“海浪原理与计算”课程设置研究
第六章 海浪.ppt
H
4
1
H
2
ln
1 F
2
H 为浅水系数， H H d
当水很深时，即H*=0，则上式还原为深水公式。
深水及浅水中各种累积频率所对应的波高模比系数： 当波由深水处移向浅水处时，平均波高将发生变化，波列
的分布规律也发生变化。
HF H
H* F%
0.5 1 2 5 … 90 95
例3：已知某浅水区d=20m，H1%=5.0m，求H5%=？
解：采用试算法
设 H =2.2m
H /d=0.11
计算得 H1% / H =2.273，查表得 H1% / H =2.239
H5% / H =1.85
则H5%=4.1m
2．周期的理论分布函数 周期的概率密度函数：
f
T
4 4
• 惯性离心力同运动方向相垂 直，自曲率中心沿半 径指向 外缘，其大小同空气运动的 线速度（U）的 平方成正比， 与曲率半径（r）成反比。
• 实际大气空气运动曲率半径（几十千米——几千千米）很 大，故C很小。但在低纬度或空气运动速度大而曲率半很小时， C 较大并可能超过G。
• 作用——只改变风向，不改变风速大小。
例：△p=5hPa, △n=3.5, F=30°, △T=5℃, 则：Us=？ m/s,
Ug=？ m/s
二、我国近海风况的特点
1．季风——海陆间热力差异导致。 2．寒潮大风——气温在24小时内降低10度以上，且最低气 温降至5度以下，称为寒潮。 3．台风——热带气旋
台风（12级及以上） 强热带风暴（10~11级） 热带风暴（8~9级） 热带低压（8级以下）
海洋科学中基于海洋模式模拟的海浪预测研究
海洋科学中基于海洋模式模拟的海浪预测研究随着海洋科技的不断发展，海洋模式模拟技术已经成功地应用在了海洋预报领域中。
其中海浪预测是一项至关重要的工作，它能够为海上航行、海洋工程、沿海渔业等领域的安全保障提供有力的支撑和保障。
基于海洋模式模拟的海浪预测研究正在成为当前海洋预测研究的重要方向。
一、海浪预测技术的概述海浪预测技术主要是指利用物理、数学、气象学等相关学科对海洋环境中的海流、风、温度、盐度等物理因子进行分析、建模和模拟，最终通过模型训练得到一套科学、准确的预测结果。
而海浪模拟技术是海浪预测技术中的一项重要技术手段，它是通过计算机对海洋环境中的水动力学、气象学和海洋地形的作用进行数值模拟，从而得出海浪高度、方向、周期等重要信息。
二、海洋模式模拟技术在海浪预测中的应用1. 海洋模式模拟技术的基本原理：海洋模式模拟技术是建立在对环流、水体结构及物理、化学过程等物理模型的数值模拟基础之上。
这种方法不仅可以对海洋动力学、热力学和化学参数进行定量分析，而且可以从时间和空间两个方面对海洋环境作出定量预测。
2. 预测海浪高度、方向、周期等关键参数：基于海洋模式模拟技术的海浪预测可以预测未来一段时间内的海浪状况，包括海浪高度、方向、周期等关键参数，并且还可以对浪形、层次和传播情况进行分析预测，从而为海洋工程、沿海渔业等方面提供更为准确的数据支持。
3. 海浪预报的优势：相比传统的经验预报和统计预报，基于海洋模式模拟技术的海浪预测具有更高的预测精度、更广的适用范围、更强的实用性，能够对复杂的海洋环境进行更为准确的预测和分析，因此被广泛应用在海军、海事、船舶、海洋石油天然气等行业中。
三、海洋模式模拟技术的局限性及未来发展趋势1. 模型参数的不确定性：海洋模式模拟技术在应用过程中需要对大量的环境参数进行测量和采集，这些参数的测量精度和准确性对预测结果具有极大的影响，因此传感器和数据采集装置的技术水平及数据处理的方法对模型预测结果的准确性具有重要意义。
海洋工程环境课件07-1-海浪要素的统计分析,海浪谱2
gF 0.22 ) 2 U10
为量纲为一的常数
F为风区长度，
U10为海面上10m高处风速；
为峰形参数，取
或
=0.07 =0.09
m m
第17届ITTC推荐如下的JONSWAP波浪谱。并引入 有义波高h1/3和特征周期T1两个参数，并考虑 T1=0.834T0得：
