海浪譜
正文
描述海浪內部能量相對於頻率和方向的分布。設有圓頻率ω的函式S（ω），在ω至(ω＋δω)的間隔內,海浪各組成波的能量與S(ω)δω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＋δω)和θ至(θ＋δω)的間隔內，各組成波的能量和S(ω,θ)δωδθ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2πf（頻率f 為周期的倒），得到以f 表示的頻譜S(f)數。以上各種譜統稱為海浪譜。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:
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cosnθ。n通常取2～4，n愈大,能量愈集中於主波向附近。對於淺水波來說，n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。
