什麼是湧浪
通常指風浪離開風吹的區域後所形成的波浪。另外,風速、風向等風要素的突變,也可能使風區內原來的風浪轉變為湧浪。
特徵
湧浪與風浪相比,具有較規則的外形,排列比較整齊,波峯線較長,波面較平滑,比較接近於正弦波的形狀。湧浪在傳播過程中,由於空氣阻力和海水的內摩擦作用,加上湧浪傳播時波動能量被散佈在越來越大的區域內,所以隨着傳播距離的增加。在單位表面積的水柱內,湧浪的能量和波高都不斷減小。湧浪可以看作是由許多振幅不等、頻率不等、傳播方向不同,並具有隨機初相位的正弦波的分量疊加而成。在湧浪的傳播過程中,這些波分量的波動能量,都要隨着傳播距離的增加而減小。但是,這些波分量的衰減是有選擇性的,頻率大的組成波衰減得快,頻率小的衰減得慢,所以隨着傳播距離的增加,高頻分量所佔有的能量的比例越來越小,而低頻的波分量則相對地越來越起着支配作用,因而在傳播過程中,湧浪的外觀週期將不斷增大。隨着週期的增大,波長和波速也相應地增大,而波面的陡度則變得越來越小。另外,因為高頻分量具有使波面變得粗糙的作用,所以在湧浪傳播的過程中,高頻分量的能量比例的降低,也導致波面更加規則和光滑。
研究方法
可歸納為兩類:
(1)把複雜的實際湧浪抽象成簡單的正弦波,進而應用液體波動理論闡明湧浪傳播時的特徵和變化。
(2)把湧浪引起的有關物理量(如水面鉛直位移等)的波動性變化看作是隨機函數,認為湧浪是由許多振幅不等、頻率不等、傳播方向不同,且具有隨機初相位的正弦波疊加而成,進而利用能量平衡和譜的概念,討論湧浪要素的變化和湧浪內部結構的變化。20世紀50年代以前,採取前一類方法,後來則越來越廣泛地使用後一類方法。
進展
雖然湧浪的研究落後於風浪,但是有些結果能近似地解釋實際的湧浪現象。並且可根據風浪的情況,計算湧浪到達給定地點所需的時間及湧浪的波高和週期等要素。這些都被應用於湧浪要素的預報中。40年代,H.U.斯韋爾德魯普、W.H.蒙克研究湧浪在寬度一定的靜止水域中的傳播時,以能量的傳播速度等於羣速(深水中其值為波速之半)為出發點,得出結論:當湧浪向遠處某點傳播時,其顯著部分是以能量鋒的形式向前傳播的,其傳播速度也等於羣速;先到達該點的湧浪的波高極小,而波長和週期則很大,當能量鋒到達時波高迅速增大,而波長和週期則不斷減小,最後達到定常狀態。W.J.皮爾孫研究湧浪在寬廣水域上的傳播時,認為湧浪是由許多傳播方向不同的波所組成,利用液體波動中的線性理論,把湧浪的波高和週期等要素的研究,歸結為對邊值問題的解的討論,並得出結論:湧浪的主要部分仍然以羣速向前傳播,但在傳播的主方向上有着明顯的前沿邊界和後沿邊界,在主方向的兩側也有着明顯的側邊界,在這些邊界的內部,湧浪比較顯著,而在邊界之外,則很不明顯,且可忽略不計。皮爾孫-諾伊曼-詹姆斯湧浪預報法,就是根據這種概念提出來的。如將湧浪看成是一種滿足相位連續方程的波動,則液體波動中關於合成波的許多性質也適合於湧浪,例如羣速為波長、週期、波速等的傳播速度,而個別波的波長和週期等在傳播過程中都要增加。繞射可導致湧浪的能量在傳播過程中散佈開來,對這方面也作了一些研究。能量的耗散作用是引起湧浪要素變化的重要因素之一,雖然許多學者都對此進行了探討,但其準確的定量關係仍然是重要的研究課題。
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