波浪的相关知识

什么是波浪？

在所有的蓄水池中，我们都能体验到波浪。这些波浪波长范围很广，长的有潮汐波浪（有太阳和月亮的引力产生），短的有微风拂过水表产生的微波。如果从波浪的能量分布来看，你会发现这些波浪的范围可以从0.5秒到12小时这么大。比较有意义的能量分布区域为频段在0.5至30秒范围的波浪区域，这些波浪通常都是风产生的（见图1）。这一波浪频段也正是波浪学家和海洋学家分析波浪时所关注的。如何精确地测绘波浪，通常就是只如何使用好测量方法将这一频段的波浪描绘出来。

波浪起始于当地季风产生的小波高、短周期的小波，随着凤强，风期，和距离的加大而变大。结果，一个特定地点的波浪环境将会是当地风产生的波浪和很远距离（可能是几百或几千公里外）以外的飓风产生的波浪的集合。这对于我们测波的人来说，就需要明白，测量点的波浪情况通常是由不同幅度、不同周期、不同方向的波浪组成的集合。知道这一点是精确测绘波浪的第一步。

我们如何测量波浪？

既然波浪是随机的，我们测量波浪就需要在采样一段时间，而且呢，这段采样时间最好能代表测量海区的完全的波浪状态。经验上，我们会尽力取测量我们所预计的最长波的周期的100的时间做采样周期。例如，若我们预计测量海域的最长波周期为10秒，我们取1000秒作为采样周期。单纯时间序列的原始数据是没有太大实际意义的，我们需要将这些数据处理成相关的波浪特征值的参数，这些特征值能够广泛的精确地代表测量海域的波浪状态。最通常的波浪特征值包含，对应于时间序列的波高、周期、波向的单一数值。

图1 能量分布。影区代表0.5-30秒的风浪频段。通常测波浪的频段。

 时间序列分析

 最简单的估算波浪参数的方法是在一个测量点位上估算时间序列的海表高度变化。一个比较经典的例子是在实验室中使用一个测波标杆测量波浪随时间繁衍的轨迹变化。通过时间序列分析结果，可以确定出波面相对于平均水位的上下位移变化。这样，单个的波当轨迹穿过平均水位时可以被确定下来，这就是所谓的跨零方法。（见图2）。这个单个的波就可以以周期（定义为出国平均水位的时间）和波高（在穿过平均水位的时候波高和波据之间的距离）特性描述出来了。将很多个这种的波都分别以波高和周期的特性记录下来，就构成了一个波浪记录。

若把这些波的高度和周期都记录下来，用这些记录就可以计算出特征周期和波高。最有代表性的特征值是有效波高(Hz)和平均周期(Tz).有效波高的定义是所测量到的所有波高数据，取排在前面得1/3个，再做平均所得的波高值。平均周期的定义是所测量道德所有波浪的周期做平均，所得的周期数据。其他的特征值包含：最大波高（Hmax），就是所有测量到得波高数据中最大的。1/10波高（H1/10），取排在前面得1/10个波高数据，再做平均所得的波高值。这两个特征值通常用于近岸工程设计和评估，只有使用能直接测量波面变化的测量设备才能获得。间接测量波面变化的测量设备得不出这两个特征值。

图2 波面的时间序列实例。在这儿跨零技术用于确定单个的波高和波周期

谱分析

上面的时间序列分析看起来是一种比较适合的波浪测量手段，但他还是会受两个方面的限制，第一个是时间序列分析延续时间一般比较短，第二个是，对于很多测波设备，并不具备直接测量波表面的功能，因此无法实现时间序列分析。通常这些设备测量与波表相关的参数，例如压力、流速，再繁衍出波表的时序谱（例如图3的波谱例子）。

对各种波浪测量来说，波谱分析都是主要的波浪数据处理方式。它提供多种波浪参数并支持有向波浪分析。来自于谱分析的波浪参数包含峰值周期，峰值波向，平均周期的普分析值（Tm02），有效波高等。最完整的解决方案是时间序列分析和谱分析都有，但是通常当今的大多数测量设备是不能同时实现的。

