湖泊波浪

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[拼音]:hupo bolang

[外文]:wave in lakes

湖水质点在外力作用下围绕其平衡位置作周期性振动并沿一定方向传播的现象。根据波浪的成因可分为风波和船行波等,常见的是风波。湖泊波浪可用波浪要素描述。波高,是波峰与波谷间的垂直距离;波长,为两相邻波峰或波谷间的水平距离;周期,为相邻波峰(或波谷)通过同一点所需的时间;波速,为波浪中任意位相点向前传播的速度。

湖泊波浪的发生和发展

风波的产生与发展主要取决于风速、风向、吹程和风的持续时间。湖水深度与湖泊形态也是重要因素。在起风后不久,湖面很快产生周期小于 1秒,波长只有几厘米的涟波。此时,使水质点恢复到平衡位置的力是表面张力,故又称表面张力波或毛细波。随著风力的增强和作用时间的增长,涟波逐渐增大,波高迅速达到最大值,此时恢复力主要为重力,故又称风成重力波。当风沿一个方向继续劲吹,风波将得以足够的发展,这时在波浪的迎风面上产生二次波;二次波又将按上述过程发展,即由涟波演变成重力波。此时波浪既不对称于水平轴,也不对称于垂直轴,迎风波面比背风波面平缓,在背风二次波面上又可形成三次波。风波仅限于湖泊的表层,故又称短波或表面波。风波的周期(T)、波长(L)、 波速(c)之间的关系可按下式计算:

式中g 为重力加速度。当风足够强时,湖面风波的波峰往往被风掀倒,同时由于空气的渗入,形成白色的浪花,称为白浪。当风力减弱时,风波就停止发展,仅由水质点的惯性作用,波浪仍继续存在,并向前传播,称为馀波或自由波。在馀波运动过程中,波长小的波由于紊动消耗而消失,波长较大的波继续向前传播,并具有规则对称二向波特性,它的波长比波高衰减得慢。全波的波长比风波的大,所以又称馀波为长波或浅水波。当风浪或馀波传播到岸边时,由于湖底的摩擦和水深变小,使波能集中,波峰逐渐赶上波谷,产生波浪的倾覆和破碎,冲向岸边,称为拍岸浪或近滨浪。波浪破碎时动能很大,往往对湖岸产生剧烈的破坏作用。

湖泊波浪的特点

湖泊、水库的水面宽度有限,水深较小,风浪在形状和大小上都不同于海浪。

(1)湖波的形状与正规的摆线形状有很大不同。湖波往往是不规则的三度波。一定方向的波浪有时会被另一方向风引起的波浪覆盖。此外,经常能观察到波浪的干扰,产生三角浪。

(2)湖泊水体容积小,湖泊中的风浪能随著风的出现而立即产生,也能随著风的停止而迅速消失。

(3)湖泊中一般没有湧浪。个别情况下大湖水面在无风时会出现馀波。伊塞克湖在完全无风时,可观测到高 1米长10米的馀波。

(4)湖泊、水库中的波浪高度比海洋中的小。小湖中波高一般不超过 0.5米。大湖中最大波高往往为3~4米,有时可达5~6米,如北美洲的苏必利尔湖、密歇根湖和休伦湖等。水库中波高2.5~3.5米,海浪高达20米,甚至可达30米以上。湖波比海洋波浪陡,劲风时海洋上波浪平均陡度(波高与波长之比值)为1/10~1/20,长波时为 1/30或更小,而湖泊中狂风巨浪的陡度达到1/5。水库中,随著风力增强,波高的增长比波长的增大要快,当波高达到约 1米时,波长的增加急剧减小。波浪的这种增长导致波浪陡度的增大和稳定性的减小,当陡度约为1/7~1/8时,波峰出现白色的浪花,形成白浪。湖中风浪的传播深度只有几米,最大湖中则为20米或稍多些。波浪向深处实际传播的限度可根据湖边沙波来判断。日内瓦湖波浪传播深度为9米,贝加尔湖为8~10米。近代多把波浪作为随机现象而著眼于波浪随机特性的研究。

湖泊波浪预报和计算

根据气象预报提供的风向、风速(u)、 吹程(Sw)及持续时间,利用湖泊波浪要素与影响因素之间的数量关系,可以进行湖泊波浪预报。这种数量关系通常是根据在湖岸或湖中实际观测资料而建立的经验性关系。

中国青海湖(浅水波)的波高经验公式为h=0.0155u32sw2/9,(sw≤100公里,u ≤16米/秒)。鄱阳湖(浅水波)的关系式为h=0.017u1·35H0·25-0.01usw-0.5,(sw≤60公里,H≤0.61u)。式中H为水深。

参考书目

中国科学院《中国自然地理》编辑委员会:《中国自然地理·地表水》,科学出版社,北京,1981。

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