有关波浪的一些基本问题
2007年04月
目 录
1 关于波浪的基本特征参数和名词解释 .............................................. 1
1.1 波浪的基本特征参数 .................................................................................. 1 1.2 有关波浪的名词解释 .................................................................................. 2
2 描述波浪运动的基本理论 .................................................................. 4
2.1 艾利的微幅波理论 ...................................................................................... 4 2.2 斯托克斯的有限振幅波 .............................................................................. 8 2.3 浅水非线性波 ............................................................................................ 13
3 波浪统计特征和谱 ............................................................................ 14
3.1 波浪的统计特性 ........................................................................................ 14 3.2 波谱的简要介绍 ........................................................................................ 17
4 关于风浪计算的一些问题 ................................................................ 21
4.1 一般介绍 .................................................................................................... 21 4.2 几种参数化方法计算公式 ........................................................................ 23
5 波浪传播与变形 ................................................................................ 26
5.1 波浪浅水变形 ............................................................................................ 26 5.2 波浪折射 .................................................................................................... 27 5.3 波浪绕射 .................................................................................................... 28 5.4 波浪传播变形综合计算 ............................................................................ 29 5.5 波浪破碎指标及破波波高 ........................................................................ 29
5.5.1 波浪破碎指标及破波波高 ............................................................. 30 5.5.2 破波分类 ......................................................................................... 32 5.5.3 波浪的增、减水和近岸流 ............................................................. 33 5.6 波浪反射 .................................................................................................... 35
1 关于波浪的基本特征参数和名词解释
波浪是海洋、湖泊等水域常见的一种自然现象。波浪生成原因很多，风是波浪生成的重要因素，故有无风不起浪之说。当然我们还见到无风时的浪，称之为涌浪，这也是由风引起，当风引起波浪传至风作用区域以外，被我们见到。
由于波浪是因风产生，那么波浪大小和风的几个参数如风速、风时、风距等密切相关，对于近岸水域还受水深影响。小风速，作用时间短，作用距离短产生不了大浪。有限风区的水域一般都是风产生的风成浪。风成浪的特点是波周期短。宽阔的水域就会有从远处产生的风浪传至近岸水域的涌浪。波浪传播过程中长周期部分传播速度快，传播距离远，至我们观测处波周期长，故涌浪波周期长。我国沿海观测到除了风浪外，纯涌浪不多，大多是既有风浪部分又有涌浪成分的混合浪。混合浪的周期也比较长。
1.1 波浪的基本特征参数
表示波浪特征的主要有波高、波长或周期和波向等参数：
??波 高H——波谷底至波峰顶的垂直距离????振 幅a——波浪中心线至波峰顶的垂直距离?空间尺度参数??波 面?——波面至静水面的垂直位移?＝??x,t????波 长L——两个相邻波峰顶之间的水平距离????水 深d——静水面至海底的垂直距离。?? 基本参数??波周期T——波浪推进一个波长所需的时间???时间尺度参数?波频率f——单位时间内波动次数 f?1??T?????波 速c——波浪传播速度c?LT。????波向——波浪传来的方向（和水流方向不同?波浪角（圆）频率? ??2?T??波数 k k?2?L 复合参数??波陡 ? ??HL?相对水深 dL或 kd。?
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各参数的定义如下图1.1
zxH波长L波速CSWLd波周期T＝L/C海底
图1.1 推进波参数定义
1.2 有关波浪的名词解释
重力波——我们所关注的因风而生成的波浪，其主要恢复力为重力，故称之为重力波，重力波周期一般在1～30s之间，对海岸工程而言，5～10s周期的波最为常见。
长周期波——周期在30s——5min范围的波称之为长周期重力波。 深水波和浅水波——按相对水深d/L区分，当d/L>0.5时的波称深水波，当d/L<0.04的波称浅水波（也有人以d/L=0.05为界线，即d/L<0.05的波称浅水波），在d/L=0.05~0.5时称过渡波。
推进波——波形相对于水体向前移动的波。
立波或驻波——波形在一固定位置上下波动不向前传播的波。 移动波——波动水质点随波前进而不回到原来位置的波。
规则波和不规则波——波高和波周期不变的波浪称规则波。波高和周期随机变化的波浪称不规则波。目前在考虑泥沙运动方面，多采用规则波，规则波可用波高和周期来代表。而不规则波则应通过统计分析找出其特征波高和周期作为代表值。不规则波内部结构用波谱来表示。
单向和多向不规则波——单一方向传播的不规则波称单向不规则波，多方向传播的波称多向不规则波。由频率谱表示的不规则波即为单向不规则波，而用方向谱表示的则为多向不规则波。
频率谱——波浪能量随频率的分布。 方向谱——波浪能量随频率和方向的分布。
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波峰线——垂直于波浪传播方向相邻的波峰顶点的连线。按此又有长峰波及短峰波的区别。显然，单向不规则波是长峰波，规则波是长峰波，而多向不规则波是短峰波，因为波峰短。
线性波和非线性波——线性波和非线性波是因描述波浪的理论假设及处理方法不同而区分的。流体动力学方程和边界条件只保留线性项所描述的波称线性波，反之则称非线性波。微幅波就是线性波，它假定波动振幅远小于波长，自由水面在静水位处，忽略了边界条件非线性项。Stokes二阶以及二阶以上的波即是非线性波。天然条件下波浪大多是非线性的，只是为了方便常用线性波。而要解决泥沙问题，则应计及波浪的非线性影响。
破碎波——波浪进入岸滩，波浪形状受海底影响，波浪变陡失去平衡发生破碎。波浪将破未破的波高称破碎波高。波浪破碎之后能量大量衰减，波高减小，再向前传播可能再次破碎及多次破碎。
定常波——某一测点的波浪要素不随时间变化的波浪。对于工程而言，在确定波浪要素时，常以定常波为对象。
风距——沿风吹方向自风区上风边界至观测点距离称风距。
最小风时——一定风速在一定风距情况下产生定常波所需的最短风时。 最短风距——一定风速在一定风时内产生定常波所需的最短风距。 充分成长的波——当风距、风时、水深足够大，一定风速所能产生的最大波浪，称充分成长的波。
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