Transcript 第六章海水中的波动现象

第六讲 海洋中的波动现象
丁海燕
18921840874
波的特点：
 基本特点：在外力作用下，水质点离开起平衡位置做周期
性或准周期性的运动
 主要特征：运动随时间与空间进行周期性的变化
 实际波动很复杂
 实际研究中，通常近似为简单波动或简单波动的叠加
波浪要素：波峰，波谷，波长，周期，波速，
波高，振幅，波陡，波峰线，波向线
波浪类型：
 按相对水深：深水波、浅水波
 按波形的传播与否：驻波、前进波
 按波动发生的位置：表面波、内波、边缘波
 按成因：风浪、涌浪、地震波
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小振幅重力波
1.1 概述
定义：波动振幅相对波长为无限小，重力
是其唯一外力，亦称正弦波
特点：随深度增加，波长不变
波能：E=Ep+Ek=1/8*ρgH2λ

常以波高的平方作为能量的相对尺度
1.2 分类：
 1.2.1深水波： h/λ≥0.5，又称短波
 水质点只绕自己的平衡位置作圆周运动
 运动速度和轨迹半径随深度增大呈指数减少，直到
消失
 波速与波长有关，与水深无关
 1.2.2浅水波：h/λ＜ 0.05，又称长波
 水质点运动轨迹为椭圆
 深度增加，长轴几乎不变，短轴迅速减少，近海底
几乎仅为水平方向上的往复运动
 波速与波长无关，与水深有关
 1.2.3 h/λ=[0.05，0.5） ，要考虑浅水订正项
1.3 正弦波的叠加
驻波：两列振幅、周期、波长相等，传播
方向相反的正弦波叠加，波形不往外传播。
多发生在陡峭的海岸、码头附近和港湾内，
由于波动的反射造成的。
波群：两列振幅相等、周期和波长相近，
传播方向相同的正弦波叠加。
2 有限振幅波动
2.1 概念：相对于小振幅波而言，具有较大振幅，
与实际海浪的形状更接近
2.2斯托克斯理论：
 （1）波剖面对于横轴上下不是对称的，水质点的振
动中心高于平均水面
 （2）波速与波长、波高有关，波陡越大，波速越大
 （3）水质点的运动轨迹接近为圆，但是一个周期内
不封闭，有位移。
 （4）动能大于势能；铅直方向上动能大于水平方向
上动能
 （5）当振幅/波长超过一定限度时，波面将破碎
3
海洋内波
 3.1 概念：发生在海洋内部的波动现象
 3.2 存在意义：
 （1）将大、中尺度运动过程的能量传递给小尺度
的过程
 （2）引起海水内部混合
 （3）能将深层较冷的海水连同其中的营养盐输送
到海洋上层，有利于生物生长
 （4）引起等密面的波动，影响海洋中声速的大小
和传播方向，影响声纳的效能，影响潜艇的隐蔽
及对其监测
 （5）影响水下潜艇的航行和停留时的颠簸
“魔鬼海岸”探秘：惊人的破坏力源自那里？
 挪威的“魔鬼海岸”才是世界上独具魅力的景观。其魅力在于峡
湾里潋滟的波光下暗藏着无尽玄机、佛罗埃岛和罗弗敦岛之间惊
天动地的大旋涡以及至今还在流传着的北欧海盗洗劫整个欧洲的
故事。
 挪威海岸多峡湾、多曲折、多峭壁，风光独特旖旎。但就在这迷
人的波光下面暗藏着无尽的玄机。
1893年6月，挪威探险家南森率领“福雷姆”号大帆船去北
极探险。离开奥斯陆的航程开始时一帆风顺。几天后进入巴伦支
海时，大帆船却突然走不动了。此时，大西洋的季风依然徐徐地
吹着，海面波光涟涟，帆船却像被“黏”在海水里，一动也不动。
“魔鬼!海怪!”一个老水手凄厉地惊叫起来。一些有经验的水
手判定他们肯定是遇到了“魔鬼的死水”。大家想起了种种古老
的传说，不祥和恐怖迅速笼罩了全船。只有南森没有丝毫的慌乱，
跑前跑后紧张地测量着风速、水温、盐度等水文参数，苦苦思索
着对策。
直到一阵强劲的西风吹来，“福雷姆”号才渐渐脱离了险境。
究竟是什么“魔鬼”在作怪?
