QF207浮标的海浪要素计算探讨*

2013-05-13卢小鹏吕翠兰

海洋开发与管理 2013年2期

关键词：波高风浪浮标

卢小鹏，吕翠兰，王薇，沈光

（1.宁波海洋环境监测中心站宁波 315012；2.宁波市海洋与渔业局宁波 315012）

QF207浮标的海浪要素计算探讨*

卢小鹏1，吕翠兰1，王薇1，沈光2

（1.宁波海洋环境监测中心站宁波 315012；2.宁波市海洋与渔业局宁波 315012）

文章主要从目前已有的一些计算海浪要素的半理论半经验的公式出发，结合QF207的部分实测资料进行比较，寻找一种适合计算QF207风浪特征的计算公式。

QF207浮标；海浪；计算方法

1 概述

海浪是一个非常复杂的物理现象，到目前为止，人们对它的认识还不是非常清楚。虽然，大家都知道，风吹过海面就会形成波浪，但实际上，我们在海洋上遇到的通常是不同来源地波系叠加起来的混合浪。当风浪和涌浪在浅海传播时，由于地形的影响，在海岸和岛屿附近还常出现折射、绕射、反射、卷倒等现象，同时其在传播过程中其波向、波速、波形以及其他性质也都在不断发生变化。

海浪也是一种具有巨大能量的自然现象，蕴藏着大量的可再生动力能源，现在也有人提出运用海浪能进行发电。但是海浪也给人们的生产生活、海洋工程等带来很多不利因素。因此，我们需要对海浪特征充分地了解，才能正确地利用它，又能减少它带来的不良后果。

2 分析对象

海上的实测风浪资料是非常宝贵的资源，本文选择浮标QF207作为分析的对象，该浮标位于东海外部，29.5°N、124.0°E，其所在海域水深大约为60～70m，周边开阔，无岛屿阻挡，能很好地代表东海海域的风浪。

该浮标于2009年12月由东海技术中心负责安放投入使用，其风浪要素分别为美国公司的测风仪和山东省科学院海洋仪器研究所的测浪仪获取。本文以其获取的重大天气系统影响期间的实测风、浪要素进行分析，期望从中总结一些规律，为今后的风浪预报提供一些借鉴。

3 风浪特征分析

3.1 风浪要素计算理论

风浪的形成源于风-水间相互作用，通过风与水界面进行动量、能量和其他物理量的交换。风浪的成长和消衰取决于能量的输入和消耗，当波面上的压力不对称导致风浪的能量输入大于水体由于摩擦消耗的能量时，决定了风浪的不断发展；当能量输入等于能量消耗时，风浪不再发展，趋于稳定；当能量的输入小于波能消耗时，风浪将不断减弱，并趋于消亡。

目前国内外关于风浪生成和发展的研究，以菲利浦斯（Phillips）的共振机制理论和米尔斯（Miles）的剪切流理论最为重要，但也不能完全反映风浪生成这一复杂的物理现象。而运用理论计算风浪要素的公式主要是线性理论中的特征波计算方法和频谱计算法。特征波计算方法是以一种或几种有代表性的特征波代替实际风浪，然后将此特征波视为简单的波动，依能量平衡原理讨论其相对于时间和位置的成长，并以特征波的成长规律反映风浪的成长规律。依照特征波计算方法，经过理论推导，可得出无因次波高的成长关系式。频谱计算法是将波能谱于整个频率范围内积分即得总能量，再根据波谱与波要素的关系以及波高的分布规律就可得到各种特征波高与波能谱零阶矩的关系式，从而求出各特征波高［1］。

3.2 风浪要素经验计算方法

从特征波计算方法出发，结合实际情况，选择一些适合浮标QF207情况的计算方法。因其所在海域水深大约为60～70m，按深水波和浅水波的分类来看，该水域的波浪性质应表现为过渡浅水区，因此在计算海浪成长经验公式时，应考虑水深对波浪的影响。当前国内外适合浅水和任意水深的风浪要素计算的半经验半理论方法主要有：青岛海洋大学法、莆田实验站法、苏联1975年波浪规范、美国SMB法、日本的井岛公式［1－3］。

