基本介紹
- 中文名：海浪的折射、繞射和反射
- 外文名：refraction,diffraction and reflection of ocean wave
正文,
正文
海浪的折射、繞射和反射是海浪傳播時因水的深度變化而不斷改變傳播方向的現象。這種現象主要發生於近岸淺水中。
當海浪在深度小於其波長的一半的水中傳播時,波速隨深度的減小而降低。，式中為重力加速度，為深度。對周期一定的簡單波動來說,其波速隨著深度的增大而增大。當波峰線和等深線不平行時，同一波峰線上各點的水深不同，位於較深處一端的波峰的移動速度，大於較淺處一端的移動速度，使波峰線彎轉，其彎轉的方向有使波峰線逐漸和等深線平行的趨勢，與波峰線垂直的波向線也隨之發生彎轉。
研究海浪的折射現象，有許多實際意義，因為近岸帶波高的計算，波浪破碎帶的確定，泥沙輸送的研究和海岸防護措施的制訂等，都和近岸帶的海浪折射現象有密切關係。
研究海浪折射時，一般採用兩種不同的途徑：①把實際的近岸海浪抽象成某種規則的特徵波，利用液體波動理論的結果分析此特徵波的折射；②把實際海浪看作是由許多組成波疊加而成,通過分析各組成波的折射,求得折射後的譜或折射後的統計性質。
對於頻率單一的規則波動，折射時所遵循的規律和光折射時所遵循的規律類似。海浪總是沿著需時最短的路徑傳播的。根據這一原理，可以導出確定波向線變化的微分方程。在實際工作中，常常需要繪製海浪折射圖，即對於深度分布已知的近岸水域，給定水域外緣處波浪的周期和方向，然後根據折射理論繪出水域內的波向線（和波峰線）的圖。
如果把海浪看成是由許多組成波疊加而成，則折射的問題就歸結為如何求得折射後的譜。一般可先分析各組成波折射後的方向和能量，進而求得折射後的譜；也可以從能量平衡方程出發，直接解出折射後的譜。這種譜決定了折射後的海浪的統計性質。
折射是一種複雜的波動現象，除地形的影響外，許多其他因素，如摩擦、水流、風、非線性效應等，都能影響海浪的折射。
海浪的繞射 當海浪在傳播過程中遇到防波堤或島嶼等障礙物時，可以“繞”過這些障礙物而傳到它們的幾何掩蔽區內，這就是海浪的繞射。研究海浪的繞射現象，對於海港的設計和建築有重要的意義，因為港內的泊穩條件同海浪的繞射有著密切的關係。研究繞射時常借用光學、聲學、電磁學中處理繞射現象的手段，即通過求解滿足繞射邊界條件的液體波動微分方程，而求得掩蔽區內部和外部的波動要素。如把海浪看作由許多組成波構成的波動，則需要通過各組成波繞射的計算，求得繞射後的譜和繞射後的統計性質。另外，也可通過模型試驗和現場觀測來研究繞射規律。
在實際工作中,常對幾種典型的掩蔽物(如單堤、雙堤等)繪製出繞射圖解。藉助於這種圖解,可以方便地計算出海浪在掩蔽區內部和外部任意點處繞射後的波要素。對於形狀複雜的掩蔽物，利用電子計算機數值求解掩蔽區內的繞射是一種行之有效的手段。
海浪的反射 海浪在傳播過程中遇到障礙物時，除發生繞射外，還可以產生反向傳播的現象，稱為海浪的反射。海浪的反射波和原來的入射波疊加在一起，有時可以在障礙物前面形成駐波，其振幅可達原入射波振幅的兩倍。因此，在決定這些建築物的高程和強度時，必須考慮反射現象。另外，港內海浪的反射，可增加港內水面的振動，不利於船舶的停靠和作業，因此決定港內建築物的布局和結構時，也應考慮到海浪的反射，以便儘可能減少反射的影響。
當海浪遇到理想的光滑鉛直平面障壁時，會發生全反射，這時入射波與反射波的振幅相等，入射角等於反射角；但當海浪遇到實際障礙物而發生反射時，一部分能量可能以滲透波的方式滲入有孔隙的結構物內，一部分能量可能因摩擦作用，發生波面破碎等非線性效應而消耗，只有一部分能量以反射波形式反射回來，故反射波的實際波高比入射波小。如果把反射波的波高對入射波的波高的比率定義為反射係數，則反射係數的大小決定於障礙物表面的坡度、粗糙度，障礙物的結構和透水性，入射波的要素和入射角。反射係數和這些因素的關係是複雜的，還難以從理論上完善處理，只有一些經驗成果，製成圖表，供實際工作者使用。
