第六章海浪本章重點：1、了解風的形成及類型和風況觀測并掌握風資料的整理；2、了解海浪觀測方法并掌握海浪觀測資料的整理；3、掌握固定點波高和周期的統計分布及理論分布函數；4、掌握海浪要素的統計規律和海浪譜的基本知識。第一節海浪要素和分類一、海浪要素波峰波谷波峰線波向線波高波長周期波陡波速二、海浪分類1．強制波、自由波和混合浪2．毛細浪、重力波和長周期波4．長峰波和短峰波3．不規則波和規則波6．深水前進波和淺水前進波5．前進波和駐波深水波淺水波第二節風況基礎知識一、風的形成及類型空氣的水平運動大氣壓標準氣壓地面天氣圖高空天氣圖1．氣壓梯度力2．地轉偏向力（科氏力）由法國數學家科里奧利（G.G.Coriolis)1835年確定。如：在北半球由南向北流的河流沖刷東岸。3．離心力概念——空氣作圓周運動時，為保持沿慣性方向運動產生的力。?

慣性離心力同運動方向相垂直，自曲率中心沿半徑指向外緣，其大小同空氣運動的線速度（U）的平方成正比，與曲率半徑（r）成反比。?實際大氣空氣運動曲率半徑（幾十千米——幾千千米）很大，故C很小。但在低緯度或空氣運動速度大而曲率半很小時，C較大并可能超過G。

?

作用——只改變風向，不改變風速大小。4．摩擦力在離海平面500-1000m的自由大氣中，可忽略摩擦力的影響。在自由大氣以下的摩擦層內，空氣運動受到摩擦力的影響。例：△p=2.5hPa,△n=4,F=10°,△T=5℃,Us=13.5m/s,Ug=18m/s諾饃圖1．經驗公式2．諾饃圖當沒有風的實測資料時，可根據以下方法估算海面風速：例：△p=5hPa,△n=3.5,F=30°,△T=5℃,則：Us=？m/s,Ug=？m/s二、我國近海風況的特點1．季風——海陸間熱力差異導致。2．寒潮大風——氣溫在24小時內降低10度以上，且最低氣溫降至5度以下，稱為寒潮。3．臺風——熱帶氣旋臺風（12級及以上）強熱帶風暴（10~11級）熱帶風暴（8~9級）熱帶低壓（8級以下）三、風況觀測風速風向（十六方位，表6-2）無風用C表示。（1）（2）蒲福風級，表6-3四、測風資料的整理風況圖（風況玫瑰圖）1．風向頻率玫瑰圖常風向ENE、E，同時也是大風風向2．最大風速玫瑰圖資料：各個方向20-30年內的最大風速強風向為ENE、E、SSE3.風速的換算（1）標準：我國海港技術工程規范規定：對于波浪推算采用的標準是海面上10m高度處2min風速的平均值；對于港口建筑物設計采用的標準是海面上10m高度處10min風速的平均值。（2）高度換算式中，Z——儀器高度Z0——地（海）面粗糙度，地面取0.03m，海面取0.003mkZ——高度換算系數，見表6-5則：（3）海陸換算其中，K——海面風速增大系數（表6-6）注意：此公式岸站的海拔高度沒有考慮。時距越短，風速U越大（4）風速時距換算簡寫為：第三節海浪觀測一、波浪觀測的方法1．岸用光學測波儀波浪觀測的項目：海況（表6-7）、波型、波向、波高、周期、風速、風向、水深2．遙測重力測波儀3．壓力式測波儀二、海浪資料的整理第四節海浪要素統計規律一、固定點波高和周期的統計分布周期平均周期波高平均波高下跨零點上跨零點波峰頂波谷底不規則波的平均周期與平均波長之關系：系數：波高模比系數ki波高分組Hi出現次數ni區間頻率fi平均頻率累積次數累積頻率F（%）2.4—2.25.3—4.820.020.10222.2—2.04.8—4.410.010.05332.0—1.84.4—4.030.030.1566…………………0.2—0.00.4—0.020.020.101001001001.0表6-10列出了連續100個波高，對其進行分析（表6-11）：問：繪制累積頻率圖時，為什么用波高的模比系數？對于海洋中同一點，不同場次的波浪，盡管其波高的分布規律差異很大，但他們的波高的模比系數的統計規律是近似一樣的。二、固定點波高和周期的理論分布函數1．波高的理論分布函數波面的概率密度函數進而推導出波面振幅的概率密度函數波高的理論概率密度函數——瑞利（Rayleigh)分布李雅普諾夫地定理：如果某隨機變量是大量獨立互不依賴的一系列量值很小的隨機變量的總和，那么不論它們各自的分布規律如何，它們之和的分布規律總是服從正態分布。偏態系數為：離差系數為：密度最大處對應的波高：累積頻率函數（分布函數）：對應于指定累積頻率F%的波高：淺水區波高的分布函數：為淺水系數，當水很深時，即H*=0，則上式還原為深水公式。H*F%0(深水)0.10.20.30.40.5(破碎)0.52.5972.4032.2132.0291.8541.68712.4212.2562.0921.9321.7771.62822.2322.0961.9601.8251.6921.56351.9531.8591.7621.6621.5621.463…900.3360.4120.4620.5150.5720.633950.2560.2980.3460.4000.4610.529深水及淺水中各種累積頻率所對應的波高模比系數：當波由深水處移向淺水處時，平均波高將發生變化，波列的分布規律也發生變化。深水中最大波高與波數的近似關系：在淺水中，還與有關：同樣，當水很深時，即H*=0，則上式還原為深水公式。例1：P107例2：已知某淺水區d=20m，=3.0m，求H1%=？解：由/d=0.15，查表6-12得：H1%