3.2.1 青岛海洋大学法

该方法是青岛海洋大学相关学者研究所得，根据对布莱斯纳德（Bretschneider）、苏联1975年波浪规范和我国1987年规范进行分析比较后得出的浅水风浪要素计算公式及其计算图解，其适用条件为d／U2≤0.2，对本文而言，即风速大于17.3m／s。该方法目前已作为我国《海港水文规范》中浅水风浪计算公式，即

式中：HS为有效波波高，单位为m；TS为有效波周期，单位为min；F为风区长度，单位为m；d为水深，单位为m；g为重力加速度，单位为m／s2；U为海面上10m高处的10min平均风速，单位为m／s。该符号的定义与以下各公式一致。

3.2.2 莆田实验站法

河海大学洪广学等根据福建莆田实验室观测资料考虑风速、风区和水深的影响，提出了一个适合深、浅水的风浪要素计算方法，该方法目前已被我国水利部《辗压式土石坝规范》所采用，其具体表达式为：

3.2.3 苏联1975年波浪规范

1969年，苏联热帕林斯基等在大量自记波浪资料的基础上，提出的计算风浪要素的经验方法。后来，斯特列卡洛夫根据其收集的资料，进行了改进，即为苏联1975年的波浪规范方法，其为：

3.2.4 美国SMB法

美国的布莱斯纳德（Bretschneider）以斯费德鲁普（Sverdrup）和蒙克（Munk）以有效波理论为基础，根据收集的资料做了一些修正，现为美国《海岸防护手册》所推荐，具体表达式为：

3.2.5 日本井岛公式

日本井岛武士于1967年将美国威尔逊深水定常波的计算方法，推广到任何水深的情况，该公式为：

3.3 QF207的风浪要素对比

QF207的风、浪实测资料的要素主要为平均风速、风向、最大风速、有效波高、有效波高周期、最大波高、最大波高周期等，将该实测资料与主要5种计算方法结果进行比对。考虑到风浪的危害性，主要选择有效波高大于2.5m的实测风浪资料进行分析总结。因风浪的经验计算是考虑风浪的完全充分成长，要求风速相对稳定少变，因此在做对比分析时，主要以冷空气的影响下风浪为主要分析对象（表1）。当海面风速出现上升或下降时，风速按《海港水文规范》规定的方法计算。

表1 QF207波浪要素实测统计资料

续表

风浪的成长发展主要与风区、风时、水深等要素有关。因QF207所在海域开阔，风浪成长的风区，以理论最小风区为界，风时为理论最小风时，水深为60m。风区是指风速、风向一致的水域，《海港水文规范》中规定风区内风速差不宜大于2～4m／s，风向差不宜大于30°。

运用上述的5个风浪要素的经验运算公式，对平均风速从12～29m／s，其风区长度结合规范的深水风浪要素计算图给出合适的最小风区，分别计算风浪在各个风速值下的充分成长，最小风时作用下的有效波高（表2）。

表2 定常风作用下的风浪要素计算

从表2来看，日本井岛公式在平均风速为12～20m／s之间时，有效波高多数明显大于其他4个公式的计算值；在平均风速为20～29m／s之间时，青岛海洋大学法计算值则表现为最大。与实测资料比对，发现当某日QF207测得平均风速为13m／s时，实测有效波高为3.0～3.5m，该结果与苏联1975波浪规范计算值3.0m、美国SMB法计算值3.2m、日本井岛公式计算值3.6m较为接近，日本井岛公式计算结果略大些；当实测平均风速为14m／s时，分析上述实测资料，可认为在该定常风作用下，实测有效波高为3.5～4.0m，该结果与苏联1975波浪规范计算值3.6m、美国SMB法计算值3.8m、日本井岛公式计算值4.2m较为接近，而日本井岛公式计算结果也略大些；当实测平均风速为15m／s时，认为在该定常风作用下，实测有效波高大约为4.0～4.5m，该结果与苏联1975波浪规范计算值4.0m、美国SMB法计算值4.3m、日本井岛公式计算值4.7m较为接近，而日本井岛公式计算结果也略大些。综上所述，发现实测结果与苏联波浪规范法和美国SMB法更为接近。