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海洋科学中基于海洋模式模拟的海浪预测研究随着海洋科技的不断发展，海洋模式模拟技术已经成功地应用在了海洋预报领域中。
其中海浪预测是一项至关重要的工作，它能够为海上航行、海洋工程、沿海渔业等领域的安全保障提供有力的支撑和保障。
基于海洋模式模拟的海浪预测研究正在成为当前海洋预测研究的重要方向。
一、海浪预测技术的概述海浪预测技术主要是指利用物理、数学、气象学等相关学科对海洋环境中的海流、风、温度、盐度等物理因子进行分析、建模和模拟，最终通过模型训练得到一套科学、准确的预测结果。
而海浪模拟技术是海浪预测技术中的一项重要技术手段，它是通过计算机对海洋环境中的水动力学、气象学和海洋地形的作用进行数值模拟，从而得出海浪高度、方向、周期等重要信息。
二、海洋模式模拟技术在海浪预测中的应用1. 海洋模式模拟技术的基本原理：海洋模式模拟技术是建立在对环流、水体结构及物理、化学过程等物理模型的数值模拟基础之上。
这种方法不仅可以对海洋动力学、热力学和化学参数进行定量分析，而且可以从时间和空间两个方面对海洋环境作出定量预测。
2. 预测海浪高度、方向、周期等关键参数：基于海洋模式模拟技术的海浪预测可以预测未来一段时间内的海浪状况，包括海浪高度、方向、周期等关键参数，并且还可以对浪形、层次和传播情况进行分析预测，从而为海洋工程、沿海渔业等方面提供更为准确的数据支持。
3. 海浪预报的优势：相比传统的经验预报和统计预报，基于海洋模式模拟技术的海浪预测具有更高的预测精度、更广的适用范围、更强的实用性，能够对复杂的海洋环境进行更为准确的预测和分析，因此被广泛应用在海军、海事、船舶、海洋石油天然气等行业中。
三、海洋模式模拟技术的局限性及未来发展趋势1. 模型参数的不确定性：海洋模式模拟技术在应用过程中需要对大量的环境参数进行测量和采集，这些参数的测量精度和准确性对预测结果具有极大的影响，因此传感器和数据采集装置的技术水平及数据处理的方法对模型预测结果的准确性具有重要意义。
海浪数学模型
海浪是指海洋表面的波浪，在海洋工程和海洋资源开发中占有重要的地位。
而要研究海浪的运动规律，就需要用到海浪数学模型。
海浪数学模型主要包括线性理论模型和非线性理论模型。
线性理论模型是基于线性波动方程建立的模型，它是对小振幅、单频率海浪的描述。
而非线性理论模型则是对大振幅、多频率海浪的描述，它主要采用非线性波动方程进行研究。
线性理论模型主要涉及到海浪的传播、反射、折射和干扰等问题。
而非线性理论模型则主要关注海浪的非线性效应，如波浪变形、波浪破碎等。
海浪数学模型的研究不仅有助于深入理解海浪的物理特性，而且对海洋工程、海洋资源开发以及海浪预报等方面都具有重要的应用价值。
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第5章海洋波浪5.1海洋波动现象概述海洋中存在着各种形式的波动，它既可发生在海洋的表面，又可发生在海洋内部不同密度层之间，有着不同的波动尺度、机理和特性，各种波动现象复杂。
海洋波动是海水运动的主要形式之一。
海洋表面总被形容为时而波涛汹涌，时而涟漪荡漾，呈现出一种复杂的波动现象。
引起海水表面波动的自然因素有很多，如海洋表面受到风与气压的作用、天体的引潮力及海底地震与火山的作用等，它们引起的波动现象有不同的尺度，造成各种波动的周期、波高、波长等波动特性的不同，各自具有不同的能量范围，对海洋工程结构的作用影响也不同。
如图5-1所示。
周期最小的毛细波(Capillary Wave)是由水的表面张力控制下的波动，其波高≤1～2 mm，波长最大约1.7 cm，相对能量很小，在海洋工程结构物的设计与运动分析中可不需考虑。
对海洋工程结构物影响最大的波动是海面重力波(Surface Gravitational Wave)，它受海面风的作用而引起，然后在重力这个恢复力的作用下做垂直振荡，具有巨大的能量。
