波浪分类及能量分布

海洋波动是海水运动的重要形式之一，从海面到海洋内部都存在着波动。波动的基本特点是，在各种外力作用下，水质点离开其平衡位置做周期性的运动，从而导致波形的传播。因此，周期性、波动高度及波形传播等是海水波动的主要特征。它是由风的应力产生而靠重力去恢复平衡的一种波动。由于海浪发生于海面，在深海其涉及的深度仅是不厚的一层，对于浅海其影响可以抵达海底。海浪的周期一般介于1～30s之间。

海浪分为风浪和涌浪。风浪是指在风的直接作用下产生、发展和传播的海浪，它的能量不断由风供给。风浪在外形上明显表现为不对称，迎风面波面平缓，背风面波面陡峭，波峰较短，多数呈现三维状态。当波浪传离风的作用区，或者风突然停止，即没有风外力作用时的海浪称为涌浪。涌浪外形比较规则，波面平滑，前后比较对称，波峰较长，周期和波长也较大。纯粹的风浪和涌浪比较少，多数情况下是两种波浪形态的混合物，即混合浪。混合浪又分为以风浪为主的混合浪和以涌浪为主的混合浪，以及两者相等的混合浪。在波浪观测中，风浪以F表示，涌浪以U表示，以风浪为主的混合浪表示为F/U，以涌浪为主的混合浪表示为U/F，两者均等的混合浪用FU表示。

8.2.3.1 波浪要素

一个简单波动的剖面可用一条正弦曲线加以描述，如图8-29所示，曲线的最高点称为波峰，曲线的最低点称为波谷，相邻两波峰（或波谷）之间的水平距离称为波长（λ），相邻两波峰（或者波谷）通过某固定点所经历的时间称为周期（T），显然，波形传播的速度c=λ/T。从波峰到波谷之间的铅直距离称为波高（H），波高的一半a=H/2称为振幅，是指水质点离开其平衡位置的向上（或向下）的最大铅直位移。波高与波长之比称为波陡，以δ=H/λ表示。在直角坐标系中取海面为xoy平面，设波动沿x方向传播，波峰在y方向将形成一条线，该线称为波锋线，与波锋线垂直指向波浪传播方向的线称为波向线。

图8-29 波浪要素

波向和风向一样，指波浪的来向，用16个方位记录。“周期”指平均周期；“波高”指连续100个波中，按波高从大至小排列，前10个大波的平均值；而“最大波高”指100个波高中的最大值，使用时应特别注意。波面自上而下跨过横轴的交点称为下跨零点，而自下而上跨过横轴的交点称为上跨零点。相邻的两个上跨零点（可跨零点）间的时间间隔称为周期，由此依次读取的各个周期是不等的，其平均值称为平均周期。统计表明，无论采用上跨零点或下跨零点定义波高和周期，其平均值是基本相同的。表示某海区各向各级波浪出现频率及其大小的图称为波浪玫瑰图（见图8-30）。为绘制波浪玫瑰图，应对海区多年的波浪观测资料进行统计整理，先将波高或周期分级，一般波高可每间隔0.5～1.0m为一级，周期每间隔1s为一级，然后从月报表中统计各向各级波高或周期的出现次数，并除以统计期间的总观测次数，即得频率。为得到可靠的波浪玫瑰图，一般需1～3年的连续资料，或选择有代表性的典型年份的资料。

8.2.3.2 波浪类型

海洋中的波浪有很多种类，引起的原因也各不相同，例如海面上的风应力，海底及海岸附近的火山、地震，大气压力的变化，日、月引潮力等。被激发的各种波动的周期可从零点几秒到数十小时以上，波高从几毫米到几十米，波长可以从几毫米到几千千米。

海洋中波动的周期和相对能量的关系如图8-31所示。由风引起的周期从（1～30）s的波浪所占能量最大；周期从30s至5min，为长周期重力波，多以长涌或先行涌的形式存在，一般是由风暴系统引起的。从5min到数小时的长周期波主要由地震、风暴等产生，它们的恢复力主要为科氏力，重力也起重要作用。周期（12～24）h的波动，主要是由日、月引潮力产生的潮波。

图8-30 波浪玫瑰图

图8-31 各种波的相对能量

波浪分类可从不同角度给出不同的称谓。例如：按相对水深（水深与波长之比，即h/λ），可将波浪分为深水波（短波）和浅水波（长波）；按波形的传播与否，有前进波与驻波之分；按波动发生的位置，有表面波、内波和边缘波之分；按成因分，有风浪、涌浪、地震波之分等。

8.2.3.3 现场观测

波浪观测的项目和要求在我国国家海洋局颁布的《海滨观测规范》中规定：海浪观测的项目有海况、波型、波向、波高和周期，同时观测风速、风向和水深。

海浪观测方法的分类，按照安装位置，可以分为水面上测波仪器（航空测波、地波雷达测波）、水面附近测波仪（测波杆、光学测波、重力测波）、水面下测波仪（水压式测波、声学式测波）。(www.xing528.com)

