“海浪原理與計(jì)算”課程設(shè)置研究

于潭 胡松 魏永亮

摘 要 作者對(duì)國(guó)內(nèi)外主要涉海高校“海浪原理與計(jì)算”所使用進(jìn)行教材及課程大綱進(jìn)行了調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)大多學(xué)校都對(duì)小振幅波和有限振幅波理論進(jìn)行重點(diǎn)講解。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)上海海洋大學(xué)的“海浪原理與計(jì)算”課程進(jìn)行了設(shè)置。本研究方案可給國(guó)內(nèi)外涉海高校“海浪原理與計(jì)算”的課程設(shè)置提供建議。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiàn)的現(xiàn)象。居住在海邊或在海邊度假的人都會(huì)很熟悉海浪。“海浪原理與計(jì)算”課程中我們將學(xué)習(xí)海浪研究的發(fā)展史、描述海浪的方法、海浪的生成與成長(zhǎng)機(jī)制、海浪模式和海浪的計(jì)算方法，討論目前海浪研究中存在的問(wèn)題及其對(duì)海-氣相互作用的影響。

1 國(guó)內(nèi)外主要涉海高校“海浪原理與計(jì)算”所使用教材分析

目前，“海浪原理與計(jì)算”已成為國(guó)內(nèi)外很多涉海院校海洋學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，但每個(gè)學(xué)校根據(jù)本校的教學(xué)宗旨和發(fā)展定位，對(duì)海洋學(xué)科學(xué)生的培養(yǎng)的計(jì)劃各有迥異。下面以國(guó)內(nèi)幾個(gè)主要涉海院校“海浪原理與計(jì)算”所使用的教材來(lái)對(duì)比分析海洋科學(xué)專(zhuān)業(yè)所必須的海浪原理與計(jì)算情況。

中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院物理海洋專(zhuān)業(yè)開(kāi)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(jì)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(dòng)力學(xué)的基本方程、表面波問(wèn)題的精確提法、線性波動(dòng)的基本方程、淺水波動(dòng)的基本方程、淺水波動(dòng)的小參數(shù)展開(kāi)法以及靜壓分布律的導(dǎo)出、二維無(wú)旋周期進(jìn)行波的若干普遍積分性質(zhì)等；第二章是線性波動(dòng)理論，主要包括簡(jiǎn)單波動(dòng)、簡(jiǎn)諧表面壓強(qiáng)維持的簡(jiǎn)單波動(dòng)、小振幅簡(jiǎn)單波動(dòng)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(dòng)傳播—波的折射、波動(dòng)繞射等；第三章是有限振幅波動(dòng)，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(jī)過(guò)程的海浪；第五章風(fēng)與海浪，主要包括氣水界面附近的流場(chǎng)、風(fēng)浪生成和成長(zhǎng)的機(jī)制、風(fēng)浪譜的成長(zhǎng)和參數(shù)化、風(fēng)浪的計(jì)算、涌的傳播、風(fēng)浪與涌的數(shù)值計(jì)算；第六章近岸的海浪，主要包括傾斜水底對(duì)海浪的影響、復(fù)雜地形對(duì)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(jì)算原理》的這本教材，中國(guó)海洋大學(xué)的“海浪原理與計(jì)算”課程主要設(shè)置如下：

第一章 海浪的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)：第一節(jié) 概論、第二節(jié) 風(fēng)浪和涌浪、第三節(jié) 海浪的隨機(jī)性、第四節(jié) 海浪譜、第五節(jié) 波面的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)、第六節(jié) 高的統(tǒng)計(jì)分布、第七節(jié) 常用波高和周期定義。通過(guò)本章的講述，使學(xué)生認(rèn)識(shí)海浪的隨機(jī)性和復(fù)雜性；海浪又分為風(fēng)浪和涌浪兩大類(lèi)，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(jì)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(shí)。

