第四章海浪觀測(cè)

1、第四章第四章 海浪觀測(cè)與海浪譜海浪觀測(cè)與海浪譜2013/03/27l 巨浪可引起海上船舶傾覆、折斷和觸礁，摧毀海上平臺(tái)，對(duì)海上運(yùn)輸和施工、漁業(yè)捕撈、海上軍事活動(dòng)等帶來很大的災(zāi)害。l 巨浪可摧毀沿海的堤岸、海塘、碼頭、海水養(yǎng)殖設(shè)施等各類海工建筑物。海浪對(duì)沿岸工程設(shè)施的破壞往往是毀滅性的，巨浪來襲可能會(huì)破壞整個(gè)港口的設(shè)施。據(jù)測(cè)量，近岸浪對(duì)海岸的壓力，可達(dá)到每平方米3050噸。據(jù)記載，在一次大風(fēng)暴中，巨浪曾把1370噸重的混凝土塊移動(dòng)了10米，20噸的重物也被它從4米深的海底拋到了岸上。巨浪沖擊海岸能激起60-70米高的水柱。 l 此外，海浪有時(shí)還會(huì)攜帶大量泥沙進(jìn)入海港、航道，造成淤塞等災(zāi)害。l海浪

2、促進(jìn)海水上下層混合，使混合后水層富有氧氣，滿足海中魚類和其他動(dòng)植物需要；l波浪發(fā)電；葡萄牙的“海蛇”海浪發(fā)電站世界首座商用波浪能發(fā)電廠 預(yù)備知識(shí)l波動(dòng)產(chǎn)生的條件：波動(dòng)產(chǎn)生的條件： 平衡狀態(tài)、擾動(dòng)力、恢復(fù)力平衡狀態(tài)、擾動(dòng)力、恢復(fù)力l波浪的擾動(dòng)力、恢復(fù)力？1965 年 Kinsman 根據(jù)波浪周期，結(jié)合主要擾動(dòng)力與回復(fù)力來劃分海洋波浪的類型，給出其能量的近似分布（如下圖）。海洋工程考慮的主要荷載：周期處于 4 16s內(nèi)的重力波。 形成原因：風(fēng)浪、涌浪、近岸浪、內(nèi)波、潮汐波、海嘯、風(fēng)暴潮。形成原因：風(fēng)浪、涌浪、近岸浪、內(nèi)波、潮汐波、海嘯、風(fēng)暴潮。 l風(fēng)浪風(fēng)浪： 由風(fēng)直接作用而引起的水面波動(dòng)稱為風(fēng)浪。

3、由風(fēng)直接作用而引起的水面波動(dòng)稱為風(fēng)浪。l涌浪涌浪： 由其他海區(qū)傳來的波浪或由于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力急劇減小、風(fēng)向改由其他海區(qū)傳來的波浪或由于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力急劇減小、風(fēng)向改變或風(fēng)平息后遺留的波浪均稱涌浪。變或風(fēng)平息后遺留的波浪均稱涌浪。l近岸浪：風(fēng)浪或涌浪傳至淺水或近岸區(qū)后，因受地形影響發(fā)生一系列近岸浪：風(fēng)浪或涌浪傳至淺水或近岸區(qū)后，因受地形影響發(fā)生一系列變化。變化。l內(nèi)波：內(nèi)波： 不同密度的水層界面處而產(chǎn)生的波動(dòng)。不同密度的水層界面處而產(chǎn)生的波動(dòng)。l潮汐波：由于天體引潮力作用所產(chǎn)生的波動(dòng)。潮汐波：由于天體引潮力作用所產(chǎn)生的波動(dòng)。l海嘯：海嘯： 由于海底或海岸附近發(fā)生的地震或火山爆發(fā)所形成的波動(dòng)。由于海底或海

4、岸附近發(fā)生的地震或火山爆發(fā)所形成的波動(dòng)。l風(fēng)暴潮：由于氣象原因，如臺(tái)風(fēng)，強(qiáng)風(fēng)暴等引起的海面異常升高現(xiàn)象。風(fēng)暴潮：由于氣象原因，如臺(tái)風(fēng)，強(qiáng)風(fēng)暴等引起的海面異常升高現(xiàn)象。l風(fēng)浪的產(chǎn)生：風(fēng)浪的產(chǎn)生：共振理論共振理論、剪流理論剪流理論 l所謂所謂共振理論共振理論，是指因自然界的風(fēng)具有紊流特征，當(dāng)風(fēng)，是指因自然界的風(fēng)具有紊流特征，當(dāng)風(fēng)吹行于水面時(shí)，后者受到的正壓力不均勻，從而產(chǎn)生水吹行于水面時(shí)，后者受到的正壓力不均勻，從而產(chǎn)生水面起伏，形成初始的水面波動(dòng)。當(dāng)壓力和波動(dòng)中同頻率面起伏，形成初始的水面波動(dòng)。當(dāng)壓力和波動(dòng)中同頻率的成分間發(fā)生共振時(shí)，該頻率的波動(dòng)成分隨時(shí)間增大，的成分間發(fā)生共振時(shí)，該頻率的波動(dòng)成

