪高
0 无浪
0
1 微浪 2 小浪 3 轻浪 4 中浪 5 大浪 6 巨浪 7 狂浪 8 狂涛 9 怒涛
H1/3<0.1 0.1≤H1/3<0.5 0.5≤H1/3<1.25 1.25≤H1/3<2.5 2.5≤H1/3<4 4≤H1/3<6 6≤H1/3<9 9≤H1/3<14 H1/3≥14

海浪对现在的海岸有巨大的侵蚀作用，人们通过工程和生物措施来减缓海浪对 海岸的侵蚀，如修建海堤、种植海岸防护林等。
红树林
现代科技对海浪往往有准确的预报。
老杨说地在理
人们在海滨和海上活动需要密切关注海浪预报，选择适宜活动的
海浪条件。例如，冲浪运动需要较高的浪高来增加挑战性，而捕
捞、勘探、航行等海上活动则应避开大的海浪。
新人教版地理必修一第三章
老杨说地在理
3.3 海水的运动---海浪、潮汐、洋流
的基本形式海浪、潮汐、洋流（综合思维）； 2、运用图文资料说明波浪、潮汐、洋流的成因和作用（地理实践力）； 3、结合实例说明人类利用海水运动规律开发海洋的主要途径（综合思维）； 4、结合所学知识分析波浪、潮汐、洋流对人类生产生活的影响（综合思维、
海洋表层洋流分布图
老杨说地在理
按海水温度，可以将洋流分为暖流和寒流
① 暖流——从水温高的海域流向水温低
的海域的洋流，叫做暖流
② 寒流——从水温低的海域流向水温高
的海域的洋流，叫做寒流
判断洋流寒暖流的方法
老杨说地在理
等水温线判读法：等水温线凸出的方向就是洋流的流向。 由水温高的海区流向水温低的海区的洋流是暖流，如图(a)中M； 由水温低的海区流向水温高的海区的洋流是寒流，如图(b)中N。
随着时间的推移，这些核废水在污染海水的同时，还有可 能污染到淡水资源。 另外核废水带来这种污染，也可能会给有关的人群，特别 是沿海人群造成心理上的恐慌。 日本将核废水直接入海，无论是短期还是长期，都对海洋 环境产生不良影响。而受到最直接影响的，要数日本周边 国家。
潮汐
老杨说地在理
潮汐是海水周期性涨落的现象。古人将白天的海水涨落称为潮，夜晚的海水涨落称为 汐，合称潮汐。海水上升的最高水位叫作高潮，海水下降的最低水位叫作低潮。从低 潮到高潮，水位逐渐上升，叫涨潮；反之，叫落潮。相邻的高潮与低潮的水位差称为 潮差。农历的每月初一和十五前后，潮汐现象最为明显。

积分: 相对于 和
2 2 2 2 ) f ( , exp exp 1/ 2 1/ 2 (2 ) 0 2 2 2 0 2
积分: 相对于
2 f ( ) exp 0 2 0
Neumann假定： ~ ~ d ~/2 外观具有周期 的个别波为波谱中周期介于 ~ d ~ / 2 的各组成波叠加的结果。 至
2g 2 1 S ()d C exp 2 2 d 6 4 U
2g 2 1 S () C exp 2 2 6 4 U
1 H F ( H ) exp
其中
2.126, 8.42
-------------正态分布
实际上波面的分布为非正态的，在高海况下尤为显著。非线性海 浪模型（Longuet-Higgins，1963） ：

ii ijij ijkijk
由随机量 的特征函数可以导出其 概率分布函数为约化的GramCharlier级数。

波高的分布
n
波高的分布 定义如下随机量：
1 cos an cos[(n )t n ]
2 sin an sin[(n )t n ]
n
n
3
1 (n )an sin[(n )t n ] t n 4 2 (n )an cos[(n )t n ] t n

2
sec h 2 ( )
SWOP（Stereo Wave Observation Project）方向谱
2g 2 1 S () C exp 2 2 G(, ) 6 4 U

K M U Fx D VD UVD V 2 D V gD 2 0 ' ' D ' K M V d ' Fy fUD gD o t x y y D y D y '
二．数值分析
（1）POM 模型简介
POM 是 Princeton Ocean Model 的简称,是由美国普林斯顿大学大气和海洋科学实验 室 Alan Blumberg 和 George L. Mellor 研制发展起来的一类海洋数值计算模式。其 主要特征为： （1）垂直方向的σ坐标变换。 （2）水平网格采用正交曲线坐标和 ArakawaC 差分格式。 （3）水平时间差分采用显格式，而垂直差分为隐格式 （4）自由表面可以模拟水位变化。 （5） 垂直和水平方向的混合扩散分别采用 2.5 阶的 Mellor-Yamada 湍流闭合模 式和 Smagorinski 模式。 （6） 内外模态分别处理速度较慢的内重力波和速度较快的外重力波以提高整个 模式计算效率。