折射、繞射和反射常常同時出現，如將海底地形和岸邊反射物作為邊界條件引入，直接求解所關心的區域內的流體動力學方程，所得結果即可體現這三者的綜合作用。也有單獨考慮其中的一種現象，例如採用非線性波理論的波速場、考慮側向能通量等，但都未達到完善的程度。這三種現象的研究，仍然是今後的重要課題。
研究海浪的折射現象，有許多實際意義，因為近岸帶波高的計算，波浪破碎帶的確定，泥沙輸送的研究和海岸防護措施的制訂等，都和近岸帶的海浪折射現象有密切關係。
研究海浪折射時，一般採用兩種不同的途徑：①把實際的近岸海浪抽象成某種規則的特徵波，利用液體波動理論的結果分析此特徵波的折射；②把實際海浪看作是由許多組成波疊加而成,通過分析各組成波的折射,求得折射後的譜或折射後的統計性質。
對於頻率單一的規則波動，折射時所遵循的規律和光折射時所遵循的規律類似。海浪總是沿著需時最短的路徑傳播的。根據這一原理，可以導出確定波向線變化的微分方程。在實際工作中，常常需要繪製海浪折射圖，即對於深度分布已知的近岸水域，給定水域外緣處波浪的周期和方向，然後根據折射理論繪出水域內的波向線（和波峰線）的圖。
如果把海浪看成是由許多組成波疊加而成，則折射的問題就歸結為如何求得折射後的譜。一般可先分析各組成波折射後的方向和能量，進而求得折射後的譜；也可以從能量平衡方程出發，直接解出折射後的譜。這種譜決定了折射後的海浪的統計性質。
折射是一種複雜的波動現象，除地形的影響外，許多其他因素，如摩擦、水流、風、非線性效應等，都能影響海浪的折射。
海浪的繞射 當海浪在傳播過程中遇到防波堤或島嶼等障礙物時，可以“繞”過這些障礙物而傳到它們的幾何掩蔽區內，這就是海浪的繞射。研究海浪的繞射現象，對於海港的設計和建築有重要的意義，因為港內的泊穩條件同海浪的繞射有著密切的關係。研究繞射時常借用光學、聲學、電磁學中處理繞射現象的手段，即通過求解滿足繞射邊界條件的液體波動微分方程，而求得掩蔽區內部和外部的波動要素。如把海浪看作由許多組成波構成的波動，則需要通過各組成波繞射的計算，求得繞射後的譜和繞射後的統計性質。另外，也可通過模型試驗和現場觀測來研究繞射規律。
在實際工作中,常對幾種典型的掩蔽物(如單堤、雙堤等)繪製出繞射圖解。藉助於這種圖解,可以方便地計算出海浪在掩蔽區內部和外部任意點處繞射後的波要素。對於形狀複雜的掩蔽物，利用電子計算機數值求解掩蔽區內的繞射是一種行之有效的手段。
海浪的反射 海浪在傳播過程中遇到障礙物時，除發生繞射外，還可以產生反向傳播的現象，稱為海浪的反射。海浪的反射波和原來的入射波疊加在一起，有時可以在障礙物前面形成駐波，其振幅可達原入射波振幅的兩倍。因此，在決定這些建築物的高程和強度時，必須考慮反射現象。另外，港內海浪的反射，可增加港內水面的振動，不利於船舶的停靠和作業，因此決定港內建築物的布局和結構時，也應考慮到海浪的反射，以便儘可能減少反射的影響。
當海浪遇到理想的光滑鉛直平面障壁時，會發生全反射，這時入射波與反射波的振幅相等，入射角等於反射角；但當海浪遇到實際障礙物而發生反射時，一部分能量可能以滲透波的方式滲入有孔隙的結構物內，一部分能量可能因摩擦作用，發生波面破碎等非線性效應而消耗，只有一部分能量以反射波形式反射回來，故反射波的實際波高比入射波小。如果把反射波的波高對入射波的波高的比率定義為反射係數，則反射係數的大小決定於障礙物表面的坡度、粗糙度，障礙物的結構和透水性，入射波的要素和入射角。反射係數和這些因素的關係是複雜的，還難以從理論上完善處理，只有一些經驗成果，製成圖表，供實際工作者使用。
折射、繞射和反射常常同時出現，如將海底地形和岸邊反射物作為邊界條件引入，直接求解所關心的區域內的流體動力學方程，所得結果即可體現這三者的綜合作用。也有單獨考慮其中的一種現象，例如採用非線性波理論的波速場、考慮側向能通量等，但都未達到完善的程度。這三種現象的研究，仍然是今後的重要課題。
