Environmental Mechanics of Ocean Engineering海洋工程环境学海洋工程环境学1海洋结构物与环境因素的相互作用海洋结构物与环境因素的相互作用 海洋环境20.2 海洋环境因素分析 海洋水的温度是海洋热能的一种表现形式，是海洋水的重要物理性质之一。海洋水温取决于进入海洋的太阳总辐射能量大小，海洋表层水温随纬度和季节而发生变化。此外，同大洋环流特征也有密切关系。 不同海区的年平均水温差异很大，一般在-2-30。全球海洋表层水温的年均温为17.4。以世界三大洋比较，太平洋所处热带、亚热带面积宽广，所接收太阳总辐射能较高，因此，其年平均表面水湿最高，为19.1；大西洋的热带、亚热带海域面积比较窄，而且大西洋与北冰洋水域畅通，两大详的水体可以进行大规模的交换，因而大西洋表层平均温度最低，约16.9。印度洋平均表层水温居于两者之间，为17.4。水温30.2 海洋环境因素分析 中国近海表层海水温度分布的基本特点是：水温从北而南逐渐增高，而年温差则从北往南逐渐减小，这显然与太阳辐射有密切关系。冷暖诲流则改变了地理纬度所决定的水温分布格局。 海域水温的年平均值，渤海为12，黄海约为16，东海22，南海26左右。一年之中，南部海域变化幅度小，北部海域变化大。如南海1992年夏季为296，冬季为23，温差不到7，渤海夏季为24，冬季只有0.7，温差高达23。水温4 大规模风系大规模风系：纬度30东信风东信风(贸易风)； 纬度3060偏西风偏西风； 纬度60 90极地东风极地东风。 中规模风系中规模风系：季风季风, 台风台风 小规模风系小规模风系：海陆风，山谷风，龙卷风 3风0.2 海洋环境因素分析5地转偏向力（科氏力，地转偏向力（科氏力，Coriolis Force） 研究地球上海水或者大气的大规模运动时，必须考虑地球自转效应，或称为科氏效应。由于地球绕轴自转，在赤道处的地面便具有约464m/s自西向东的线速度，向两极方向随纬度的增高逐渐减小，在纬度30处约为402m/s，60处约为232m/s，两极为零。假定有一物体从赤道沿经圈向高纬（向南或者向北）运动，由于其在赤道具有的较大自西向东的线速度，因此，地面上的观察者会看到，它的运动轨道不断向东偏移。在从高纬向赤道方向运动的过程中，由于其保持在高纬处的较小的自西向东的线速度，因此其运动轨道不断地偏向西。30.2 海洋环境因素分析6 大规模风系大规模风系：30.2 海洋环境因素分析7 中中规模风系规模风系： 台风是热带地区海洋台风是热带地区海洋上空的热带气旋在适当的上空的热带气旋在适当的条件下猛烈发展而形成的条件下猛烈发展而形成的急速逆时针旋转的低压涡急速逆时针旋转的低压涡旋。它的出现伴随着狂风、旋。它的出现伴随着狂风、暴雨、巨浪和风暴潮。往暴雨、巨浪和风暴潮。往往在沿海造成灾害。往在沿海造成灾害。 台风的生命期一般为台风的生命期一般为38天，台风直径一般为天，台风直径一般为6001000km，最大的可，最大的可达达2000km，最小的只有，最小的只有100km。在北半球台风集。在北半球台风集中发生在中发生在710月，尤以月，尤以8、9月最多。据统计，每年月最多。据统计，每年511月台风可能影响或登月台风可能影响或登陆我国。陆我国。0.2 海洋环境因素分析8 热带气旋在我国又称台风，在美洲通常称飓风。它是发生在热带海洋上的热带气旋在我国又称台风，在美洲通常称飓风。它是发生在热带海洋上的具有很大破坏性的低压涡旋。