海洋上層出現(xiàn)的波動是既多種又復(fù)雜。僅就海浪而言,可能是風(fēng)浪或涌浪,兩者通常統(tǒng)稱為海浪;也可能是兩者同時出現(xiàn)或雖是其中之一,但卻來自不同方向的浪的迭加,這時的浪稱為混合浪。那么,這三種浪如何予以判定?據(jù)定義,答案是簡明的,但付諸實施卻存在著困難。比如,在風(fēng)區(qū)內(nèi),風(fēng)速驟降或風(fēng)向突變后的浪,是風(fēng)浪、涌浪還是混合浪?對歷史的海浪資料又怎樣區(qū)分從而應(yīng)用它們? 在海浪預(yù)報中,判別預(yù)報對象為那種浪是至關(guān)重要的。因為風(fēng)浪和涌浪各有其預(yù)報方法, 若對象辨認(rèn)不準(zhǔn),則將使預(yù)報精度大為遜色。在探討海-氣相互作用時,若波型不明,則將導(dǎo)致算出的海面阻力系數(shù)具有大的誤差。判定海浪是風(fēng)浪或是涌浪還有地貌學(xué)上的意義,因為它們各自塑造的海灘剖面是不同的。下面就來具體說說風(fēng)浪、涌浪和波浪的不同,及它們的傳播形式,并談?wù)勓匕读鳌㈦x岸流和波浪破碎。 風(fēng)浪:由風(fēng)的直接作用所引起的水面波動稱為風(fēng)浪(Wind Wave),其特征是波峰尖削,在海面上分布很不規(guī)律,波峰線短,周期小,當(dāng)風(fēng)大時常常出現(xiàn)破碎現(xiàn)象,形成浪花。風(fēng)浪也稱風(fēng)成波,是在風(fēng)的直接作用下,海洋與湖泊表面產(chǎn)生的波動。風(fēng)浪的基本特征是波面比較粗糙,波形比較尖陡,波向基本與風(fēng)向一致。風(fēng)浪的盛衰決定風(fēng)要素(風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)時或風(fēng)區(qū))的大小。依賴于風(fēng)速和風(fēng)區(qū)變化的海浪狀態(tài)為定常狀態(tài),依賴于風(fēng)速和風(fēng)時變化的海浪狀態(tài)為過渡狀態(tài);在給定風(fēng)速下,風(fēng)區(qū)和風(fēng)時足夠大,海浪達(dá)到最大尺寸,此時風(fēng)傳遞于波的能量與波破碎和渦粘消耗能量達(dá)到平衡狀態(tài)的風(fēng)浪為充分成長狀態(tài)。 風(fēng)區(qū)是指風(fēng)速、風(fēng)向比較一致的風(fēng)作用的水域范圍,風(fēng)區(qū)內(nèi)某點沿風(fēng)向至風(fēng)區(qū)上限的距離為風(fēng)區(qū)長度。風(fēng)時是指平均風(fēng)速作用于水域的時距,也定義為起風(fēng)時刻到推算風(fēng)浪時刻平均風(fēng)速吹于水域的時距。風(fēng)速是指單位時間內(nèi)空氣在水平方向上的距離。風(fēng)向是風(fēng)的來向,習(xí)慣上以風(fēng)向來稱呼風(fēng)的名稱,如北風(fēng)、東風(fēng)等。 涌浪:離開風(fēng)區(qū)傳至遠(yuǎn)處或者風(fēng)區(qū)里風(fēng)停息后所遺留下來的波浪稱為涌浪(Swell),涌浪在海面上的傳播比較規(guī)則。離開風(fēng)作用水域繼續(xù)向外傳播,或在風(fēng)的作用下水域內(nèi)風(fēng)向驟變、風(fēng)速突然下降形成的波動,屬于自由波。涌浪的特征是波面圓滑,波形對稱,波陡小,其波峰線比風(fēng)浪的長,波向明顯。