第四章海浪观测教材ppt课件.ppt

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1、第四章 海浪观测与海浪谱,2013/03/27,巨浪可引起海上船舶倾覆、折断和触礁，摧毁海上平台，对海上运输和施工、渔业捕捞、海上军事活动等带来很大的灾害。巨浪可摧毁沿海的堤岸、海塘、码头、海水养殖设施等各类海工建筑物。海浪对沿岸工程设施的破坏往往是毁灭性的，巨浪来袭可能会破坏整个港口的设施。据测量，近岸浪对海岸的压力，可达到每平方米3050吨。据记载，在一次大风暴中，巨浪曾把1370吨重的混凝土块移动了10米，20吨的重物也被它从4米深的海底抛到了岸上。巨浪冲击海岸能激起60-70米高的水柱。 此外，海浪有时还会携带大量泥沙进入海港、航道，造成淤塞等灾害。,海浪促进海水上下层混合，使混合后水

2、层富有氧气，满足海中鱼类和其他动植物需要；波浪发电；,预备知识,波动产生的条件： 平衡状态、扰动力、恢复力波浪的扰动力、恢复力？,1965 年 Kinsman 根据波浪周期，结合主要扰动力与回复力来划分海洋波浪的类型，给出其能量的近似分布（如下图）。,海洋工程考虑的主要荷载：周期处于 4 16s内的重力波。,形成原因：风浪、涌浪、近岸浪、内波、潮汐波、海啸、风暴潮。 风浪： 由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。涌浪： 由其他海区传来的波浪或由于当地的风力急剧减小、风向改变或风平息后遗留的波浪均称涌浪。近岸浪：风浪或涌浪传至浅水或近岸区后，因受地形影响发生一系列变化。内波： 不同密度的水层界面

3、处而产生的波动。潮汐波：由于天体引潮力作用所产生的波动。海啸： 由于海底或海岸附近发生的地震或火山爆发所形成的波动。风暴潮：由于气象原因，如台风，强风暴等引起的海面异常升高现象。,风浪的产生：共振理论、剪流理论 所谓共振理论，是指因自然界的风具有紊流特征，当风吹行于水面时，后者受到的正压力不均匀，从而产生水面起伏，形成初始的水面波动。当压力和波动中同频率的成分间发生共振时，该频率的波动成分随时间增大，此即风浪通过共振机制生成的概念。共振理论解释了波浪的最初形成和成长过程。,剪流理论是将风对水面的作用力分为两部分：风与水面间的切应力 以及风作用在波浪迎风面上的法向正压力 N 。切应力 与风速 u

4、 成正比，因为水质点主要在原地做振荡运动，波速 C 是位相速度，故 与 C无关。 N 使波浪的迎风面和背风面形成压力差，故其大小与（ UC ）成正比。,风对水面的作用力,在 U C 的整个期间，由于 和 N 的作用，风将能量不断传给水体，使波浪不断发展，波高和波长不断增大；随着波浪尺度的增大， C 也相应加大，致使水体内的摩擦也不断加大。当 C 接近 U 时，风仅在 的作用下继续将能量传给水体，已不通过 N 传给海水能量；而当 C U 时，空气将阻碍波形前进，反而要消耗波浪的能量，所以总的输入能量是随C的逐步增大而逐渐减小的。当能量的输入等于能量的消耗时，波浪不再发展而趋于稳定，形成在某风速条

5、件下所能形成的最大波浪。这种理论解释了初始波浪形成后的发展过程。,风停止后，海水无新能量输入，一部分波能向四周传播扩散，另一部分波能不断消耗于水体内部的分子粘滞性和紊动粘滞性。此外，空气阻力、海底摩擦和渗透也消耗了部分的波浪能量，使波浪逐渐衰减，直至最后消亡。总之，波浪的生成、发展和衰减取决于水体能量的摄取和消耗之间的数量关系，当能量输入大于输出时，风浪将成长发展；反之，波浪将趋于衰减直至消亡。,影响风浪成长的因素 ：风速、风时、风距、（风场三要素）地形、水深、海流,从深水的风区到风区外浅水岸边工程所在地，波浪的传播和变化过程可分为 3 个阶段： 风区中风浪的产生和发展； 风区外风浪（深水波）

