海洋要素计算与预报(海浪8)
海洋要素计算与预报(海浪3)
4
( 0 )2 exp 2 2 2 0
0.076~ x 0.22
~ x gx / U 2 ~ U / g
0 0
JONSWAP谱相对于风区的成长
文氏谱（1994）
~ 无因次化
0
j 1
S ( )0 ~ ~ S ( ) m0
H1/10 1 N10
H ,
i i 1
N10
T1/10
1 N10
T ,
i i 1
N10
N10 N / 10
H1/100
1 N100
N100 i 1
H ,
i
T1/100
1 N100
N100 i 1
T ,
i
N100 N / 100
H1% H i ,
H 4% H i ,
1 H F ( H ) exp
其中
2.126, 8.42
假定波动能量集中于谱重心频率附近（Longuet-Higgins,1975） ：
S ( )d
0
S ( )d
0
m1 m0
(t ) Re an expi(n t n )
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其中
r
0
【教案】海水的运动高一地理人教版(2019)必修第一册
第三章地球上的水第三节海水的运动表层海水最基本的运动形式有海浪、潮汐、洋流。
波浪：海面的波状起伏现象。
潮汐：海水周期性涨落现象。
洋流：海水大规模定向运动。
一、海浪1、定义：海浪就是海里的波浪。
并且人们通常用波峰、波谷、波高、波长等要素来描述海浪。
2、组成要素：波峰：海浪周期性运动的高处部分。
波谷：海浪周期性运动的低处部分。
波长：相邻波峰之间的水平距离。
波高：相邻波峰到波谷之间的垂直距离。
3、成因：（1）风浪海浪一般由风力形成，称为风浪。
风速越大，海浪越高，能量越大。
在强风等作用下，近岸地区海面水位急剧升降，称为风暴潮。
风暴潮根据风暴的性质，通常分为由温带气旋引起的温带风暴潮和由台风引起的台风风暴潮两大类。
温带风暴潮，多发生于春秋季节，夏季也时有发生。
其特点是：增水过程比较平缓，增水高度低于台风风暴潮。
主要发生在中纬度沿海地区，以欧洲北海沿岸、美国东海岸以及我国北方海区沿岸为多。
台风风暴潮，多见于夏秋季节。
其特点是：来势猛、速度快、强度大、破坏力强。
凡是有台风影响的海洋国家、沿海地区均有台风风暴潮发生。
案例：P58 1953年荷兰遭受风暴潮袭击阅读材料，分析此次风暴潮损伤严重的原因及研究的防御措施？（2）外力海底地震、火山爆发或水下滑坡、坍塌都可能引起海水的波动，甚至形成巨浪，形成海啸。
类型成因常见海浪由风力作用形成，海浪越高，能量越大海啸海底地震、火山爆发或水下滑坡、坍塌都可能引起海水的波动，甚至形成巨浪风暴潮在强风等作用下，近岸地区海面水位急剧升降。
当强风与海水涨潮同时发生，海水水位暴涨，风暴潮来势倍增。
热带、温带的沿海地区均可能遭受风暴潮的袭击4.海浪与人类活动（1）影响人们在海滨和海上的活动冲浪等活动需要选择浪较高的时候进行，可以增加挑战性出海捕捞、勘探、航行等海上活动处于安全考虑，需要选择浪小的时候。
在海上活动要密切关注天气预报，选择适宜活动的海浪条件。
（2）海啸和风暴潮能量巨大，往往给沿岸地区带来灾难性后果。
气象海浪分析实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过分析气象条件对海浪的影响，了解海浪的形成机制及其变化规律，为航海、渔业等海洋活动提供参考依据。
通过实验，掌握以下内容：1. 海浪的形成原因及影响因素；2. 不同气象条件下海浪的特征；3. 海浪预报的基本方法。
二、实验原理海浪是海洋表面由于风力、气压、温度、湿度等气象条件的变化而产生的波动现象。
风力是海浪形成的主要原因，风力的大小、方向、持续时间等因素都会影响海浪的大小和形状。
此外，气压、温度、湿度等气象条件也会对海浪产生影响。
三、实验材料1. 海浪观测资料：包括波浪高度、周期、方向等；2. 气象资料：包括风速、风向、气压、温度、湿度等；3. 地图：包括地理位置、海岸线、岛屿等；4. 计算机：用于数据分析和绘图。
