海浪形成的原因_海浪是怎么形成的
海浪形成的原因_海浪是怎么形成的
海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動現(xiàn)象。我們這里指的海浪是由風產生的波動，其周期為0.5至25秒，波長為幾十厘米到幾百米，一般波高為幾厘米到20米，在罕見的情況下波高可達30米以上。下面由學習啦小編為你詳細介紹海浪形成的原因。
海浪形成的原因
海浪是海水的波動現(xiàn)象。
“無風不起浪”和“無風三尺浪”的說法都沒有錯，事實海上有風沒風都會出現(xiàn)波浪。通常所說的海浪，是指海洋中由風產生的波浪。包括風浪、涌浪和近岸波。無風的海面也會出現(xiàn)涌浪和近岸波，這大概就是人們所說“無風三尺浪”的證據(jù)，但實際上它們是由別處的風引起的海浪傳播來的。廣義上的海浪，還包括天體引力、海底地震、火山爆發(fā)、塌陷滑坡、大氣壓力變化和海水密度分布不均等外力和內力作用下，形成的海嘯、風暴潮和海洋內波等。它們都會引起海水的巨大波動，這是真正意義上的無風也起浪。
海浪是海面起伏形狀的傳播，是水質點離開平衡位置，作周期性振動，并向一定方向傳播而形成的一種波動。水質點的振動能形成動能，海浪起伏能產生勢能，這兩種能的累計數(shù)量是驚人的。在全球海洋中，僅風浪和涌浪的總能量相當于到達地球外側太陽能量的一半。海浪的能量沿著海浪傳播的方向滾滾向前。因而，海浪實際上又是能量的波形傳播。海浪波動周期從零點幾秒到數(shù)小時以上，波高從幾毫米到幾十米，波長從幾毫米到數(shù)千千米。
風浪、涌浪和近岸波的波高幾厘米到20余米，最大可達30米以上。風浪是海水受到風力的作用而產生的波動，可同時出現(xiàn)許多高低長短不同的波，波面較陡，波長較短，波峰附近常有浪花或片片泡沫，傳播方向與風向一致。一般而言，狀態(tài)相同的風作用于海面時間越長，海域范圍越大，風浪就越強;當風浪達到充分成長狀態(tài)時，便不再繼續(xù)增大。風浪離開風吹的區(qū)域后所形成的波浪稱為涌浪。根據(jù)波高大小，通常將風浪分為10個等級，將涌浪分為5個等級。0級無浪無涌，海面水平如鏡;5級大浪、6級巨浪，對應4級大涌，波高2～6米;7級狂浪、8級狂濤、9級怒濤，對應5級巨涌，波高6.1米到10多米。
海洋波動是海水重要的運動形式之一。從海面到海洋內部，處處都存在著波動。大洋中如果海面寬廣、風速大、風向穩(wěn)定、吹刮時間長，海浪必定很強，如南北半球西風帶的洋面上，常的浪濤滾滾;赤道無風帶和南北半球副熱帶無風帶海域，雖然水面開闊，但因風力微弱，風向不定，海浪一般都很小。
海浪的主要類型、風浪
風浪，指的是在風的直接作用下產生的水面波動。涌浪，指的是風停后或風速風向突變區(qū)域內存在下來的波浪和傳出風區(qū)的波浪。
近岸浪，指的是由外海的風浪或涌浪傳到海岸附近，受地形作用而改變波動性質的海浪。
海浪是十分復雜的現(xiàn)象，研究海浪對海洋工程建設、海洋開發(fā)、交通航運、海洋捕撈與養(yǎng)殖等活動具有重大意義。
海浪的主要類型、海浪迎岸而來