5、分隨時(shí)間增大，此即風(fēng)浪通過共振機(jī)制生成的概念。此即風(fēng)浪通過共振機(jī)制生成的概念。l共振理論共振理論解釋了波浪的最初形成和成長(zhǎng)過程。解釋了波浪的最初形成和成長(zhǎng)過程。 l剪流理論剪流理論是將風(fēng)對(duì)水面的作用力分為兩部分：風(fēng)與水面是將風(fēng)對(duì)水面的作用力分為兩部分：風(fēng)與水面間的間的切應(yīng)力切應(yīng)力 以及風(fēng)作用在波浪迎風(fēng)面上的法向以及風(fēng)作用在波浪迎風(fēng)面上的法向正壓力正壓力 N 。切應(yīng)力。切應(yīng)力 與風(fēng)速與風(fēng)速 u 成正比，因?yàn)樗|(zhì)點(diǎn)主要在原地成正比，因?yàn)樗|(zhì)點(diǎn)主要在原地做振蕩運(yùn)動(dòng)，波速做振蕩運(yùn)動(dòng)，波速 C 是位相速度，故是位相速度，故 與與 C無關(guān)。無關(guān)。 N 使使波浪的迎風(fēng)面和背風(fēng)面形成壓力差，故其大小與（波浪的

6、迎風(fēng)面和背風(fēng)面形成壓力差，故其大小與（ UC ）成正比。）成正比。 風(fēng)對(duì)水面的作用力風(fēng)對(duì)水面的作用力 l在在 U C 的整個(gè)期間，由于的整個(gè)期間，由于 和和 N 的作用，風(fēng)將能量不的作用，風(fēng)將能量不斷傳給水體，使斷傳給水體，使波浪不斷發(fā)展波浪不斷發(fā)展，波高和波長(zhǎng)不斷增大；，波高和波長(zhǎng)不斷增大；l隨著波浪尺度的增大，隨著波浪尺度的增大， C 也相應(yīng)加大，致使水體內(nèi)的也相應(yīng)加大，致使水體內(nèi)的摩擦也不斷加大。當(dāng)摩擦也不斷加大。當(dāng) C 接近接近 U 時(shí)，風(fēng)僅在時(shí)，風(fēng)僅在 的作用下繼的作用下繼續(xù)將能量傳給水體，已不通過續(xù)將能量傳給水體，已不通過 N 傳給海水能量；傳給海水能量；l而當(dāng)而當(dāng) C U 時(shí)，空

7、氣將時(shí)，空氣將阻礙波形前進(jìn)阻礙波形前進(jìn)，反而要消耗波浪，反而要消耗波浪的能量，所以總的輸入能量是隨的能量，所以總的輸入能量是隨C的逐步增大而逐漸減的逐步增大而逐漸減小的。小的。l當(dāng)能量的輸入等于能量的消耗當(dāng)能量的輸入等于能量的消耗時(shí)，波浪不再發(fā)展而趨于時(shí)，波浪不再發(fā)展而趨于穩(wěn)定，形成在某風(fēng)速條件下所能形成的穩(wěn)定，形成在某風(fēng)速條件下所能形成的最大波浪最大波浪。這種。這種理論解釋了初始波浪形成后的發(fā)展過程。理論解釋了初始波浪形成后的發(fā)展過程。l 風(fēng)停止風(fēng)停止后，海水無新能量輸入，一部分波能向后，海水無新能量輸入，一部分波能向四周傳播擴(kuò)散，另一部分波能不斷消耗于水體四周傳播擴(kuò)散，另一部分波能不斷消耗

8、于水體內(nèi)部的分子粘滯性和紊動(dòng)粘滯性。此外，空氣內(nèi)部的分子粘滯性和紊動(dòng)粘滯性。此外，空氣阻力、海底摩擦和滲透也消耗了部分的波浪能阻力、海底摩擦和滲透也消耗了部分的波浪能量，使波浪逐漸量，使波浪逐漸衰減衰減，直至最后消亡。，直至最后消亡。l總之，波浪的生成、發(fā)展和衰減取決于水體能總之，波浪的生成、發(fā)展和衰減取決于水體能量的攝取和消耗之間的數(shù)量關(guān)系，當(dāng)能量輸入量的攝取和消耗之間的數(shù)量關(guān)系，當(dāng)能量輸入大于輸出時(shí)，風(fēng)浪將成長(zhǎng)發(fā)展；反之，波浪將大于輸出時(shí)，風(fēng)浪將成長(zhǎng)發(fā)展；反之，波浪將趨于衰減直至消亡。趨于衰減直至消亡。l影響風(fēng)浪成長(zhǎng)的因素影響風(fēng)浪成長(zhǎng)的因素 ：l風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)距風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)距、（風(fēng)場(chǎng)三要

9、素）（風(fēng)場(chǎng)三要素）l地形、水深、海流地形、水深、海流l從從深水深水的風(fēng)區(qū)到風(fēng)區(qū)外的風(fēng)區(qū)到風(fēng)區(qū)外淺水岸邊淺水岸邊工程所在地，工程所在地，波浪的傳播和變化過程可分為波浪的傳播和變化過程可分為 3 個(gè)階段：個(gè)階段： 風(fēng)區(qū)中風(fēng)浪的產(chǎn)生和發(fā)展；風(fēng)區(qū)中風(fēng)浪的產(chǎn)生和發(fā)展； 風(fēng)區(qū)外風(fēng)浪（深水波）轉(zhuǎn)變成涌浪繼續(xù)傳播，風(fēng)區(qū)外風(fēng)浪（深水波）轉(zhuǎn)變成涌浪繼續(xù)傳播，波浪將逐漸衰減；波浪將逐漸衰減； 涌浪進(jìn)入近岸淺水區(qū)發(fā)生波浪變形。涌浪進(jìn)入近岸淺水區(qū)發(fā)生波浪變形。l風(fēng)浪發(fā)展的三種狀態(tài)風(fēng)浪發(fā)展的三種狀態(tài) l風(fēng)浪的風(fēng)浪的過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)： 風(fēng)速很大而且風(fēng)場(chǎng)寬闊，風(fēng)浪的風(fēng)速很大而且風(fēng)場(chǎng)寬闊，風(fēng)浪的成長(zhǎng)取決于風(fēng)時(shí)的長(zhǎng)短成長(zhǎng)取決于風(fēng)