四、实验步骤1. 数据收集：收集2019年1月至2020年12月期间我国沿海某海域的海浪观测资料和同期气象资料。
2. 数据处理：对收集到的数据进行整理和清洗，确保数据的准确性和完整性。
3. 相关性分析：分析海浪特征与气象条件之间的相关性，找出影响海浪的主要气象因素。
4. 海浪预报：利用气象资料和海浪观测资料，采用数值预报方法对海浪进行预报。
5. 结果分析：分析预报结果与实测数据的差异，评估预报精度。
五、实验结果与分析1. 相关性分析：通过相关性分析，发现风速和风向对海浪的影响最为显著。
当风速较大、风向与海岸线垂直时，海浪高度较高；当风速较小、风向与海岸线平行时，海浪高度较低。
2. 海浪预报：利用数值预报方法，对海浪进行预报。
预报结果与实测数据的平均误差为0.5米，预报精度较高。
3. 典型案例分析：选取一次台风过程，分析气象条件对海浪的影响。
结果表明，台风中心附近的风速和气压梯度力较大，导致海浪高度显著增加，形成巨浪。
六、实验结论1. 风力是影响海浪形成的主要因素，风速和风向对海浪高度有显著影响。
2. 气象条件对海浪预报有重要意义，合理利用气象资料可以提高预报精度。
第八章 海浪观测
浅水 L gT 2 th 2 d
2 L C gT th 2 d
2 L
深水
gT 2
L0 2
C0
gT
2
31
8.3 测波仪器简介
一、波浪骑士浮标
➢提供二维方向谱等 统计信息 ➢利用卫星传输数据
32
二、SZF2-1型测波仪 1. 基本原理 ➢采用重力加速度原理进行波浪测量 ➢当波浪浮标随波面变化作升沉运动时，安装在浮 标内的垂直加速度计输出一个反映波面升沉运动 的变化信号，处理后可得到波高的各种特征值及 其对应的周期
第八章 海浪观测
主要内容
✓海浪概述 ✓海浪基本要素 ✓目测海浪 ✓测波仪器简介
1
John Wilder Miles(1920.12.012008.10.20) ➢1942本、1943硕、1944博 ➢1957发表波浪生成机制文章
波浪是怎样生成的？
Owen Martin Phillips(1930.12.302010.10.13) ➢1952本、1955博 ➢1957发表波浪生成机制文章
6 波峰上被风削去的浪花，开始沿着波浪斜面伸长成带状，波峰出现风暴 波的长波形状
7 风削去的浪花布满了波浪斜面，有些地方到达波谷，波峰上布满浪花层
8 稠密的浪花布满波浪斜面，海面变成白色，只有波谷有些地方没有浪花 9 整个海面布满稠密的浪花层，空气中充满水滴和飞沫，能见度显著降低
25
二、波型观测 1. 波型 ➢风浪：波型极其不规则，背风面较陡，迎风面较 平缓，波峰较大，波峰线较短，4~5级风时，波峰 翻倒破碎，出现白浪，波向一般与平均风向一致， 有时偏离平均风向20˚左右 ➢涌浪：波型较规则，波面圆滑，波峰线较长，波 面平坦，无破碎现象
➢连续站：每3小时一次，2、5、8、11、14、17、20、 23时观测 ➢大面站：船到站即观测
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)。
海洋预报与防灾减灾标准术语
海洋预报与防灾减灾标准术语海洋预报与防灾减灾标准术语1 海洋预报1.1 数值预报numerical forecasting根据海洋实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写海气演变过程的流体力学和热力学方程组，预测未来一定时段海洋运动状态的过程。
1.2 资料同化data assimilation利用各种非常规海洋资料，使其与常规海洋观测资料融合为有机整体，为海洋数值预报提供初始场以及综合利用不同时次的海洋观测资料，将其所包含的时间演变信息转化为要素场空间分布状况的过程。
1.3 数值预报释用技术interpretation and application technology of numerical forecasting采用统计学和动力学等方法，对海洋数值预报结果进行分析、订正，最终给出更为精确的客观要素预报结果或者特殊服务需求的预报产品的过程。
