【汇旺担保】海浪

11/15/2022
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[拼音]:hailang

[英文]:ocean waves

通常指海洋中由风产生的波浪,包括风浪、湧浪和海洋近岸波。在不同的风速、风向和地形条件下,海浪的尺寸变化很大,通常周期为 0.5~25秒,波长为几十厘米至几百米,波高为几厘米至20馀米,在罕见的情形下,波高可达30米以上。

从远古以来,海浪就和人类的海上活动有密切的关系。在航海、海港建筑和造船等实践中,人类累积了大量的经验和知识。19世纪有很多杰出的数学家和力学家,曾企图利用液体波动理论说明海浪现象。至于系统的海浪研究,在第二次世界大战期间才兴起。当时美国和英国有少数海洋科学工作者利用气象和地形资料预报海浪的大小,为欧洲和太平洋战场某些登陆作战提供情报。战后这种研究继续受到重视,逐步发展成为一个分支学科,它为航运、海岸工程、岸外海洋开发、造船工程和海洋的雷达监测装置的使用等,提供了这方面的海洋环境资料。海浪研究是物理海洋学的一方面,是海水运动、海水混合和小尺度海-气相互作用等研究中的一个重要环节。

小振幅波和有限振幅波

利用流体动力学原理可汇出种种形式的液体波动,其中振幅对波长之比为小量的称为小振幅波,否则称为有限振幅波。这些波动理论能说明一部分较简单的海浪现象,可作为进一步研究海浪的基础。

小振幅波具有正弦曲线形式的波面,故又称正弦波。当水域的深度大于半个波长(通常视为深水)时,波速几乎只决定于波长;水深小于半个波长时,波速同时决定于波长和深度;当水深小于1/10波长时(通常视为浅水),波速几乎只决定于水深。在深水的情形下,水质点的轨迹为圆,半径随至水面的距离按指数律减小。对于中间深度的水域,质点轨迹为椭圆,其长、短半轴随深度的增大而减小,但是两焦点间的距离不变。正弦波中的水质点速度,远小于波速,波动的动能和势能相等,单位切面积的铅直水柱内的平均波动能量与振幅的平方成正比。波动能量沿波向传播,在深水中的传播速度等于 1/2波速,在浅水中可增大到等于波速。这种波动的特征和外形与规则而平缓的湧浪相近。利用正弦波的叠加,还可解释一部分海浪在传播过程中发生的变化。

有限振幅波的波面在波峰附近较陡,在波谷附近较平缓,这和实际海浪更加接近。对于浅水来说,海浪具有某些其他理论所描绘的波动(如孤立波和椭圆馀弦波)特征。

海浪的随机性

实际的海浪和理论的液体波动不同,它的特点之一是有随机性。因为海面的风速和风向,都随时随地变化,并具有随机性,海浪既然由风产生,势必反映出这种特点,故外观通常是杂乱无章的,其波高、波长和周期等物理量都可视为随机量。同样,海浪的内部结构也是复杂的。按照广泛应用的线性海浪理论的基本概念(即假定海浪为振幅、频率、波向和相位不同的许多正弦波叠加的结果,各组成波都具有独立的随机相位和振幅),海浪的内部结构可由谱描述。从海浪谱可以计算波高和周期等。如果已知海浪谱,就可以说明海浪的内外结构和统计特征。

根据线性海浪理论,波面相对静止的水面的高度为随机量并遵从正态分布。但是理论和观测都表明,由于非线性的影响,海浪的波面高度的概率分布不是正态的。如海浪由一狭频率带内的正弦波所构成,可证明波高遵从瑞利分布,最可能值约等于平均值的 0.8倍。故海面上虽同时出现各种高低不等的波,其中大多数的波高都集中在平均值附近。观测到的海浪的波高接近瑞利分布,但是对大波的高值部分,则出现差异。海浪周期的概率分布更为集中,且几乎对称于平均周期。此外,观测表明,海浪的波长分布,接近于波高的分布。

海浪研究的内容和方法

海浪研究的目的,可归结为寻求海浪的生成、发展和消衰的规律。广泛研究的问题有三:

(1)风浪的生成和成长机制。这个很复杂的问题,经过二三十年的探索,虽然有所进展,但远未得到满意的解决。

(2)海浪的计算方法。与海浪有关的应用问题,通常涉及巨大的投资,而投资额随波高的增大而急剧增加,故在勘测和设计工作中需要可靠的海浪资料。海浪的计算仍以经验方法或半经验方法为基础,精确度不高,不仅必须改进计算方法,还应改进风场的计算。

(3)观测方法和资料处理。观测资料的分析,既可为改进理论提供线索,还为海浪计算提供所需的经验公式和海浪谱。现代的海浪观测工作,要求高精度的装置和有严格理论根据的观测方案。为了处理观测资料,应不断引入新的处理方法,例如各种谱的估计方法。海浪研究所依靠的主要理论手段:

(1)流体动力学。事实上,液体波动理论是海浪分析的基础。例如海浪研究中的非线性问题,必须通过流体运动基本方程组加以探讨。但是进一步探索实际海浪的规律,还必须了解波面附近的气流和海水中的湍流运动。

(2)随机过程理论。许多海浪现象可视为随机过程。可以预期,随机过程理论将得到更广泛的应用。

(3)数值模型和数值模拟。海浪研究涉及的非线性方程和条件,必须用数值方法求解,故可利用电子计算机对海浪进行数值模拟,以探索其统计特性。

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