江苏辐射沙洲北部海域风浪关系分析

杨斌，冯卫兵，虞丹君

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室，杭州310012）

江苏辐射沙洲北部海域风浪关系分析

杨斌1，2，冯卫兵1，虞丹君1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室，杭州310012）

根据江苏辐射沙洲北部海域（响水沿海）8个月的实测风与浪的资料统计分析了该区域的风浪关系。首先，统计了该海域的风速分布以及波向分布，然后采用新的风浪判别方法挑选出其中的风浪数据，通过最小二乘法拟合了有效波高、有效波周期和风速的曲线关系。结果表明各个方向的风速分布基本均匀，但波高分布差异较大，能起破坏性作用的波浪主要来自NW、NNW、N、NNE方向。拟合得到的关系式与实测分布符合较好，其中有效波高与有效波周期的关系式计算的结果与实测的平均相对误差较小，可用于该海域的波浪预报及作为附近工程建设的参考。

风浪关系；响水沿海；最小二乘法；平均相对误差；波浪预报

在沿海地区，波浪是影响人类生产生活的重要因素之一，尤其灾害性的风浪对人身财产安全、工程建设等构成严重威胁，研究风浪关系及其特征对预防海洋灾害有着重要意义。常见的风浪关系研究中通常考虑风速、风时、风区、水深、水流、重力、海底及岸边地形［1］等因素对波浪的影响。许多学者对计算风浪要素提出了诸多方法并得到了不同的风浪关系式［1-6］，但是这些风浪关系式往往仅适用于各自的风浪资料观测地点及其邻近地区，运用于其他地区尚有一定的局限性。

关于江苏沿海地区的风与风浪关系的研究报道并不多见。冯卫兵等［2］利用南黄海辐射沙洲中部的实测风和浪资料分析了该地区的波高与风速之间、风速与波周期之间的关系。对于江苏辐射沙洲北部海域（响水沿海）及其附近海域，未见有学者做相关研究。随着江苏沿海开发上升为国家战略，海上各项工程的实施，对沿海海域的风浪关系的研究日趋渐热。因此，本文利用该海域的实测风浪资料，统计得到了该海域的风速分布以及波向分布，继而采用新的风浪判别方法挑选出其中的风浪数据，分析了有效波高、有效波周期以及风速三者之间的关系，并拟合得到了该海域的风与浪的关系式，可为实际工程建设服务。

图1 江苏沿海水深及测点位置（120°05.6′E，34°26.3′N，‘★’）示意图Fig.1Illustration of depth and measured point in Jiangsu coastal waters

1 资料介绍

本文风浪资料采集于江苏省盐城市响水县沿海海域的某波浪测站，测站位置为东经120°05.6′，北纬34°26.3′（图1）。测点平均水深约7.6 m，离岸约8 km，自西北—东—西南海域海面开阔，无岛屿等障碍物掩护，实测资料代表性较好。波浪数据是由SBF3⁃1型观测浮标测量所得，风速、风向资料（海上10 m高度处10 min平均数据）为与测波点附近位置的风电测风塔的风速风向仪所测。数据采集时间段为2009年7月～2010年2月，对采集的数据进行整理得到风速、风向、波向、水深、有效波高及有效波周期等对应数据共4 269组数据。

2 风速和波向分布

图2为各风向的平均风速和最大风速分布，由此可见各方向的平均风速相差较小，并且各方向的最大风速之间也相差不是很大。各方向平均风速属于微、和风级别，均值为6.2 m/s；最大风速基本属于强、疾风范围，均值为13.4 m/s。然而，该地区各向最大有效波高则差别较大（图3），图3显示SW以及WSW方向无波浪，NNW方向的最大有效波高为2.68 m；各方向的平均有效波高变化范围为0～1.06 m，所有方向的有效波高均值为0.5 m。偏北方向（NW-N-NE）的平均有效波高较大，基本接近1 m，最大有效波高也出现在这些方向。

据数据统计，风向与波向一致约占总数据的14%；有效波高大于1 m时，波向与浪向一致的比例为17.5%。就波浪而言，发生频率较多的出现在偏东向，E向占20.5%，ESE向占19.4%；而大浪（有效波高大于1.0 m）则主要来自偏北（NNW-N-NE）方向，发生频率最大的为NNE（25.8%），其次为N和NNW，发生频率分别为19.6%和15.4%（表1）。

