近岸水動力學

本書介紹：

　人類為了擴增海岸空間的利用與保護而有海岸工程學門的發展，在這海陸交界的海岸地帶，不但是滋生豐富海生物種的蘊育場所，同時也是最為敏感脆弱的環境空間，稍有疏忽即可能造成環境生態的衝擊影響。由於海陸邊界的複雜交錯造就近岸海洋物理有趣多變的現象，其中最為明顯的變化乃屬波、潮、流及海岸變遷，而此等變化又隨著地域之不同而有特性之差異，就由台灣東西部海岸展現出非常不同的波、潮、流運動現象，即可瞭解近岸海洋流體運動的複雜度。

　本書主要介紹「近岸水動力」的理論基礎、數值解析和模式應用，並呈現最新研究成果和發展前景，同時在各章中舉出許多計算例題，內容上要求深入淺出，期能使讀者獲得較全面的理論基礎和應用途徑，並在往後的發展受到啟發。「近岸水動力學」討論的對象是複雜的數學和力學機構，是不太容易理解的學問，因此本書選擇「工程數學」中幾個重要內容為架構，進行基本概念的解說和方程式推導，而儘量避免繁瑣的理論解析，改以較為完整的數值分析和計算機應用，以提高讀者解析問題之能力並學習如何利用數值技巧將問題模式化，進而求解與解釋模式預測之結果。
　本書共分九章，前三章先敘述波動理論、波浪生成與變形，將古典的波浪理論用數學方法加以描述，並利用數值計算方法補充數學之不足。對於風浪理論，則引進近岸風浪模擬的新觀念，由波浪作用力平衡的原理解釋風浪的生成與發達；第四〜六章介紹波浪變形近代不同數值解析方法和模式，就各種模式特性、適用範圍、精確度和工程需求，在學理和數值解析方法上作比較和說明；第七、八兩章分別就波浪衍生水位堆升與近岸流以及潮流水動力現象予以說明，並介紹相關之數值模式及其解析方法；第九章則為海域擴散與傳輸數值模式之介紹，並以實務為導向，討論各種海洋環境評估方法和注意事項，可供實際工程規劃設計時之參考。
　本書在海岸、海洋工程及海洋環境影響評估具有創新觀念、數理分析及實例應用的廣面參考價值，適合大學部和研究所用書，以及一般從事海岸、海洋和環境評估專業人員之參考書籍。本書內容有許多著者本身刊登國際期刊原創性的文章，讀者如有特別的興趣，可依每章參考文獻進一步去瞭解。希望本書的出版，能落實本土海洋、海岸工程科技化的理念，對國內海洋、海岸、港灣工程及海洋環境能作出貢獻。

編者簡介／許泰文
學歷：國立成功大學工學博士
經歷：國立成功大學水利及海洋工程學系助教、講師、副教授
美國愛荷華大學及維幾尼亞海事科學研究所研究
現職：國立臺灣海洋大學河海工程學系講座教授兼副校長
專長：海岸工程、海岸開發與保育、近岸水動力學、離岸風電與海洋能
榮譽：翡陶翡榮譽會員（1991）
中國土木水利工程學會論文獎（1994）
行政院參等服務獎章（1996）
中華民國海下技術協會工程獎章（2001）
臺灣海洋工程學會論文獎（2002、2007、2009、2011）
國立成功大學傑出優良教師（2002）
國立成功大學工學院研究優良獎（2003）
世界優秀專家人才名典（2003）
SCI國際期刊論文117 篇；國內期刊論文34 篇，共151 篇（1985〜2019）
96年度科技部特約研究究員（2017.01〜2019.12 ）
94年度科技部第一主持人費25000 元/月（等同科技部傑出研究獎，2015.08〜2018.07）
100年度國科會傑出研究究獎（2011.01〜2013.12）
103年度科技部傑出研究獎（2014.01〜2016.12）
97年度中國工程師學會傑出工程教授獎（2008.06）
105年度全國水利傑出貢獻獎項－大禹獎（2016.06）
第二期能源國家型科技計畫（NEP-I1）院管考優良計畫（2016.10）
宇泰海洋工程科技榮譽學者（2008.01〜2010.31）
97年度中國土木水利工程學會會士（2008.10）
國立成功大學教學卓越教師學會會士（2008.10）
中華民國力學學會第5 屆會士（2010.11）
PACON 2004 Service Award (2004)
Who’s Who in Science and Engineering (2008-2009)
2011 OMAE Service/Appreciation Award (2011)
Who’s Who in the World (2014)
Excellent Professor in the World (2015)
著作：海岸工程學、永續的鑽石海岸