6、转变成涌浪继续传播，波浪将逐渐衰减； 涌浪进入近岸浅水区发生波浪变形。,风浪发展的三种状态 风浪的过渡状态： 风速很大而且风场宽阔，风浪的成长取决于风时的长短风浪的定常状态： 风速很大但风场范围很小，一定时间后，海域范围内波浪要素趋于定常，不再随时间变化。但海域各点的波浪要素并不相同，而取决于各点的位置或风距，风距越大，风浪也越大，这种风浪处于定常状态。风浪的充分成长状态：风时和风距都足够大，在一定的风速条件下，风浪不再增大而达到该风速条件下的极限状态，常称为风浪的充分成长状态。,判断风浪状态的标准：最小风时、最小风距最小风时:在一定风速 U 下，在给定的风区长度 F 处出现最大波浪，即达到定

7、常状态，所需的最短时间称为最小风时，记为tmin 。若实际风时 t tmin ，则风浪随风时变化处于过渡状态，在风浪推算时取实际风时 t 作为计算风时。若 t tmin ，由于风距的限制，风浪不能继续增大而处于定常状态，风浪推算时取tmin作为计算风时。,最小风距在一定风速 U 下，在给定的风时 t 时产生最大波浪所需的最短风距，记为Fmin 。1）当实际风距 F Fmin 时，则风浪受制于风时而处于过渡状态，风浪推算时取Fmin作为计算风距。,如风区足够大，在给定时刻，风区内可能有两种风浪状态同时存在。在 F Fmin 的位置，风浪处于过渡状态，在 F Fmin 的位置，风浪处于定常状态。随

8、着时间的推移，定常状态的范围将逐渐扩大。对于指定的位置，风浪总是先处于过渡状态，而后过渡到定常状态。,海浪要素的统计规律,海浪要素的统计规律海浪可看作是平稳随机过程,具有各态历经性.各态历经性保证可以用一个样本来代替总体,平稳性保证记录上的时间起点不影响计算的结果。可从一个样本中任取出足够长的一段来进行统计分析研究，亦即可以采用某一样本的时间特征值。,4.1 海浪的观测,一、海浪要素,上跨零点 下跨零点,大波波高,波高换算关系,表4.1.1,p61,周期的换算关系,深水波长的计算公式,一、波浪观测的主要内容： 风浪和涌浪的波面时空分布及其外貌特征二、波浪观测的项目 海况、波形、波向、波高和周期

9、，风速、风向和水深 波浪三要素: 波高、周期和水深 波高、波长和水深,海况观测:风力作用下海面外貌特征波形观测:风浪(F)、涌浪(U)和混合浪(F/U,U/F,FU )波向观测:波浪来向,16方位,海况等级表,三、波浪观测的要求阅读岸边观测 海上观测目测 仪测观测时间:02 05 08 11 14 17 20 23,四、观测仪器和方法,浅水测波通常采用易于固定的测波仪，深水测波一般采用浮球式加速度型测波仪,测量范围:点式,多点式,面式,图4.1.2 HAB-2 型测波仪示意图 1 望远镜 2 管状水准泡 3 俯仰微动手轮 4 解脱手柄 5 方向微动手轮 6 . 指标盘 7 水平度盘 8 底座

10、9 调平螺钉 10 圆形水准泡,遥测重力测波仪 荷兰“波浪骑士”测波浮标、美国恩迪科 956 型遥控测波仪以及我国 SBF1-1 型近海遥测波浪仪 压力测波仪 美国Inter Ocean公司的S4ADW型系列产品,五、波浪玫瑰图 表示某海区各向各级波浪出现频率大小的图.绘制方法同风玫瑰图类似,波高玫瑰图,波高的经验与理论分布1. 特征波高,海面上的波浪状态通常用波浪要素作为特征量来描述。在波浪要素中波高是最重要的，但海面上的波浪，其波高大小是不等的，因此当我们描述某场海浪的波高是多少时，应指明该波高的统计意义，即为哪一种特征波高。,（1）平均波高 将观测到的所有波高值累加，除以波高的总个数，得

11、到的值称为平均波高，它反映了波列总体的大小。若样本总个数为 N ，则平均波高为,( 2 ）部分大波的平均波高 将波列中的波高由大到小依次排列其中最大的P部分波高的平均值就称为 P 部分大波的平均波高，记为。其计算公式如下：,工程设计中常用的有连续 100 个波中最大的 10 个波的平均值称为 1/10大波的平均波高记为 ，又称为显著波高，波列中最大的 1 / 3 个大波的平均值记为 , 又称为有效波高。,( 3 ）均方根波高 将波列中的所有波高的平方和，求平均值后再开方，得到的值称为均方根波高记为 ，计算公式如下： 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状态。,（4）累积