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图 3  时间序列的能量密度谱。这用于估算波高和周期。

界面波属性
处于水面以下的波浪测量设备会以以下几种方式进行测量。间接测量波面方式主要是通过测量与波面相关联的水文参数实现，如压力和轨道流速。在我们继续讨论有关的原理前，我想先对波浪经过一个点位时所出现的现象作一些说明，这会有助于对这些不太熟悉的用户理解相关的原理。

图4 波面下轨道流速的繁衍描述。注意轨道流速也随水深变大而衰减。

当波浪经过一个点位时，会在波面以下形成一个小水流。这些小的水流是方向变化的，波峰下的水流受波浪的影响沿波浪方向，波谷下的水流受波浪的影响反波浪的方向。这些循环的运动在深水处就会行成圆形环路，被称为波浪的轨道流速。

有关轨道流，比较重要的特性是它随着水深增加和波浪波长的减小而成指数次衰减。这意味着短周期波在深水域不会产生轨道流。

同样对于压力测量也是如此，都是随着水深增加和波浪波长的减小，而成指数次衰减。以下会讨论相关的测量技术，你会发现这一重要特征的影响和由此所造成的测量的局限性，在投放水深和测量波浪的波长方面。

以下的网址提供以上特性的动态图示，这是一个很有效的工具，用可自行设定波高，周期和水深，看相关的变化。

http://www.coastal.udel.edu/faculty/rad/linearplot.html

 
Nortek波浪测量手段
Nortek生产的波浪仪测量时投放在水下，有效地回避了水面的船只碰撞、认为损坏、被盗等危险。可同时采集压力、流速、和声学波高数据用于波浪测量（AST）。以下分别描述不同的波浪测量方式及其相关的设备。另外插一句，这些测量方式对水下波浪仪的发展都起到了一定得推动作用。水下波浪仪经过多年的发展已经将测波范围拓宽至0.5至30秒的波段了。 

PUV法
PUV法可能是最早用于水下波浪仪测量有向和无向波的方法，最早可追述至20世纪70年代，由于这种方法对测量仪器和处理方式要求不高，但仅依然在使用。

其实，它的名字本身就对他的定义做了很好的说明：P是指压力，UV代表横向轴向的两维轨道流。压力测量可提供所有无向无向波浪参数的平均估算，联合UV参数，就可做有向波浪的参数估算。PUV这三个参数的测量点位都是在一起的投放点位完成的，而且都是测量的同一点位，也被称为三要素测量。

Nortek 提供三种PUV法测波仪，他们是威龙（ Vector）,小阔龙（ Aquadopp Current Meter）和阔龙（ Aquadopp Current Profiler）。

对于PUV法测波最重要的事是： (a)投放水深要浅 (小于 10-15 meters)。 (b) 测量的波是长波 (大约是 4秒以上)。后边的这一条尤为重要，对于那些想要测量完整波浪波段的用户，一定要注意，使用PUV法是测不出来短波的。在本文开始时就说过，精确地波浪测量要测量完整的风浪波段（0.5-30秒），若不能完整的测量这一个波段，可能会造成波高估算不足或丢失波普的峰值点。唯一的解决办法就是缩减投放测量点的水深。（例如选择3米水深的投放点）。

PUV法测波存在切断周期的原因是由于所测量的参数信号（压力或轨道流速）随水深的增加和波浪周期的减小而剧烈衰减。

图 5  Nortek PUV法测波仪。从左至右依次为 (a)小阔龙Aquadopp, (b)威龙 Vector, (c) 阔龙Aquadopp Profiler.