第二章 海浪的生成和成長(zhǎng)：第一節(jié) 風(fēng)浪的生成機(jī)制、第二節(jié) 風(fēng)浪的成長(zhǎng)、第三節(jié) 風(fēng)浪成長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)公式、第四節(jié) 海浪譜的相似性、第五節(jié) 風(fēng)浪的平衡域。通過(guò)本章的講述，使學(xué)生掌握和了解風(fēng)浪生成的兩種主要機(jī)制，影響風(fēng)浪成長(zhǎng)的因素；有限風(fēng)區(qū)下的風(fēng)浪成長(zhǎng)關(guān)系、海浪譜的相似性；了解風(fēng)浪平衡域的性質(zhì)，共占10學(xué)時(shí)。

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

第四章 近岸的海浪：第一節(jié) 波速、波長(zhǎng)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(guò)本章的學(xué)習(xí)，了解海浪向近岸傳播時(shí)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(shí)。

第五章 海浪與海—?dú)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(duì)海-氣通量的影響。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，了解波浪及其破碎對(duì)大尺度海—?dú)庀嗷プ饔玫呢暙I(xiàn)，認(rèn)識(shí)到他們是控制海—?dú)饨缑嫱康闹匾蛩兀舱?學(xué)時(shí)。

廈門(mén)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(zhuān)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(guò)學(xué)習(xí)掌握海浪研究的基本知識(shí)、方法、思想和進(jìn)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(jì)算和解決波浪預(yù)報(bào)實(shí)際問(wèn)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(dòng)振幅、水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、能量、輻射應(yīng)力、水中波壓、相位速度和群速度、風(fēng)況、海況基礎(chǔ)知識(shí)、波浪觀測(cè)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(jì)算（自編講義）和王樹(shù)清 《海洋工程波浪力學(xué)》中國(guó)海洋大學(xué)出版社。主要參考書(shū)是文圣常、余宙文1984年第一版的《海浪理論與計(jì)算原理》。其中王樹(shù)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(dòng)方程，包括流體力學(xué)基本方程（連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程、理想流體非定常無(wú)旋運(yùn)動(dòng)的拉格朗日積分）、波浪運(yùn)動(dòng)基本方程及定解條件（勢(shì)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(jiǎn)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(diǎn)的速度和加速度、水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、波動(dòng)壓 、波動(dòng)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(jì)算；第5章隨機(jī)波浪理論，包括海浪的觀測(cè)與描述、隨機(jī)海浪的統(tǒng)計(jì)特征、隨機(jī)波浪的譜特性、隨機(jī)波浪的數(shù)值模擬、海浪的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)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(dòng)力系數(shù)、莫里森公式的修正、波流共同作用下的波浪力計(jì)算、隨機(jī)波浪力的計(jì)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(jiǎn)稱UCSD，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Introduction to Ocean Waves（海浪簡(jiǎn)介）課程，所使用的是自編教材Introduction to Ocean Waves（海浪簡(jiǎn)介），主要分為10個(gè)章節(jié)： 1 Basic waves （基本波）、2 Two waves （兩個(gè)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(cè)量和預(yù)報(bào)）、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(dòng)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(dòng)）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(jiǎn)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(wèn)題）、Group velocity - wave packets and inhomogeneities（群速度）、Energy， fields of motion， particle movements（能量、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)）；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(yùn)動(dòng)）、5.Laplace Tidal Equations and The Vertical Structure Equation（Laplace潮汐方程和垂向運(yùn)動(dòng)方程）、6.Equatorial -Plane and Equatorial Waves（赤道平面和赤道波動(dòng)）、7.Stratified Quasi-Geostrophic Motion and Instabilities（分層準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定性）。