10、時(shí)的長(zhǎng)短l風(fēng)浪的風(fēng)浪的定常狀態(tài)定常狀態(tài)： 風(fēng)速很大但風(fēng)場(chǎng)范圍很小，一定時(shí)風(fēng)速很大但風(fēng)場(chǎng)范圍很小，一定時(shí)間后，海域范圍內(nèi)波浪要素趨于定常，不再隨時(shí)間變間后，海域范圍內(nèi)波浪要素趨于定常，不再隨時(shí)間變化。但海域各點(diǎn)的波浪要素并不相同，而取決于各點(diǎn)化。但海域各點(diǎn)的波浪要素并不相同，而取決于各點(diǎn)的位置或風(fēng)距，風(fēng)距越大，風(fēng)浪也越大，這種風(fēng)浪處的位置或風(fēng)距，風(fēng)距越大，風(fēng)浪也越大，這種風(fēng)浪處于定常狀態(tài)。于定常狀態(tài)。l風(fēng)浪的風(fēng)浪的充分成長(zhǎng)狀態(tài)充分成長(zhǎng)狀態(tài)：風(fēng)時(shí)和風(fēng)距都足夠大，在一定：風(fēng)時(shí)和風(fēng)距都足夠大，在一定的風(fēng)速條件下，風(fēng)浪不再增大而達(dá)到該風(fēng)速條件下的的風(fēng)速條件下，風(fēng)浪不再增大而達(dá)到該風(fēng)速條件下的極限狀態(tài)，常

11、稱為風(fēng)浪的充分成長(zhǎng)狀態(tài)極限狀態(tài)，常稱為風(fēng)浪的充分成長(zhǎng)狀態(tài)。l判斷風(fēng)浪狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)：判斷風(fēng)浪狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)：最小風(fēng)時(shí)最小風(fēng)時(shí)、最小最小風(fēng)距風(fēng)距l(xiāng)最小風(fēng)時(shí)最小風(fēng)時(shí):在一定風(fēng)速在一定風(fēng)速 U 下，在給定的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度下，在給定的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度 F 處處出現(xiàn)最大波浪，即達(dá)到定常狀態(tài)，所需的最短時(shí)間稱出現(xiàn)最大波浪，即達(dá)到定常狀態(tài)，所需的最短時(shí)間稱為最小風(fēng)時(shí)，記為為最小風(fēng)時(shí)，記為tmin 。l若實(shí)際風(fēng)時(shí)若實(shí)際風(fēng)時(shí) t tmin ，則風(fēng)浪隨風(fēng)時(shí)變化處于過渡狀，則風(fēng)浪隨風(fēng)時(shí)變化處于過渡狀態(tài)，在風(fēng)浪推算時(shí)取實(shí)際風(fēng)時(shí)態(tài)，在風(fēng)浪推算時(shí)取實(shí)際風(fēng)時(shí) t 作為計(jì)算風(fēng)時(shí)。作為計(jì)算風(fēng)時(shí)。l若若 t tmin ，由于風(fēng)距的限制，風(fēng)浪不能繼續(xù)增

12、大而，由于風(fēng)距的限制，風(fēng)浪不能繼續(xù)增大而處于定常狀態(tài)，風(fēng)浪推算時(shí)取處于定常狀態(tài)，風(fēng)浪推算時(shí)取tmin作為計(jì)算風(fēng)時(shí)。作為計(jì)算風(fēng)時(shí)。 最小風(fēng)距最小風(fēng)距在一定風(fēng)速在一定風(fēng)速 U 下，在給定的風(fēng)時(shí)下，在給定的風(fēng)時(shí) t 時(shí)產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生最大波浪所需的最短風(fēng)距，記為最大波浪所需的最短風(fēng)距，記為Fmin 。1）當(dāng)實(shí)際風(fēng)距）當(dāng)實(shí)際風(fēng)距 F Fmin 時(shí)，則風(fēng)浪受制于風(fēng)時(shí)而處于過渡狀態(tài)，時(shí)，則風(fēng)浪受制于風(fēng)時(shí)而處于過渡狀態(tài)，風(fēng)浪推算時(shí)取風(fēng)浪推算時(shí)取Fmin作為計(jì)算風(fēng)距。作為計(jì)算風(fēng)距。l如風(fēng)區(qū)足夠大，在給定時(shí)刻，風(fēng)區(qū)內(nèi)可能有兩種風(fēng)浪狀如風(fēng)區(qū)足夠大，在給定時(shí)刻，風(fēng)區(qū)內(nèi)可能有兩種風(fēng)浪狀態(tài)同時(shí)存在。態(tài)同時(shí)存在。l在在 F F

13、min 的位置，風(fēng)浪處于過渡狀態(tài)，的位置，風(fēng)浪處于過渡狀態(tài)，l在在 F Fmin 的位置，風(fēng)浪處于定常狀態(tài)。的位置，風(fēng)浪處于定常狀態(tài)。l隨著時(shí)間的推移，定常狀態(tài)的范圍將逐漸擴(kuò)大。對(duì)于指隨著時(shí)間的推移，定常狀態(tài)的范圍將逐漸擴(kuò)大。對(duì)于指定的位置，風(fēng)浪總是先處于過渡狀態(tài)，而后過渡到定常定的位置，風(fēng)浪總是先處于過渡狀態(tài)，而后過渡到定常狀態(tài)。狀態(tài)。 海浪要素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律海浪要素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律l海浪要素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律海浪要素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律海浪可看作是平穩(wěn)隨機(jī)過程,具有各態(tài)歷經(jīng)性.各態(tài)歷經(jīng)性各態(tài)歷經(jīng)性保證可以保證可以用一個(gè)樣本來代替總體用一個(gè)樣本來代替總體,平穩(wěn)性平穩(wěn)性保證記錄上的時(shí)間保證記錄上的時(shí)間起點(diǎn)不影響起點(diǎn)不影響