按世界气象组织的标准可划分为四类：热带具有很大破坏性的低压涡旋。按世界气象组织的标准可划分为四类：热带低压低压(中心最大风速中心最大风速10.817.1米秒，相当于米秒，相当于67级风级风)、热带风暴、热带风暴(中中心最大风速心最大风速17.224.4米秒，相当于米秒，相当于89级风级风)、强热带风暴、强热带风暴(中心最大中心最大风速风速24.532.6米秒，相当于米秒，相当于10一一11级风级风)、台风、台风(中心最大风速中心最大风速32.7米秒以上，相当于米秒以上，相当于12级风以上级风以上)。影响我国海域的台风发源地主要有两。影响我国海域的台风发源地主要有两个区域：一个在菲律宾以东、关岛以西洋面；另一个在南海中部海域。个区域：一个在菲律宾以东、关岛以西洋面；另一个在南海中部海域。全球每年平均大约有全球每年平均大约有80个热带气旋发生，其中半数以上可以发展成台风，个热带气旋发生，其中半数以上可以发展成台风，台风集中发生在西北太平洋、孟加拉湾、东北太平洋、西北大西洋、阿拉台风集中发生在西北太平洋、孟加拉湾、东北太平洋、西北大西洋、阿拉伯海、南印度洋、西南太平洋和澳大利亚西北海域等伯海、南印度洋、西南太平洋和澳大利亚西北海域等8个地区。西太平洋个地区。西太平洋是全球热带气旋发生最多的地区，约占全球总数的三分之一。热带气旋的是全球热带气旋发生最多的地区，约占全球总数的三分之一。热带气旋的多发地带集中在多发地带集中在510纬度带内，而南北半球纬度纬度带内，而南北半球纬度5以内几乎没有热带气以内几乎没有热带气旋发生。旋发生。0.2 海洋环境因素分析90.2 海洋环境因素分析10台风表现为强烈的气旋性环流，低层有强烈的流入，高层有强烈的流出，并有极强烈的上升运动。地面是气旋式辐合流场，气流从四周以螺旋曲线的形式流向台风中心区。台风天气表现为大风、暴雨、狂浪和风暴潮。0.2 海洋环境因素分析110.2 海洋环境因素分析121314 中中规模风系规模风系： 大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为季大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为季风。季风在冬季由大陆吹向海洋，在夏季由海洋吹向大陆。风。季风在冬季由大陆吹向海洋，在夏季由海洋吹向大陆。随着风向的转变，天气和气候的特点也跟着发生变化。季随着风向的转变，天气和气候的特点也跟着发生变化。季风的形成与多种因素有关，其中最主要的是由于海陆问的风的形成与多种因素有关，其中最主要的是由于海陆问的热力差异以及这种差异的季节变化。在夏季，大陆上气温热力差异以及这种差异的季节变化。在夏季，大陆上气温比同纬度的海洋上气温高，大陆上气压比海洋上气压低，比同纬度的海洋上气温高，大陆上气压比海洋上气压低，气压梯度由海洋指向大陆，所以气流分布是从海洋流向大气压梯度由海洋指向大陆，所以气流分布是从海洋流向大陆的，形成夏季风；冬季则相反，气流分布是由大陆流向陆的，形成夏季风；冬季则相反，气流分布是由大陆流向海洋，形成冬季风。海洋，形成冬季风。 0.2 海洋环境因素分析15 世界上季风区域分布甚广而东亚是世界最著名的季风区。因此季风也世界上季风区域分布甚广而东亚是世界最著名的季风区。因此季风也是中国海洋气候的主要特征。由于大陆和海洋热容量的不同，冬季在严是中国海洋气候的主要特征。由于大陆和海洋热容量的不同，冬季在严寒的亚洲内陆形成高气压带，温暖的海洋形成低压区，所以冬季盛行偏寒的亚洲内陆形成高气压带，温暖的海洋形成低压区，所以冬季盛行偏北风。