如今，海洋学家终于解开了挪威海岸的“死水”之迷。原来是
“密度跃层”和“内波”在作怪。
挪威海岸的峡湾大都与河流甚至冰川连接，有大量的淡水汇
入海水。这就在海面上形成了一个密度较小的淡水层。淡水层的
下面则是密度较大的咸水层，两层之间便有了一个密度跃变，这
就是“密度跃层”。前文提到的异状，究其根源，就出在两层海
水之间的界面上。
由于密度相差悬殊，界面上的海水不再平静如初，会产生上
下波动，这就是“内波”。
从字面上看，“内波”就是发生在水里的波动。“内波”的
产生应具备两个条件，一是海水密度稳定分层；二是要有扰动能
源，两者缺一不可。我们知道，海面与空气之间的密度不一样，
加上风力的扰动作用，会导致海面上出现狂涛巨浪。在深层海水
中，当海水因温度、盐度的变化出现密度分层后，受大气压力变
化、地震影响以及船舶运动等外力扰动，就可能在海水内部引发
内波。
内波与海面波浪虽然都是液体波动，但它们各不相同。空气
与水的密度相差近千倍，在海面形成的波浪，其波动最大值在海
面，波动会随着海水深度的增加而减小，到达一定深度后就消失
了。当海水密度上下分布不均匀，尤其是在海水中出现跃层，也
就是两层海水的相对密度值大于0.1％时，在外力扰动下，就会
在两层海水界面上产生内波。由于海水的密度分布经常处于不均
 世界上破坏程度最惨重的智利大地震海啸，波高只有25米，
仅为最大内波波高的1/4。由此即可见内波的破坏力之大。
万幸的是，水面船舰受上层海水和大气的约束，即使碰上
很高的内波也往往不会有灭顶之灾。但潜水艇可就没有那
么幸运了，如果完全误入其中，巨大的内波能足以把其撕
碎。
1963年，美国海军的核潜艇“大鲨鱼”号在马萨诸塞
州海岸外350千米处沉没，艇上129名船员全部遇难。事
后经过对沉入海底、变成碎片的残骸分析判断，潜艇失事
的原因是在水中航渡时，遇到了强烈的内波，内波峰高谷
深，垂直作用也很大，内波中大振幅的内孤立波或内孤立
子的巨大垂直剪切力将潜艇拖拽至海底，潜艇承受不了超
极限压力而被压碎。这就是强大内波垂直力作用的后果。
4 开尔文波和罗斯贝波
4.1 受科氏力的影响，是一种大尺度的波动
4.2 常见于描述厄尔尼诺现象中
4.3 罗斯贝波：从赤道附近的异常暖海面向
西传播的波
4.4 开尔文波：当罗斯贝波到达海洋西边界
时，被反射形成的波
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风浪和涌浪—最引人注目的波动
5.1 概念：
 风浪：当地风产生，并且一直处于风的作用之下的
海面波动状态
 涌浪：从其他海区传来或当地风力迅速减小、平息
或风向改变后海面上遗留下来的波动,他们在原海区
继续向前传播，甚至传至其他海区，经过漫长路程
和时间慢慢衰减的一种波动
5.2 特点：
 风浪：波峰尖削，分布不规律，波峰线短，周期小，
风大师出现破碎，形成浪花
 涌浪：波面较平坦、光滑，波峰线长，周期、波长
都较大，传播较规则。
5.3 成长与消衰
 （1）涌浪——取决于内摩擦作用、拍岸能量的损失、弥散和角
散
 弥散：实际海浪可视为有许多不同波长、不同周期和振幅的分波组
成，这些组成部分在传播过程中，波长大的速度快，波长短的速度
慢，于是，使原来叠加在一起的波动分散开来，这种现象称为弥散。
 角散：由于各个分波的传播方向也不尽一致，在传播过程中向不同