14、計(jì)算的結(jié)果。計(jì)算的結(jié)果?？蓮囊粋€(gè)樣本中任取出足夠長(zhǎng)的一段來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可從一個(gè)樣本中任取出足夠長(zhǎng)的一段來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究，亦即可以采用某一樣本的時(shí)間特征值。分析研究，亦即可以采用某一樣本的時(shí)間特征值。4.1 海浪的觀測(cè)海浪的觀測(cè)一、海浪要素一、海浪要素上跨零點(diǎn)上跨零點(diǎn) 下跨零點(diǎn)下跨零點(diǎn) 大波波高大波波高p1N N/ /1 10 01 1i ii i= =1 11 10 01 10 0H H= =H HN NN N/ /3 31 1i ii i= =1 13 33 3H H= =H HN N波高換算關(guān)系波高換算關(guān)系,表表4.1.1,p61N N/ /3 3r r1 1/ /3 3r r= =1 13

15、 3T T= =T TN N1 11 11 10 01 10 0H H= = K KH H11113333H= K HH= K H1/31.15TT1/101/31.14TT1/101.31TT201.56LT01.56CT周期的換算關(guān)系周期的換算關(guān)系深水波長(zhǎng)的計(jì)算公式深水波長(zhǎng)的計(jì)算公式一、波浪觀測(cè)的主要內(nèi)容：一、波浪觀測(cè)的主要內(nèi)容： 風(fēng)浪和涌浪的波面時(shí)空分布及其外貌特征風(fēng)浪和涌浪的波面時(shí)空分布及其外貌特征二、波浪觀測(cè)的項(xiàng)目二、波浪觀測(cè)的項(xiàng)目 海況、波形、波向、波高和周期，風(fēng)速、風(fēng)向海況、波形、波向、波高和周期，風(fēng)速、風(fēng)向和水深和水深 波浪三要素波浪三要素: 波高、周期和水深波高、周期和水深

16、波高、波長(zhǎng)和水深波高、波長(zhǎng)和水深海況觀測(cè)海況觀測(cè):風(fēng)力作用下海面外貌特征風(fēng)力作用下海面外貌特征波形觀測(cè)波形觀測(cè):風(fēng)浪風(fēng)浪(F)、涌浪、涌浪(U)和混合浪和混合浪(F/U,U/F,FU )波向觀測(cè)波向觀測(cè):波浪來向波浪來向,16方位方位海況等級(jí)表海況等級(jí)表三、波浪觀測(cè)的要求三、波浪觀測(cè)的要求閱讀閱讀岸邊觀測(cè)岸邊觀測(cè) 海上觀測(cè)海上觀測(cè)目測(cè)目測(cè) 儀測(cè)儀測(cè)觀測(cè)時(shí)間觀測(cè)時(shí)間:02 05 08 11 14 17 20 23四、觀測(cè)儀器和方法四、觀測(cè)儀器和方法傳感器傳感器安裝位置安裝位置水面上水面上測(cè)波儀測(cè)波儀水面附近水面附近測(cè)波儀測(cè)波儀水面下水面下測(cè)波儀測(cè)波儀航空測(cè)波航空測(cè)波立體攝影立體攝影雷達(dá)測(cè)波雷達(dá)測(cè)

17、波測(cè)波桿測(cè)波桿光學(xué)測(cè)波光學(xué)測(cè)波重力測(cè)波重力測(cè)波水壓式水壓式測(cè)波測(cè)波聲學(xué)式聲學(xué)式測(cè)波測(cè)波淺水測(cè)波通常采用易于固定的測(cè)波儀，深水測(cè)波一般采用浮球式加速度型測(cè)波儀測(cè)量范圍測(cè)量范圍:點(diǎn)式點(diǎn)式,多點(diǎn)式多點(diǎn)式,面式面式圖圖4.1.2 HAB-2 型型測(cè) 波 儀 示 意 圖測(cè) 波 儀 示 意 圖 1 望遠(yuǎn)鏡 2 管狀水準(zhǔn)泡 3 俯仰微動(dòng)手輪 4 解脫手柄 5 方向微動(dòng)手輪 6 . 指標(biāo)盤 7 水平 度 盤 8 底 座 9 調(diào) 平 螺 釘 10 圓形水準(zhǔn)泡遙測(cè)重力測(cè)波儀 荷蘭“波浪騎士”測(cè)波浮標(biāo)、美國(guó)恩迪科 956 型遙控測(cè)波儀以及我國(guó) SBF1-1 型近海遙測(cè)波浪儀 壓力測(cè)波儀 美國(guó)Inter Ocean公