频率 无关，只是组成波方向 的函数，如
G ( ) An cos n
一种简单的近似处理方法是假定方向分布函数 G 与
n
2 范围内传播与分布。 2 2
为方向分布参数， ，波浪能量在主波向 ；
2 An ITTC（国际船舶拖曳水池会议）建议取n=2， 8 An ISSC（国际船舶结构会议）建议取n=4， 3 。
2g S ( ) 6 exp( 2 2 ) U
式中：U为海面上7.5 m高处的风速。下图给出不同 风速下的Neumann谱分布。
2.4
2
海浪谱特征初步认识： 谱的能量集中在窄的频带内； 随着风速的增大，谱峰频率变小。
不同风速下的Neumann谱分布
② Pierson-Moscowitz谱(P-M谱)：根据北大西洋 1955～1960年间的观测资料进行谱分析得到，并被第11届 ITTC(国际船模水池会议)(1966)列为标准单参数谱。
不同风速下的P-M谱分布
③单参数谱不能合理表征非充分发展海浪特征，第15届 ITTC(1978)给出的频谱形式为：
S ( )
173H123 T 5
2m0 T m1
4
exp(
691
4T
4
第四章 海浪观测
100
( 4 ）频率直方图
以模比系数为纵坐标，平均频率为横坐标， 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 制波高平均频率直方图（见图 ）。图上各个 矩形的面积正是各组的区间频率， 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， 。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。 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” 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。 附近的波高出现机会最多。
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基多大小的图. 表示某海区各向各级波浪出现频率基多大小的图 绘制方法同风玫瑰图类似
波向 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW ╳ C ∑ 观测总 数
0.8~1.0 m m p /% 4 0.14 9 0.33 4 0.14 2 1 0.07 0.04
1.1~1.2 m m p /% 4 0.14 6 0.22 2 0.07
1.3~1.5 m m p /% 6 0.22
1
0.04
7 20 6
0.25 0.72 0.22
3 4
0.11 0.14
1 4 4
H /m 1.3 3.2 5.3 3.3 1.5 1.2 1.9 1.5 3.1 1.8 1.4 1.8 1.8 1.5 4.3 4.8 4.1 3.9 2.9 0.7
海浪数学模型
海浪数学模型
海浪是指海洋表面的波浪，在海洋工程和海洋资源开发中占有重要的地位。
而要研究海浪的运动规律，就需要用到海浪数学模型。
海浪数学模型主要包括线性理论模型和非线性理论模型。
线性理论模型是基于线性波动方程建立的模型，它是对小振幅、单频率海浪的描述。
而非线性理论模型则是对大振幅、多频率海浪的描述，它主要采用非线性波动方程进行研究。
线性理论模型主要涉及到海浪的传播、反射、折射和干扰等问题。
而非线性理论模型则主要关注海浪的非线性效应，如波浪变形、波浪破碎等。
海浪数学模型的研究不仅有助于深入理解海浪的物理特性，而且对海洋工程、海洋资源开发以及海浪预报等方面都具有重要的应用价值。
- 1 -。
第5章-海洋波浪
第5章海洋波浪5.1海洋波动现象概述海洋中存在着各种形式的波动，它既可发生在海洋的表面，又可发生在海洋内部不同密度层之间，有着不同的波动尺度、机理和特性，各种波动现象复杂。
海洋波动是海水运动的主要形式之一。
海洋表面总被形容为时而波涛汹涌，时而涟漪荡漾，呈现出一种复杂的波动现象。