Array method阵列法
PUV法测波的缺点推动力一个新的测波技术的发展，这一技术出现在90年代初期。这一方法包含将剖面流速仪放在接近水表的位置，并测量接近水表的轨道流流速。这样，就可以在深水域测量比较短周期的波浪了。使用这种方式，投放水深可以加倍或切断频率可以减半。

当然，这种方法也有他的缺点。他需要一个更加复杂的处理方法，因为他测量的是水表一下的单元的阵列。最通用的这列处理方法成为最大概似法（Maximum Likelihood Method）。这一方案是非凡的，而且有着非常好的演示结果。

阵列方法的一个问题是若将设备设备投放在通常水域测波（如15米水深）依然未能覆盖全风浪波段（0.5-30s）。这是由于组成阵列的流速单元之间的横向宽度限制了测波的波长。当横向宽度大于1/2测量波浪的波长时，计测不出来了。而且，这一限制同时出现在有向波和无向波的测量上。表1给出了了不同水深的切断频率。

Nortek’标准版浪龙 AWAC 提供这种测量方法。这一测量方法对水下测波技术是一个很大的进步；然而，全风浪波段依然未能完全覆盖。这就引出了更加直接测量波表面的测量方式。

图 6 (a) 浪龙AWAC和轨道流速的测量单元阵列 (黄色) 以及表面声跟踪 AST (红色), (b) 浪龙AWAC测量阵列的俯视图

 水深与切断频率、周期的对应关系

表1 阵列法切断频率(cutoff frequency)限制表 

表面声跟踪(AST)
2002, 浪龙 AWAC首次加入了表面声跟踪选项。浪龙中心的垂向声束专门用于测量至水表的距离，就像测深仪换能器一样。直接测量有许多优势；首先，对于沿岸的测量不再有水深限制了，同时风浪波段已经被基本覆盖了。AST测量也允许时间序列和谱分析同时并存。这意味着工程设计参数像Hmax和H10能直接被测量出来。

AST成为了浪龙AWAC成功的基石。之后多次的对比分析数据100%回收，波浪参数的测量结果非常好。总之，AST克服了水下测波仪所有的缺点，同时同时风浪波段已经被基本覆盖了。

使用AST的有向波普测量
AST测量本身是局限于五项波测量的，这就意味着依然还要使用阵列法测量邮箱波，因此还有水深测量限制。

2005年, Nortek申请了一个新的波浪数据处理方法的专利，这一方法是适用于表面声跟踪的浪龙波浪数据处理的。这一方法是PUV法和AST测量方法结合的产物。在这一方法中，依然测量轨道流速，但不是测量阵列而是将流速转换为沿UV轴向的分向流速。另一个不同是使用声学测波高，而不是压力。这样浪龙就可以安装在水底或浅标上测波了。这意味着，对于一些使用阵列法无法实现的测量水域（如60-100米），可以将浪龙安装在浅标上，靠近水表（如30米水深处）测波。就像是将浪龙安装在一处30米水深的水底测波一样。 

图 7使用AST的有向波测量, (a) 浪龙安装于水下浅标中靠近水表测波(b) AST, U, V的测量。

总结
以上的讨论阐述了各种测波方式之间的不同以及各自的限制。总之，波浪测量的精准取决于风浪的如何被尽量完整准确的测量出来。最终选择的测量方式应该能覆盖你所要测量的波浪频段。

对于投放水深很浅，而且只关心长波的用户，PUV法就是很好的测量手段。例如对于调查浅水建筑波浪响应的用户。但对于一个要在港湾入口一边，测量完整的波浪环境的用户，PUV发就不够用了，很有可能会出现波高估算不足的误差。

一般来说，很少用户选购浪龙AWAC时 不带AST功能。单纯的阵列法测波相对于拥有AST的波浪测量要逊色太多。AST使浪龙有更高的测波性能和更多的灵活性，他可以在PUV和AST方法之间自由切换。PUV法趋于特殊项目的使用，他对投放水深和波浪周期有一定的要求。最终用户对测波方式的选择，最好通过与Nortek资深工程师讨论作出决定。