18、司的S4ADW型系列產(chǎn)品 五、波浪玫瑰圖五、波浪玫瑰圖 表示某海區(qū)各向各級(jí)波浪出現(xiàn)頻率大小的圖表示某海區(qū)各向各級(jí)波浪出現(xiàn)頻率大小的圖.繪制方法同風(fēng)玫瑰圖類似繪制方法同風(fēng)玫瑰圖類似波高玫瑰圖波高玫瑰圖波高的經(jīng)驗(yàn)與理論分布波高的經(jīng)驗(yàn)與理論分布1. 特征波高特征波高海面上的波浪狀態(tài)通常用波浪要素作為特征量來描述。在海面上的波浪狀態(tài)通常用波浪要素作為特征量來描述。在波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大小是不等的，因此當(dāng)我們描述某場(chǎng)海浪的波高是多少時(shí)，小是不等的，因此當(dāng)我們描述某場(chǎng)海浪的波高是多少時(shí)，應(yīng)指明該波高的統(tǒng)計(jì)意義，即為哪一種特征波

19、高。應(yīng)指明該波高的統(tǒng)計(jì)意義，即為哪一種特征波高。 （1）平均波高）平均波高 將觀測(cè)到的所有波高值累加，除以波高的總個(gè)數(shù)，得將觀測(cè)到的所有波高值累加，除以波高的總個(gè)數(shù)，得到的值稱為平均波高，它反映了波列總體的大小。若樣到的值稱為平均波高，它反映了波列總體的大小。若樣本總個(gè)數(shù)為本總個(gè)數(shù)為 N ，則平均波高為，則平均波高為11NiiHHN( 2 ）部分大波的平均波高）部分大波的平均波高 將波列中的波高由大到小依次排列其中最大的將波列中的波高由大到小依次排列其中最大的P部分部分波高的平均值就稱為波高的平均值就稱為 P 部分大波的平均波高，記為。部分大波的平均波高，記為。其計(jì)算公式如下：其計(jì)算公式如下：

20、 11NPpiiHHNP 工程設(shè)計(jì)中常用的有連續(xù)工程設(shè)計(jì)中常用的有連續(xù) 100 個(gè)波中最大個(gè)波中最大的的 10 個(gè)波的平均值稱為個(gè)波的平均值稱為 1/10大波的平均波大波的平均波高記為高記為 ，又稱為顯著波高，波列中最，又稱為顯著波高，波列中最大的大的 1 / 3 個(gè)大波的平均值記為個(gè)大波的平均值記為 , 又稱又稱為有效波高。為有效波高。 10/1H3/1H( 3 ）均方根波高）均方根波高 將波列中的所有波高的平方和，求平均值后再開方，得將波列中的所有波高的平方和，求平均值后再開方，得到的值稱為均方根波高記為到的值稱為均方根波高記為 ，計(jì)算公式如下：，計(jì)算公式如下： 由于波浪的能量正比于波高的

21、平方故均方根波高反映由于波浪的能量正比于波高的平方故均方根波高反映了波能量的平均狀態(tài)。了波能量的平均狀態(tài)。 12211()NrmsiiHHNrmsH（4）累積頻率波高）累積頻率波高 從波列中選取某一累積頻率對(duì)應(yīng)的波高作為特征波高。從波列中選取某一累積頻率對(duì)應(yīng)的波高作為特征波高。如如 等，這種特征波高反映大于等于某給定波高值的波等，這種特征波高反映大于等于某給定波高值的波浪在波列中出現(xiàn)的可能性。如浪在波列中出現(xiàn)的可能性。如 表示在波列中大于等于表示在波列中大于等于該波高的波浪出現(xiàn)概率為該波高的波浪出現(xiàn)概率為1%。1%H1%H2 波高的經(jīng)驗(yàn)概率分布波高的經(jīng)驗(yàn)概率分布 為了探求波高的分布規(guī)律，必須繪

22、制頻率直方圖為了探求波高的分布規(guī)律，必須繪制頻率直方圖 ,以下以下表表1所示的波浪觀測(cè)序列為例簡(jiǎn)述其繪制方法。所示的波浪觀測(cè)序列為例簡(jiǎn)述其繪制方法。H /mT /sH /mT /sH /mT /sH /mT /sH /mT /s2.09.21.35.30.84.50.611.42.19.23.06.63.27.32.56.61.46.62.79.82.56.65.36.84.17.31.66.53.28.63.16.93.36.93.87.91.15.31.95.61.68.61.58.31.76.91.68.30.24.11.97.11.28.61.05.32.16.01.47.92.25.

23、41.96.62.05.81.123.02.15.63.37.11.55.61.85.83.06.93.36.63.06.63.16.62.09.42.66.92.27.94.97.51.86.41.88.31.78.82.16.41.68.11.44.51.39.61.54.51.67.51.58.11.85.81.36.83.97.11.38.30.94.31.86.21.55.43.08.12.47.51.15.41.54.31.04.12.416.13.77.33.17.54.36.62.05.83.36.23.86.43.26.84.87.11.47.52.06.42.46.22.3

24、6.64.16.90.33.61.16.22.67.31.24.53.96.61.310.52.55.81.34.31.54.92.96.42.08.42.15.32.26.82.76.20.74.12.08.13.57.13.38.1表表 1某某測(cè)測(cè)站站波波浪浪觀觀測(cè)測(cè)序序列列（ l ）模比系數(shù)）模比系數(shù) 計(jì)算上表計(jì)算上表1所示波浪序列的平均波高為所示波浪序列的平均波高為 2.2m ，定義波，定義波高的模比系數(shù)高的模比系數(shù) ，即，即（ 2 ）波高分組）波高分組 按照適當(dāng)?shù)慕M距按照適當(dāng)?shù)慕M距 ，本例中取組距為，本例中取組距為0.2 ，將波列，將波列分成若干組，計(jì)算出各間距上、下限對(duì)應(yīng)的波高，列

