風浪形成的原理風浪有什么特征
風浪形成的原理風浪有什么特征
風浪在風直接作用下產生的水面波動，風浪的生成和成長的機制是海浪研究中最基本的問題，那么你對風浪的形成了解多少呢?下面就讓學習啦小編來給你科普一下風浪形成的原理。
風浪形成的原理
風在水面吹起波浪，波浪出現后又改變波面附近氣流的流場，因此風浪是風和水面相互作用的產物。這是一個極度復雜的過程，要嚴格加以定量分析是十分困難的。早在19世紀中期和后期，物理學家開爾文和H.von亥姆霍茲，利用平行氣流和氣-水界面的不穩(wěn)定性解釋風浪發(fā)生的原因。20世紀初，物理學家H.杰弗里斯指出，在風作用下波峰兩側的壓力不對稱，并依此計算了風浪的成長。直到40年代初，海洋學家H.U.斯韋爾德魯普和W.H.蒙克將經典液體波動理論和觀測資料結合起來，通過能量平衡計算出風浪的成長。1957年，O.M.菲利普斯和J.W.邁爾斯分別提出各自的模型,以較嚴格的力學方法處理風浪的生成和成長的問題。
風浪的基本特征
風浪中同時出現許多高低長短不等的波，波面較陡，波峰附近通常有浪花或大片泡沫，此起彼伏，瞬息萬變，初看時似無規(guī)律可循，但如果將波高、波長和周期等量視為隨機量，就能用統(tǒng)計學的觀點，研究風浪的運動規(guī)律，并根據風來計算一些特征量，如部分大波或各種波的平均波高和平均周期等。這些代表風浪強度的特征量，決定于風速，風作用區(qū)域(風區(qū))的長短或風作用時間(風時)的久暫。
在一定風速下，風浪隨風區(qū)的擴展和風時的延長而成長。在離風區(qū)上側邊界很遠的地方，風浪只隨時間成長，處于過渡狀態(tài);在風區(qū)上側邊界附近，風浪只隨至此邊界的距離的增大而成長，處于定常狀態(tài)。如果風速一定，則風浪成長至一定的大小時，內部消耗的能量和從風攝取的能量達到平衡。此時，即使風區(qū)和風時不受限制，風浪便不再成長，而處于充分成長的狀態(tài)。1983年《袁家山簡介》：“袁家山，又名呂祖廟、小蓬萊。……據傳，明天啟日本侵占琉球群島，明皇帝派兵部尚書袁可立出征，船行至大海中間，風浪大作。”
風浪的相關信息
與風的關系
風浪是風引起的波浪，風吹到海面，與海水摩擦，海水受到風的作用，隨風飄蕩，海面開始起伏，形成波浪。隨著風速加大和吹風時間增加，海面起伏越來越大，就形成了波浪。
風浪大小和風力大小和風的作用時間有密切關系。南緯40-55度洋面上，是世界著名的大浪區(qū)，海員稱這一緯度為“咆哮的40度”、“瘋狂的40度”，就是因為那里海面遼闊，常年吹猛烈的西風，猛烈的風暴形成巨大的海浪，是典型的風浪。
菲利普斯假定
當風吹行于水面時，氣流中的渦以平均風速移動,這時水面因所受壓力不均勻而產生起伏，形成了波動。氣流中的壓力和產生的波動，均由頻率(或波長)不同的波動成分所構成，當壓力和波動中同一頻率的成分之間發(fā)生共振時，該頻率的波動能量就隨時間線性地增大，風浪即通過此過程生成和成長。他認為生成的波對氣流中的渦和壓力的結構不產生影響，氣流和波動是非耦合的。對于初生的小波，這個假定尚可接受，故上述的共振機制，理論上適用于風浪的生成和成長的初始階段。但測量出的共振理論所需的風中的壓力起伏，難以產生實際的風浪。有的實驗還表明，初生風浪的能量隨時間按指數律成長，且有可能采用其他機制取代菲利普斯的共振機制。
在利用兩種流體的界面不穩(wěn)定性來探討風浪的生成和成長機制的種種嘗試中，最重要的為邁爾斯的切流不穩(wěn)定性理論。他根據風的湍流性質，假定水面上的平均風速隨高度依對數律分布，然后引入水面的小振幅波動(見海浪)，它使原來的平行氣流受到干擾，而產生和波動相聯系的運動及相應的應力。因此，在理論上可證明風在臨界層(位于平均風速等于波速的高度)損失的能量和動量，是通過這種應力向下傳遞，最后由壓力傳輸給波浪的。風傳給波浪的能量，隨時間按指數律成長。這種理論適用于解釋較大的風浪的成長。20多年來，菲利普斯的共振機制和邁爾斯的切流不穩(wěn)定機制，被用來描述風浪生成和成長的兩個階段，邁爾斯還將它們納入一個聯合的模型中。
計算方法
在50年代各國提出的許多風浪要素計算方法中，除早期的特征波方法和譜方法仍被采用外，主要的趨勢是發(fā)展數值方法。數值模型雖然很多，但其共同的困難是，方程中包含的能量攝取和消耗的源函數難以準確計算。因此，一部分學者轉而使譜參量化，并就譜中參量建立方程以求其數值解。但是，這些理論方法都存在困難。由于觀測技術的改進，已累積了豐富的資料，使經驗的風浪計算公式和譜方法仍然受到重視。
理論發(fā)展
多數觀測表明，邁爾斯的不穩(wěn)定性機制提供的能量，遠小于風浪成長的實際需要。為了改進這個理論，曾進行大量的觀測工作和理論工作，主要內容為：①引入波動和氣流湍流間的相互作用。這是在邁爾斯模型中所未考慮的。②在使用的方程中保留非線性項，用數值方法求解。
70年代的風浪理論研究還包括：氣流流線自波面分離所致的遮欄作用，波面破碎的影響，波和波間的非線性相互作用，氣流對波面的切向作用力在能量傳遞中的作用，切流不穩(wěn)定性機制于風浪生成階段的應用等。進入80年代后，出現了斯托克斯波取代小振幅波作為研究風浪的基礎的理論，它雖然使用了嚴密的力學方法和現代化的測量手段，然而對復雜的風浪的生成和成長問題，仍然處于探索階段。
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