引起海水表面波动的自然因素有很多，如海洋表面受到风与气压的作用、天体的引潮力及海底地震与火山的作用等，它们引起的波动现象有不同的尺度，造成各种波动的周期、波高、波长等波动特性的不同，各自具有不同的能量范围，对海洋工程结构的作用影响也不同。
如图5-1所示。
周期最小的毛细波(Capillary Wave)是由水的表面张力控制下的波动，其波高≤1～2 mm，波长最大约1.7 cm，相对能量很小，在海洋工程结构物的设计与运动分析中可不需考虑。
对海洋工程结构物影响最大的波动是海面重力波(Surface Gravitational Wave)，它受海面风的作用而引起，然后在重力这个恢复力的作用下做垂直振荡，具有巨大的能量。
根据观测记录，波动周期在1～30 s期间的海浪占到海面观测海浪中的大部分，并且这部分海浪的波动能量极大，是船舶、平台等海洋工程结构物结构受损与变形破坏的主要因素，因此海洋结构物必须设计成能抵御各种风浪作用，海浪成为海洋工程结构物在设计施工中必须考虑的环境载荷条件之一。
此外，周期长于5 min 的长周期波将带来海面水位较大的垂向升降变化，这主要有由风暴及海底地震等引起的风暴大潮与海啸波以及由天体引潮力引起的潮波( TidalWave)。
潮波等长周期波带来的水位变化主要影响海洋结构物的设计高程，需收集统计资料并作长期预测，是海洋工程结构物在设计施工中必须考虑的因素之一，风暴潮和海啸波对近海海岸工程还具有极大的冲击能量。
海洋中的海水密度在垂向上分布不均匀就舍产生内波现象，在水下出现水质点的最大运动振幅而不是在海表面。
这种发生在海洋内部不同密度层间的波动就称为海洋内波(Internal Wave)。
SWAN模式渤海湾海浪数值模拟研究
学位论文作者签名：Biblioteka 签字日期：年月
日
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三是数值预报方法将海浪视为随机过程建立在海洋学计算数学和流体动力学紧密结合基础上通过研究海浪与风场潮流以及地形之间的关系实现对海浪的模拟和预报10121波浪模式概述目前海浪数值模型按照其建模原理划分主要有boussinesq方程波浪模型缓坡方程波浪模型和能量平衡方程三种数学模型11131872年boussinesq假定波浪运动中水质点的水平速度是上下均匀的而垂向速度是从海底由零值开始以线性趋势向自由表面增加14第一章绪论navierstokes方程在海底做小参数展开等简化处理将ns方程简化为波浪非线性控制方程称其为boussinesq方程15
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
导师签名： 签字日期： 年 月 日
摘 要
灾难性海浪是一种不可忽视的海洋灾害，研究海浪发生、发展，进而对其进 行预报，对渔业捕捞、海上运输和施工以及海上军事活动等方面有重要意义。 本文运用最新版本的第三代近岸浅海海浪模式 SWAN 40.85 （ Simulating Waves Nearshore） ，在高精度 WRF（Weather Research And Forecast）数值预报风 场驱动下，建立渤海湾海浪数值预报模式。 根据 SWAN 模式中风应力计算方法，从 WRF 风场预报成果中取一个包含 大风、小风的两次天气过程，作为驱动场，分别研究了 SWAN 模式中线性增长 和指数增长两部分风输入源项。研究表明，SWAN 模式海浪数值模拟过程中， 加入风输入线性增长项， 模拟效果更理想。 针对 SWAN 模式中的 Komen、 Janssen 和 Westhuysen 三种不同风指数增长表达式和对应的白浪破碎表达式，设计组合 方案，研究不同组合方案下，SWAN 模式在渤海湾海数值模拟中的适用性。具体 方案有 Komen 参数方案、 Westhuysen 参数方案和 Janssen 参数方案。 三个方案模 拟的波浪特征值与实测值进行比较，结果显示， 有效波高值与实测值变化趋势相 同，模拟平均周期均偏小。在三个方案计算结果统计分析中，Westhuysen 方案模 拟效果最好。 为提高 SWAN 模式在渤海湾的适用性， 修改了 Westhuysen 方案下的风应 力拖曳系数和水深诱导破碎系数。采用 SWAN-SWAN 三层嵌套方式进行渤海湾 海域实况模拟，通过波高、周期等波浪特征要素进行模型验证。结果显示，修改 参数后的波浪特征量模拟值与实测情况能够更好的符合，说明本文所建立的 SWAN 数学模型适用于渤海湾海浪数值模拟。
