海浪譜

海浪譜（ocean wave spectrum） 描述海浪內部能量相對於頻率和方向分布的圖譜。又稱海洋能量譜。是研究海浪的重要概念。海浪譜不僅表明海浪內部構成，還能給出海浪的外部特徵。

基本介紹

• 中文名：海浪譜
• 外文名：ocean wave spectrum
• 漢語拼音：hailangpu
• 研究者：文聖常

名稱

海浪可視作由無限多個振幅不同、頻率不同、方向不同、位相雜亂的組成波組成。這些組成波便構成海浪譜。此譜描述海浪能量相對於個組成波的分布，故又名“能量譜”、“功率譜”和“方向譜”。 它是隨機海浪的一個重要統計性質，它不僅包含著海浪的二階信息，而且還直接給出海浪組成波能量相對於頻率和方向的分布。它用於描述海浪內部能量相對於頻率和方向的分布。

文聖常院士是中國著名海洋學家。

文聖常院士

作用

海浪譜不僅表明海浪內部由哪些組成波構成，還能給出海浪的外部特徵。比如，理論上可由譜計算各種特徵波高和平均周期，利用這些特徵量連同波高與周期的機率密度分布，可推算海浪外觀上由哪些高低長短不同的波所構成。若已知海浪的譜，海浪的內外結構都可得到描述，因此譜是非常有用的概念。事實上，海浪的研究（包括許多套用問題），大多和譜有關。

頻譜　在海浪譜中，風浪頻譜得到最廣泛的研究，因為它的套用最廣，也最易於得到。但尚無基於嚴格理論的風浪頻譜。已提出的經驗的或半經驗的頻譜很多，大多數用[245-1]的乘積來表達。通常p為5～7，q為2～4，在正量A和B之內。除了數值常數外，還包含風要素（如風速、風時和風區）或浪要素（如特徵波高和周期）作為參量，故譜的形狀隨風的狀態或對應的浪的狀態而變化。上述兩項的乘積代表的譜，在ω=0處為0，在0附近的值很小，ω增加時，它驟然增大至一個峰值，然後隨頻率的增大而迅速減小，在ω→∞時趨於0。這表明譜的頻率範圍在理論上雖為0～∞，但其顯著部分卻集中在譜峰附近。海面上存在的許多波，其顯著部分的周期範圍很小，恰和理論結果相對應。隨著風速的增大，譜曲線下面的面積（從而風浪的總能量或波高）增大，峰沿低頻率方向推移，表明風浪顯著部分的周期增大。

從波面的記錄估計譜，是獲得海浪頻譜的主要途徑。習慣上將譜的估計方法分為相關函式法和快速傅氏變換算法兩種。在電子計算機上計算時，後者比前者更節約時間。20世紀70年代，開始引用最大熵等方法。依此可自不多的資料估計出解析度較高的譜，它適用於非平穩的海浪狀態。

在海浪研究中已提出的頻譜很多常採用的皮爾孫-莫斯科維奇譜，是60年代中期提出的，是在對充分成長的風浪記錄進行譜估計和曲線的擬合時得到的，已為多數觀測所證實。其單側譜的形式為：

[245-01]此處=4.05×10，β=0.74，為重力加速度，U為海面上19.5米高處的風速。

60年代末，按照“北海聯合海浪計畫”（JONSWAP），對海浪進行了系統的觀測，提出了一種頻譜，其中包括分別反映能量水平、峰的頻率尺度和譜形在內的5個參量。這種譜表示風浪處於成長的狀態，它具有非常尖而高的峰。對Jonswap譜分析的結果表明，風浪的能量主要通過譜的中間頻率部分傳遞，然後借波與波之間的非線性相互作用，再分別向譜的高頻和低頻部分傳遞。反映這種能量交換的譜，具有穩定的形式。利用此特性，可將譜隨風的變化轉換為其中的參量隨風的變化，從而提供另一種海浪計算或預報的方法。

有一種半經驗的方法，它假定海浪的某些外觀特徵反映其內部結構，由觀測到的波高和周期間的關係，可導出海浪譜。早在50年代初提出的紐曼譜和工程中常使用的布雷奇奈德爾譜，都屬此類，前者p=6，q=2；後者p=5，q=4。有些蘇聯作者採用具有前述形式的頻譜，然後由觀測資料確定其中的常數和參量。

