02.海洋工程环境学(第四章 风载荷)

0.2 海洋环境因素分析
热带气旋在我国又称台风，在美洲通常称飓风。它是发生在热带海洋上的具 有很大破坏性的低压涡旋。 影响我国海域的台风发源地主要有两个区域：一个在菲律宾以东、关岛以西 洋面；另一个在南海中部海域。 全球每年平均大约有80个热带气旋发生，其中半数以上可以发展成台风，台 风集中发生在西北太平洋、孟加拉湾、东北太平洋、西北大西洋、阿拉伯海、 南印度洋、西南太平洋和澳大利亚西北海域等8个地区。西太平洋是全球热 带气旋发生最多的地区，约占全球总数的三分之一。热带气旋的多发地带集 中在5°～10°纬度带内，而南北半球纬度5°以内几乎没有热带气旋发生。
1 p Vg 2 sin n
其中， 空气密度， 地球自转角速度， 是所处纬度， 是以纬距表示的相临 等压线间的垂直距离，是对应的两等压线间的气压差。 注意：地转风近似在赤道不成立，因为该处的科氏参数为零。
大气压强和大气运动
地转风
大气压强和大气运动 （2）梯度风：实际的自由大气运动存在弯曲的气压系统，等 压线存在弯曲，此时的气流在作曲线运动时产生离心力，这 种水平气压梯度力、科氏力和离心力三者平衡运动下的空气 水平运动就是梯度风。
陆。随着风向的转变，天气和气候的特点也跟着发生变化。
季风的形成与多种因素有关，其中最主要的是由于海陆 间的热力差异。在夏季，大陆上气温比同纬度的海洋上气 温高，大陆上气压比海洋上气压低，气压梯度由海洋指向 大陆，所以气流分布是从海洋流向大陆的，形成夏季风；
冬季则相反，气流分布是由大陆流向海洋，形成冬季风。
0.2 海洋环境因素分析 冬季是我国季风最强的季节。 冬季风起源地蒙古高原的偏北气 流，其频率高，风力强劲。 寒潮是巨大的高压冷气团南侵， 造成急剧降温，且伴有霜冻、大 风现象的天气过程。主要集中于 11月至次年2月。寒潮有效稳定 的路径，它们主要发源于北极， 途经西伯利亚，并在那里得到加 强，然后进入我国。 夏季的季风，其气流来源，一 是太平洋热带高压海洋气团，二 是印度赤道海洋气团。前者主要 控制东海，后者主要影响南海。
R p Vgr R sin R sin n
2 2 2
低压中心 高压中心
R p Vgr R sin R sin n
2 2 2
其中， 空气密度， 地球自转角速度， 是所处纬度， 是以纬距表示的相临 等压线间的垂直距离，是对应的两等压线间的气压差，是曲率半径 在北半球，梯度风围绕高压中心作顺时针方向的旋转运动，绕低压中心作逆时 针方向做旋转运动。
失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区
，而通常不能形成于赤道附近。
地转偏向力 对风的影响： 1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最 明显，在赤道处则消失。 2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地 区。 3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消
地转偏向力 有关生活： 1. 水漩涡的形成 当向桶中注水时，水从注 水点向四周流动，北半球 在地转偏向力的作用下右 偏，漩涡呈逆时针方向旋 转。南半球则呈顺时针方 向旋转。
地转偏向力 有关生活：
2. 车辆和行人靠右行
A图为靠左行，北半球车辆在地转偏向力的作用下右偏， 都偏向道路中间，更容易与对面过来的车辆相撞，发生车 祸的频率会更高。B图为靠右行，北半球车辆在地转偏向 力的作用下右偏，都偏向路边，路边是司机开车注意力的 集中点，司机会不断调整方向来保证行车安全。
大气压强和大气运动
气压梯度力
1、地表各处的大气压力分布不均匀，产生气压梯度力，推动
大气水平流动。 2、气压梯度力表示为：G=-▽p/ρ，方向与等压线垂直，由压 力高处指向压力低处。 3、大气大尺度运动就是垂向近似满足静力平衡，做水平方向 运动。 4、气压梯度力是推动大气运动的主要作用力。 5、相邻区域的气压值相差很大时，气压图上的等压线表现密
0.2 海洋环境因素分析
世界上季风区域分布甚广．而东亚是世界最著名的季风区。 因此季风也是中国海洋气候的主要特征。由于大陆和海洋 热容量的不同，冬季在严寒的亚洲内陆形成高气压带，温 暖的海洋形成低压区，所以冬季盛行偏北风。而夏季正好 相反，高温的大陆内部形成低压区，凉爽的海洋上形成高 压区，故盛行南风。