海洋要素计算与预报(海浪4)
0 0
{H i }(i 1,2, , N )
将周期与其相应的波高一一对应得到新的周期序列： ，
{Ti }(i 1,2,, N )
H1 / 3 1 N3
H ,
i i 1
N3
T1/ 3
1 N3
T ,
i i 1
N3
N 3 N / 3
由实测波面资料进行海浪波要素统计的具体步骤
2
0
极大值
2 ( 1) 2 2 f ( , ) exp 1 1/ 2 2 8( 2 ) 8
其中
H
T T
波高与周期联合分布理论与观测比较
(Goda, 1977)
§1.4 谱与海浪要素间的关系
(1 , 2 , 3 , 4 ) 2 , ) ( , ,
波高的分布
2 2 2 2 2 , ) f ( , , exp exp 2 (2 ) 0 2 2 2 0 2
-------------正态分布
实际上波面的分布为非正态的，在高海况下尤为显著。非线性海 浪模型（Longuet-Higgins，1963） ：
ii ijij ijkijk
由随机量 的特征函数可以导出其 概率分布函数为约化的GramCharlier级数。
波高的分布
1/ 2
H
T
谱与周期间的关系
谱宽度
2 m m m 2 2 0 4 m0 m4
m2 m4 2 1 m0 m2
T2,4 1 T 0,2
2
2
海浪周期的经验关系：
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课程教学Curriculum Teaching
“海浪原理与计算"课程设置研究
于潭胡松魏永亮（上海海洋大学海洋科学学院上海201306）
摘要作者对国内外主要涉海高校“海浪原理与计算”所使用进行教材及课程大纲进行了调研分析，发现大多学校都 对小振幅波和有限振幅波理论进行重点讲解.在此基础上，我们对上海海洋大学的“海浪原理与计算”课程进行了设 置.本研究方案可给国内外涉海高校“海浪原理与计算”的课程设置提供建议.
关键词海浪原理与计算课程设计调查研究中图分类号:G424 文献标识码：A D01:10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.03.041
Research on
the
Course
Setting of
"Principles and
Computations
of Waves"
YU Tan, HU Song,
WEI Yongliang
(College of Marine Sciences, Shanghai
Ocean
University, Shanghai 201306)
Abstract The author investigates and analyses the textbooks and syllabuses of "Principles and
Computations ofWaves" used
by major overseas and domestic universities, and finds that most schools focus on the theory of small and finite amplitude wa
ves. On this basis, we set up the course "Principles and Computing ofWaves" in Shanghai Ocean University.
