海浪形成的原因_海浪是怎么形成的
海浪形成的原因_海浪是怎么形成的
海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動(dòng)現(xiàn)象。我們這里指的海浪是由風(fēng)產(chǎn)生的波動(dòng)，其周期為0.5至25秒，波長(zhǎng)為幾十厘米到幾百米，一般波高為幾厘米到20米，在罕見(jiàn)的情況下波高可達(dá)30米以上。下面由學(xué)習(xí)啦小編為你詳細(xì)介紹海浪形成的原因。
海浪形成的原因
海浪是海水的波動(dòng)現(xiàn)象。
“無(wú)風(fēng)不起浪”和“無(wú)風(fēng)三尺浪”的說(shuō)法都沒(méi)有錯(cuò)，事實(shí)海上有風(fēng)沒(méi)風(fēng)都會(huì)出現(xiàn)波浪。通常所說(shuō)的海浪，是指海洋中由風(fēng)產(chǎn)生的波浪。包括風(fēng)浪、涌浪和近岸波。無(wú)風(fēng)的海面也會(huì)出現(xiàn)涌浪和近岸波，這大概就是人們所說(shuō)“無(wú)風(fēng)三尺浪”的證據(jù)，但實(shí)際上它們是由別處的風(fēng)引起的海浪傳播來(lái)的。廣義上的海浪，還包括天體引力、海底地震、火山爆發(fā)、塌陷滑坡、大氣壓力變化和海水密度分布不均等外力和內(nèi)力作用下，形成的海嘯、風(fēng)暴潮和海洋內(nèi)波等。它們都會(huì)引起海水的巨大波動(dòng)，這是真正意義上的無(wú)風(fēng)也起浪。
海浪是海面起伏形狀的傳播，是水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置，作周期性振動(dòng)，并向一定方向傳播而形成的一種波動(dòng)。水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)能形成動(dòng)能，海浪起伏能產(chǎn)生勢(shì)能，這兩種能的累計(jì)數(shù)量是驚人的。在全球海洋中，僅風(fēng)浪和涌浪的總能量相當(dāng)于到達(dá)地球外側(cè)太陽(yáng)能量的一半。海浪的能量沿著海浪傳播的方向滾滾向前。因而，海浪實(shí)際上又是能量的波形傳播。海浪波動(dòng)周期從零點(diǎn)幾秒到數(shù)小時(shí)以上，波高從幾毫米到幾十米，波長(zhǎng)從幾毫米到數(shù)千千米。
風(fēng)浪、涌浪和近岸波的波高幾厘米到20余米，最大可達(dá)30米以上。風(fēng)浪是海水受到風(fēng)力的作用而產(chǎn)生的波動(dòng)，可同時(shí)出現(xiàn)許多高低長(zhǎng)短不同的波，波面較陡，波長(zhǎng)較短，波峰附近常有浪花或片片泡沫，傳播方向與風(fēng)向一致。一般而言，狀態(tài)相同的風(fēng)作用于海面時(shí)間越長(zhǎng)，海域范圍越大，風(fēng)浪就越強(qiáng);當(dāng)風(fēng)浪達(dá)到充分成長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，便不再繼續(xù)增大。風(fēng)浪離開(kāi)風(fēng)吹的區(qū)域后所形成的波浪稱為涌浪。根據(jù)波高大小，通常將風(fēng)浪分為10個(gè)等級(jí)，將涌浪分為5個(gè)等級(jí)。0級(jí)無(wú)浪無(wú)涌，海面水平如鏡;5級(jí)大浪、6級(jí)巨浪，對(duì)應(yīng)4級(jí)大涌，波高2～6米;7級(jí)狂浪、8級(jí)狂濤、9級(jí)怒濤，對(duì)應(yīng)5級(jí)巨涌，波高6.1米到10多米。