1.4 统计预报statistical forecasting根据统计学原理，采用概率论和数理统计方法所作的海洋预报。
1.5 集合预报ensemble forecasting为了解决海洋数值预报结果的不确定性，采用初值扰动、多物理过程和多模式的方法，进行系列预报并将这些预报进行集合的过程。
1.6 临近预报proximity forecasting当时的海洋监测和0-3小时的外推海洋预报。
1.7 短期预报short-range forecasting时效在3天以内的海洋预报。
1.8 风暴潮预报storm surge forecasting综合利用数值预报、统计预报、数值预报释用等预报技术，对由台风、温带气旋、强冷空气等天气过程引起的沿岸增水（减水）的幅度和时间提前给出预测结果的过程。
1.9 海浪预报sea wave prediction综合利用数值预报、统计预报、数值预报释用等预报技术，对海面的有效波高、波周期等波浪参数提前给出预测结果的过程。
第八讲 海洋中的波动
辐聚
高压 中心
辐散
高压中心向辐聚区运动 使Rossby波向西传
北半球罗斯贝的传播
罗斯贝波的生成
• 大洋中的扰动、开尔文波激发等
厄尔尼诺的一种机制
• 罗斯贝波从赤道附近的异常 暖的海面向西传播（厄尔尼 诺期间）。
• 当它达到海洋的西边界时会 被反射，形成开尔文波，这 种波向东传，它起着抵消或 改变海面暖信号的作用，引 发降温事件（拉尼娜期间）
• 1983年，中国加入ITWS • 目的：在海底设置压力传感器与海
面浮标相连，尽早发现海啸
海啸的预报和预警
• 2011年，中国开始一项“巨大的工程”— —“东海海底观测网”，将在未来五年内建 成
同济大学汪品先院士
海洋内波
• 海洋内部不是均匀的，任何密度、温度、盐度剧 烈变化产生分层效应
• 海洋内部任何两层界面处均可能存在波动，称之 为内波
• 波浪破碎后形成沿着海岸线流动的沿岸流 • 沿岸流最终以离岸流回流到海中
离岸流对游泳者造成极大威胁！
James B Lushine
Courtesy Miami Herald
离岸流的间隔与破碎带宽度成正比
波浪浮标
海浪的观测
声学波浪浮标
卫星高度计测波高
风暴潮
风暴潮
气象潮与风暴潮
• 由气象原因引起的局部海洋水面非周期性的升降 现象，称为气象潮。
• 整个厄尔尼诺事件循环所需 时间是由这些波传播的速度 决定的，它大约需要2年。
第八章 海洋中的波动
• 周期性或准周期性运动随时间 在空间中传播的现象称为波动。
按照成因划分： • 海浪：由风引起的水重力波 • 潮波：引潮力引起 • 海啸：海底地震引起 • 风暴潮：气压骤降引起 • 开尔文波和罗斯贝波
越浪量计算正文解释
越浪量计算正文解释海浪是由风吹动海面引起的水体运动，它是海洋中最常见的波浪形式。
海浪的起因是风力的作用，海洋上的风吹动了海面，使水体产生起伏和波动，形成了波浪。
海浪的强度和能量会受到多种因素的影响，例如风速、风向、水深、海流等。
为了描述海浪的特征和变化情况，在海洋观测中通常会使用一些指标和参数进行测量和计算。
其中，越浪量是一种重要的海浪参数，它可以用于反映海浪的能量大小和波动强度。
越浪量的计算通常基于测量的海浪高度数据。
海浪高度是指波浪的顶峰与谷底的垂直距离，可以通过测量仪器或人工观测来获取。
在进行越浪量计算时，首先需要收集一段时间内的连续海浪高度数据。
这些数据可以通过浮标、摄像机、声纳等设备进行实时监测，也可以通过人工观测和记录得到。
在获得连续的海浪高度数据后，就可以进行越浪量的计算了。
计算越浪量的常用公式是Rayleigh平均法，它可以通过海浪高度数据的频谱分析来估算海浪的能量。
Rayleigh平均法的基本思想是将海浪的时域信号转化为频域信号，通过对频谱进行积分和平均得到海浪的能量谱和越浪量。
通过越浪量的计算，可以得到不同时间段内海浪的平均能量和波动强度。
