于潭 胡松 魏永亮

摘 要 作者對國內(nèi)外主要涉海高?！昂＠嗽砼c計算”所使用進行教材及課程大綱進行了調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)大多學(xué)校都對小振幅波和有限振幅波理論進行重點講解。在此基礎(chǔ)上，我們對上海海洋大學(xué)的“海浪原理與計算”課程進行了設(shè)置。本研究方案可給國內(nèi)外涉海高?！昂＠嗽砼c計算”的課程設(shè)置提供建議。

關(guān)鍵詞 海浪原理與計算 課程設(shè)計 調(diào)查研究

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.03.041

Abstract The author investigates and analyses the textbooks and syllabuses of "Principles and Computations of Waves" used by major overseas and domestic universities， and finds that most schools focus on the theory of small and finite amplitude waves. On this basis， we set up the course "Principles and Computing of Waves" in Shanghai Ocean University. This research program can provide suggestions for the curriculum design of "Principles and Computations of Waves" in domestic and foreign maritime universities.

Keywords Principles and Computations of Waves； course design； investigation and research

海浪是我們?nèi)粘Ｉ钪幸环N常見的現(xiàn)象。居住在海邊或在海邊度假的人都會很熟悉海浪?！昂＠嗽砼c計算”課程中我們將學(xué)習海浪研究的發(fā)展史、描述海浪的方法、海浪的生成與成長機制、海浪模式和海浪的計算方法，討論目前海浪研究中存在的問題及其對海-氣相互作用的影響。

1 國內(nèi)外主要涉海高校“海浪原理與計算”所使用教材分析

目前，“海浪原理與計算”已成為國內(nèi)外很多涉海院校海洋學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，但每個學(xué)校根據(jù)本校的教學(xué)宗旨和發(fā)展定位，對海洋學(xué)科學(xué)生的培養(yǎng)的計劃各有迥異。下面以國內(nèi)幾個主要涉海院校“海浪原理與計算”所使用的教材來對比分析海洋科學(xué)專業(yè)所必須的海浪原理與計算情況。

中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院物理海洋專業(yè)開設(shè)的《海浪》課程，教材選用的是文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理論與計算原理》，這本教材主要有六章，第一章是液體表面波的基本方程及其普遍積分，主要介紹了流體動力學(xué)的基本方程、表面波問題的精確提法、線性波動的基本方程、淺水波動的基本方程、淺水波動的小參數(shù)展開法以及靜壓分布律的導(dǎo)出、二維無旋周期進行波的若干普遍積分性質(zhì)等；第二章是線性波動理論，主要包括簡單波動、簡諧表面壓強維持的簡單波動、小振幅簡單波動的合成、傾斜水底上波浪的傳播、具有復(fù)雜水底地形水域上的波動傳播—波的折射、波動繞射等；第三章是有限振幅波動，主要有斯多克斯波、擺線波、橢圓余弦波和孤立波等；第四章是作為隨機過程的海浪；第五章風與海浪，主要包括氣水界面附近的流場、風浪生成和成長的機制、風浪譜的成長和參數(shù)化、風浪的計算、涌的傳播、風浪與涌的數(shù)值計算；第六章近岸的海浪，主要包括傾斜水底對海浪的影響、復(fù)雜地形對海浪的作用、海浪產(chǎn)生的近岸流和碎波拍。根據(jù)文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理論與計算原理》的這本教材，中國海洋大學(xué)的“海浪原理與計算”課程主要設(shè)置如下：

第一章 海浪的統(tǒng)計性質(zhì)：第一節(jié) 概論、第二節(jié) 風浪和涌浪、第三節(jié) 海浪的隨機性、第四節(jié) 海浪譜、第五節(jié) 波面的統(tǒng)計性質(zhì)、第六節(jié) 高的統(tǒng)計分布、第七節(jié) 常用波高和周期定義。通過本章的講述，使學(xué)生認識海浪的隨機性和復(fù)雜性；海浪又分為風浪和涌浪兩大類，海浪譜是現(xiàn)代海浪研究的有力工具，在線性理論下，波面和波高所遵從的統(tǒng)計分布。掌握海浪譜與常用波高和周期之間的關(guān)系，共占8學(xué)時。

第二章 海浪的生成和成長：第一節(jié) 風浪的生成機制、第二節(jié) 風浪的成長、第三節(jié) 風浪成長經(jīng)驗公式、第四節(jié) 海浪譜的相似性、第五節(jié) 風浪的平衡域。通過本章的講述，使學(xué)生掌握和了解風浪生成的兩種主要機制，影響風浪成長的因素；有限風區(qū)下的風浪成長關(guān)系、海浪譜的相似性；了解風浪平衡域的性質(zhì)，共占10學(xué)時。

第三章 海浪的計算與觀測：第一節(jié) 風浪能量平衡方程、第二節(jié) 風浪源函數(shù)、第三節(jié)海浪模式與計算、第四節(jié) 海浪的觀測。通過本章的學(xué)習，了解現(xiàn)代海浪模型和計算方法，風浪源函數(shù)的參數(shù)化和存在的問題，以及現(xiàn)代海浪觀測方法，共占8學(xué)時。