海洋波動(dòng)是海水重要的運(yùn)動(dòng)形式之一。從海面到海洋內(nèi)部，處處都存在著波動(dòng)。大洋中如果海面寬廣、風(fēng)速大、風(fēng)向穩(wěn)定、吹刮時(shí)間長(zhǎng)，海浪必定很強(qiáng)，如南北半球西風(fēng)帶的洋面上，常的浪濤滾滾;赤道無(wú)風(fēng)帶和南北半球副熱帶無(wú)風(fēng)帶海域，雖然水面開(kāi)闊，但因風(fēng)力微弱，風(fēng)向不定，海浪一般都很小。
海浪的主要類(lèi)型、風(fēng)浪
風(fēng)浪，指的是在風(fēng)的直接作用下產(chǎn)生的水面波動(dòng)。涌浪，指的是風(fēng)停后或風(fēng)速風(fēng)向突變區(qū)域內(nèi)存在下來(lái)的波浪和傳出風(fēng)區(qū)的波浪。
近岸浪，指的是由外海的風(fēng)浪或涌浪傳到海岸附近，受地形作用而改變波動(dòng)性質(zhì)的海浪。
海浪是十分復(fù)雜的現(xiàn)象，研究海浪對(duì)海洋工程建設(shè)、海洋開(kāi)發(fā)、交通航運(yùn)、海洋捕撈與養(yǎng)殖等活動(dòng)具有重大意義。
海浪的主要類(lèi)型、海浪迎岸而來(lái)
海面上的波浪在深海處傳播的速度總是比淺海處的傳播速度快，越是近海岸，海水越淺，波浪的速度越慢。若用虛線AB表示海岸附近深水域與淡水域的分界線，那么在深水域中，海浪在第1、2、3……、11秒走過(guò)的距離較大(因?yàn)樗俣瓤?，因此，線條之間的間隔大;在淺水域中，同樣花費(fèi)1秒鐘時(shí)間，海浪經(jīng)過(guò)的距離短，表現(xiàn)為線條之間的間隔小。因此，在分界線處發(fā)生了海浪的波長(zhǎng)和傳播方向的改變，海浪的傳播方向變得漸漸垂直于海岸線了。由于越靠近海岸的海水越淺，因此，海浪的速度也漸漸慢下來(lái)，這就使它的傳播方向越來(lái)越垂直于海岸線。當(dāng)我們站在海岸面向大海時(shí)，由于看到的海浪都是以垂直于海岸線的方向一排排襲來(lái)，我們就感到海浪是迎你而來(lái)的。
在遠(yuǎn)離海岸的大海深處，海浪的行進(jìn)方向取決于海風(fēng)與海流的方向，并不一定朝觀察者迎面而來(lái)。
海浪的主要類(lèi)型、海浪譜
海浪可視作由無(wú)限多個(gè)振幅不同、頻率不同、方向不同、相位雜亂的組成波組成。這些組成波便構(gòu)成海浪譜。此譜描述海浪能量相對(duì)于個(gè)組成波的分布，故又名“能量譜”。它用于描述海浪內(nèi)部能量相對(duì)于頻率和方向的分布。為研究海浪的重要概念。通常假定海浪由許多隨機(jī)的正弧波疊加而成。不同頻率的組成波具有不同的振幅，從而具有不同的能量。設(shè)有圓頻率ω的函數(shù)S(ω)，在ω至(ω+ω)的間隔內(nèi)，海浪各組成波的能量與S(ω)ω成比例,則S(ω)表示這些組成波的能量大小，它代表能量對(duì)頻率的分布，故稱為海浪的頻譜或能譜。
同樣,設(shè)有一個(gè)包含組成波的圓頻率ω和波向θ的函數(shù)S(ω，θ)，且在ω至(ω+ω)和θ至(θ+ω)的間隔內(nèi)，各組成波的能量和S(ω,θ)ωθ成比例，則S(ω，θ)代表能量對(duì)ω和θ的分布，稱為海浪的方向譜。將組成波的圓頻率換為波數(shù)，可得到波數(shù)譜;將ω換為2π(頻率為周期的倒)，得到以表示的頻譜S()數(shù)。以上各種譜統(tǒng)稱為海浪譜。