方向分散开来的一种现象。

——产生了涌浪不同于风浪的特点
 预报风暴：波动有涌浪（先行涌）向波浪转变
 传播距离惊人：北太平洋加利福尼亚夏季缓慢而有力的拍岸浪，是
由南极大陆附近的大洋风暴产生的风浪传播而来的涌浪所致
 （2）风浪——取决于对能量的摄取与消耗之间的平衡关系
 影响因素：风力、风区、风时、海洋水深、海底地形、岸线形
状
 风区：状态相同的风作用海域的范围
 风时：状态相同的风持续作用在海面上的时间
 定常状态：某点的风浪不会随时间的增大而增大的状态
 过渡状态：某点的风浪随时间的增长而继续增大时的状态
 最小风时：在定常风的作用下，对应风区内某点，风浪达到定
常状态的时间。当实际风时大于最小风时时，风浪为定常状态，
反之为过渡状态。
 最小风区：当实际风时一定，对应于某一风区内的波浪达到定
常状态，此风区的长度为最小风区。当实际风区小于最小风区
时，风浪为定常状态，反之为过渡状态。
5.4 浅海和近岸海浪
（1）波速、波长逐渐变小（图6-15）
（2）波峰线有水深h1跨过等深线进入水深h2的过程
中，有逐渐与等深线平行的趋势（图6-16）
——海岬角处，波向线辐聚，波能辐聚；海湾处产
生辐散，波能降低（图6-17）
（3）波高的变化主要受波能的影响，在海岬角、海湾
处受波向转折的影响
（4）波浪破碎，离岸流，沿岸流
（5）反射：当遇到陡峭的海岸时会反射，出现于码头、
港湾
绕射：当波浪遇到障碍物时，可以绕到障碍物遮
挡的后面水域去，成为绕射。绕射后波高明显减小，
沉积物易于沉积
威海湾涌浪之谜
 那是1978年9月2日清晨，威海湾里风平浪静，时至8
点多钟，湾内的海水突然动荡不安起来，继而愈加激
烈，湾内的海水像沸腾了一样，浊浪排空，浪花四溅，
惊心动魄，十分壮观。岸上挤满了观光的人，都茫然
不知所以。人们在议论着，从来没见过这样的景象啊！
没有风，何来的大浪？不会是有地震吧？威海地震局
的人也来了，说是没有地方发生地震。到10点多钟
涌浪达到了高潮，威海湾里雾气蒙蒙，很难看清刘公
岛了，湾内浪高达两米，击岸浪高达五六米，海水冲
进了威海码头货场（今旅游码头处），货场的水泥地
面陷裂，货物被冲湿。人们都莫明其妙，不知所以然。
四○四医院东侧的防浪堤十分牢固，涌浪冲破了防浪
堤，把一吨多重的水泥石推出四五米远，海水携带着
泥沙越过堤坝冲向马路，自东而西沿温泉路直冲市内，
温泉路上水深达20多厘米，附近不少单位进水。这
一景象一直持续到12点多钟，涌浪才开始消退。
 事后调查，养殖海带乘舢板作业者，有被打翻落
海的，后又被救起。到下午五六点钟，笔者又去
海岸观望，海水已归于平静，威海湾像是累了一
样，已了无声息，海水混浊不堪，海面上飘着各
种杂物，工人们在清理马路上的沙石，像是一场
灾难刚刚过去，我用老式照相机记录了这个过程。
 事后，对这次涌浪事件，笔者曾到有关单位做过
调查，但涌浪的起因一直不清楚。当时海上只有4
级风，附近也没有发生地震，何以会兴起如此的
涌浪呢？请教有关专家也没有明确解释。这次涌
浪事件主要出现在威海至成山头一线。威海湾如
果不是刘公岛这个屏障，灾害可能会更加严重。

岁月悠悠，威海湾里的涌浪事件已过去30年
了，回忆起来，恍然如昨。旧日海滨已不可寻觅，
大海依旧。草成此文，给后来者留下一点记忆，
也希望有心者能去研究，解开涌浪之谜。