海洋波动及其特点

10.1　海洋波动及其特点

海洋中的波动是海水的重要运动形式之一，海洋由于受到众多力的影响(如表面张力、风、地震、天体引力等)，使得海洋存在许多波动。这些波动可就其形状、尺度、性质不同分成许多类型。各波动的周期可从零点几秒到数十小时以上，波高从几毫米到几十米，波长可以从几毫米到几十千米。一般由风引起的波浪周期在1～30s，且其所占能量最大;周期从30s～5min为长周期重力波，多以长涌或先行涌的形式存在，由风暴引起;从5min到数小时的长周期波主要由地震、风暴等引起，它们的恢复力主要为科氏力和重力。周期12～24h的波动，主要是由日、月引潮力产生的潮波。按照波动周期的大小，海洋中的波动可分为图10-1所示的几种类型。

图10-1　相对波动周期的波动能量分布以及各种波动的周期

波动可根据其不同的性质以及特点进行分类。如按相对水深(水深与波长之比)分为深水波(短波)和浅水波(长波);按波形的传播分为行波与驻波;按波动发生的位置分为表面波、内波和边缘波;按成因分为风浪、涌浪、地震波、潮波等。风浪按风力大小产生的涟波，其恢复力为表面张力的称为表面张力波;风力较大水分子移动的位置较大，其恢复力为重力的称为重力波。按振动特性分为自由波和强制波。按波动周期T分为表面张力波(T≤0.1s)、超重力波(0.1s≤T≤1s)、重力波(1s≤T≤30s)、低重力波(30s≤T≤5min)、长周期波(5min≤T≤12h)、潮波(12h≤T≤24h)、超潮波(T≥24h)。

海洋内波是在密度(稳定)层结海洋中或密度不连续的分界面出现的一种波动。前者内波具有横波的性质，水质点运动方向与波向方向垂直;后者内波具有界面波的性质，波向主要集中在界面(密度跃层)附近，内部的频率介于惯性频率2ωsinφ和Brunt-Vaisala频率之间。式中:ω为地转角速度;ρ为海水密度;c为海水速度，φ为地理纬度;z为垂向坐标，向上为正。

海洋内波可来自于海面、海底，由海洋内部力引起，例如风应力、表面气压场、上混合层密度水平分布不均匀、潮流和海流经凹凸不平的海底地形、海水内部平均剪切流的存在，等等。内波可把大尺度运动过程中的能量传递给小尺度过程，引起海水混合，对海洋生态有一定影响。内部引起等密度面波动，影响声呐功能，对测深有一定的影响，但对潜艇隐蔽和监测起着有利和不利的作用。

目前，主要利用高分辨率测深仪进行内波测量。其主要根据是内波的存在使得海水运动和水文要素变得更为复杂。密度跃层引起的界面震动影响着上下水层之间的交换，它使得下层海水的溶解氧得不到补充，海洋生物因缺氧而无法生存，因此浮游生物将移居于上层海水。当声波入射到浮游生物形成的散射界面时，部分反向散射的回波信号被测深仪接收到并被记录下来。浮游生物近似地视为中性浮体，它伴随着内波一起起伏运动。这样利用测深仪测得的散射回波随时间的变化就反映了内波的运动特征。

另外，利用海流剖面仪(ADCP)也可以连续观测内波运动。关于ADCP测量将在本章最后一节予以介绍。

海面上最为常见的波动是风浪和涌浪，合称为海浪。

风浪亦称风成波。在风力的直接作用下，海面或湖泊产生的波动，属强制波。波浪级别的划分主要根据观测所得的平均周期T。在100个波浪中测15个完整且较大的波浪，取其中10个较大的波高的平均值，作为1/10部分大波波高H_1/10值。由表10-1可以得到相应的波级。采用同样的原理，可以得到H_1/3的波级。涌浪则指的是海面上由其他海区传来的或者当地风力迅速减小、平息，或者风向改变后海面上遗留下来的波动。在海洋中风浪和涌浪会单独存在，也往往同时存在，其传播方向往往不同。

表10-1　波级表

风浪的特征是波面比较杂乱粗糙，波形比较尖陡，波向基本与风向相同。风浪的盛衰取决于风要素的大小。

涌浪属于自由波。涌浪的特点是波面圆滑，波形对称，波陡小，其波峰线比风浪的长，波向明显。涌浪的大小取决于风区内的风浪大小和向外传播的距离。涌浪的周期随传播距离增大，而波高随之减小。涌浪对测深具有很大的影响，目前，涌浪一般通过涌浪补偿器来测定。

引起海面起伏的原因很多，如海浪、潮汐等，但在海上分布最广、出现概率最高、明显对测量船(即对测深数据)产生影响的是由风浪引起的波浪。这一部分是测量中受其影响最明显而最不容易消除的部分。

由于波浪的随机性，使得在测量过程中测量海区中的每一个测点的波浪在任何时间、任何地点的波高无法预知，没有规律性，而且不同的地点在同一时刻的波高也各不相同，即使相隔几米，其波面高之差比两点的潮汐差一般也大得多。虽然我们在测量过程中已经知道测深数据受其影响，但要消除波浪对测深数据影响决非易事。一般波浪预报是采用概率统计的方法去估算预报波高、波周期和波长，所以得到的只是某海区范围内的统计值，而不是海区内每一点的波浪要素，这不符合水深测量的实时、同步要求。

测量船艇在海上进行测量时，在有波浪的状态下，能够使得测量船产生横纵摇、艏摇和升沉运动。这种运动直接影响了测深基准面(测深零位面)的稳定性和测深数据的准确性，从而影响了海洋测深的精度和成果质量。随着高精度海底地形测量的发展，波浪对测深数据的影响日益受到重视，波浪对测深数据的影响已成为提高测深精度的一个重要内容。

表10-2给出了波浪对测深带来的影响的估计值。该影响与船速、波向角、波高和波周期等因素有关，测深仪零位的升沉大小与测量船的升沉大小相等。

表10-2　实际波高与测量船升沉值估计

另外，测船的横纵角变化是在0～7°以内。其对测深数据的影响在浅水地区只有几厘米的差值，但在超过20m的水深地区则可达几厘米到十几厘米甚至更大。若不消除波浪的这部分影响，也会严重影响测深精度。

为了消除波浪对海洋测深的影响，现在，精密水深测量一般配备波浪补偿仪和姿态传感器，以监测波浪对船体产生的上下涌动和纵向、横向摇晃。通过这些参数测量和数据处理，最大限度地削弱波浪对测深的影响。