海浪譜不僅表明海浪內(nèi)部由哪些組成波構(gòu)成，還能給出海浪的外部特征。比如，理論上可由譜計(jì)算各種特征波高和平均周期，利用這些特征量連同波高與周期的概率密度分布，可推算海浪外觀上由哪些高低長(zhǎng)短不同的波所構(gòu)成。若已知海浪的譜，海浪的內(nèi)外結(jié)構(gòu)都可得到描述，因此譜是非常有用的概念。事實(shí)上，海浪的研究(包括許多應(yīng)用問(wèn)題)，大多和譜有關(guān)。
海浪的主要類(lèi)型、頻譜
在海浪譜中,風(fēng)浪頻譜得到最廣泛的研究，因?yàn)樗膽?yīng)用最廣，也最易于得到。但尚無(wú)基于嚴(yán)格理論的風(fēng)浪頻譜。通常p為5～7，q為2～4,在正量A和B之內(nèi)。除了數(shù)值常數(shù)外，還包含風(fēng)要素(如風(fēng)速、風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū))或浪要素(如特征波高和周期)作為參量，故譜的形狀隨風(fēng)的狀態(tài)或?qū)?yīng)的浪的狀態(tài)而變化。上述兩項(xiàng)的乘積代表的譜，在ω=0處為0，在0附近的值很小，ω增加時(shí)，它驟然增大至一個(gè)峰值，然后隨頻率的增大而迅速減小，在ω→∞時(shí)趨于0。這表明譜的頻率范圍在理論上雖為0～∞,但其顯著部分卻集中在譜峰附近。海面上存在的許多波，其顯著部分的周期范圍很小，恰和理論結(jié)果相對(duì)應(yīng)。隨著風(fēng)速的增大,譜曲線下面的面積(從而風(fēng)浪的總能量或波高)增大，峰沿低頻率方向推移，表明風(fēng)浪顯著部分的周期增大。
從波面的記錄估計(jì)譜，是獲得海浪頻譜的主要途徑。習(xí)慣上將譜的估計(jì)方法分為相關(guān)函數(shù)法和快速傅氏變換算法兩種。在電子計(jì)算機(jī)上計(jì)算時(shí)，后者比前者更節(jié)約時(shí)間。20世紀(jì)70年代，開(kāi)始引用最大熵等方法。依此可自不多的資料估計(jì)出分辨率較高的譜，它適用于非平穩(wěn)的海浪狀態(tài)。
在海浪研究中已提出的頻譜很多常采用的皮爾孫-莫斯科維奇譜，是60年代中期提出的,是在對(duì)充分成長(zhǎng)的風(fēng)浪記錄進(jìn)行譜估計(jì)和曲線的擬合時(shí)得到的，已為多數(shù)觀測(cè)所證實(shí)。
60年代末，按照“北海聯(lián)合海浪計(jì)劃”(JONSWAP)，對(duì)海浪進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測(cè)，提出了一種頻譜，其中包括分別反映能量水平、峰的頻率尺度和譜形在內(nèi)的5個(gè)參量。這種譜表示風(fēng)浪處于成長(zhǎng)的狀態(tài)，它具有非常尖而高的峰。對(duì)Jonswap譜分析的結(jié)果表明,風(fēng)浪的能量主要通過(guò)譜的中間頻率部分傳遞，然后借波與波之間的非線性相互作用，再分別向譜的高頻和低頻部分傳遞。反映這種能量交換的譜，具有穩(wěn)定的形式。利用此特性，可將譜隨風(fēng)的變化轉(zhuǎn)換為其中的參量隨風(fēng)的變化，從而提供另一種海浪計(jì)算或預(yù)報(bào)的方法。