中國學者於50年代末至60年代中期，嘗試自風浪能量的攝取和消耗出發推導出譜，其中包括用風要素作為參量，從而描述譜相對於風時和風區的成長。由這些譜計算波高和周期等要素比較方便，但推導中涉及的能量計算，仍是半經驗性的。

方向譜　方向譜的研究，除理論上的意義外，還可用於大面積海浪的預報，波浪的繞射和折射，水工建築物的作用力和振動，船體、浮標和其他浮體對海浪的反應，以及泥沙運動等問題的研究。但由於觀測上和資料處理上的困難，海浪方向譜的研究遠少於頻譜。

通常將方向譜取為S（ω，θ）=S（ω）·G（ω，θ），其中S（ω）為頻譜，G（ω，θ）為體現能量相對於方向分布的一個函式，θ為海浪主方向（一般取為平均風向）和組成波的波向之間的夾角。G（ω，θ）必須通過觀測得到，其中最簡單的形式為cos。通常取2～4，愈大，能量愈集中於主波向附近。對於淺水波來說，比較大。

為了測量方向譜，可用幾個與海水接觸的測頭組成儀器陣列，記錄的項目可以是波面高度，也可以是水質點的速度、加速度、壓力或作用力。為經濟起見，通常將儘可能少的測頭擺成合理的幾何圖形，以得到最大的解析度。還可用尺寸遠小于海浪波長並跟隨波面運動的自由浮標，記錄波面的高度和兩個方向的波面斜率和曲率，也可以利用壓力、水質點速度或波浪作用力的記錄。此外，航空遙感和衛星遙感也可以確定方向譜。

海浪譜配圖：

海譜浪圖片

研究方式

為研究海浪的重要概念。通常假定海浪由許多隨機的正弧波疊加而成。不同頻率的組成波具有不同的振幅，從而具有不同的能量。設有圓頻率ω的函式S（ω），在ω至（ω+ω）的間隔內，海浪各組成波的能量與S（ω）ω成比例，則S（ω）表示這些組成波的能量大小，它代表能量對頻率的分布，故稱為海浪的頻譜或能譜。同樣，設有一個包含組成波的圓頻率ω和波向θ的函式S（ω，θ），且在ω至（ω+ω）和θ至（θ+ω）的間隔內，各組成波的能量和S（ω，θ）ωθ成比例，則S（ω，θ）代表能量對ω和θ的分布，稱為海浪的方向譜。將組成波的圓頻率換為波數，可得到波數譜；將ω換為2π（頻率 為周期的倒），得到以表示的頻譜S（）數。以上各種譜統稱為海浪譜。

海浪譜（功率譜和方向譜）是隨機海浪的一個重要統計性質，它不僅包含著海浪的二階信息，而且還直接給出海浪組成波能量相對於頻率和方向的分布，這正是海洋工程和航海領域等特別關心的。譜方法已經成為研究海浪及其有關問題的有力工具，如何確定海浪譜（功率譜和方向譜）也成為海浪研究的中心問題之一。

測量方法

海浪方向譜是二維海浪譜，可以描述海浪能量相對於頻率和方向的分布，以及海浪空間的一些統計特徵。儘管海浪方向譜的研究要比海浪頻譜困難的多，但由於海洋研究諸多領域（海氣相互作用、上層海洋動力學、海浪預報、海洋遙感、海洋工程等）的迫切學要，近30年來人們通過各種手段來努力獲取它。獲取海浪方向譜信息主要又兩種方式：直接測量方式和遙感方式。

直接測量方式

又叫現場測量方式，主要有定點測量方法和陣列法兩種。定點測量方法常見的有PUV感測器法和方向波浮筒法。測試儀器包括垂盪/ 縱搖/橫搖浮筒、位移浮筒、速度跟蹤浮筒、流速壓力感測器矩陣（Allender 1989）等。早期的PUV感測器包括電磁速度感測器和壓力 感測器，在使用中要特別注意平均水深的變化，要精確設定壓力感測器和速度感測器的高度。高度不同 會對波浪譜的譜型帶來一定的影響。由於聲學感測器可以進行遠程測量，遠離傳 感器本身的噪聲，而且它的測速精度更高，因此正逐漸取代電磁感測器。如SZS2-1坐底式聲學波流測量儀，該儀器自水底向上垂直測量水體的流速度剖面和波浪高度、反演波浪方向譜及波浪特徵值。系統集流速剖面與波浪方向譜、能譜以及波浪特徵參數測量於一體，可長期連續測量，實時地以圖形方式顯示流速剖面、各層流速、流向，二維、三維波向譜圖和各種輔助感測器的數據。數據以檔案形式存儲並可通過RS-232口實時送出，使用起來非常方便。