涌浪的大小,決定于風(fēng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)浪大小和向外傳播的距離,涌的周期隨傳播距離增大,而波高隨之減少。風(fēng)暴水域傳播出來的涌浪先頭波,其波速比風(fēng)暴中心移動要快得多,早期人們把觀測到的先頭波用來預(yù)報風(fēng)暴的來襲。 當(dāng)波浪傳至淺水及近岸時,由于水深及地形、岸形的變化,無論其波高、波長、波速及傳播方向都會產(chǎn)生一系列的變化,對海岸工程、海岸地貌的變化均具有重大影響。 涌浪的傳播:當(dāng)海面的風(fēng)力迅速減小、平息或風(fēng)向改變后,海面上遺留下來的波動將不會從原來的風(fēng)場中繼續(xù)攝取能量,但波動不會立即消失。它們在原來海區(qū)繼續(xù)傳播,甚至傳至其他海區(qū),經(jīng)過漫長路程和時間而慢慢消衰。此時的波動稱為涌浪。涌浪在傳播過程中的顯著特點是波高逐漸降低,波長、周期逐漸變大,從而波速變快。這一方面由于內(nèi)摩擦作用使其能量不斷消耗所致,另一方面是由于在傳播過程中發(fā)生彌散和角散所致。由于彌散,波速快、波長大的跑在前面,因此,傳播距離越遠(yuǎn),波長大、周期長的涌浪越占優(yōu)勢地位。但波高卻變得更小,以致在海上難以看到它,然而當(dāng)它傳播到淺水或近岸時,波高又繼而增大,波長減小,常常以波群的形式出現(xiàn),形成猛烈的拍岸浪,表現(xiàn)出驚人的能量,它是沖蝕岸灘的活躍因子之一,對岸邊建筑物破壞性很大,但到此也就結(jié)束了它的生命。 涌浪的傳播距離十分驚人,據(jù)調(diào)查,北太平洋加利福尼亞西南沿岸,夏季緩緩而有力的拍岸浪,竟是由1×104km以外的南極大陸附近的大洋風(fēng)暴產(chǎn)生的波動傳播而來的涌浪所致。涌浪在傳播過程中比較準(zhǔn)確地遵守c2=gλ/2π的關(guān)系,但傳至近岸淺水時,更接近于長波的性質(zhì)。 涌浪譜:描述涌浪波能相對于組成諧波頻率和方向分布,刻劃涌浪內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖形或表達(dá)式。涌浪譜譜形特征是組成波的能量集中在譜峰頻率和主波方向附近,反映窄譜譜形。涌浪譜的零階矩表征單位面積內(nèi)涌浪總能量,其平方根與涌浪波高相關(guān);涌浪譜的重心頻率對應(yīng)的周期是涌浪的一種平均周期。 波浪:發(fā)生在氣-水界面上周期為0~30s的隨時間、位置起伏的波動。有生成的水域不同,區(qū)別為水波和海波;由形成的原因區(qū)別為風(fēng)浪、涌浪、近岸波和船行波等。波浪是塑造岸灘地貌、泥沙運動的重要動力因子。對船舶航行與靠泊、通航、港口、水工和海上建筑物均有重要影響。波浪要素是表征海浪的主要特征值,常用的特征值為波型、波向、波高和周期。波型表征波動是風(fēng)浪、涌浪或混合浪的類型;波高表征波動的大??;周期表征波動的周期變化性質(zhì)。另外,常用的特征值波長與波速是通過已經(jīng)的周期和局部水深應(yīng)用波動理論公式計算得到的。波浪要素可通過測波儀觀測得到,也可以通過海浪預(yù)報模式計算得到。 波浪變形:波浪在傳播過程中,波面形狀發(fā)生變化的現(xiàn)象。自深水向岸傳播著的波浪,在深水影響下,波長、波速的變化導(dǎo)致波面形狀發(fā)生變化的現(xiàn)象;同樣在明顯流場水域中傳播的波浪,流速影響著波長、波速的變化,從而導(dǎo)致波面形狀的變化。