有一種半經(jīng)驗(yàn)的方法，它假定海浪的某些外觀特征反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由觀測(cè)到的波高和周期間的關(guān)系，可導(dǎo)出海浪譜。早在50年代初提出的紐曼譜和工程中常使用的布雷奇奈德?tīng)栕V，都屬此類(lèi)，前者p=6，q=2;后者p=5，q=4。有些蘇聯(lián)作者采用具有前述形式的頻譜，然后由觀測(cè)資料確定其中的常數(shù)和參量。
中國(guó)學(xué)者于50年代末至60年代中期，嘗試自風(fēng)浪能量的攝取和消耗出發(fā)推導(dǎo)出譜，其中包括用風(fēng)要素作為參量，從而描述譜相對(duì)于風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)的成長(zhǎng)。由這些譜計(jì)算波高和周期等要素比較方便，但推導(dǎo)中涉及的能量計(jì)算，仍是半經(jīng)驗(yàn)性的。
海浪的主要類(lèi)型、方向譜
方向譜的研究，除理論上的意義外，還可用于大面積海浪的預(yù)報(bào)，波浪的繞射和折射，水工建筑物的作用力和振動(dòng)，船體、浮標(biāo)和其他浮體對(duì)海浪的反應(yīng)，以及泥沙運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題的研究。但由于觀測(cè)上和資料處理上的困難，海浪方向譜的研究遠(yuǎn)少于頻譜。
通常將方向譜取為S(ω，θ)=S(ω)·G(ω,θ),其中S(ω)為頻譜，G(ω，θ)為體現(xiàn)能量相對(duì)于方向分布的一個(gè)函數(shù)，θ為海浪主方向(一般取為平均風(fēng)向)和組成波的波向之間的夾角。G(ω，θ)必須通過(guò)觀測(cè)得到，其中最簡(jiǎn)單的形式為cos。通常取2～4，愈大,能量愈集中于主波向附近。對(duì)于淺水波來(lái)說(shuō)，比較大。
為了測(cè)量方向譜，可用幾個(gè)與海水接觸的測(cè)頭組成儀器陣列，記錄的項(xiàng)目可以是波面高度，也可以是水質(zhì)點(diǎn)的速度、加速度、壓力或作用力。為經(jīng)濟(jì)起見(jiàn)，通常將盡可能少的測(cè)頭擺成合理的幾何圖形，以得到最大的分辨率。還可用尺寸遠(yuǎn)小于海浪波長(zhǎng)并跟隨波面運(yùn)動(dòng)的自由浮標(biāo)，記錄波面的高度和兩個(gè)方向的波面斜率和曲率，也可以利用壓力、水質(zhì)點(diǎn)速度或波浪作用力的記錄。此外，航空遙感和衛(wèi)星遙感也可以確定方向譜。
如何求得海浪譜，主要方法有二：一是利用觀測(cè)得到的波高、周期的推導(dǎo)，得出半理論、半經(jīng)驗(yàn)形式的海浪譜;二是利用某一固定點(diǎn)測(cè)得的波面隨時(shí)間變化的這段記錄，來(lái)推算相關(guān)函數(shù)，然后求譜。也有通過(guò)建立能量平衡方程式來(lái)求譜。目前得到的譜，主要是建立在觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上求出的。但由于目前尚缺乏精確的風(fēng)和海浪的觀測(cè)資料，故已提出的一些譜，彼此相差較大。海浪譜的分析研究是很重要的，根據(jù)海浪譜，可以較合理地設(shè)計(jì)防坡堤及海面對(duì)雷達(dá)的反射部分，利用海浪譜，可以算出波高、周期等海浪要素。目前，有的國(guó)家根據(jù)海浪譜設(shè)計(jì)出自動(dòng)控制系統(tǒng)，來(lái)以校正軍艦上武器發(fā)射偏差。
猜你感興趣：
2.海浪形成的原因
3.浪是怎么形成的