海浪系列（一）——基本性质

海浪是发生在海洋中的一种波动现象。我们这里指的海浪是由风产生的波动，其周期为0．5至25秒，波长为几十厘米到几百米，一般波高为几厘米到20米，在罕见的情况下波高可达30米以上。

海浪可分为风浪、涌浪和近岸浪3种。

风浪，指的是在风的直接作用下产生的水面波动。

涌浪，指的是风停后或风速风向突变区域内存在下来的波浪和传出风区的波浪。

近岸浪，指的是由外海的风浪或涌浪传到海岸附近，受地形作用而改变波动性质的海浪。

海浪是十分复杂的现象，研究海浪对海洋工程建设、海洋开发、交通航运、海洋捕捞与养殖等活动具有重大意义。

海浪（英语：wave）是发生在海洋表面上的表面波，即沿着水与空气界面间传行的一种波动，属于重力波的一种类型。当风吹起时，风所带来的压力及摩擦力对海洋表面的平衡态产生扰动，一些能量自风转移到水上。水能够自风得到能量是因为两者间的摩擦力，使得表面粒子以椭圆式运动移动着，这种椭圆式运动是纵波（往覆运动）与横波（上下运动）所合成。海浪的波动有随机性；因为海面的风速、风向随时随地变化，所以海浪通常是杂乱无章的，其波高、波长和周期都为随机量。

海浪的基本性质：

折射

海浪传播时因水深变化不断改变方向的现象。主要在近岸浅水，海浪在水深小于其波长一半的水中传播时，波速随深度的减小而降低。波峰线、等深线不平行时，同一波峰线上各点的水深不同，位于较深处一端波峰速度大于较浅处一端的速度，波峰线弯转，有波峰线逐渐和等深线平行的趋势，与波峰线垂直的波向线也随之弯转。

对于频率单一的规则波动，折射的规律和光折射的规律类似。海浪总是沿着需时最短的路径传播。如果把海浪看成是由许多组成波叠加成，问题归结为求折射后的谱。除地形外，摩擦、水流、风、非线性效应等，都能影响海浪的折射。

绕射

当海浪在传播过程中遇到防波堤、岛屿等障碍物时，可以“绕”过障碍物传到其掩蔽区。海浪绕射对海港的设计、建筑有重要意义，因为港内的泊稳条件同海浪绕射有密切关系。在实际中，常对几种典型的掩蔽物（单堤、双堤等）绘制出绕射图解。方便计算出海浪在掩蔽区内、外部任意点处绕射后的波要素。

反射

海浪在传播中遇到障碍物，还可产生反向传播的现象。海浪的反射波和原来的入射波叠加在一起，有时可在障碍物前面形成驻波，振幅可达原入射波振幅的两倍。因此，在决定建筑物的高度、强度时，须考虑反射。另外，港内海浪的反射，可增加港内水面的振动，不利于船舶的停靠等。

当海浪遇到理想的光滑垂直平面障壁时发生全反射，入、反射波振幅相等，入、反射角相等；但实际障碍物反射时，可能一部分能量以渗透波渗入有孔隙的结构物内，一部分能量因摩擦发生波面破碎等消耗，仅一部分能量以反射波反射回来，反射波波高比入射波小。反射系数决定于障碍物坡度、粗糙度，结构、透水性，入射角等。

海浪 - 海浪的形成

海浪是海水的波动现象。 

“无风不起浪”和“无风三尺浪”的说法都没有错，事实海上有风没风都会出现波浪。通常所磨拳擦掌海浪，是指海洋中由风产生的波浪。包括风浪、涌浪和近岸波。无风的海面也会出现涌浪和近岸波，这大概就是人们所说“无风三尺浪”的证据，但实际上它们是由别处的风引起的海浪传播来的。广义上的海浪，还包括天体引力、海底地震、火山爆发、塌陷滑坡、大气压力变化和海水密度分布不均等外力和内力作用下，形成的海啸、风暴潮和海洋内波等。它们都会引起海水的巨大 波动，这是真正意义上的海上无风也起浪。 

海浪是海面起伏形状的传播，是水质点离开平衡位置，作周期性振动，并向一定方向传播而形成的一种波动，水质点的振动能形成动能，海浪起伏能产生势能，这两种能的累计数量是惊人的。在全球海洋中，仅风浪和涌浪的总能量相当于到达地球外侧太阳能量的一半。海浪的能量沿着海浪传播的方向滚滚向前。因而，海浪实际上又是能量的波形传播。海浪波动周期从零点几秒到数小时以上，波高从几毫米到几十米，波长从几毫米到数千千米。 