另外,波浪傳播中,遇到障礙物或散射體,產(chǎn)生波的反射、繞射或散射,也可造成波面形狀變化。 波浪傳播:波浪運動狀態(tài)在水域空間的移動過程成為波浪傳播,波浪傳播不是波動水質(zhì)點移動,只是運動狀態(tài)(如特定的波峰或波谷)在水域空間的移動。波浪傳播受水深、地形和障礙物的影響;在淺水,進(jìn)行波依折射規(guī)律傳播,遇到障礙物在掩護(hù)區(qū)以繞射過程傳播;在深水區(qū),波浪運動狀態(tài)表視波沿波向以波速傳播,波群以群速傳播。 波浪破碎:是指在波浪傳播過程中,波峰水質(zhì)點脫離波面或波峰向前卷倒的破碎過程。波浪破碎分近岸波破碎和深水極限波破碎兩種;近岸波破碎是受水深、海灘坡度及摩擦等因素的影響,使波動性質(zhì)發(fā)生變化,波峰前側(cè)逐漸變陡,后側(cè)變平緩,直至波峰水質(zhì)點脫離波面或波峰向前卷倒的現(xiàn)象。 根據(jù)波面形態(tài)和破碎過程又分溢波、卷波、振波和崩波破碎四種類型。在非常緩的底坡上,波面基本上維持在水平方向的對稱值,波峰前側(cè)開始有浪花,直至海岸附近,波峰前側(cè)布滿浪花,波浪消失的過程,稱為“溢波”破碎;在較陡底坡上,波面隨深度變淺而出現(xiàn)水平不對稱,直至波峰前側(cè)變成垂直,進(jìn)而向前卷倒沖擊波谷,稱為“卷波破碎”;在非常陡的海底坡度上,波峰基本保持一致,水體以湍流形式,移向海岸、滑上岸坡,隨后退回海中,類似駐波振動,稱“振動破碎”;另一種介于卷波與振波之間的波面前側(cè)底部變得垂直,波的基部開始破碎,并有破碎浪花,爬坡類似振波,稱為“崩波破碎”。 沿岸流:有風(fēng)力作用或江河水入海而產(chǎn)生的局部海水沿岸的流動,速度相對穩(wěn)定的海流稱為沿岸流。當(dāng)波浪傳播方向與海岸斜交時,其平行于海岸方向的波流也稱為沿岸流。沿岸流含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),對于沿海漁場和水產(chǎn)養(yǎng)殖具有重要作用,但它所夾帶的泥沙往往讓港口和航道變淺,整治工程對于業(yè)主方運行成本影響較大。 離岸流:由于風(fēng)力或其他原因產(chǎn)生離開海岸的海流即為離岸流。有時受風(fēng)作用沖上海岸的海水的回流,或大洋海流遇到海岸的阻擋使流向發(fā)生變化,產(chǎn)生一反向的逆流也叫離岸流。當(dāng)波浪在近岸破碎時,能把相當(dāng)多的水量帶入破碎區(qū),這些海水最終會經(jīng)過破碎帶重新返回到海洋中,從而也形成了所謂的離岸流。盡管所維持的時間往往只有幾分鐘,所涉及的距離只有破碎帶的2~8倍,但其流速卻相當(dāng)大,有時可達(dá)1.5m/s以上,海濱的游泳者可明顯的感覺到。海岸和海底形狀影響著離岸流的分布情況,對于平直且海底坡度大致相同的海岸,所形成的離岸流大致是等距的,如下圖所示。 離岸流之間順岸邊的流動稱為沿岸流。在海岸彎曲的岸邊如海岬處,波浪輻聚,水量增多,它們沿海岬兩邊向海灣處流動,離岸流往往在灣的中部形成。沿岸流與離岸流,對海岸泥沙的搬運起著重要作用。例如青島第一海水浴場在離岸不遠(yuǎn)的地方存在著比近岸一側(cè)水深較小的淺灘,可能就與離岸流有關(guān)。 ■本文參考《海洋科學(xué)導(dǎo)論》、《海洋測繪詞典》及其他資料等綜合撰寫 |
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