12、频率波高 从波列中选取某一累积频率对应的波高作为特征波高。如 等，这种特征波高反映大于等于某给定波高值的波浪在波列中出现的可能性。如 表示在波列中大于等于该波高的波浪出现概率为1%。,2 波高的经验概率分布 为了探求波高的分布规律，必须绘制频率直方图 ,以下表1所示的波浪观测序列为例简述其绘制方法。,表 1某测站波浪观测序列,（ l ）模比系数 计算上表1所示波浪序列的平均波高为 2.2m ，定义波高的模比系数 ，即（ 2 ）波高分组 按照适当的组距 ，本例中取组距为0.2 ，将波列分成若干组，计算出各间距上、下限对应的波高，列入表 2第 l , 2 栏。,（3）区间频率 统计各组波高的出现次

13、数，见表中第 3 栏除以总次数 N ，得各组波高出现的区间频率 结果见表中第 4 栏，由此可见，各组波高出现的频率不同在模比系数等于 1.0，即平均波高附近出现的波高次数多，而在两端出现频率较小。,为求各组距内任何一个波高可能出现的频率，即平均频率，假定组距内任一波高出现的机会均等， 且组距内所有波高出现的总频率应等于区间频率。于是平均频率就是区间频率除以组距，即 ，见表中第 5 栏。,（4）频率直方图 以模比系数为纵坐标，平均频率为横坐标，绘制波高平均频率直方图（见图.1）。图上各个矩形的面积正是各组的区间频率，其面积之和为1.0。当组距趋于无限小时，直方图趋于曲线，该曲线与纵轴包围的面积就

14、是 1.0，此时横坐标转化为频率密度，而曲线即频率密度曲线。该曲线的特点是“中间大、两头小”，即平均值附近的波高出现机会最多。,（5）累积频率图 工程设计通常要求知道波列中某一波高的累积频率，或要求知道给定某一累积频率的波高值。可按表 2中第 6 栏求出累积频率。 按表2中第 1 及第 7 栏则可绘出波高的经验累积频率图，当组距趋于无限小时，得累积频率曲线，见图2。,图 1 波高平均频率直方图,图2波高累积频率图,3 波高的理论分布函数海上某固定点的波面方程可写为 波面服从正态分布，其概率密度函数为,Longuet-Higgins利用包络线理论，推导出深水波高符合Rayleigh分布 令 ，可

15、得最大概率密度所对应的波高为,深水波高累计频率 由此可得指定累积频率F的波高为,前苏联格鲁霍夫斯基（）提出了与水深有关的经验累积率公式，给出了适用于浅水区的波高分布 由此可得指定累积频率F的波高为,4.两种特征波高的换算关系 若波高服从一定的分布规律，已知波列中任一累积频率的波高，就可换算成所要求的累积频率波高。平均波高是累积频率波高间的换算桥梁，它是一种最常用的特征波高。部分大波的平均波高与累积频率波高一样，是海洋工程设计中经常使用的特征波高。,5.周期的统计分布平均周期 实测结果显示，波浪由深水进入浅水后，平均周期几乎不变。格鲁霍夫斯基提出,6.波长的统计分布 实测波长资料较少 格鲁霍夫斯

16、基导出深水波长分布函数与深水波高分布相同 浅水波长分布,6.波高和周期的联合分布 波高与周期的联合概率分布的意义 ：对建筑物的作用力、共振、研究波浪破碎、爬高、越浪等。20 世纪 50 年代，苏联学者假定波高与周期是相互独立的，其联合概率密度函数由各自的概率密度函数相乘而得。,6.波高和周期的联合分布 Longuet-Higgins 于 1975 年首次提出了波高与周期的联合分布模式，二者的联合概率密度函数为 Goda（合田良实）（1978）利用日本海沿岸观测资料，结论 （1）对于超过某一界限的波高，其周期与波高无关，为一常值。（2）相关系数越大，联合概率密度曲线对t的不对称越明显。 （3）L

17、onguet-Higgius（1975）模式的分布仅波高较大时与实测结果吻合，波高较小时出入较大。,Louguet-Higgins（1983）提出了改进模式，克服1975模式的缺点，但由此联合分布推出的波高分布，不是瑞利分布，与公认的观点矛盾。孙孚（1988）依据线性海浪模型和射线理论，也导出了一种分布函数。赵猛（1991）利用Hilbert变换导出了相同的结果。除了上面介绍的成果，其他学者也对波高与周期联合分布进行了探讨，由于得出的联合概率密度函数都有明显的地区局限性，无法推广使用，因此，推导出普遍适用的联合分布模式，尚待进一步的探索研究。,4.2 海浪谱理论基础,研究海浪，可从两方面入手：