而夏季正好相反，高温的大陆内部形成低压区，凉爽的海洋上形北风。而夏季正好相反，高温的大陆内部形成低压区，凉爽的海洋上形成高压区，故盛行南风成高压区，故盛行南风0.2 海洋环境因素分析16冬季是我国季风最强的季节。冬季风冬季是我国季风最强的季节。冬季风起源地蒙古高原的偏北气流，其频率起源地蒙古高原的偏北气流，其频率高，风力强劲。高，风力强劲。寒潮是巨大的高压冷气团南侵，造成寒潮是巨大的高压冷气团南侵，造成急剧降温，且伴有霜冻、大风现象的急剧降温，且伴有霜冻、大风现象的天气过程。主要集中于天气过程。主要集中于11月至次年月至次年2月。寒潮有效稳定的路径，它们主要月。寒潮有效稳定的路径，它们主要发源于北极，途经西伯利亚，并在那发源于北极，途经西伯利亚，并在那里得到加强，然后进入我国。里得到加强，然后进入我国。夏季的季风，其气流来源，一是太平夏季的季风，其气流来源，一是太平洋热带高压海洋气团，二是印度赤道洋热带高压海洋气团，二是印度赤道海洋气团。前者主要控制东海，后者海洋气团。前者主要控制东海，后者主要影响南海。主要影响南海。0.2 海洋环境因素分析17风速与风向风速与风向：为距地面高度z的风速与地面基准高度z0的风速之比，n 取决于地面形状。对于平坦地面和海面对于平坦地面和海面n=1/7,对于市街和森林地带对于市街和森林地带n=1/4.40.2 海洋环境因素分析18蒲氏风级(Beaufort Wind Scale )：0 12级级： 风速0.0 33m/s (0.064kn，距地面10米处) 浪高0.0 14m7蒲氏风级与风速的换算公式: 其中V 是风速（m/s）,F是风级0.2 海洋环境因素分析19风玫瑰图：7风向与风速和出现概率的关系 0.2 海洋环境因素分析风频玫瑰图 风频风速玫瑰图 20主要海流：主要海流：黑潮，亲潮，阿留申海流，北太平洋海流， 北赤道流，赤道逆流，北太平洋黑潮，澳大利亚海流， 墨西哥湾海流，巴西海流。10流0.2 海洋环境因素分析21100.2 海洋环境因素分析海流的驱动力：海流的驱动力：1 压强梯度力：压强梯度力：2 风应力风应力3 科氏力科氏力22100.2 海洋环境因素分析科氏力的影响：艾克曼漂流理论科氏力的影响：艾克曼漂流理论 23100.2 海洋环境因素分析240.2 海洋环境因素分析全球洋流分布图全球洋流分布图25100.2 海洋环境因素分析26 中国近海的洋流分为两大系统一是外来的黑潮暖流、中国近海的洋流分为两大系统一是外来的黑潮暖流、二是海域内生成的沿海流与季风漂流。黑潮暖流，源二是海域内生成的沿海流与季风漂流。黑潮暖流，源头在菲律宾以东样面，主干沿台湾以东进入东海，顺头在菲律宾以东样面，主干沿台湾以东进入东海，顺东海大陆坡向东北流去。在台东北，黑潮向北分出一东海大陆坡向东北流去。在台东北，黑潮向北分出一支支流，流向浙江沿海，称为台湾暖流。黑潮主干流支支流，流向浙江沿海，称为台湾暖流。黑潮主干流到日本九州以内，又发生到日本九州以内，又发生次大的分流，分出的西支次大的分流，分出的西支沿九州西岸北上，称之为对马暖流。黑潮主干在九州沿九州西岸北上，称之为对马暖流。黑潮主干在九州以南转向太平洋，一直流到东经以南转向太平洋，一直流到东经160度。与北太平洋大度。与北太平洋大洋环流相接。黑潮主干流域的平均宽度不足洋环流相接。黑潮主干流域的平均宽度不足100海里海里其中主流宽度其中主流宽度20海里。黑潮的流速随季节、区段和水海里。