海面上的波浪在深海處傳播的速度總是比淺海處的傳播速度快，越是近海岸，海水越淺，波浪的速度越慢。若用虛線AB表示海岸附近深水域與淡水域的分界線，那么在深水域中，海浪在第1、2、3……、11秒走過的距離較大(因為速度快)，因此，線條之間的間隔大;在淺水域中，同樣花費1秒鐘時間，海浪經過的距離短，表現(xiàn)為線條之間的間隔小。因此，在分界線處發(fā)生了海浪的波長和傳播方向的改變，海浪的傳播方向變得漸漸垂直于海岸線了。由于越靠近海岸的海水越淺，因此，海浪的速度也漸漸慢下來，這就使它的傳播方向越來越垂直于海岸線。當我們站在海岸面向大海時，由于看到的海浪都是以垂直于海岸線的方向一排排襲來，我們就感到海浪是迎你而來的。
在遠離海岸的大海深處，海浪的行進方向取決于海風與海流的方向，并不一定朝觀察者迎面而來。
海浪的主要類型、海浪譜
海浪可視作由無限多個振幅不同、頻率不同、方向不同、相位雜亂的組成波組成。這些組成波便構成海浪譜。此譜描述海浪能量相對于個組成波的分布，故又名“能量譜”。它用于描述海浪內部能量相對于頻率和方向的分布。為研究海浪的重要概念。通常假定海浪由許多隨機的正弧波疊加而成。不同頻率的組成波具有不同的振幅，從而具有不同的能量。設有圓頻率ω的函數(shù)S(ω)，在ω至(ω+ω)的間隔內，海浪各組成波的能量與S(ω)ω成比例,則S(ω)表示這些組成波的能量大小，它代表能量對頻率的分布，故稱為海浪的頻譜或能譜。
同樣,設有一個包含組成波的圓頻率ω和波向θ的函數(shù)S(ω，θ)，且在ω至(ω+ω)和θ至(θ+ω)的間隔內，各組成波的能量和S(ω,θ)ωθ成比例，則S(ω，θ)代表能量對ω和θ的分布，稱為海浪的方向譜。將組成波的圓頻率換為波數(shù)，可得到波數(shù)譜;將ω換為2π(頻率為周期的倒)，得到以表示的頻譜S()數(shù)。以上各種譜統(tǒng)稱為海浪譜。
海浪譜不僅表明海浪內部由哪些組成波構成，還能給出海浪的外部特征。比如，理論上可由譜計算各種特征波高和平均周期，利用這些特征量連同波高與周期的概率密度分布，可推算海浪外觀上由哪些高低長短不同的波所構成。若已知海浪的譜，海浪的內外結構都可得到描述，因此譜是非常有用的概念。事實上，海浪的研究(包括許多應用問題)，大多和譜有關。
海浪的主要類型、頻譜
在海浪譜中,風浪頻譜得到最廣泛的研究，因為它的應用最廣，也最易于得到。但尚無基于嚴格理論的風浪頻譜。通常p為5～7，q為2～4,在正量A和B之內。除了數(shù)值常數(shù)外，還包含風要素(如風速、風時和風區(qū))或浪要素(如特征波高和周期)作為參量，故譜的形狀隨風的狀態(tài)或對應的浪的狀態(tài)而變化。上述兩項的乘積代表的譜，在ω=0處為0，在0附近的值很小，ω增加時，它驟然增大至一個峰值，然后隨頻率的增大而迅速減小，在ω→∞時趨于0。這表明譜的頻率范圍在理論上雖為0～∞,但其顯著部分卻集中在譜峰附近。海面上存在的許多波，其顯著部分的周期范圍很小，恰和理論結果相對應。隨著風速的增大,譜曲線下面的面積(從而風浪的總能量或波高)增大，峰沿低頻率方向推移，表明風浪顯著部分的周期增大。
從波面的記錄估計譜，是獲得海浪頻譜的主要途徑。習慣上將譜的估計方法分為相關函數(shù)法和快速傅氏變換算法兩種。在電子計算機上計算時，后者比前者更節(jié)約時間。20世紀70年代，開始引用最大熵等方法。依此可自不多的資料估計出分辨率較高的譜，它適用于非平穩(wěn)的海浪狀態(tài)。