This research pro
gram can provide suggestions for the curriculum design of "Principles and Computations
ofWaves" in domestic and foreign
maritime universities.Keywords Principles and Computations of Waves; course design; investigation and research
海浪是我们日常生活中一种常见的现象。
居住在海边或
在海边度假的人都会很熟悉海浪。
“海浪原理与计算”课程中
我们将学习海浪研究的发展史、描述海浪的方法、海浪的生成
与成长机制、海浪模式和海浪的计算方法，讨论目前海浪研究 中存在的问题及其对海-气相互作用的影响。1国内外主要涉海高校“海浪原理与计算'所使用教材分析 目前，“海浪原理与计算”已成为国内外很多涉海院校海洋 学科的专业基础课程，但每个学校根据本校的教学宗旨和发展 定位，对海洋学科学生的培养的计划各有迥异。下面以国内几 个主要涉海院校“海浪原理与计算”所使用的教材来对比分析 海洋科学专业所必须的海浪原理与计算情况。中国海洋大学海洋环境学院物理海洋专业开设的《海浪》 课程，教材选用的是文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理 论与计算原理》，这本教材主要有六章，第一章是液体表面波 的基本方程及其普遍积分，主要介绍了流体动力学的基本方 程、表面波问题的精确提法、线性波动的基本方程、浅水波动 的基本方程、浅水波动的小参数展开法以及静压分布律的导 出、二维无旋周期进行波的若干普遍积分性质等;第二章是线 性波动理论，主要包括简单波动、简谐表面压强维持的简单波 动、小振幅简单波动的合成、倾斜水底上波浪的传播、具有复 杂水底地形水域上的波动传播一波的折射、波动绕射等;第三 章是有限振幅波动，主要有斯多克斯波、摆线波、椭圆余弦波 和孤立波等；第四章是作为随机过程的海浪：第五章风与海 浪，主要包括气水界面附近的流场、风浪生成和成长的机制、 风浪谱的成长和参数化、风浪的计算、涌的传播、风浪与涌的 数值计算;第六章近岸的海浪，主要包括倾斜水底对海浪的影 响、复杂地形对海浪的作用、海浪产生的近岸流和碎波拍。根 据文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》的 这本教材，中国海洋大学的“海浪原理与讣算”课程主要设置 如下：第一章海浪的统计性质：第一节概论、第二节风浪和涌 浪、第三节海浪的随机性、第四节海浪谱、第五节波面的统计 性质、第六节高的统计分布、第七节常用波高和周期定义。通 过本章的讲述，使学生认识海浪的随机性和复杂性；
海浪又分
为风浪和涌浪两大类，海浪谱是现代海浪研究的有力工具，在 线性理论下，波面和波高所遵从的统计分布。掌握海浪谱与常
用波高和周期之间的关系，
共占
8学时。
第二章海浪的生成和成长:第一节风浪的生成机制、
第二
节风浪的成长、第三节风浪成长经验公式
、第四节海浪谱的
相似性、第五节风浪的平衡域
。通过本章的讲述，使学生掌握
和了解风浪生成的两种主要机制，影响风浪成长的因素；有限
风区下的风浪成长关系、海浪谱的相似性；了解风浪平衡域的 性质，共占
10学时。
第三章海浪的计算与观测:第一节风浪能量平衡方程、第
二节风浪源函数、第三节海浪模式与计算、第四节海浪的观
测。通过本章的学习
，了解现代海浪模型和计算方法，
风浪源
函数的参数化和存在的问题，以及现代海浪观测方法，共占
8
学时。
第四章近岸的海浪:第一节波速、波长及波高的变化、第 二节破碎波高与破碎深度、第三节海浪的折射与绕射
。
通过
本章的学习，了解海浪向近岸传播时由于地形变化而引起的海 浪性质变化,水深引起的海浪破碎、离岸流和拍岸波等
，共占
6
学时。
第五章海浪与海一气相互作用：第一节波浪破碎与海面
2019 年 / 第 9 期 /3
力(T)
91课程教学Curriculum Teaching
附近湍流、第二节波浪对海■•气通量的影响
。
通过本章的学习，
了解波浪及其破碎对大尺度海一气相互作用的贡献，
认识到他
们是控制海一气界面通量的重要因素，共占2学时。
厦门大学海洋与地球科学学院海洋学系的物理海洋专业 的学科或专业方向性课必修课，他们课程的目的在于让学生
通过学习掌握海浪研究的基本知识、方法、思想和进展
，系统
掌握海浪研究的基本方法,海浪调查与数据处理，
培养学生处
理一般有关海浪计算和解决波浪预报实际问题的能力。主要 是从波浪的研究方法、研究意义
、波浪研究的应用领域入手,
介绍波浪要素、小振幅波和有限振幅波理论，了解波动振幅、
水质点运动轨迹、质点运动速度、能量、辐射应力、水中波压