黑潮的流速随季节、区段和水深而变化，各分支的流速每秒变化在十几厘米到几十深而变化，各分支的流速每秒变化在十几厘米到几十厘米。黑潮的流量可达厘米。黑潮的流量可达4000-5000立方米秒，其中在立方米秒，其中在东海的流量约为东海的流量约为3500立方米秒。立方米秒。100.2 海洋环境因素分析27 海洋潮汐是海水在天体引力作用下发生的周期性波动。太阳引力引起海洋潮汐是海水在天体引力作用下发生的周期性波动。太阳引力引起的称太阳潮的称太阳潮, 月亮引力引起的称太阴潮。通常海面周期性的涨落称为潮月亮引力引起的称太阴潮。通常海面周期性的涨落称为潮汐。潮汐按其性质可分为汐。潮汐按其性质可分为3类：半日潮、全日潮和混合潮。类：半日潮、全日潮和混合潮。 半日期是在半日期是在个太阳日内出现高潮和个太阳日内出现高潮和低潮各两次、且相邻高潮及相邻低潮的低潮各两次、且相邻高潮及相邻低潮的潮高均几乎相同、涨潮时和落潮时也几潮高均几乎相同、涨潮时和落潮时也几乎相等。乎相等。 全日潮是在半月内有连续全日潮是在半月内有连续12以上天数以上天数在一个太阳日内只有在一个太阳日内只有次高潮和低潮，次高潮和低潮，而在其余日子则是半日潮。而在其余日子则是半日潮。 混合潮是不正规半日潮和不正规全日潮混合潮是不正规半日潮和不正规全日潮的总称。不正规半日潮是指虽波动次数同的总称。不正规半日潮是指虽波动次数同半日潮，但潮差不同，涨潮时和落潮时也半日潮，但潮差不同，涨潮时和落潮时也不等。不正规全日潮是指半个月内，全日不等。不正规全日潮是指半个月内，全日潮天数不超过潮天数不超过7天，其余大多数日子为不正天，其余大多数日子为不正规半日潮规半日潮。 110.2 海洋环境因素分析潮汐潮汐28我国沿海潮汐类型较为复杂多样，渤海沿岸以不正规半日潮和正规半日潮为主、我国沿海潮汐类型较为复杂多样，渤海沿岸以不正规半日潮和正规半日潮为主、莱州湾、渤海湾、辽东湾为不正规半日潮；塘沽以南至大口树以西、龙圈至蓬莱州湾、渤海湾、辽东湾为不正规半日潮；塘沽以南至大口树以西、龙圈至蓬莱属正规半日期。其他，秦皇岛以东和神仙沟附近届正规全日期。黄海沿岸基莱属正规半日期。其他，秦皇岛以东和神仙沟附近届正规全日期。黄海沿岸基本上属于正规半日潮。东海沿岸，其大陆段，除宁波与舟山之间海域为不正规本上属于正规半日潮。东海沿岸，其大陆段，除宁波与舟山之间海域为不正规半日潮外，其他是正规半日潮；台湾岛近海，从北部的基隆经淡水至西岸的布半日潮外，其他是正规半日潮；台湾岛近海，从北部的基隆经淡水至西岸的布袋一线为正规半日潮其余皆为不正规半日潮。南海沿岸，潮汐性质复杂，不袋一线为正规半日潮其余皆为不正规半日潮。南海沿岸，潮汐性质复杂，不过仍以不正规半日潮和不正规全日潮为主。过仍以不正规半日潮和不正规全日潮为主。1129 潮流：由潮汐引起的，流速达潮流：由潮汐引起的，流速达10kn. 潮位： 大潮, 太阳潮和太阴潮作用叠加。 小潮, 太阳潮和太阴潮作用抵消。 平均潮位 平均潮升110.1 海洋环境因素分析30 平均潮升小潮差大潮升大潮差小潮升大潮平均高潮位小潮平均高潮位平均潮位小潮平均低潮位大潮平均低潮位海图基准面平均海面(潮位)：年平均水位大潮：每月新月和满月最高潮位的潮小潮：新月和满月中间最低潮位的潮大潮平均高潮位：大潮高潮位年均值大潮平均低潮位：大潮低潮位年均值小潮平均高潮位：小潮高潮位年均值小潮平均低潮位：小潮低潮位年均值120.1 海洋环境因素分析310.1 海洋环境因素分析 海冰海冰世界大洋约有世界大洋约有34%的面积被海冰覆盖，的面积被海冰覆盖，对船舶航行、海底采矿及极地海洋考察对船舶航行、海底采矿及极地海洋考察等形成严重影响，甚至造成灾害。