陣列法陣列測波儀可以較好地測量波浪信息，但安裝困難，分析複雜。國家海洋局的林明森完成了海浪方向譜的陣列式波浪儀系統的波浪特徵值、方向譜的計算軟體及數據無線傳輸的軟體研製。吳秀傑等採用儀器陣列觀測方案進行了海浪方向譜觀測工作；趙棟樑等在實驗室風浪槽內用儀器陣列觀測了海浪方向譜。

相對而言，波浪浮筒價格相對較低，安裝容易且分析簡單，因此更常用一些，但是容易受損。水下自治運載工具（AUV）是一種比較合適的移動測量器材，它可以作為海洋環境現場測試的移動平台。小型的AUV可以以3～4kn的時速測量3～5 mile的區域，在此區域內分析海浪特性，機動靈活，使用方便。AUV攜帶的感測器和浮筒可以在任何理想位置機動靈活地收集數據，而不必每次更換測量區域都要重新安裝和卸載。美國海軍研究生學院正在開展用PHOENIx—AuV測量方向譜方面的研究工作。總的來說，現場測試方法收集到的各種數據都要通過一定的處理，才能得出方向譜。

遙感方式

常規方法測量海浪方向譜相當困難，大面積的測量幾乎不可能，遙感技術是解決這一問題的有效方 法。遠程遙感技術有微波雷達系統（Tyler 1974）、飛行器（McLeish，1980）以及衛星(Monaldo 1984）系統等。

SAR圖像獲取海浪方向譜

高解析度的合成孔徑雷達(SAR）圖像能夠測量海浪方向譜，從SAR圖像獲取海浪方向譜相當複雜，國際上許多學者在這方面做過研究。利用SAR圖像獲取海浪方向譜的方法主要有三種：第一種是直接利用線性傳遞函式變換方法求得海浪方向譜；第二種是利用SAR圖像譜到海浪方向譜非線性前向變換進行疊代求逆求得海浪方向譜；第三種是參數化方法，直接利用圖像譜獲取海浪方向譜。SAR參數法方法提取海浪方向譜的步驟是：（1）讀取SAR波模式圖像數據，將每一塊圖像分成4塊子圖像；（2）將上述每一子圖像進行傅立葉變換，獲得它們的圖像譜，將每一塊圖像中的4圖像譜進行平均，獲取每一塊圖像的圖像譜；（3）最佳化求逆，利用格線法最佳化方法獲取使價值函式取最小值時的參數，並提取海浪方向譜。

船用雷達圖像分析

近20年來，普通的航海雷達已經用於海浪方向譜方面的分析，雷達接收到附近海域的回波，這些海 洋信號通常被稱為海洋雜波，被當成噪聲處理。要用航海雷達分析海面圖像，至少要有3m/s以上的海 風，風速、波浪傾斜以及波高等都會對雷達圖像產生影響。對這些信息進行分析，可以得出海況分析所需要的波浪譜、波浪周期、傳播方向和有義波高等參數 信息。德國GKSS研究中心（Ziemer，1991；Dittmer，1995）開發了一種可處理海洋雜波的系統（WaA4oS II），該系統由1個常規的航海雷達、1個對模擬雷達圖像信號進行數位化的A/D轉換器，1台用於實時數據處理的計算機組成。

計算方法

主要方法有二：一是利用觀測得到的波高、周期的推導，得出半理論、半經驗形式的海浪譜；二是利用某一固定點測得的波面隨時間變化的這段記錄，來推算相關函式，然後求譜。也有通過建立能量平衡方程式來求譜。得到的譜，主要是建立在觀測數據的基礎上求出的。但由於缺乏精確的風和海浪的觀測資料，故已提出的一些譜，彼此相差較大。海浪譜的分析研究是很重要的，根據海浪譜，可以較合理地設計防坡堤及海面對雷達的反射部分，利用海浪譜，可以算出波高、周期等海浪要素。有的國家根據海浪譜設計出自動控制系統，來以校正軍艦上武器發射偏差。