在海浪研究中已提出的頻譜很多常采用的皮爾孫-莫斯科維奇譜，是60年代中期提出的,是在對充分成長的風浪記錄進行譜估計和曲線的擬合時得到的，已為多數(shù)觀測所證實。
60年代末，按照“北海聯(lián)合海浪計劃”(JONSWAP)，對海浪進行了系統(tǒng)的觀測，提出了一種頻譜，其中包括分別反映能量水平、峰的頻率尺度和譜形在內的5個參量。這種譜表示風浪處于成長的狀態(tài)，它具有非常尖而高的峰。對Jonswap譜分析的結果表明,風浪的能量主要通過譜的中間頻率部分傳遞，然后借波與波之間的非線性相互作用，再分別向譜的高頻和低頻部分傳遞。反映這種能量交換的譜，具有穩(wěn)定的形式。利用此特性，可將譜隨風的變化轉換為其中的參量隨風的變化，從而提供另一種海浪計算或預報的方法。
有一種半經驗的方法，它假定海浪的某些外觀特征反映其內部結構，由觀測到的波高和周期間的關系，可導出海浪譜。早在50年代初提出的紐曼譜和工程中常使用的布雷奇奈德爾譜，都屬此類，前者p=6，q=2;后者p=5，q=4。有些蘇聯(lián)作者采用具有前述形式的頻譜，然后由觀測資料確定其中的常數(shù)和參量。
中國學者于50年代末至60年代中期，嘗試自風浪能量的攝取和消耗出發(fā)推導出譜，其中包括用風要素作為參量，從而描述譜相對于風時和風區(qū)的成長。由這些譜計算波高和周期等要素比較方便，但推導中涉及的能量計算，仍是半經驗性的。
海浪的主要類型、方向譜
方向譜的研究，除理論上的意義外，還可用于大面積海浪的預報，波浪的繞射和折射，水工建筑物的作用力和振動，船體、浮標和其他浮體對海浪的反應，以及泥沙運動等問題的研究。但由于觀測上和資料處理上的困難，海浪方向譜的研究遠少于頻譜。
通常將方向譜取為S(ω，θ)=S(ω)·G(ω,θ),其中S(ω)為頻譜，G(ω，θ)為體現(xiàn)能量相對于方向分布的一個函數(shù)，θ為海浪主方向(一般取為平均風向)和組成波的波向之間的夾角。G(ω，θ)必須通過觀測得到，其中最簡單的形式為cos。通常取2～4，愈大,能量愈集中于主波向附近。對于淺水波來說，比較大。
為了測量方向譜，可用幾個與海水接觸的測頭組成儀器陣列，記錄的項目可以是波面高度，也可以是水質點的速度、加速度、壓力或作用力。為經濟起見，通常將盡可能少的測頭擺成合理的幾何圖形，以得到最大的分辨率。還可用尺寸遠小于海浪波長并跟隨波面運動的自由浮標，記錄波面的高度和兩個方向的波面斜率和曲率，也可以利用壓力、水質點速度或波浪作用力的記錄。此外，航空遙感和衛(wèi)星遙感也可以確定方向譜。
如何求得海浪譜，主要方法有二：一是利用觀測得到的波高、周期的推導，得出半理論、半經驗形式的海浪譜;二是利用某一固定點測得的波面隨時間變化的這段記錄，來推算相關函數(shù)，然后求譜。也有通過建立能量平衡方程式來求譜。目前得到的譜，主要是建立在觀測數(shù)據(jù)的基礎上求出的。但由于目前尚缺乏精確的風和海浪的觀測資料，故已提出的一些譜，彼此相差較大。海浪譜的分析研究是很重要的，根據(jù)海浪譜，可以較合理地設計防坡堤及海面對雷達的反射部分，利用海浪譜，可以算出波高、周期等海浪要素。目前，有的國家根據(jù)海浪譜設計出自動控制系統(tǒng)，來以校正軍艦上武器發(fā)射偏差。
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