风浪、涌浪和近岸波的波高几厘米到20余米，最大可达30米以上。风浪是海水受到风力的作用而产生的波动，可同时出现许多高低长短不同的波，波面较陡，波长较短，波峰附近常有浪花或片片泡沫，传播方向与风向一致。一般而言，状态相同的风作用于海面时间越长，海域范围越大，风浪就越强；当风浪达到充分成长状态时，便不再继续增大。风浪离开风吹的区域后所形成的波浪称为涌浪。根据波高大小，通常将风浪分为10个等级，将涌浪分为5个等级。0级无浪无涌，海面水平如镜；5级大浪、6级巨浪，对应4级大涌，波高2～6米；7级狂浪、8级狂涛、9级怒涛，对应5级巨涌，波高6.1米到10多米。 

海洋波动是海水重要的运动形式之一。从海面到海洋内部，处处都存在着波动。大洋中如果海面宽广、风速大、风向稳定、吹刮时间长，海浪必定很强，如南北半球西风带的洋面上，常的浪涛滚滚；赤道无风带和南北半球副热带无风带海域，虽然水面开阔，但因风力微弱，风向不定，海浪一般都很小。

海浪 - 海浪为什么迎岸而来

海面上的波浪在深海处传播的速度总是比浅海处的传播速度快，越是近海岸，海水越浅，波浪的速度越慢。若用虚线AB表示海岸附近深水域与淡水域的分界线，那么在深水域中，海浪在第1、2、3……、11秒走过的距离较大（因为速度快），因此，线条之间的间隔大；在浅水域中，同样花费1秒钟时间，海浪经过的距离短，表现为线条之间的间隔小。因此，在分界线处发生了海浪的波长和传播方向的改变，海浪的传播方向变得渐渐垂直于海岸线了。由于越靠近海岸的海水越浅，因此，海浪的速度也渐渐慢下来，这就使它的传播方向越来越垂直于海岸线。当我们站在海岸面向大海时，由于看到的海浪都是以垂直于海岸线的方向一排排袭来，我们就感到海浪是迎你而来的。

在远离海岸的大海深处，海浪的行进方向取决于海风与海流的方向，并不一定朝观察者迎面而来。

海浪—海浪谱

海浪可视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、相位杂乱的组成波组成。这些组成波便构成海浪谱。此谱描述海浪能量相对于个组成波的分布，故又名“能量谱”。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。为研究海浪的重要概念。通常假定海浪由许多随机的正弧波叠加而成。不同频率的组成波具有不同的振幅，从而具有不同的能量。设有圆频率ω的函数S（ω），在ω至(ω＋ω)的间隔内,海浪各组成波的能量与S(ω)ω成比例,则S(ω)表示这些组成波的能量大小，它代表能量对频率的分布,故称为海浪的频谱或能谱。同样,设有一个包含组成波的圆频率ω和波向θ的函数S(ω,θ)，且在ω至(ω＋ω)和θ至(θ＋ω)的间隔内，各组成波的能量和S(ω,θ)ωθ成比例，则S(ω,θ)代表能量对ω和θ的分布，称为海浪的方向谱。将组成波的圆频率换为波数，可得到波数谱；将ω换为2π（频率为周期的倒），得到以表示的频谱S()数。以上各种谱统称为海浪谱。

海浪谱不仅表明海浪内部由哪些组成波构成，还能给出海浪的外部特征。比如，理论上可由谱计算各种特征波高和平均周期，利用这些特征量连同波高与周期的概率密度分布，可推算海浪外观上由哪些高低长短不同的波所构成。若已知海浪的谱，海浪的内外结构都可得到描述，因此谱是非常有用的概念。事实上，海浪的研究（包括许多应用问题），大多和谱有关。