K K q q 2l E1 M D D Dq3 g U 2 V 2 ( ) ( ) E K Fl W 3 H o B1
7.海面条件，
8.海底条件
（3）模拟过程
关键词:POM 模型，风海流，渤海，数值模型，物理海洋
一．背景概括
1.1 渤海地理位置
渤海位于北纬 37°7′～41°N，东经 117°35′～121°10′E 之间，深深的嵌入中国 大陆内部，仅以渤海海峡与北黄海相通，属于内陆海，可分为以下几部分。 辽东湾 位于长兴岛与秦皇岛一线以北。处于两条大断裂之间的地堑型凹陷，中部地势 平坦，东西两侧比较复杂。 渤海湾和莱州湾 是渤海西、 南部的两个凹陷区， 之间被黄河三角洲隔开。 地形平缓单调。 渤海海峡 位于辽东半岛南端的老铁山角与山东半岛北端的蓬莱角之间，南北宽约 106 公里。海峡北部的老铁山水道，是黄海海水进入渤海的主要通道。由于过水断面窄，束水流 急，海底被冲刷出一条 U 形深槽。 中央盆地 位于辽东湾、渤海湾、莱州湾和渤海海峡之间，是一个北窄南宽、近似三角形 的盆地，中部低而东北部稍高，构造上是一个地堑型凹陷。

五、世界大洋表层海流模式 1.信风流 2.赤道逆流 3.西边界流 4.西风漂流 5.东边界流 6.高纬冷水环流和南极海流
六、世界海洋表层海流系统 1.太平洋的海流系统 2.大西洋的海流系统 3.印度洋的海流系统 4.红海和亚丁湾 5.地中海和黑海
6.中国近海及邻近海区的海流系统 1）渤海、黄海和东海的海流 ①外海流系 ②沿岸流系
第四章 海洋学基础
波浪、海流、海冰、水温、盐度
复习题
• 21 下列正确的说法是 A 气导公司的推荐航线是咨询性质和顾问性质的 B 采用气象导航可以减轻船长的工作和责任 C AB都对 D AB都错 • 22 申请使用气导航线有意义的航区是 A 沿岸航行或狭水道航行 B 低纬度海域航行 C 横跨中高纬大洋航行 D ABC都对 • 23 一般来说，影响船舶运动速度最主要的海洋气象要素是 A 风 B 海浪 C 海流 D 海雾 • 24 申请气导的船舶 A 要有雾航的准备和高纬度冰区航行的准备 B 应装备GPS、卫通设备和气象传真接收机 C AB都对 D AB都错 • 25 下列说法正确的是 A 船长必须不折不扣地执行气导公司推荐的航线 B 若船舶在气导公司的推荐航线上出现失误，则该机构将承担法律责任 C 船长有权决定是否采纳气导公司的推荐航线或中途脱离推荐航线 D 气导航线避免大风浪航行、雾航或冰区航行。
四、海底地形对海流的影响 北半球 当海流流经水下高地或山脉时，在上爬过程 中，水深变浅，流速增大，因柯氏力增大， 将发生顺时针方向偏转；流过海脊之后在下 坡过程中则相反，流速减少，流向逆时针方 向偏转。当海流经过水下凹地时，流速变慢， 流向发生逆转；越过凹地后流速又增大，流 向发生顺转。
复习题
• 1.下列正确的说法是 A 在通常情况下，海浪是影响船速的首要因素 B 对于特定的船舶，其实际航速主要受制于浪高和周期 C AB都对 D AB都错 • 2. 下列正确的说法是 A“无风不起浪”是指风浪 B“无风三尺浪”是指涌浪 C AB都对 D AB都错 • 3.在同一海域 A 风浪向、涌浪向与海面风向之间均可成任意角度 B 风浪向、涌浪向恒与当时的海面风向相同 C AB都对 D AB都错 • 4.下列正确的说法是 A 深水波的波速与波长和周期有关，而与水深无关 B 浅水波的波速与波长和周期无关，只取决于水深 C AB都对 D AB都错 • 5. 深水波波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成了一次圆周运动时， A 整个波形就向前传播了一个波长的距离 B 相邻水质点落后的相角越大，波长越短 C AB都对 D AB都错