2 上海海洋大學(xué)“海浪原理與計(jì)算”課程設(shè)置

綜合國(guó)內(nèi)幾個(gè)主要涉海院校的“海浪原理與計(jì)算”課程設(shè)置，可以看出，線性和非線性波動(dòng)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(zhǎng)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(shí)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(yùn)用海浪原理與計(jì)算解決實(shí)際物理海洋問(wèn)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(jì)算原理》作為“海浪原理與計(jì)算”課程的參考教材。內(nèi)容立足于物理海洋現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，將海浪原理與計(jì)算結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)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(shí)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(dòng)、2.波動(dòng)的要素、3.波浪是怎樣產(chǎn)生的？4.波浪的分類(lèi)、5.波的能量、6.海浪研究的歷史。通過(guò)本章的講述，使學(xué)生認(rèn)識(shí)什么是波動(dòng)？波動(dòng)的要素有哪些？波浪是怎樣產(chǎn)生的？波浪如何分類(lèi)、波的能量、海浪研究的歷史，共占2學(xué)時(shí)。

第二章 線性和非線性波動(dòng)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(shì)和積分形式的運(yùn)動(dòng)方程、④伯努利定常積分定理、⑤非定常情形的運(yùn)動(dòng)方程的積分形式、⑥運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件、⑦動(dòng)力學(xué)邊界條件、⑧ 波動(dòng)方程的近似求解；2.小振幅波動(dòng)理論：①波動(dòng)相速度、②波長(zhǎng)的超越方程、③波列和群速度、④小振幅波動(dòng)能量；3.有限振幅波動(dòng)理論。通過(guò)本章的講述，使學(xué)生掌握和了解線性和非線性波動(dòng)理論的基本假設(shè)、小振幅波動(dòng)理論和有限振幅波動(dòng)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(shì)和積分形式的運(yùn)動(dòng)方程、伯努利定常積分定理、非定常情形的運(yùn)動(dòng)方程的積分形式、運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件、動(dòng)力學(xué)邊界條件、波動(dòng)方程的近似求解以及波動(dòng)相速度、波長(zhǎng)的超越方程、波列和群速度、小振幅波動(dòng)能量和有限振幅波動(dòng)理論等內(nèi)容，共占12學(xué)時(shí)。

第三章 海浪及其海浪譜：1.充分成長(zhǎng)狀態(tài)、2.海浪的波級(jí)、3.海浪的隨機(jī)性、4.海浪譜、5.海浪譜估計(jì)、6.海浪譜的形式、7.海浪譜的超射現(xiàn)象。通過(guò)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(zhǎng)狀態(tài)、海浪的波級(jí)、海浪的隨機(jī)性、海浪譜及其估計(jì)、海浪譜的形式及海浪譜的超射現(xiàn)象，共占6學(xué)時(shí)。

第四章 海浪要素的統(tǒng)計(jì)分布：1.海浪波面的統(tǒng)計(jì)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(yè)）（上接第92頁(yè)）4.海浪的波長(zhǎng)分布、5.海浪譜與海浪要素的計(jì)算、6.海浪譜寬度。通過(guò)本章的講述，使學(xué)生掌握和了解海浪要素的統(tǒng)計(jì)分布，包括海浪波面的統(tǒng)計(jì)分布、海浪波高的概率分布、海浪的周期分布、海浪的波長(zhǎng)分布、海浪譜與海浪要素的計(jì)算、海浪譜寬度，共占4學(xué)時(shí)。

第五章 海浪的生成和成長(zhǎng)：1.海浪生成的物理機(jī)制：1.1波面附近的氣流場(chǎng)、1.2波面附近的平均風(fēng)速分布、1.3波動(dòng)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(yùn)動(dòng)、1.5波面附近能量的傳遞；2.風(fēng)浪生成的物理機(jī)制。通過(guò)本章的講述，使學(xué)生了解波浪及其破碎對(duì)大尺度海—?dú)庀嗷プ饔玫呢暙I(xiàn)，認(rèn)識(shí)到他們是控制海—?dú)饨缑嫱康闹匾蛩兀舱?學(xué)時(shí)。