June 2006
海洋要素计算与预报
第五篇
海浪预报分析及计算方法
中国海洋大学物理海洋实验室
管长龙
推荐参考书 《海浪理论与计算原理》，文圣常、余宙文编著，1984， 科学出版社。
பைடு நூலகம்
《随机海浪理论》，徐德伦、于定勇编著，2001，高等
教育出版社。 《Wind-Waves in Oceans》, Igor V. Lavrenov, 2003, Springer. 《Dynamics and Modeling of Ocean Waves》, G. J.
风、涌浪的生成示意图
海浪由深水向浅水的传播
海浪研究的内容
风浪的生成机制：风的能量如何输入给海浪。
风浪的演化：能量耗散与再分配（波-波相互作用）。 海浪统计理论：海浪谱（内部结构）与统计分布（外观特 征）。 海浪破碎：深水波、浅水波。
海浪数值计算 。
近岸波计算。
海浪研究的意义 科学方面： 小尺度海气相互作用：风浪是海气相互作用的产物，反过 来提高了海气交换的效率，特别是风浪破碎对海气交换的 具有加强作用。
体波动理论结合起来。 Jeffreys（1925）在实验室模拟风浪的生成，提出了遮拦 效应（形状阻力）。
Sverdrup-Munk（1947）建立了有效波的能量平衡方程。 因第二次世界大战盟军在Normandy登陆对海浪预报的需
要。将液体波动理论与风浪经验公式结合起来。
海浪研究的历史：实际海浪（二）
上层海洋动力学：海浪的搅拌作用与风浪破碎产生的混合 作用。
与海洋较大尺度运动的相互作用：如内波、流场等。 海洋遥感机理：微波遥感（散射计、高度计，Bragg散射、 镜向反射）。声波从水下遥感海面风速（通过测量风浪破
碎产生的噪声）。
海洋地质：动力沉积地貌、海岸线的长期演化。
不同飞沫滴的产生机制示意图
航线确定。
海洋军事：掠海飞行武器系统等。
海浪研究的历史 液体波动：
Newton, Lagrange, Laplace, Cauchy, Poisson, Rayleigh, Stokes, Airy等人，采用数学力学方法，不考 虑风的作用，理想流体。 为经典位势理论提供了应用领域。
Komen et al., 1994, Cambridge Univ. Press.
研究对象 海浪是指由风的作用而产生的海洋表面重力波。具有如下特征： 小尺度-周期为1-20s，相应的深水波长为1.5-600m。
kz 运动局限于表面。运动的垂向衰减为： e ，当深度为半
个波长时，运动的幅度衰减致表面的 e 4.3% 。
水滴蒸发层（DEL）及热量交换过程的示意图
海气之间一方面通过湍过程交换热量和水汽；另一方面飞 沫滴与DEL之间进行感热交换，并通过蒸发吸收DEL的热 量同时为DEL提供水汽（from Andreas and DeCosmo，2002）
微波在海面反射的示意图
海浪研究的意义 应用方面： 海岸工程（coastal engineering）：港口设计、防波堤、 泊稳条件等。波高决定了设计强度（如材料的种类），周 期决定了结构物的型式。 船舶工程：6个自由度的运动。 近海工程（offshore engineering）。
重力波-重力作为波动的恢复力。 生成波动的扰动源为风的作用。 频散波动。 非横纵波。
海洋中的能谱
(LeBlond and Mysak, 1978)
海浪的分类
按波型分类：
风浪-比较粗糙、不规则、随机性强。 涌浪-离开风作用的海域的海浪，光滑、规则、随机性较 弱，波陡小，为长波。有时也指不能从风获得能量的海浪 组分，如风减弱或转向的情形。 混合浪-呈多谱峰性、多向性。 按水深的影响分类： 深水波-可不计水深的影响，看成为无限深水情形。 有限深度水波-仅考虑深度的影响，忽略深度变化的影响。 浅水波（或近岸波）-通常不考虑风的能量输入，主要考虑 折、绕射及浅水破碎。
Pierson（1952）引入随机海浪模型和海浪谱的概念。
Miles（1957）提出风浪生成的剪切不稳定机制。 Phillips（1957）提出风浪生成的共振不稳定机制。 Hasselmann（1962）提出非线性波-波相互作用引起的 能量传输。 Hasselmann（1974）提出谱形式的风浪破碎引起的能 量消耗。 Hasselmann et al（1973）JONSWAP计划证实了超射 现象，说明了非线性波-波相互作用在风浪成长中的重要 作用。 WAMDI Group（1988）建立了第三代海浪数值模式 WAM。
实际海浪太复杂，当时的理论从未足以解释实际观测。
Rayleigh（1876）指出“The main law of sea waves was the absence of any law”。
海浪研究的历史
实际海浪：
从19世纪末积累了一定数量的海浪观测资料，建立了一
些经验公式。Beaufort（1805）建立了风和海况的关系， 提出了波级（scale of waves）。但未能将这些公式与液
膜滴（film droplets）和喷滴（jet droplets）主要是由于破碎卷入的空 气泡上升到海面时气泡破裂而形成的水滴；飞滴（spume droplets） 是由风切削陡的波峰形成的；溅滴（splash droplets）主要是由波峰 的溢波破碎（spill breaking）或卷波破碎所产生的（from Andreas et al.，1995）