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海浪

(地理名詞)

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海浪(ocean wave)通常指海洋中由風產生的波浪。主要包括風浪湧浪和海洋近海波。在不同的風速、風向和地形條件下,海浪的尺寸變化很大,通常週期為零點幾秒到數十秒,波長為幾十釐米至幾百米,波高為幾釐米至20餘米,在罕見地形下,波高可達30米以上。 [1] 
中文名
海浪
外文名
ocean wave

海浪產生原因

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海浪是發生在海洋中的一種波動現象。我們這裏指的海浪是由風產生的波動,其週期為0.5至25秒,波長為幾十釐米到幾百米,一般波高為幾釐米到20米,在罕見的情況下波高可達30米以上。
海浪是海水的波動現象。
“無風不起浪”和“無風三尺浪”的説法都沒有錯,事實海上有風沒風都會出現波浪。通常所説的海浪,是指海洋中由風產生的波浪。包括風浪、湧浪和近岸波。無風的海面也會出現湧浪和近岸波,這大概就是人們所説“無風三尺浪”的證據,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、塌陷坡、大氣壓力變化和海水密度分佈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,這是真正意義上海上無風三尺浪。
海浪是海面起伏形狀的傳播,是水質點離開平衡位置,作週期性振動,並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,這兩種能的累計數量是驚人的。在全球海洋中,僅風浪和湧浪的總能量相當於到達地球外側太陽能量的一半。海浪的能量沿着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。海浪波動週期從零點幾秒到數小時以上,波高從幾毫米到幾十米,波長從幾毫米到數千千米。
風浪、湧浪和近岸波的波高几釐米到20餘米,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,可同時出現許多高低長短不同的波,波面較陡,波長較短,波峯附近常有浪花或片片泡沫,傳播方向與風向一致。一般而言,狀態相同的風作用於海面時間越長,海域範圍越大,風浪就越強;當風浪達到充分成長狀態時,便不再繼續增大。風浪離開風吹的區域後所形成的波浪稱為湧浪。根據波高大小,通常將風浪分為10個等級,將湧浪分為5個等級。0級無浪無湧,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級巨湧,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,處處都存在着波動。大洋中如果海面寬廣、風速大、風向穩定、吹刮時間長,海浪必定很強,如南北半球西風帶的洋麪上,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。

海浪主要類型

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海浪風浪

海浪
海浪(5張)
風浪,指的是在風的直接作用下產生的水面波動。湧浪,指的是風停後或風速風向突變區域內存在下來的波浪和傳出風區的波浪。

海浪近岸浪

近岸浪,指的是由外海的風浪或湧浪傳到海岸附近,受地形作用而改變波動性質的海浪。
海浪是十分複雜的現象,研究海浪對海洋工程建設、海洋開發、交通航運海洋捕撈養殖等活動具有重大意義。

海浪迎岸而來

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意大利冰涼海浪翻滾拍岸唯美似水晶簾
意大利冰涼海浪翻滾拍岸唯美似水晶簾(6張)
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,那麼在深水域中,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,表現為線條之間的間隔小。因此,在分界線處發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於海岸線了。由於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於海岸線。當我們站在海岸面向大海時,由於看到的海浪都是以垂直於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於海風與海流的方向,並不一定朝觀察者迎面而來。

海浪海浪譜

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海浪風光欣賞
海浪風光欣賞(20張)
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於個組成波的分佈,故又名“能量譜”。它用於描述海浪內部能量相對於頻率和方向的分佈。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佈,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的分佈,稱為海浪的方向譜。將組成波的圓頻率換為波數,可得到波數譜;將ω換為2π(頻率為週期的倒),得到以表示的頻譜S()數。以上各種譜統稱為海浪譜。
海浪襲擊燈塔 海浪襲擊燈塔
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徵。比如,理論上可由譜計算各種特徵波高和平均週期,利用這些特徵量連同波高與週期的概率密度分佈,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。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,也最易於得到。但尚無基於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。除了數值常數外,還包含風要素(如風速、風時和風區)或浪要素(如特徵波高和週期)作為參量,故譜的形狀隨風的狀態或對應的浪的狀態而變化。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,它驟然增大至一個峯值,然後隨頻率的增大而迅速減小,在ω→∞時趨於0。這表明譜的頻率範圍在理論上雖為0~∞,但其顯著部分卻集中在譜峯附近。海面上存在的許多波,其顯著部分的週期範圍很小,恰和理論結果相對應。隨着風速的增大,譜曲線下面的面積(從而風浪的總能量或波高)增大,峯沿低頻率方向推移,表明風浪顯著部分的週期增大。
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法和快速傅氏變換算法兩種。在電子計算機上計算時,後者比前者更節約時間。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,它適用於非平穩的海浪狀態。
在海浪研究中已提出的頻譜很多常採用的皮爾孫-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,已為多數觀測所證實。
巨大的海浪 巨大的海浪
60年代末,按照“北海聯合海浪計劃”(JONSWAP),對海浪進行了系統的觀測,提出了一種頻譜,其中包括分別反映能量水平、峯的頻率尺度和譜形在內的5個參量。這種譜表示風浪處於成長的狀態,它具有非常尖而高的峯。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,然後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徵反映其內部結構,由觀測到的波高和週期間的關係,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佈雷奇奈德爾譜,都屬此類,前者p=6,q=2;後者p=5,q=4。有些蘇聯作者採用具有前述形式的頻譜,然後由觀測資料確定其中的常數和參量。
中國學者於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推導出譜,其中包括用風要素作為參量,從而描述譜相對於風時和風區的成長。由這些譜計算波高和週期等要素比較方便,但推導中涉及的能量計算,仍是半經驗性的。
方向譜
方向譜的研究,除理論上的意義外,還可用於大面積海浪的預報,波浪的繞射和折射,水工建築物的作用力和振動,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。但由於觀測上和資料處理上的困難,海浪方向譜的研究遠少於頻譜。
海浪風光集萃
海浪風光集萃(19張)
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)為體現能量相對於方向分佈的一個函數,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,能量愈集中於主波向附近。對於淺水波來説,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。還可用尺寸遠小於海浪波長並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,航空遙感和衞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週期的推導,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,然後求譜。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據的基礎上求出的。但由於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、週期等海浪要素。目前,有的國家根據海浪譜設計出自動控制系統,來以校正軍艦上武器發射偏差。
參考資料
  • 1.    《中國大百科全書》總編委會.《中國大百科全書》:《中國大百科全書》出版社,2009