根据观测记录，波动周期在1～30 s期间的海浪占到海面观测海浪中的大部分，并且这部分海浪的波动能量极大，是船舶、平台等海洋工程结构物结构受损与变形破坏的主要因素，因此海洋结构物必须设计成能抵御各种风浪作用，海浪成为海洋工程结构物在设计施工中必须考虑的环境载荷条件之一。
此外，周期长于5 min 的长周期波将带来海面水位较大的垂向升降变化，这主要有由风暴及海底地震等引起的风暴大潮与海啸波以及由天体引潮力引起的潮波( TidalWave)。
潮波等长周期波带来的水位变化主要影响海洋结构物的设计高程，需收集统计资料并作长期预测，是海洋工程结构物在设计施工中必须考虑的因素之一，风暴潮和海啸波对近海海岸工程还具有极大的冲击能量。
海洋中的海水密度在垂向上分布不均匀就舍产生内波现象，在水下出现水质点的最大运动振幅而不是在海表面。
这种发生在海洋内部不同密度层间的波动就称为海洋内波(Internal Wave)。
为什么海浪会形成？
海浪的形成是由于风对海面的作用以及重力的影响。
以下是海浪形成的基本原理：
风的作用：海浪的形成主要是由于风对海面的作用。
当风吹过海面时，会传递动能到海水表面，形成波浪。
风的强度、持续时间和风向都会影响海浪的形成。
风速和风程：风速越大，对海面的影响越大，形成的海浪也越高。
此外，风程（即风吹过的海域距离）也会影响海浪的大小和形态。
风的持续时间：风持续的时间越长，海浪形成的时间也越长，积累的能量也越大，形成的海浪也会更大。
海水深度：海浪的形成也受到海水深度的影响。
在深水区，海浪传播的速度较快，波浪高度较小；而在浅水区，海浪会受到海床的影响，波浪变得更加陡峭。
重力作用：一旦波浪形成，重力就会对海浪产生影响。
重力会试图将海浪拉回平静状态，因此海浪的形态会受到重力的调节，最终形成稳定的海浪形态。
总的来说，海浪的形成是由风对海面的作用和重力的影响共同作用的结果。
风对海面的作用使海水产生波动，而重力则调节了海浪的形态，最终形成了稳定的海浪。
波浪理论深入探究海浪的起伏原因海洋是地球上最广阔的水域，而海浪则是海洋中最为常见的现象之一。
无论是在海岸线上冲浪，还是在游艇上欣赏波涛汹涌的景象，我们都能感受到海浪的力量和美丽。
然而，为什么海浪会如此起伏不定呢？本文将深入探究波浪理论，解释海浪的起伏原因。
1. 海浪的形成海浪是由风吹动海面引起的。
当风吹过海面时，它会对水体施加力量，使得水分子发生振动。
这些振动以波的形式传播，形成了我们所看到的海浪。
2. 波浪的传播波浪传播有两种主要形式：表面波和体内波。
表面波是最常见的一种，它发生在海洋表面。
而体内波则发生在不同密度水层之间的界面上。
表面波可以进一步分为长波和短波。
长波通常由远离风源的大范围风场引起，它们具有较长的波长和较低的频率。
短波则由近距离的风场引起，波长较短，频率较高。
3. 海浪的起伏原因海浪的起伏是由多种因素共同作用引起的。
3.1 风速和风向风速和风向是影响海浪起伏的主要因素之一。
当风速较大时，它对海面施加的力量也会增大，从而产生更大的波浪。
而风向则决定了波浪的传播方向。
3.2 水深水深也是影响海浪起伏的重要因素。
在水深较浅的地方，波浪会受到底部摩擦力的阻碍，导致波高增加。
而在水深较深的地方，波浪传播时会逐渐减小。
3.3 海洋地形海洋地形对海浪起伏也有一定影响。
当海浪遇到岛屿、海岸线或者其他障碍物时，会发生折射、反射和干涉现象，导致波浪形态发生变化。
3.4 潮汐潮汐是由月球和太阳的引力作用引起的海洋水位周期性变化。
潮汐的变化也会对海浪起伏产生影响。
3.5 海洋流海洋流是由风、地球自转和地形等因素共同作用引起的水体运动。
海洋流的存在会对海浪的传播和形态产生影响。
4. 波浪的分类根据波浪的特征，我们可以将其分为破碎波、涌浪和潮汐波。
破碎波是指当波浪接近海岸线时，由于水深减小而发生断裂和翻滚的现象。
这种波浪通常伴随着巨大的能量释放，给海岸带来冲刷和侵蚀。
涌浪是指在远离海岸线的开阔海域中传播的波浪。