25、入分成若干組，計(jì)算出各間距上、下限對(duì)應(yīng)的波高，列入表表 2第第 l , 2 欄。欄。iK/iiKHHHH /（3）區(qū)間頻率）區(qū)間頻率 統(tǒng)計(jì)各組波高的出現(xiàn)次數(shù)，見表中第統(tǒng)計(jì)各組波高的出現(xiàn)次數(shù)，見表中第 3 欄除以總次欄除以總次數(shù)數(shù) N ，得各組波高出現(xiàn)的區(qū)間頻率，得各組波高出現(xiàn)的區(qū)間頻率 結(jié)果見表中第結(jié)果見表中第 4 欄，由此可見，各組波高出現(xiàn)的頻率不欄，由此可見，各組波高出現(xiàn)的頻率不同在模比系數(shù)等于同在模比系數(shù)等于 1.0，即平均波高附近出現(xiàn)的波高，即平均波高附近出現(xiàn)的波高次數(shù)多，而在兩端出現(xiàn)頻率較小。次數(shù)多，而在兩端出現(xiàn)頻率較小。/iifnN 為求各組距內(nèi)任何一個(gè)波高可能出現(xiàn)的頻率，即平均頻

26、為求各組距內(nèi)任何一個(gè)波高可能出現(xiàn)的頻率，即平均頻率，假定組距內(nèi)任一波高出現(xiàn)的機(jī)會(huì)均等，率，假定組距內(nèi)任一波高出現(xiàn)的機(jī)會(huì)均等， 且組距內(nèi)且組距內(nèi)所有波高出現(xiàn)的總頻率應(yīng)等于區(qū)間頻率。于是平均頻率所有波高出現(xiàn)的總頻率應(yīng)等于區(qū)間頻率。于是平均頻率就是區(qū)間頻率除以組距，即就是區(qū)間頻率除以組距，即 ，見表中第，見表中第 5 欄。欄。/iHfH（4）頻率直方圖）頻率直方圖 以模比系數(shù)為縱坐標(biāo)，平均頻率為橫坐標(biāo)，繪以模比系數(shù)為縱坐標(biāo)，平均頻率為橫坐標(biāo)，繪制波高平均頻率直方圖（見圖制波高平均頻率直方圖（見圖.1）。圖上各個(gè)）。圖上各個(gè)矩形的面積正是各組的區(qū)間頻率，其面積之和矩形的面積正是各組的區(qū)間頻率，其面積之

27、和為為1.0。當(dāng)組距趨于無限小時(shí)，直方圖趨于曲線，。當(dāng)組距趨于無限小時(shí)，直方圖趨于曲線，該曲線與縱軸包圍的面積就是該曲線與縱軸包圍的面積就是 1.0，此時(shí)橫坐標(biāo)，此時(shí)橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為頻率密度，而曲線即頻率密度曲線。該轉(zhuǎn)化為頻率密度，而曲線即頻率密度曲線。該曲線的特點(diǎn)是曲線的特點(diǎn)是“中間大、兩頭小中間大、兩頭小”，即平均值，即平均值附近的波高出現(xiàn)機(jī)會(huì)最多。附近的波高出現(xiàn)機(jī)會(huì)最多。（5）累積頻率圖）累積頻率圖 工程設(shè)計(jì)通常要求知道波列中某一波高的累積頻率，工程設(shè)計(jì)通常要求知道波列中某一波高的累積頻率，或要求知道給定某一累積頻率的波高值?？砂幢砘蛞笾澜o定某一累積頻率的波高值?？砂幢?2中第中第 6

28、欄求出累積頻率。欄求出累積頻率。 按表按表2中第中第 1 及第及第 7 欄則可繪出波高的經(jīng)驗(yàn)累積頻率圖，欄則可繪出波高的經(jīng)驗(yàn)累積頻率圖，當(dāng)組距趨于無限小時(shí)，得累積頻率曲線，見圖當(dāng)組距趨于無限小時(shí)，得累積頻率曲線，見圖2。100%iinFN圖圖 1 波高平均頻率直方圖波高平均頻率直方圖 圖圖2波高累積頻率圖波高累積頻率圖 3 波高的理論分布函數(shù)波高的理論分布函數(shù)海上某固定點(diǎn)的波面方程可寫為海上某固定點(diǎn)的波面方程可寫為 波面服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為波面服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為11( )()nnnnnntat221( )exp()22fLonguet-Higgins利用包絡(luò)線理論，推導(dǎo)出

29、利用包絡(luò)線理論，推導(dǎo)出深水波高深水波高符合符合Rayleigh分布分布 令令 ，可得最大概率密度所對(duì)應(yīng)的波高為，可得最大概率密度所對(duì)應(yīng)的波高為 22()exp() 24HHf HHH0/ )(dHHdf20.798mHHH深水波高累計(jì)頻率深水波高累計(jì)頻率 由此可得指定累積頻率由此可得指定累積頻率F的波高為的波高為 2()()exp() 4HHF Hf H dHH21)1ln4(/FHHF前蘇聯(lián)格魯霍夫斯基（前蘇聯(lián)格魯霍夫斯基（）提出了與水深有關(guān)）提出了與水深有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)累積率公式，給出了的經(jīng)驗(yàn)累積率公式，給出了適用于淺水區(qū)適用于淺水區(qū)的波高分布的波高分布 由此可得指定累積頻率由此可得指定累積頻率