波浪观测仪器按其工作原理，可分为视距测式、测波杆式、压力式、声学式、重力式和遥感测波仪等类型。波浪观测方法有多种，如航空测波法、立体摄影法、雷达测波法、电测法、光学测波法、重力式测波法、水压式测波法、声学式测波法以及目测法等；按仪器布设的空间位置也可分成水下、水面、水上和太空（如卫星遥感）四种观测技术。

1.纯人工目测法

我国沿海海洋系统的最早的观测方法，采用秒表、望远镜等辅助器材，几乎用全人工的方法观测海浪要素，在我国海洋观测史上沿用了几十年。这种方法的优点是不用过于依赖于外界环境因素（电力、仪器），数据的持续性非常好。缺点是虽然观测人员上岗之前都经过了严格的培训考核，但是，由于是纯人工观测，不同人之间的观测误差比较大，数据可信度不够高。

2.光学测波仪法

光学测波仪主要由望远镜瞄准机构、俯仰微调机构、方位指示机构、调平机构和浮筒等组成（见图8-32）。光学测波仪是纯人工目测法的一个发展，在我国海洋波浪观测上沿用至20世90年代末，此种仪器严格地说仍属于目测的范围，其观测的结果要受到观测者主观作用的影响。但是，由于它里面分设了刻度，尤其是望远镜内靠目镜的一端装有透视网格的分划板，其刻度值等于在海面上布设一个直角坐标系统，将望远镜瞄准海上布放的浮筒就能观测波浪的高度和周期。在增加了许多辅助的观测刻度后，其观测的精确度有了很大的提高，是人工观测法向仪器自动观测法发展的一个重要阶段。其优点是比纯目测法精准度有了很大的提高，而且不需要依赖外界环境；缺点跟纯人工观测法一样，就是人为误差不可避免。

3.海浪浮标观测仪法

海浪浮标观测仪由海上浮标、锚链、陆上接收器组成，此方法是我国海浪观测从人工观测向仪器自动化观测的一种里程碑式、也是目前在全国海洋站使用最多的观测方法。它是通过测量浮标自身的垂直加速度，经过积分后计算出波高；再通过计算两个水平方向的斜角和速度变量，测量出浪向。它的优点是纯自动化观测计算，把人为的误差消除，观测数据可靠性高。但是，在使用的过程当中，仍然发现诸多问题。第一是抗风浪能力不足，每当出现强台风强风浪时，经常会出现浮标丢失的状况，导致数据缺失。第二是其测出的海浪方向是单一的（混合浪向），具体的风浪向或涌浪向和海况，还是需要人工观测来弥补。第三是由于国内技术方面的原因，浮标的电池持续力、耐碰磨性、耐腐蚀性都需要提高。

图8-32 光学测波仪

4.地波雷达波浪观测仪法

雷达技术应用与海浪观测，是近年来海浪观测的一个里程碑式发展。让雷达向海面发射电波，接收回来的回波通过波浪雷达回波视频处理系统，再通过数字图像模拟计算出所需要的海浪的参数。这种波浪观测技术比波浪浮标技术的优势是，它不需要在海里安装仪器（在调试好相关系数后），可靠性进一步增强。但是，它也有自己的短板，就是波浪分析雷达图像数据模拟技术还不够完善，还要不断地改进才能更加准确地测出海浪的数据。

根据海洋观测站资料的统计，我国沿岸海域，除南沙群岛以外，年平均波高总的趋势是由北向南递增。渤海沿岸大致为0.3～0.6m；渤海海峡、山东半岛南部和苏浙一带沿岸大致为0.6～1.2m；两广沿岸大致为1.0m；海南岛和北部湾北部沿岸为0.6～0.8m；西沙海域为1.4m。

各海区各季节波浪的大小分布也是不同的。北方海域冬季波浪较大，如渤海海峡冬季平均波高可达1.7m，居全国各海区同期之首。春季各海区平均波高都较小。夏、秋季南方海域平均波高较北方大，西沙海区约为1.4m，两广、福建、浙江沿岸为1.0～1.3m，其他海区大致在0.6～0.9m。

我国沿海的大浪受台风与寒潮大风的影响十分明显，最大波高（指H₁%）的分布：冬季在寒潮大风作用下，北方沿海波浪较大；夏天东南沿海受台风影响，南方沿海波浪较大。最大波高超过10m与平均周期10s以上的大浪多出现在开敞的东海。例如，1986年8月27日用海洋遥测浮标测得我国近海最大波高达18.2m的巨浪，其次浙江嵊山海洋站也曾观测到最大波高17m和周期19.8s的大浪。

8.2.3.4 资料统计

为充分了解路由区波浪特征，应在路由区近岸或岛屿区进行一年波浪观测，用以分析台风期间实测波浪特征，大浪持续时间、有效波高与波向、有效波高与平均周期的联合分布，季风影响下的波谱特征，热带气旋影响下的波谱特征。收集附近长时间序列波浪资料并进行多年、各月、各向波浪出现频率、最大波高、平均波高及相应周期统计分析，计算不同重现期波高。