失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区
，而通常不能形成于赤道附近。
地转偏向力 对其它物体的影响： 1、影响任何一个环绕地表的远距离运动。例如，在一战期间， 德军用他们引以自豪的射程为113千米的大炮轰击巴黎时，懊 恼地发现炮弹总是向右偏离目标。 2、对于近距离的运动，科里奥利力影响极小。从场地一边把
变化。
4、北半球，在科氏力的作用下，北风变成东北风；南风变成 西南风。
大气压强和大气运动
北半球
南半球
大气压强和大气运动
地转偏向力 对风的影响： 1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最 明显，在赤道处则消失。 2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地 区。 3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消
大气压强和大气运动
自由大气运动 离地面1-1.5km高度以上的大气可以看成理想大气，不考虑湍流摩 擦力作用，运动可看作是自由大气运动。在水平气压梯度力+科氏 力的作用下，大气运动形成地转风，若附加弯曲运动的离心力就形 成梯度风来自百度文库 （1）地转风：大气运动的水平梯度力与科氏力达到平衡状态时形 成的稳定空气水平运动。
地转偏向力
有关生活：
3.跑道上逆时针跑行 人们总喜欢沿逆时针方向。 A逆时针方向跑，地转偏向力向外，身体倾斜产生一个向内的 向心力，二力方向相反，更易平衡，过弯道不易跌倒。 B顺时针方向跑，地转偏向力和身体倾斜产生一个向内的向心 力方向相同，不易平衡，过弯道处易跌倒。 人类的发源地都在北半球，人们长期受地转偏向力的影响形 成了这一习惯，所以哪怕到了南半球，人们还是习惯于这样 的行为。
地转偏向力
有关生活：
3.机械设备顺时针旋转 电扇、电机、柴油机、水轮机等都是顺时针旋转。。 在北半球顺时针旋转，地转偏向力指向轴心，由于向心作用 ，使机械设备更耐用、更牢固。而逆时针旋转时地转偏向力 指向外，由于离心运动，机械设备易损坏，使用寿命缩短。
地转偏向力
有关生活： 4. 其它 台风北半球都是逆时针旋转，南半球顺时针旋转。 河流的右岸总是被冲刷的，而左岸经常有沙石堆积。 火车在行走时，右轨磨损得总是比左轨要厉害一点。
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大气压强和大气运动
风速影响因素：气压梯度力、地转偏向力，离心力和摩擦力
的综合作用。
大气压强：大气在重力作用下产生的对地面的大气压力。 （1）地球各处的大气压力不同，形成大气压强场（气压场） （2）定义：单位面积上从某高度到大气上界的垂直空气柱的 重量，1Pa=1N/m2 （3）一个标准大气压：温度为0度时，位于纬度45的海平面 的气压，该值为1013.25hPa，或760mm汞柱。 （4）气压影响因素：纬度、温度、高度等。
篮球抛到另一边的运动员，考虑科里奥利力的影响而需要调
整自己投球的偏移量为1.3厘米。当你拔掉盥洗池的橡皮塞时，
会发现有时水流并不是逆时针旋转流走的，因为科里奥利力
几乎没有足够的时间来影响水这样短距离的运动。
地转偏向力 价值应用： 定位风暴 19世纪比利时气象学家白贝罗应用科里奥利效应找出一条规 律，发现最近的风暴：在北半球，当你背风而立，风暴在你 的左侧；在南半球，则在你的右侧。
《海洋工程环境学》 －－风载荷
Environmental Mechanics of Ocean Engineering
弯矩 定常
风
脉动
上 层 建 筑 振动
断 裂
疲 劳
海洋结构物与环境因素的相互作用 海洋环境
风的特性
风载荷是海洋工程结构设计的重要控制载荷,抗风设计是结
构安全的重要保证，风对海浪、海流产生重要影响。 风的运动：风是大气中空气的运动，空气从气压高处流向气 压低处，即在气压梯度力的作用下产生运动。 风的形成：地球表面存在温度差异，大气空气的气压差使气 流发生流动而形成风，加上地球的自转运动就形成风带。 风载荷：随机性，通常用风速谱描述。细长、高耸结构可能 发生动力放大效应。 风速成分由10min长周期和几秒钟的短周期脉动风组成，因 此工程上平均风速----静力作用；脉动风----动力作用。