18、 外观特征：海浪的统计规律 内部结构：海浪谱 自20世纪50年代初，人们把海浪看作为平稳正态过程，且具有各态历经性，并利用海浪谱（wave spectrum）描述波面，研究波况特征及海浪能量的分布。,一、海浪谱的引入海面上某一固定点的波面方程为： 由于组成波的初相位其概率密度函数 是随机变量，其变化范围为 ，且均匀分布，故其概率密度函数为,不同组成波的能量 设函数 为单位频率间隔的平均波能量 波浪总能量,函数 正比于间隔（ ）内各组成波所提供的平均能量，亦即它代表了波浪能量相对于组成波频率的分布。若取 ，则 正比于单位频率间隔内的能量，即能量密度,被称为波谱。由于它反映能量密度，又称为能谱，同

19、时它给出了能量相对于频率的分布，也称为频谱。,频谱S()的特点：（1）0附近，S()很小；（2）随增加，S()先急剧增加再减小；（3），S()0；,谱峰频率谱曲线与横坐标包围的面积正比于波浪总能量,风速增大,谱的显著部分由高频向低频方向推移,海浪谱的带宽 理论上，S()分布于=0-整个频率带内 但显著部分却集中于一段狭窄的频带内风浪谱宽带谱涌浪谱窄带谱,方向谱频谱仅与组成波的频率有关，与组成波的传播方向无关实际上某定点的海面波动为来自不同方向组成波迭加的结果（主波向其它方向组成波）,二、几种海浪频谱模式一般形式,A ,B:包含风要素或波浪要素的参量,q:指数,p的取值46,q取24,1. Ne

20、umann 谱,为海面上 7.5m 高度处的平均风速 系数C为3.05m2s-5,Pierson-Moscowitz 谱,第15届ITTC会议修改,3. Bretschneider-光易谱,ISSC谱,4 . JONSWAP 谱,式中， 称为谱峰升高因子， 取值范围为 1.56 ，一般取 3.3；用 表示谱峰频率； 为峰形系数，按下式选取：,5. 文氏谱 考虑风浪成长阶段和水深的影响,引入尖度因子P和浅水因子,（1）对于深水水域， 当水域深度满足 的条件时，,令,当 时,当 时,尖度因子,（2）对于浅水水域， 当 时令,当 时,当 时,其中,尖度因子P满足,谱与海浪要素的关系 将波浪的特征值如

21、有效波高、有效波周期或平均波高、平均周期代入上述谱公式，可求得海浪谱。另一方面，由谱也可以推算出特征波高和周期 将谱对全方位、整个频率积分（谱的零阶矩），可得,补:海洋石油工程建筑物的设计波浪标准,设计波浪是指设计海洋工程建筑物时所选用的波浪要素。其标准包括两个方面： 设计波浪的重现期标准； 设计波浪的波列累积频率标准。,我国 海港水文规范 给出的波高设计标准,表1 波高累积频率标准,表2 波高重现期标准,对于设计波浪波列累积率的选定，应该从不同类型的建筑物对于波浪反应不同的角度来考虑。例如，孤立式和直立式建筑物对波浪的反应较灵敏，波列中个别的大浪，即可影响建筑物的安全，所以应当采用较高的波列

22、累积率作为设计波浪。对于斜坡堤一类的建筑物，经验表明，破坏是逐步造成的，个别大浪并不起决定性的作用，而且局部的损坏修复也较容易，所以，可采用较低的波列累积率。,对于重要建筑物，如灯塔等遭到破坏将产生特别严重后果的建筑物，可适当提高设计标准。当历史上观测到的最大波高大于 50 年一遇的大浪时，可考虑以观测到的最大波高进行校核。对于校核港口水域内泊稳度的设计波高，其重现期可根据使用要求确定，但不宜大于2年一遇。,设计波高推算基于长期测波资料: 经验极值概率分布和理 论概率分布拟合 基于短期测波资料:运用现有资料进行频率分析 多 年一遇的波高的累积频率,复习1.上跨零点，下跨零点2.1/p大波的平均波高，累计频率波高3.波浪观测内容4.波浪玫瑰图5.海浪谱的物理意义，表达式6.设计波浪标准的两个方面,