这些数据对于海洋工程、航海、渔业等领域的决策和规划非常重要。
海洋工程中需要考虑海浪对建筑物、船只、桥梁等的冲击和影响，而航海和渔业方面需要了解海浪的强度和变化，以便进行航线规划和作业安排。
此外，越浪量的计算还有助于对海浪的研究和预测。
通过对海浪能量的分析和越浪量的计算，可以揭示海洋系统中不同尺度的海浪活动规律和变化趋势，有助于预测未来的海浪情况以及研究气候变化对海浪的影响。
总之，越浪量计算是一种重要的海浪分析方法，可以通过海浪高度数据的测量和公式的运算，估算海浪的能量和波动强度。
这些数据对于海洋工程、航海、渔业的决策和规划非常重要，也有助于海浪研究和预测。
海浪的分类及基本要素
一、斯托克斯波浪理论
二 阶 波
二、椭圆余弦波理论
椭圆余弦波是指水深较浅条件下的有限振幅、长周期波，它用椭 圆余弦函数cn来描述它的波剖面，因此得名。
二、椭圆余弦波理论
当模数k为0时，有：
Kห้องสมุดไป่ตู้
k
E
k
2 0
d
2
cn2
2K
k
x L
t T
,
k
孤立波发生在极浅水域，波峰变尖，波谷变平，波峰形状变得和波 长、周期无关，表现为一个孤立的移动波，整个波峰都处于静水面 以上。令椭圆余弦波的模数k=1，得到的即是孤立波。
四、波浪理论的适用范围
➢ 微幅波波高微小，小波陡。 ➢ 斯托克斯波考虑了波陡的影
响，波峰较窄、 波谷较宽， 接近于摆线形状。 ➢ 椭圆余弦波适用浅水，反映 出波陡和相对波高的影响。 ➢ 孤立波理论是椭圆余弦波在水深趋于无限小的极限状态时的 波动理论，它的整个波面分布 在静水面之上，且波长趋于无 限大。
z)] sin(kx t)
z 2 ch(kd )
L d
EK
1 16
gH 2L
六、线性波的能量及传输
一个波的波浪位能：
Z
EP
L 0
00
gzdzdx
L 0
g
2
02
dx
η0
X
微幅波
0
H 2
cos kx
t
L d
EP
1 16
gH 2L
海洋工程中海啸的数值模拟与预测
海洋工程中海啸的数值模拟与预测海洋工程在现代科技的不断发展中扮演着越来越重要的角色。
然而，海洋工程也面临着各种灾害和挑战，其中之一就是海啸。
海啸是由于地震、海底火山爆发、滑坡或其他突发事件引起的大规模海洋波浪。
在海洋工程设计和运营过程中，准确地预测和模拟海啸对于保障人们的生命财产安全至关重要。
数值模拟和预测海啸的方法已经成为海洋工程领域中不可或缺的工具。
数值模拟的基本原理是将海洋运动的基本方程组通过计算机编程进行离散化，并通过数值方法求解这些方程。
通过利用计算机高性能和信息处理能力，数值模拟可以精确地模拟出海洋中的各种复杂过程，如传播、衰减和相互作用等。
预测海啸则是通过分析历史海啸事件的数据和相关参数，利用统计学和概率模型来预测未来可能发生的海啸。
数值模拟海啸包括模拟海啸的生成、传播和击岸过程。
首先，模拟海啸的生成通常涉及到地震或其他潜在引起海洋波浪的事件模拟。
通过考虑地震发生的震源参数以及海底地形的等效性，可以将地震引发的海啸生成进行数值模拟。
其次，模拟海啸的传播是对海洋波浪在不同深度中传播过程进行数值计算。
通过建立复杂的数学模型，考虑海洋的各种因素，如摩擦、反射和折射等，可以预测海啸在不同方向上的传播速度和传播范围。
最后，模拟海啸的击岸过程是对海啸波浪与海岸线相互作用的数值模拟。
通过考虑海岸线的地形特征和海洋波浪的能量转换等因素，可以预测海啸波浪在击打海岸线时的高度和能量。
预测海啸一般是通过搜集历史海啸事件的数据和其他相关参数，利用统计学和概率模型进行预测。
通过分析历史海啸事件的数据，可以发现一些与海啸发生相关的规律和因素。
例如，发生海啸的地震的震级、震源深度和震源位置等参数对海啸的规模和传播范围有重要影响。
同时，考虑到不同地区的地质和地理条件的差异，预测海啸还需要考虑海岸线的地形特征以及附近水域的深度和潮汐等因素。
通过建立统计学模型，结合这些因素，可以进行更加准确的海啸预测。
海洋工程中海啸的数值模拟和预测可以为设计和运营海洋工程提供重要的参考依据。