、
相位速度和群速度、风况、海况基础知识、波浪观测原理、
海浪
数据处理，海浪组成和海浪谱、有效波生成理论和谱分析理论。
选用的教材主要是海浪原理与计算（自编讲义）和王树清《
海洋
工程波浪力学》中国海洋大学出版社。主要参考书是文圣常、 余宙文1984年第一版的《海浪理论与计算原理》。其中王树 清的《海洋工程波浪力学》包含七章内容，期中第1章波动方 程，包括流体力学基本方程（连续方程、运动方程、理想流体非 定常无旋运动的拉格朗日积分）、波浪运动基本方程及定解条 件（势波理论、基本方程与定解条件）；第2章线性波理论，包 括常深度小振幅波理论（边界条件的简化、基本方程的解、线 性波的特性、波面方程、弥散关系、水质点的速度和加速度、水 质点的运动轨迹、波动压、波动能量）线性波的两种极限情况、 波浪的叠加、平面斜向等；第3章非线性波浪理论，包括斯托 克斯波浪理论、流函数波浪理论、椭圆余弦波、孤立波、波浪理 论的适用性等;第4章波浪的传播与变形，包括波浪在深水中 的弥散与传播、波浪的浅水效应、波浪的反射、波浪的绕射、波 浪的破碎、复杂地形情况下的波浪传播与变形数值计算；第5 章随机波浪理论，包括海浪的观测与描述、随机海浪的统计特 征、随机波浪的谱特性、随机波浪的数值模拟、海浪的长期统 计分布规律；第6章作用在小尺度结构物上的波浪力，包括海 流中的圆柱体、作用在直立柱体上的波浪力、水动力系数、莫里 森公式的修正、波流共同作用下的波浪力计算、随机波浪力的 计算等；第7章作用在大尺度结构物上的波浪力，包括绕射理 论、大直径直立圆柱体波浪力分析、任意形状三维结构物上的 波浪力、大尺度水下潜体上的波浪力、固定物体上的二阶波浪 力、作用在大型浮体上的波浪力。University of California, San Diego,简称 UCSD,加州大学 圣地亚哥分校的Introduction to Ocean Waves（海浪简介）课程， 所使用的是自编教材Introduction to Ocean Waves（海浪简介）， 主要分为10个章节：1 Basic waves （基本波）、2 Two waves （两 个波）、3 Many waves （群波）、4 Waves generated by a distant storm （波浪的生成）、5 Wave measurement and prediction （海浪 的测量和预报）、6 Shoaling waves（浅水波）、7 Rogue waves and ship waves （轮船行驶生成的波（尾迹波））、8 Hydrodynamics and linear theory（水波动力学和线性理论）、9 The shallow-water equations. Tsunamis （浅水方程■海啸）、10 Breakers, bores and longshore currents（海浪破碎和沿岸流）。麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的 Wave Motions in the Ocean and Atmosphere（海洋和大气中的波 动）课程使用的是自编教材。主要内容有:1 .Introduction - Kinematics: Frequency, Wavenumber, Phase, Phase Speed（简介:频 率、波数、相位、相速度）包括Internal Gravity Waves （内重力 波）＞Dispersion and the initial value problem（频散和初始值问 题）、Group velocity - wave packets and inhomogeneities （群速 度）、Energy, fields of motion, particle movements（能量、运动场 和质点运动）；2.Surface Gravity Waves（表面重力波）；3.Rotation and Potential Vorticity - Small Scale（小尺度旋转和位涡）^.Large-Scale Hydrostatic Motions （大尺度运动）、5. Laplace Tidal Equations and The Vertical Structure Equation （Laplace 潮汐方程 和垂向运动方程）＞6.EquatorialB-Plane and Equatorial Waves（赤 道R平面和赤道波动）、7.Stratified Quasi-Geostrophic Motion and Instabilities （分层准地转运动和不稳定性）。2上海海洋大学“海浪原理与计算”课程设置综合国内几个主要涉海院校的“海浪原理与计算”课程设 置，可以看出