海浪谱的介绍

1. 海浪谱的介绍

海浪可视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、位相杂乱的组成波组成。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”、“功率谱”和“方向谱”。 它是随机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组成波能量相对于频率和方向的分布。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。

2. 海浪的海浪谱

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。

3. 海浪谱的作用

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。已提出的经验的或半经验的频谱很多，大多数用[245-1]的乘积来表达。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。其单侧谱的形式为：[245-01]此处=4.05×10，β=0.74，为重力加速度，U为海面上19.5米高处的风速。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。海浪谱配图：

4. 海浪谱的名称

【】【中文名】海谱浪【英文名】【中国最著名的】文圣常院士是中国著名海洋学家。

5. 什么是海浪谱？

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各组成波的分布，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。
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。

6. 海浪谱的研究方式

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（功率谱和方向谱）是随机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组成波能量相对于频率和方向的分布，这正是海洋工程和航海领域等特别关心的。谱方法已经成为研究海浪及其有关问题的有力工具，如何确定海浪谱（功率谱和方向谱）也成为海浪研究的中心问题之一。

7. 什么是海浪方向谱？

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，来校正军舰上武器发射偏差。

8. 海浪谱的计算方法

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。得到的谱，主要是建立在观测数据的基础上求出的。但由于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。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。