30、F的波高為的波高為 )(2/1 (4exp)(*12*HHHHHFdHH/*1241/(1/2)lnHFHHHF4.兩種特征波高的換算關(guān)系兩種特征波高的換算關(guān)系 若波高服從一定的分布規(guī)律，已知波列中任一累積頻率若波高服從一定的分布規(guī)律，已知波列中任一累積頻率的波高，就可換算成所要求的累積頻率波高。平均波高的波高，就可換算成所要求的累積頻率波高。平均波高是累積頻率波高間的換算橋梁，它是一種最常用的特征是累積頻率波高間的換算橋梁，它是一種最常用的特征波高。部分大波的平均波高與累積頻率波高一樣，是海波高。部分大波的平均波高與累積頻率波高一樣，是海洋工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的特征波高。洋工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的

31、特征波高。 %4 . 0100/1HH%410/1HH%133/1HH%4 . 0100/1HH%410/1HH%133/1HH%4 . 0100/1HH%410/1HH l5.周期的統(tǒng)計(jì)分布周期的統(tǒng)計(jì)分布平均周期平均周期 實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，波浪由深水進(jìn)入淺水后，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，波浪由深水進(jìn)入淺水后，平均周平均周期幾乎不變期幾乎不變。格魯霍夫斯基提出格魯霍夫斯基提出11niiTTN344( )exp() 1.24.8TTf TTT4( )exp() 4.8TF TTl6.波長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布波長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布 實(shí)測(cè)波長(zhǎng)資料較少實(shí)測(cè)波長(zhǎng)資料較少 格魯霍夫斯基導(dǎo)出深水波長(zhǎng)分布函數(shù)與深水波格魯霍夫斯基導(dǎo)出深水波長(zhǎng)分

32、布函數(shù)與深水波高分布相同高分布相同 淺水波長(zhǎng)分布淺水波長(zhǎng)分布 2()exp()4LFLL)(2tanh)()(8 . 4exp)(2212LLLdLLLLLFl6.波高和周期的聯(lián)合分布波高和周期的聯(lián)合分布 l波高與周期的聯(lián)合概率分布的意義波高與周期的聯(lián)合概率分布的意義 ：對(duì)建筑物的作用對(duì)建筑物的作用力、共振、研究波浪破碎、爬高、越浪等。力、共振、研究波浪破碎、爬高、越浪等。l20 世紀(jì)世紀(jì) 50 年代，蘇聯(lián)學(xué)者假定波高與周期是相互獨(dú)立年代，蘇聯(lián)學(xué)者假定波高與周期是相互獨(dú)立的，其聯(lián)合概率密度函數(shù)由各自的概率密度函數(shù)相乘而的，其聯(lián)合概率密度函數(shù)由各自的概率密度函數(shù)相乘而得。得。 l6.波高和周期的

33、聯(lián)合分布波高和周期的聯(lián)合分布 lLonguet-Higgins 于于 1975 年首次提出了波高與周期的聯(lián)合分布模年首次提出了波高與周期的聯(lián)合分布模式式，二者的聯(lián)合概率密度函數(shù)為二者的聯(lián)合概率密度函數(shù)為 lGoda（合田良實(shí)）（合田良實(shí)）（1978）利用日本海沿岸觀測(cè)資料，結(jié)論）利用日本海沿岸觀測(cè)資料，結(jié)論 （1）對(duì)于超過某一界限的波高，其周期與波高無關(guān)，為一常值。）對(duì)于超過某一界限的波高，其周期與波高無關(guān)，為一常值。（2）相關(guān)系數(shù)越大，聯(lián)合概率密度曲線對(duì)）相關(guān)系數(shù)越大，聯(lián)合概率密度曲線對(duì)t的不對(duì)稱越明顯。的不對(duì)稱越明顯。 （3）Longuet-Higgius（1975）模式的分布僅波高較大時(shí)

34、與實(shí)測(cè)）模式的分布僅波高較大時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，波高較小時(shí)出入較大。結(jié)果吻合，波高較小時(shí)出入較大。 2222(1)( , )exp144htf h thl Louguet-Higgins（1983）提出了改進(jìn)模式，克服）提出了改進(jìn)模式，克服1975模式的缺點(diǎn)，但由此聯(lián)合分布推出的波高分布，模式的缺點(diǎn)，但由此聯(lián)合分布推出的波高分布，不是瑞利分布，與公認(rèn)的觀點(diǎn)矛盾。不是瑞利分布，與公認(rèn)的觀點(diǎn)矛盾。l孫孚（孫孚（1988）依據(jù)線性海浪模型和射線理論，也導(dǎo)出）依據(jù)線性海浪模型和射線理論，也導(dǎo)出了一種分布函數(shù)。趙猛（了一種分布函數(shù)。趙猛（1991）利用）利用Hilbert變換導(dǎo)出變換導(dǎo)出了相同的結(jié)果。了相

35、同的結(jié)果。l除了上面介紹的成果，其他學(xué)者也對(duì)波高與周期聯(lián)合分除了上面介紹的成果，其他學(xué)者也對(duì)波高與周期聯(lián)合分布進(jìn)行了探討，由于得出的聯(lián)合概率密度函數(shù)都有明顯布進(jìn)行了探討，由于得出的聯(lián)合概率密度函數(shù)都有明顯的的地區(qū)局限性地區(qū)局限性，無法推廣使用，因此，推導(dǎo)出普遍適用，無法推廣使用，因此，推導(dǎo)出普遍適用的聯(lián)合分布模式，尚待進(jìn)一步的探索研究。的聯(lián)合分布模式，尚待進(jìn)一步的探索研究。 4.2 海浪譜理論基礎(chǔ)海浪譜理論基礎(chǔ)研究海浪，可從兩方面入手：研究海浪，可從兩方面入手： 外觀特征外觀特征：海浪的：海浪的統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：海浪譜海浪譜 自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初，人們把海浪看作為平穩(wěn)正