第四章 近岸的海浪：第一節(jié) 波速、波長及波高的變化、第二節(jié) 破碎波高與破碎深度、第三節(jié) 海浪的折射與繞射。通過本章的學(xué)習，了解海浪向近岸傳播時由于地形變化而引起的海浪性質(zhì)變化，水深引起的海浪破碎、離岸流和拍岸波等，共占6學(xué)時。

第五章 海浪與?！獨庀嗷プ饔茫旱谝还?jié) 波浪破碎與海面附近湍流、第二節(jié) 波浪對海-氣通量的影響。通過本章的學(xué)習，了解波浪及其破碎對大尺度?！獨庀嗷プ饔玫呢暙I，認識到他們是控制?！獨饨缑嫱康闹匾蛩?，共占2學(xué)時。

廈門大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院海洋學(xué)系的物理海洋專業(yè)的學(xué)科或?qū)I(yè)方向性課必修課，他們課程的目的在于讓學(xué)生通過學(xué)習掌握海浪研究的基本知識、方法、思想和進展，系統(tǒng)掌握海浪研究的基本方法，海浪調(diào)查與數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學(xué)生處理一般有關(guān)海浪計算和解決波浪預(yù)報實際問題的能力。主要是從波浪的研究方法、研究意義、波浪研究的應(yīng)用領(lǐng)域入手，介紹波浪要素、小振幅波和有限振幅波理論，了解波動振幅、水質(zhì)點運動軌跡、質(zhì)點運動速度、能量、輻射應(yīng)力、水中波壓、相位速度和群速度、風況、海況基礎(chǔ)知識、波浪觀測原理、海浪數(shù)據(jù)處理，海浪組成和海浪譜、有效波生成理論和譜分析理論。選用的教材主要是海浪原理與計算（自編講義）和王樹清 《海洋工程波浪力學(xué)》中國海洋大學(xué)出版社。主要參考書是文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理論與計算原理》。其中王樹清的《海洋工程波浪力學(xué)》包含七章內(nèi)容，期中第1章波動方程，包括流體力學(xué)基本方程（連續(xù)方程、運動方程、理想流體非定常無旋運動的拉格朗日積分）、波浪運動基本方程及定解條件（勢波理論 、基本方程與定解條件）；第2章線性波理論，包括常深度小振幅波理論（邊界條件的簡化、基本方程的解、線性波的特性、波面方程、彌散關(guān)系、水質(zhì)點的速度和加速度、水質(zhì)點的運動軌跡、波動壓 、波動能量）線性波的兩種極限情況、波浪的疊加、平面斜向等；第3章非線性波浪理論，包括斯托克斯波浪理論、流函數(shù)波浪理論、橢圓余弦波、孤立波、波浪理論的適用性等；第4章波浪的傳播與變形，包括波浪在深水中的彌散與傳播、波浪的淺水效應(yīng)、波浪的反射、波浪的繞射、波浪的破碎、復(fù)雜地形情況下的波浪傳播與變形數(shù)值計算；第5章隨機波浪理論，包括海浪的觀測與描述、隨機海浪的統(tǒng)計特征、隨機波浪的譜特性、隨機波浪的數(shù)值模擬、海浪的長期統(tǒng)計分布規(guī)律；第6章作用在小尺度結(jié)構(gòu)物上的波浪力，包括海流中的圓柱體、作用在直立柱體上的波浪力、水動力系數(shù)、莫里森公式的修正、波流共同作用下的波浪力計算、隨機波浪力的計算等；第7章作用在大尺度結(jié)構(gòu)物上的波浪力，包括繞射理論、大直徑直立圓柱體波浪力分析、任意形狀三維結(jié)構(gòu)物上的波浪力、大尺度水下潛體上的波浪力、固定物體上的二階波浪力、作用在大型浮體上的波浪力。

University of California， San Diego，簡稱UCSD，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Introduction to Ocean Waves（海浪簡介）課程，所使用的是自編教材Introduction to Ocean Waves（海浪簡介），主要分為10個章節(jié)： 1 Basic waves （基本波）、2 Two waves （兩個波）、3 Many waves （群波）、4 Waves generated by a distant storm （波浪的生成）、5 Wave measurement and prediction （海浪的測量和預(yù)報）、6 Shoaling waves（淺水波）、7 Rogue waves and ship waves（輪船行駛生成的波（尾跡波））、 8 Hydrodynamics and linear theory（水波動力學(xué)和線性理論）、9 The shallow-water equations. Tsunamis （淺水方程-海嘯）、10 Breakers， bores and longshore currents（海浪破碎和沿岸流）。

麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的Wave Motions in the Ocean and Atmosphere（海洋和大氣中的波動）課程使用的是自編教材。主要內(nèi)容有：1.Introduction - Kinematics： Frequency， Wavenumber， Phase， Phase Speed（簡介：頻率、波數(shù)、相位、相速度）包括 Internal Gravity Waves（內(nèi)重力波）、Dispersion and the initial value problem（頻散和初始值問題）、Group velocity - wave packets and inhomogeneities（群速度）、Energy， fields of motion， particle movements（能量、運動場和質(zhì)點運動）；2.Surface Gravity Waves（表面重力波）；3.Rotation and Potential Vorticity - Small Scale（小尺度旋轉(zhuǎn)和位渦）、4.Large-Scale Hydrostatic Motions（大尺度運動）、5.Laplace Tidal Equations and The Vertical Structure Equation（Laplace潮汐方程和垂向運動方程）、6.Equatorial -Plane and Equatorial Waves（赤道平面和赤道波動）、7.Stratified Quasi-Geostrophic Motion and Instabilities（分層準地轉(zhuǎn)運動和不穩(wěn)定性）。

2 上海海洋大學(xué)“海浪原理與計算”課程設(shè)置

綜合國內(nèi)幾個主要涉海院校的“海浪原理與計算”課程設(shè)置，可以看出，線性和非線性波動理論是海浪理論的基礎(chǔ)和重中之重，海浪的生產(chǎn)和成長也非常重要。鑒于上海海洋大學(xué)物理海洋學(xué)科屬于初步發(fā)展階段，并結(jié)合學(xué)生的數(shù)學(xué)物理理論基礎(chǔ)，為在有限課時內(nèi)，更有效地使學(xué)生理解數(shù)學(xué)理論方法的物理意義，掌握運用海浪原理與計算解決實際物理海洋問題的技能，特選用文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理論與計算原理》作為“海浪原理與計算”課程的參考教材。內(nèi)容立足于物理海洋現(xiàn)實問題，將海浪原理與計算結(jié)合實際問題進行介紹，能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和理論聯(lián)系實際的能力。具體教學(xué)內(nèi)容如下：

第一章 概述：1.什么是波動、2.波動的要素、3.波浪是怎樣產(chǎn)生的？4.波浪的分類、5.波的能量、6.海浪研究的歷史。通過本章的講述，使學(xué)生認識什么是波動？波動的要素有哪些？波浪是怎樣產(chǎn)生的？波浪如何分類、波的能量、海浪研究的歷史，共占2學(xué)時。

第二章 線性和非線性波動理論：1.基本假設(shè)：①牛頓第二定律、②質(zhì)量守恒—流體的連續(xù)性方程、③速度勢和積分形式的運動方程、④伯努利定常積分定理、⑤非定常情形的運動方程的積分形式、⑥運動學(xué)邊界條件、⑦動力學(xué)邊界條件、⑧ 波動方程的近似求解；2.小振幅波動理論：①波動相速度、②波長的超越方程、③波列和群速度、④小振幅波動能量；3.有限振幅波動理論。通過本章的講述，使學(xué)生掌握和了解線性和非線性波動理論的基本假設(shè)、小振幅波動理論和有限振幅波動理論，分別包括牛頓第二定律、質(zhì)量守恒—流體的連續(xù)性方程、速度勢和積分形式的運動方程、伯努利定常積分定理、非定常情形的運動方程的積分形式、運動學(xué)邊界條件、動力學(xué)邊界條件、波動方程的近似求解以及波動相速度、波長的超越方程、波列和群速度、小振幅波動能量和有限振幅波動理論等內(nèi)容，共占12學(xué)時。

第三章 海浪及其海浪譜：1.充分成長狀態(tài)、2.海浪的波級、3.海浪的隨機性、4.海浪譜、5.海浪譜估計、6.海浪譜的形式、7.海浪譜的超射現(xiàn)象。通過本章的講述，使學(xué)生掌握和了解海浪及其海浪譜，包括海浪的充分成長狀態(tài)、海浪的波級、海浪的隨機性、海浪譜及其估計、海浪譜的形式及海浪譜的超射現(xiàn)象，共占6學(xué)時。

第四章 海浪要素的統(tǒng)計分布：1.海浪波面的統(tǒng)計分布、2.海浪波高的概率分布、3.海浪的周期分布、（下轉(zhuǎn)第173頁）（上接第92頁）4.海浪的波長分布、5.海浪譜與海浪要素的計算、6.海浪譜寬度。通過本章的講述，使學(xué)生掌握和了解海浪要素的統(tǒng)計分布，包括海浪波面的統(tǒng)計分布、海浪波高的概率分布、海浪的周期分布、海浪的波長分布、海浪譜與海浪要素的計算、海浪譜寬度，共占4學(xué)時。

第五章 海浪的生成和成長：1.海浪生成的物理機制：1.1波面附近的氣流場、1.2波面附近的平均風速分布、1.3波動誘導(dǎo)的波生速度和應(yīng)力、1.4波面附近氣流中的湍流運動、1.5波面附近能量的傳遞；2.風浪生成的物理機制。通過本章的講述，使學(xué)生了解波浪及其破碎對大尺度?！獨庀嗷プ饔玫呢暙I，認識到他們是控制?！獨饨缑嫱康闹匾蛩?，共占6學(xué)時。