频谱

在海浪谱中,风浪频谱得到最广泛的研究,因为它的应用最广，也最易于得到。但尚无基于严格理论的风浪频谱。通常p为5～7，q为2～4,在正量A和B之内。除了数值常数外，还包含风要素（如风速、风时和风区）或浪要素（如特征波高和周期）作为参量，故谱的形状随风的状态或对应的浪的状态而变化。上述两项的乘积代表的谱，在ω=0处为0，在0附近的值很小，ω增加时，它骤然增大至一个峰值，然后随频率的增大而迅速减小,在ω→∞时趋于0。这表明谱的频率范围在理论上虽为0～∞,但其显著部分却集中在谱峰附近。海面上存在的许多波，其显著部分的周期范围很小,恰和理论结果相对应。随着风速的增大,谱曲线下面的面积（从而风浪的总能量或波高）增大，峰沿低频率方向推移，表明风浪显著部分的周期增大。

从波面的记录估计谱，是获得海浪频谱的主要途径。习惯上将谱的估计方法分为相关函数法和快速傅氏变换算法两种。在电子计算机上计算时，后者比前者更节约时间。20世纪70年代，开始引用最大熵等方法。依此可自不多的资料估计出分辨率较高的谱，它适用于非平稳的海浪状态。

在海浪研究中已提出的频谱很多常采用的皮尔孙-莫斯科维奇谱,是60年代中期提出的,是在对充分成长的风浪记录进行谱估计和曲线的拟合时得到的，已为多数观测所证实。

60年代末,按照“北海联合海浪计划”（JONSWAP），对海浪进行了系统的观测，提出了一种频谱，其中包括分别反映能量水平、峰的频率尺度和谱形在内的5个参量。这种谱表示风浪处于成长的状态，它具有非常尖而高的峰。对Jonswap谱分析的结果表明,风浪的能量主要通过谱的中间频率部分传递，然后借波与波之间的非线性相互作用，再分别向谱的高频和低频部分传递。反映这种能量交换的谱，具有稳定的形式。利用此特性，可将谱随风的变化转换为其中的参量随风的变化，从而提供另一种海浪计算或预报的方法。

有一种半经验的方法，它假定海浪的某些外观特征反映其内部结构，由观测到的波高和周期间的关系，可导出海浪谱。早在50年代初提出的纽曼谱和工程中常使用的布雷奇奈德尔谱，都属此类，前者p＝6，q＝2；后者p＝5，q＝4。有些苏联作者采用具有前述形式的频谱，然后由观测资料确定其中的常数和参量。

中国学者于50年代末至60年代中期，尝试自风浪能量的摄取和消耗出发推导出谱，其中包括用风要素作为参量，从而描述谱相对于风时和风区的成长。由这些谱计算波高和周期等要素比较方便，但推导中涉及的能量计算，仍是半经验性的。

方向谱

方向谱的研究，除理论上的意义外，还可用于大面积海浪的预报，波浪的绕射和折射，水工建筑物的作用力和振动，船体、浮标和其他浮体对海浪的反应，以及泥沙运动等问题的研究。但由于观测上和资料处理上的困难，海浪方向谱的研究远少于频谱。

通常将方向谱取为S(ω,θ)＝S(ω)·G(ω,θ),其中S(ω)为频谱，G(ω，θ)为体现能量相对于方向分布的一个函数，θ为海浪主方向（一般取为平均风向）和组成波的波向之间的夹角。G(ω,θ)必须通过观测得到，其中最简单的形式为cos。通常取2～4，愈大,能量愈集中于主波向附近。对于浅水波来说，比较大。

为了测量方向谱，可用几个与海水接触的测头组成仪器阵列，记录的项目可以是波面高度，也可以是水质点的速度、加速度、压力或作用力。为经济起见，通常将尽可能少的测头摆成合理的几何图形，以得到最大的分辨率。还可用尺寸远小于海浪波长并跟随波面运动的自由浮标，记录波面的高度和两个方向的波面斜率和曲率，也可以利用压力、水质点速度或波浪作用力的记录。此外，航空遥感和卫星遥感也可以确定方向谱。

如何求得海浪谱，主要方法有二：一是利用观测得到的波高、周期的推导，得出半理论、半经验形式的海浪谱；二是利用某一固定点测得的波面随时间变化的这段记录，来推算相关函数，然后求谱。也有通过建立能量平衡方程式来求谱。目前得到的谱，主要是建立在观测数据的基础上求出的。但由于目前尚缺乏精确的风和海浪的观测资料，故已提出的一些谱，彼此相差较大。海浪谱的分析研究是很重要的，根据海浪谱，可以较合理地设计防坡堤及海面对雷达的反射部分，利用海浪谱，可以算出波高、周期等海浪要素。目前，有的国家根据海浪谱设计出自动控制系统，来以校正军舰上武器发射偏差。