风向和风力强度
风力是个矢量，风速和风向两方面； 风速：气流前进的速度； 风向：风的来向，用16个方位表示(北, 东北偏北,东北,东北偏东,东…)。 风玫瑰图
风向和风力强度
2009-2010年度渤海辽东湾三个海域的风速、 风向监测结果
JZ20-2、9-3、25-1S海域风速、风向变化
风向总是随季节和时日发生着改变，对结构物受力有着 不同的影响，用风玫瑰图来描述方向特性。 风的玫瑰图又称为风向频率图或风况图，表示风在各个 方向的强弱和出现的次数。 基于玫瑰图可以确定常风向（统计中风速出现频率最多 的风向），强风（出现最大风速的方向） 风力强度：风的作用强度，用风级表示，按风速大小进 行分级；通常采用10m高处的风速大小表示。 风力等级从无风到超强台风，共有18级。
0.2 海洋环境因素分析 蒲氏风级(Beaufort Wind Scale )：从风与风帆的对应 关系提出,表示风对结构物的影响程度.后来采用10m高 处的风速大小表示。 0 — 17级： 风速0.0 — 60m/s (距地面10米处) 蒲氏风级与风速的换算公式:
V 0.84 F
3 2
其中V 是风速（m/s）,F是风级
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0.2 海洋环境因素分析
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0.2 海洋环境因素分析
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0.2 海洋环境因素分析
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大气运动模式
风
• 大规模风系：纬度30º —东信风； 纬度30º ~60º —偏西风； 纬度60º 90º ~ —极地东风。 • 中规模风系：季风, 台风
• 小规模风系：海陆风，山谷风，龙卷风
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0.2 海洋环境因素分析 • 中规模风系： 大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为 季风。季风在冬季由大陆吹向海洋，在夏季由海洋吹向大
集，气压梯度陡，因而产生强风。
0.2 海洋环境因素分析 地转偏向力（科氏力，Coriolis Force）
研究海水或者大气的大规模运动时，必须考虑地球自转效应，或称为 科氏效应。 由于地球绕轴自转，在赤道处的地面便具有约464m/s自西向东的线速 度，向两极方向随纬度的增高逐渐减小，在纬度30°处约为402m/s， 60°处约为232m/s，两极为零。 假定有一物体从赤道沿经圈向高纬（向南或者向北）运动，由于其在 赤道具有的较大自西向东的线速度，因此，地面上的观察者会看到，它 的运动轨道不断向东偏移。在从高纬向赤道方向运动的过程中，由于其 保持在高纬处的较小的自西向东的线速度，因此其运动轨道不断地偏向 西。
梯度风
大气运动模式 • 大气环流：是地球上最大规模的风系，它的形成是由于高低纬 间的大气存在温度差异而产生的流动。 •季风：是大规模盛行风向随冬、夏季节发生显著交替转换的风 系，其一般发生在沿海及其附近地区。冬季的海洋为低压热源， 大陆为高压冷源，导致地面大规模的盛行风从大陆吹向海洋。在 冬季，我国盛行西北季风和东北季风，气候干冷，少雨。大陆现 象，冬夏季节差异，时空尺度大。 •热带气旋：是发生在热带海域洋面上的低压气旋性旋涡，北半 球沿着逆时针方向旋转。 •台风：又称飓风、热带风暴、热带气旋 •海陆风：由海陆间温差引起的海陆向气流交替流向的小规模风 系，其与季风有差异，局地现象，昼夜差异。
0.2 海洋环境因素分析
按世界气象组织的标准可划分为四类：
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大气压强和大气运动
地转偏向力
1、其作用效果与大气运动尺度成正比，在地球表面上做自由
运动的物体会发生运动方向偏离，但不改变其大小。 2、科氏力f=2mvωsinφ， ω是地球自转角速度，V是任一方 向的速度，在北半球指向运动的右方，南半球指向左方。 3、科氏力在大小上与物体运动的速度成正比，并随纬度发生