第八章海浪船舶在海上航行过程中，对船舶航行危险最大的海洋与气象要素是海洋波浪，〔简称为海浪〕，所以海浪是制约船舶运动的首要因素。
海流是海水水平运动形式之一，它对海洋水文气象要素的分布和变化以及天气和气候均有显著的影响。
此外，表层海流还直接影响船舶的航速，顺流增速，逆流减速，横流使船舶偏离方案航线，导致船舶搁浅、碰撞、触礁和航行时间的增加等。
本章主要介绍海洋波浪和表层海流的有关知识。
§海浪实际航速主要受到浪高和浪向的影响，因此，大风大浪中航行会造成船舶的舵效降低、航速下降。
另外，受巨浪的冲击会造成船舶发生中拱或中垂现象，严重时能时船体发生断裂，当船舶摇摆周期与波浪的传播周期相同或根本相同时，会发生死水或共振现象，严重时会导致船舶的倾覆。
一波浪要素波动是海水运动的一种普遍形式，它的根本特征是具有周期性。
波浪的要素，如下图。
当发生海面波动时，即海浪发生时，我们将波浪看作为简单的正弦波。
将正弦波波面的最高点叫做波峰；最低点叫做波谷；相邻的波峰或波谷间的水平距离称之为波长〔λ〕；相邻波峰与波谷间在垂直方向上距离称为波高〔H〕；波形的传播速度叫波速〔或相速c〕。
两相邻的波峰〔或波谷〕通过一固定点所需的时间称为周期〔T〕。
波高与波长之比叫波陡〔δ〕。
沿垂直于波浪传播方向〔来向〕通过波峰的线叫波峰线。
垂直于波峰线的线叫波向线。
根据波长、波速和周期的定义，可以得到：λ=c·T〔〕图波浪要素二水质点的运动与波形传播的关系在海洋上波形是沿外表向前传播的，而海水那么是原地踏步。
大多数海洋中的波，振幅相对于波长为无限小，因此在理论上可以证明，深水波〔波长远小于海深的波〕中海面上水质点的轨迹是以波高为直径的圆，在海面以下其直径以指数形式迅速减小。
当水质点运动到最高位置时，其运动方向与波向一致。
当水质点运动到最低位置时，其运动方向与波向相反。
由图可见，当波面上每个水质点在自己的平衡位置附近完成一次圆周运动时，整个波形就向前传播一个波长的距离。
课程教学Curriculum Teaching
“海浪原理与计算"课程设置研究
于潭胡松魏永亮（上海海洋大学海洋科学学院上海201306）
摘要作者对国内外主要涉海高校“海浪原理与计算”所使用进行教材及课程大纲进行了调研分析，发现大多学校都 对小振幅波和有限振幅波理论进行重点讲解.在此基础上，我们对上海海洋大学的“海浪原理与计算”课程进行了设 置.本研究方案可给国内外涉海高校“海浪原理与计算”的课程设置提供建议.
关键词海浪原理与计算课程设计调查研究中图分类号:G424 文献标识码：A D01:10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.03.041
Research on
the
Course
Setting of
"Principles and
Computations
of Waves"
YU Tan, HU Song,
WEI Yongliang
(College of Marine Sciences, Shanghai
Ocean
University, Shanghai 201306)
Abstract The author investigates and analyses the textbooks and syllabuses of "Principles and
Computations ofWaves" used
by major overseas and domestic universities, and finds that most schools focus on the theory of small and finite amplitude wa
ves. On this basis, we set up the course "Principles and Computing ofWaves" in Shanghai Ocean University.