36、年代初，人們把海浪看作為平穩(wěn)正態(tài)過程，且具有各態(tài)歷經(jīng)性，并利用海浪譜態(tài)過程，且具有各態(tài)歷經(jīng)性，并利用海浪譜（wave spectrum）描述波面，研究波況特征）描述波面，研究波況特征及海浪能量的分布。及海浪能量的分布。一、海浪譜的引入一、海浪譜的引入海面上某一固定點(diǎn)的波面方程為：海面上某一固定點(diǎn)的波面方程為： 由于組成波的初相位其概率密度函數(shù)由于組成波的初相位其概率密度函數(shù) 是隨機(jī)變量，其變是隨機(jī)變量，其變化范圍為化范圍為 ，且均勻分布，故其概率密度函數(shù)為，且均勻分布，故其概率密度函數(shù)為 1)cos()(iiiitwati201( )2f不同組成波的能量不同組成波的能量 設(shè)函數(shù)設(shè)函數(shù) 為單位頻

37、率間隔的平均波能量為單位頻率間隔的平均波能量 波浪總能量波浪總能量212iiEga21( )2iSa)(S0( )EgSd 函數(shù)函數(shù) 正比于間隔（正比于間隔（ ）內(nèi)各組成波）內(nèi)各組成波所提供的平均能量，亦即它代表了波浪能量相所提供的平均能量，亦即它代表了波浪能量相對(duì)于組成波頻率的分布。若取對(duì)于組成波頻率的分布。若取 ，則，則 正比于單位頻率間隔內(nèi)的能量，即能量密度正比于單位頻率間隔內(nèi)的能量，即能量密度,被被稱為波譜。由于它反映能量密度，又稱為能譜，稱為波譜。由于它反映能量密度，又稱為能譜，同時(shí)它給出了能量相對(duì)于頻率的分布，也稱為同時(shí)它給出了能量相對(duì)于頻率的分布，也稱為頻譜。頻譜。)(S1)(S

38、頻譜頻譜S()的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：（1）0附近，附近，S()很?。缓苄?；（2）隨）隨增加，增加，S()先急劇增加再減??；先急劇增加再減??；（3），S()0；譜峰頻率譜峰頻率譜曲線與橫坐標(biāo)包圍的面積譜曲線與橫坐標(biāo)包圍的面積正比于波浪總能量正比于波浪總能量max風(fēng)速增大風(fēng)速增大,譜的顯著部分由高頻向低頻方向推移譜的顯著部分由高頻向低頻方向推移l海浪譜的帶寬海浪譜的帶寬p 理論上，S()分布于=0-整個(gè)頻率帶內(nèi)p 但顯著部分卻集中于一段狹窄的頻帶內(nèi)風(fēng)浪譜寬帶譜涌浪譜窄帶譜l方向譜p頻譜僅與組成波的頻率有關(guān)，與組成波的傳播方向無關(guān)p實(shí)際上某定點(diǎn)的海面波動(dòng)為來自不同方向組成波迭加的結(jié)果（主波向其它方向組成波

39、）二、幾種海浪頻譜模式二、幾種海浪頻譜模式一般形式一般形式( )exppqABSA ,B:包含風(fēng)要素或波浪要素的參量包含風(fēng)要素或波浪要素的參量 p,q:指數(shù)指數(shù),p的取值的取值46,q取取241. Neumann 譜譜262212( )exp2gSCuu 為海面上為海面上 7.5m 高度處的平均風(fēng)速高度處的平均風(fēng)速 系數(shù)系數(shù)C為為3.05m2s-5 2.Pierson-Moscowitz 譜譜 5245240.781.2250.783.11( )expexpsSHH41 . 041 . 0245691173)exp()(TBTHABASs第第15屆屆ITTC會(huì)議修改會(huì)議修改3. Bretsch

40、neider-光易譜光易譜254( )0.257()exp 1.03() ssssS fH T T fT f242511( )400.5()exp1605() sssHSTTISSC譜譜 41 . 05221 . 014427. 0exp11107. 0)(fTfTHfSs4 . JONSWAP 譜譜2max22max()exp25240.783.11( )expsSH 式中，式中， 稱為譜峰升高因子，稱為譜峰升高因子， 取值范圍為取值范圍為 1.56 ，一般取一般取 3.3；用；用 表示譜峰頻率；表示譜峰頻率； 為峰形系為峰形系數(shù)，按下式選?。簲?shù)，按下式選?。簃axmaxmax0.07,0.

41、09,當(dāng)當(dāng)5. 文氏譜文氏譜 考慮風(fēng)浪成長(zhǎng)階段和水深的影響考慮風(fēng)浪成長(zhǎng)階段和水深的影響,引入尖度因子引入尖度因子P和淺水和淺水因子因子dHdHHs/626. 0/*（1）對(duì)于深水水域，）對(duì)于深水水域， 當(dāng)水域深度滿足當(dāng)水域深度滿足 的條件時(shí)，的條件時(shí)， 0.626/0.1sHHd21.5220.2450.00292dyPP令令01.05/sfT當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)1225( )0.0687exp95ln (1.11)sssdPS fH T PT fy當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)1.05/sfT234( )0.0824ssdS fH Tyf1.352.795.3/ssPHT尖度因子尖度因子 （2）對(duì)于淺水水域，）對(duì)于淺水水域， 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)令令 0.50.1H2(6.77 1.0880.013)(1.037syPP1.426)/(5.8135.137)HH01.05/sfT1225( )0.0687exp95ln (1.11)ssssPS fH T PT fy1.05/sfT21.05( )0.0687()msss