序
自序
作者簡介

第一章 波浪理論／1
1.1 波動方程式／1
1.2 微小振幅波理論／5
1.3 分散關係式與波長及波速／11
1.4 攝動參數之意義／17
1.5 水粒子運動軌跡／18
1.6 波壓與波能／21
1.7 群波速度／25
1.8 有限振幅波／27
1.8.1 Stokes 波／29
1.8.2 孤立波／37
1.8.3 橢圓函數波／43
1.8.4 各種波浪理論適用範圍／55

第二章 風浪模式／59
2.1 風浪生成與發達／59
2.2 風浪預報模式的分類／60
2.2.1 SMB示性波法／60
2.2.2 PNJ波譜法／66
2.3 風浪模式／67
2.3.1 波浪作用力平衡方程式／68
2.3.2 近岸風浪模式-SWAN／70
2.3.3 遠域風浪模式-WAM／71
2.4 數值模式／76
2.4.1 方程式離散化-有限差分法／76
2.4.2 方程式離散化-有限元素法／77
2.5 颱風波浪預報／79
2.5.1 經驗法／79
2.5.2 數值模式／82
2.6 風場模式／83
2.6.1 艾克曼動力模式／83
2.6.2 袁金渦動模式／85
2.7 實例計算／87
2.7.1 風浪預報／87
2.7.2 颱風波浪推算／89

第三章 波浪變形／97
3.1 波浪守恆方程式／97
3.2 波浪淺化／100
3.3 波浪折射／103
3.4 波浪繞射／108
3.5 波浪反射／114
3.5.1 水平底床之反射率／114
3.5.2 斜坡底床之反射率／119
3.6 波壓與波能／124
3.6.1 碎波指標／124
3.6.2 碎波型式／126
3.6.3 碎波帶內波浪之變形／129

第四章 緩坡方程式／137
4.1 波浪變形共存問題／137
4.2 緩坡方程式／138
4.3 緩坡方程式之型式／141
4.4 邊界條件／143
4.4.1 近似邊界條件／143
4.4.2 應用疊代法處理大角度入射／152
4.5 數值方法／156
4.5.1 方程式離散化-有限差分法／156
4.5.2 方程式離散化-有限元素法／162
4.5.3 數值穩定性分析／164
4.6 緩坡方程式的延伸／165
4.6.1 陡變地形／165
4.6.2 波浪能量方程式／169
4.6.3 透水介質／174
4.6.4 斜坡擾變地形／176
4.7 相關波浪模式／181
4.7.1 各種波浪模式特性／182
4.7.2 模式計算結果之比較／185

第五章 Boussinesq 方程式／193
5.1 方程式簡介／193
5.2 Boussinesq 方程式的修正型態／194
5.3 二皆全非線性Boussinesq 方程式／197
5.4 各種型式之Boussinesq 方程式／200
5.5 波浪溯升與碎波／208
5.6 數值方法／214
5.6.1 方程式之離散化／214
5.6.2 造波條件／219
5.6.3 邊界條件／220
5.7 實例計算／222

第六章 Navier-Stokes 方程式／227
6.1 Navier-Stokes 方程式／227
6.2 邊界條件／239
6.2.1 上游邊界條件／239
6.2.2 下游邊界條件／241
6.2.3 底部邊界條件／241
6.2.4 自由表面邊界條件／243
6.3 數值方法／244
6.3.1 方程式之離散化／250
6.3.2 壓力疊代技巧／253
6.3.3 自由表面的處理／258
6.4 實例計算／258

第七章 近岸流理論／273
7.1 近岸流概述／273
7.2 水深積分方程式／273
7.3 輻射應力／282
7.4 波揚與波降／286
7.5 沿岸流／292
7.6 裂流／302
7.7 近岸流數值模式／309
7.7.1 控制方程式／309
7.7.2 方程式之離散／311
7.7.3 模式驗證／316
7.7.4 實例計算／319

第八章 潮汐與潮流／323
8.1 引潮力／323
8.2 實際潮汐現象／330
8.3 潮汐調和分析和預報／340
8.3.1 理論基礎／340
8.3.2 調和分析實例／352
8.4 暴潮模式／353
8.4.1 暴潮現象／353
8.4.2 暴潮控制方程式和邊界條件／354
8.5 潮流模式／360
8.5.1 潮流現象／360
8.5.2 潮流控制方程式和邊界條件／362
8.5.3 方程式之離散化／364
8.6 模式應用／367
8.6.1 暴潮預測／367
8.6.2 潮流計算／374

第九章 擴散模式／385
9.1 擴散模式的應用／385
9.2 拋沙擴散模式／385
9.2.1 控制方程式／385
9.2.2 方程式之離散化／391
9.3 熱擴散模式／395
9.4 油汙染擴散模式／397
9.5 水質模式／398
9.6 實例計算／400
9.6.1 漂沙實例計算／400
9.6.2 熱擴散實利計算／404
9.6.3 油汙染實利計算／407
9.6.4 水質實利計算／410

中文索引／417
英文索引／423