This research pro
gram can provide suggestions for the curriculum design of "Principles and Computations
ofWaves" in domestic and foreign
maritime universities.Keywords Principles and Computations of Waves; course design; investigation and research
海浪是我们日常生活中一种常见的现象。
居住在海边或
在海边度假的人都会很熟悉海浪。
“海浪原理与计算”课程中
我们将学习海浪研究的发展史、描述海浪的方法、海浪的生成
与成长机制、海浪模式和海浪的计算方法，讨论目前海浪研究 中存在的问题及其对海-气相互作用的影响。1国内外主要涉海高校“海浪原理与计算'所使用教材分析 目前，“海浪原理与计算”已成为国内外很多涉海院校海洋 学科的专业基础课程，但每个学校根据本校的教学宗旨和发展 定位，对海洋学科学生的培养的计划各有迥异。下面以国内几 个主要涉海院校“海浪原理与计算”所使用的教材来对比分析 海洋科学专业所必须的海浪原理与计算情况。中国海洋大学海洋环境学院物理海洋专业开设的《海浪》 课程，教材选用的是文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理 论与计算原理》，这本教材主要有六章，第一章是液体表面波 的基本方程及其普遍积分，主要介绍了流体动力学的基本方 程、表面波问题的精确提法、线性波动的基本方程、浅水波动 的基本方程、浅水波动的小参数展开法以及静压分布律的导 出、二维无旋周期进行波的若干普遍积分性质等;第二章是线 性波动理论，主要包括简单波动、简谐表面压强维持的简单波 动、小振幅简单波动的合成、倾斜水底上波浪的传播、具有复 杂水底地形水域上的波动传播一波的折射、波动绕射等;第三 章是有限振幅波动，主要有斯多克斯波、摆线波、椭圆余弦波 和孤立波等；第四章是作为随机过程的海浪：第五章风与海 浪，主要包括气水界面附近的流场、风浪生成和成长的机制、 风浪谱的成长和参数化、风浪的计算、涌的传播、风浪与涌的 数值计算;第六章近岸的海浪，主要包括倾斜水底对海浪的影 响、复杂地形对海浪的作用、海浪产生的近岸流和碎波拍。根 据文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》的 这本教材，中国海洋大学的“海浪原理与讣算”课程主要设置 如下：第一章海浪的统计性质：第一节概论、第二节风浪和涌 浪、第三节海浪的随机性、第四节海浪谱、第五节波面的统计 性质、第六节高的统计分布、第七节常用波高和周期定义。通 过本章的讲述，使学生认识海浪的随机性和复杂性；
海浪又分
为风浪和涌浪两大类，海浪谱是现代海浪研究的有力工具，在 线性理论下，波面和波高所遵从的统计分布。掌握海浪谱与常
用波高和周期之间的关系，
共占
8学时。
第二章海浪的生成和成长:第一节风浪的生成机制、
第二
节风浪的成长、第三节风浪成长经验公式
、第四节海浪谱的
相似性、第五节风浪的平衡域
。通过本章的讲述，使学生掌握
和了解风浪生成的两种主要机制，影响风浪成长的因素；有限
风区下的风浪成长关系、海浪谱的相似性；了解风浪平衡域的 性质，共占
10学时。
第三章海浪的计算与观测:第一节风浪能量平衡方程、第
二节风浪源函数、第三节海浪模式与计算、第四节海浪的观
测。通过本章的学习
，了解现代海浪模型和计算方法，
风浪源
函数的参数化和存在的问题，以及现代海浪观测方法，共占
8
学时。
第四章近岸的海浪:第一节波速、波长及波高的变化、第 二节破碎波高与破碎深度、第三节海浪的折射与绕射
。
通过
本章的学习，了解海浪向近岸传播时由于地形变化而引起的海 浪性质变化,水深引起的海浪破碎、离岸流和拍岸波等
，共占
6
学时。
第五章海浪与海一气相互作用：第一节波浪破碎与海面
2019 年 / 第 9 期 /3
力(T)
91课程教学Curriculum Teaching
附近湍流、第二节波浪对海■•气通量的影响
。
通过本章的学习，
了解波浪及其破碎对大尺度海一气相互作用的贡献，
认识到他
们是控制海一气界面通量的重要因素，共占2学时。
厦门大学海洋与地球科学学院海洋学系的物理海洋专业 的学科或专业方向性课必修课，他们课程的目的在于让学生
通过学习掌握海浪研究的基本知识、方法、思想和进展
，系统
掌握海浪研究的基本方法,海浪调查与数据处理，
培养学生处
理一般有关海浪计算和解决波浪预报实际问题的能力。主要 是从波浪的研究方法、研究意义
、波浪研究的应用领域入手,
介绍波浪要素、小振幅波和有限振幅波理论，了解波动振幅、
水质点运动轨迹、质点运动速度、能量、辐射应力、水中波压
、