等形成严重影响，甚至造成灾害。32海冰形成条件及过程海冰形成的必要条件是，海水温度降至冰点并继续失热、相对冰点稍有过冷却现象并有凝结核存在。当盐度低于24.695时，海水结冰情况与淡水相同；当盐度高于24.695时（通常如此），海水冰点高于最大密度温度，因此，即使海面降至冰点，但对流混合仍不停止，只有当对流混合层的温度同时到达冰点时，海水才会开始结冰。所以海水结冰可以从海面至对流可达深度内同时开始。海冰一旦形成，便会浮上海面，形成很厚的冰层。海水的结冰，首先是纯水的冻结，会将盐分大部排出冰外，而增大了冰下海水的盐度，加强了冰下海水的对流和进一步降低了冰点，又兼冰层阻碍了其下海水热量的散失，因而大大地减缓了冰下海水继续冻结的速度。水最大密度温度与冰点温度随盐度的变化33按结冰过程的发展阶段可将海冰分为：初生冰 最初形成的海冰，针状或薄片状的细小冰晶， 聚集形成粘糊状或海绵状冰。尼罗冰 初生冰继续增长，冻结成厚度10cm左右有弹性的薄冰层， 外力的作用下，易弯曲，易被折碎成长方形冰块。饼状冰 破碎的薄冰片，在外力作用下互相碰撞、挤压，边缘上 升，形成直径为30cm至3m，厚度10cm左右的园形冰盘。初期冰 由尼罗冰或冰饼直接冻结一起而形成厚约（1030）cm 的冰层。多呈灰白色。一年冰 由初期冰发展而成的厚冰，厚度为30cm至3m。时间不超 过一个冬季。老年冰 至少经过一个夏季而未融化的冰。其特征是，表面比一年 冰平滑。34中国海的海冰，仅在冬季出现于渤海和北黄海沿岸。 渤海和北黄海的冰界 35风浪流介介质质运运动动速速度度加加速速度度阻力阻力阻尼力阻尼力惯性力惯性力附加质量附加质量载载荷荷运动倾覆结构应力0.3 0.3 海洋结构物与环境因素的相互作用海洋结构物与环境因素的相互作用 结结构构物物输入输出36风风定常脉动上层建筑弯矩振动断裂疲劳0.3 0.3 海洋结构物与环境因素的相互作用海洋结构物与环境因素的相互作用 37浪浪周期性结构主体弯矩振动断裂疲劳运动0.3 0.3 海洋结构物与环境因素的相互作用海洋结构物与环境因素的相互作用 38流流定常脉动水下浮体弯矩振动断裂疲劳0.3 0.3 海洋结构物与环境因素的相互作用海洋结构物与环境因素的相互作用 390.3 0.3 海洋结构物设计海洋结构物设计 设计条件设计条件功能与规模功能与规模总体布置总体布置位置与方位位置与方位交通与通讯交通与通讯物资器材供应物资器材供应防火与灭火防火与灭火防公害防公害防碰撞防碰撞耐候性耐候性 1)使用条件水深与地形水深与地形潮位潮位风风波浪波浪海流海流降雨和降雪降雨和降雪海冰海冰地震地震海生物繁衍海生物繁衍 2) 自然条件400.3 0.3 海洋结构物设计海洋结构物设计 设计程序设计程序各种环境因素引起的荷载各种环境因素引起的荷载不同环境因素联合作用引起的荷载不同环境因素联合作用引起的荷载 1) 确定外部荷载设计波设计波/安全系数安全系数谱分析谱分析/可靠性分析可靠性分析理论计算理论计算经验与试验经验与试验规范与规则规范与规则410.3 0.3 海洋结构物设计海洋结构物设计 海洋结构物设计建造规范与规则海洋结构物设计建造规范与规则 1) 确定外部荷载美国石油学会美国石油学会 API挪威船级社挪威船级社 DNV英国能源部英国能源部 BED设计程序设计程序船东选定42