/

=2.174，則H1%=2.174?=6.5m例3：已知某淺水區d=20m，H1%=5.0m，求H5%=？解：采用試算法設=2.2m/d=0.11計算得H1%

/

=2.273，查表得H1%

/

=2.239

H5%

/

=1.85則H5%=4.1m2．周期的理論分布函數周期的概率密度函數：周期的分布函數：上式改寫為：F%F%F%0.51.67201.25700.8511.62301.16800.7621.56401.08900.6251.46501.01950.52101.36600.94三、兩種特征波及其相互關系特征波特征波高特征周期1．特征波高的兩種表示方法a.在波列中選取某一累積頻率對應的波高作為特征波高（HF）b.以所謂部分大波的平均波高作為特征波高（HP）部分大波的特征波高為：顯著波高（）有效波高（）部分大波的平均波高模比系數表2．兩種特征波高的相互關系令則設，如F(%)HHPHFF則則對于誤差函數：x0，erf0x∞,erf1所以：即：例：=4.7m，求H1%=？解：由表6-12查得，=2.421由表6-14查得，=2.031可得統計規律：3.特征周期四、我國海港工程設計波浪的波列累積頻率標準（自學）五、我國沿岸海域波況的特點（自學）第五節海浪譜基礎知識（自學）第六節根據海浪觀測推算設計波浪設計波浪：設計波浪的波列累積頻率標準指設計波浪要素在實際海面上不規則波列中的出現概率設計波浪的重現期標準指某一特定的波列平均多少年出現一次設計波浪的重現期標準設計波浪的波列標準一、設計波浪的標準二、利用長期觀測資料推算設計波浪1．確定駐港地區主要的波浪方向2．收集和整理波浪觀測資料如圖：實線為最大風速玫瑰圖；虛線為風向頻率玫瑰圖。收集45°范圍內的年如：1969年ENE、E、ESE方向各有一個，則選其中最大的。但注意不能重復計算。3．設計波浪的推算——頻率分析法（1）經驗累積頻率的計算（2）理論累積頻率曲線的選用皮爾遜Ⅲ型累積頻率曲線例：(P130)某觀測站有23年S(SSW、SSE)方向年最大（表6-19），為深水區，試推求該站50年一遇的H1%、H5%。（1）資料選取………………第1年第2年第m年每年出現的最大一場波浪……求部分大波的特征波高求特征波高的模比系數（2）選線（P-III曲線），求三參數。（3）適線，求某一重現期的設計波高。（4）重現期50年一遇（部分大波平均波高的設計波高）記為2.53（5）重現期50年一遇（累積頻率為1%的設計波高）1、選取若干年某方向上每年出現的最大一場波浪系列；2、求若干年每年最大一場波浪系列的特征波高（如）組成系列。3、求特征波高的模比系數（Ki）。4、求特征波高的模比系數對應的累積頻率（）。5、選線（P-III曲線），求三參數（特征波高的平均值，變差系數，偏態系數），適線。6、求某一重現期對應的設計波高。如：利用長期資料推算設計波浪步驟重現期為50年三、利用短期測波資料推算設計波浪（自學）四、與設計波高相對應得設計周期的推算方法（自學）第七節根據氣象資料推算風浪尺度1.風浪成長的機理

Nτu2.風場要素（1）風場三要素風距：指在一定風況作用下，對某特定點形成波浪有實際作用的風區范圍及其水域長度。一般在風速不變的情況下，風距越大，波浪也越大。（2）風區劃分風速（m/s）風時(h)風距（km）移動風區固定風區風區的劃分3.風浪的成長過渡（1）過渡狀態t很短，u穩定，風場范圍大（受限于風時）u海面xt1t2（2）定常狀態u穩定，t很長風場范圍小（受限于風距）uFxH同樣的風況條件下，風距越大，風浪也越大（3）充分成長狀態，u穩定，t很長，F很大，（t，F均不受限）ux風浪能量的輸入=能量的消耗風浪不能無限制的增長4判別風浪狀態的標準（1）最小風時tmin（即某一點出現最大波高所需的時間）給定u,Ft<tmin過渡狀態

t>tmin定常狀態（2）最小風距Fmin（即海面上出現最大波高所需的最短距離）給定u，tF<Fmin

定常F>Fmin

過渡二、風場要素的確定方法1.計算風距的確定方法(1)確定風區、風向變化<30，風速變化<=4m/s(2)量取風距uF2.計算風速、風時的確定很容易達到定常態，則風時不考慮（通常為定常態）計算風速采用頻率分析法，其設計標準與設計波浪相同，如50年一遇波浪由5