相位速度和群速度、风况、海况基础知识、波浪观测原理、
海浪
数据处理，海浪组成和海浪谱、有效波生成理论和谱分析理论。
选用的教材主要是海浪原理与计算（自编讲义）和王树清《
海洋
工程波浪力学》中国海洋大学出版社。主要参考书是文圣常、 余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》。其中王树 清的《海洋工程波浪力学》包含七章内容，期中第1章波动方 程，包括流体力学基本方程（连续方程、运动方程、理想流体非 定常无旋运动的拉格朗日积分）、波浪运动基本方程及定解条 件（势波理论、基本方程与定解条件）；第2章线性波理论，包 括常深度小振幅波理论（边界条件的简化、基本方程的解、线 性波的特性、波面方程、弥散关系、水质点的速度和加速度、水 质点的运动轨迹、波动压、波动能量）线性波的两种极限情况、 波浪的叠加、平面斜向等；第3章非线性波浪理论，包括斯托 克斯波浪理论、流函数波浪理论、椭圆余弦波、孤立波、波浪理 论的适用性等;第4章波浪的传播与变形，包括波浪在深水中 的弥散与传播、波浪的浅水效应、波浪的反射、波浪的绕射、波 浪的破碎、复杂地形情况下的波浪传播与变形数值计算；第5 章随机波浪理论，包括海浪的观测与描述、随机海浪的统计特 征、随机波浪的谱特性、随机波浪的数值模拟、海浪的长期统 计分布规律；第6章作用在小尺度结构物上的波浪力，包括海 流中的圆柱体、作用在直立柱体上的波浪力、水动力系数、莫里 森公式的修正、波流共同作用下的波浪力计算、随机波浪力的 计算等；第7章作用在大尺度结构物上的波浪力，包括绕射理 论、大直径直立圆柱体波浪力分析、任意形状三维结构物上的 波浪力、大尺度水下潜体上的波浪力、固定物体上的二阶波浪 力、作用在大型浮体上的波浪力。University of California, San Diego,简称 UCSD,加州大学 圣地亚哥分校的Introduction to Ocean Waves（海浪简介）课程， 所使用的是自编教材Introduction to Ocean Waves（海浪简介）， 主要分为10个章节：1 Basic waves （基本波）、2 Two waves （两 个波）、3 Many waves （群波）、4 Waves generated by a distant storm （波浪的生成）、5 Wave measurement and prediction （海浪 的测量和预报）、6 Shoaling waves（浅水波）、7 Rogue waves and ship waves （轮船行驶生成的波（尾迹波））、8 Hydrodynamics and linear theory（水波动力学和线性理论）、9 The shallow-water equations. Tsunamis （浅水方程■海啸）、10 Breakers, bores and longshore currents（海浪破碎和沿岸流）。麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的 Wave Motions in the Ocean and Atmosphere（海洋和大气中的波 动）课程使用的是自编教材。主要内容有:1 .Introduction - Kinematics: Frequency, Wavenumber, Phase, Phase Speed（简介:频 率、波数、相位、相速度）包括Internal Gravity Waves （内重力 波）＞Dispersion and the initial value problem（频散和初始值问 题）、Group velocity - wave packets and inhomogeneities （群速 度）、Energy, fields of motion, particle movements（能量、运动场 和质点运动）；2.Surface Gravity Waves（表面重力波）；3.Rotation and Potential Vorticity - Small Scale（小尺度旋转和位涡）^.Large-Scale Hydrostatic Motions （大尺度运动）、5. Laplace Tidal Equations and The Vertical Structure Equation （Laplace 潮汐方程 和垂向运动方程）＞6.EquatorialB-Plane and Equatorial Waves（赤 道R平面和赤道波动）、7.Stratified Quasi-Geostrophic Motion and Instabilities （分层准地转运动和不稳定性）。2上海海洋大学“海浪原理与计算”课程设置综合国内几个主要涉海院校的“海浪原理与计算”课程设 置，可以看出