图2 平均和最大风速分布图Fig.2Distribution diagram of average and maximum wind speed

图3 平均和最大有效波波高分布图Fig.3Distribution diagram of average and maximum effective wave height

3 实测风浪关系分析

由于本文所在海域的岸线大致呈西北至东南走向，NW顺时针至SE方向的海面开阔，部分方向的最大风区非常长，接近无限风区，同时风时也不易确定，导致波高与风区长度以及风时的关系复杂。因此，本文根据收集到的有效波高、有效波周期以及风速数据来分析响水沿海的风浪关系。

冯卫兵等［7］对本测点波浪数据进行谱分析得到该海域波浪主要为混合浪。由于本文研究风与风浪的关系，所以剔除了涌浪及涌浪成分为主的混合浪数据。数据的处理是依据李水清等［8］最近提出的风涌浪划分方法，采用改进的一维PM法对风涌浪进行分离的。一维PM法与风速有关，改进的一维PM法是将分割频率ƒs增大为原来频率ƒPM的1.2倍，然后用该频率对风、涌浪进行分离，谱峰频率高于该频率说明该峰值对应的波浪为风浪，低于该频率则为涌浪。经过公式挑选后最终得到130组数据。PM法相关公式如下

表14 269组数据和有效波高大于1 m的数据中各向来波的数据比例Tab.1Proportions of wave direction of the 4 269 data and that of significant wave height greater than 1 m%

式中：fPM为PM风浪谱谱峰频率；g为重力加速度；U10为海面10 m高处10 min风速平均值。

130组风浪数据的风速范围为4.5～14.7 m/s，有效波高范围为0.25～2.66 m，有效波周期范围为2.15～9.34 s。通过对实测风速与有效波高、有效波高与有效波周期之间分别用最小二乘法拟合得到

公式（2）、（3）拟合的效果图见图4和图5。由拟合图4可见，有效波高与风速有较好的曲线关系，波高计算值与实测值相关系数为0.86。由图5可知有效波高与对应波周期的散点基本呈向上弯曲带状分布，曲线拟合效果较好，计算得到有效波周期值与实测有效波周期值相关系数为0.94。

图4 有效波高与风速的变化关系图Fig.4Variation of wind speed with significant wave height

图5 有效波高与有效波周期的变化关系图Fig.5Variation of significant wave height and corresponding wave period

实测风速、有效波高和有效波周期三者之间的关系常用下式表示

其中系数值c（1）、c（2）通过拟合得到。

图6为无因次波高周期对数关系图，无因次波高与周期的数据点分布有明显线性趋势，图6中实线为公式（4）的拟合结果，拟合较为合理，得到的相关系数为0.75。

表3列出了莆田试验、青岛海大、SMB公式［1］的系数值以及本文按公式（4）拟合得到的系数。相比而言，本文得到的系数值c（1）、c（2）都偏小。

为了得知公式的计算值与实测值之间的差异情况，使用平均相对偏差S来表现计算值与实测值的差异程度

图6 无因次波高周期对数关系图Fig.6Logarithmic diagram of normalized wave height with period

表3 各种计算方法的系数值比较Tab.3Comparison of coefficients of different computing methods

表4 本文各公式计算值的平均相对偏差STab.4Average relative deviation（S）of the value calculated by different formulas

式中：Yi为计算值；Xi为实测值。

由公式（2）、（3）、（4）的计算值与实测值的平均相对偏差见表4。由表4得到公式（2）的计算结果的相对偏差S较大，原因是本海域以混合浪为主，波浪测量点位置靠近沿岸，虽然沿岸水深等深线基本平行，但相对坡度可能较大，波浪浅水变形对波浪的影响不可忽视，因此风与浪的关系较差。但拟合得到的关系式基本可用于实际预报。公式（3）、（4）的相对偏差较小，表明计算得到的有效波周期与实测有效波周期差异较小，有效波高与有效波周期的关系较好。

4 结论

（1）响水县沿海海域风浪关系复杂，风向与浪向不一致的情形占多数。测量期间平均风速整体较小。由此产生的能起破坏性作用的波浪主要来自NW、NNW、N、NNE等方向。

（2）通过最小二乘法拟合分析得到有效波周期与有效波高的相关性、无因次有效波高与有效波周期的相关性都较好，其拟合公式计算结果的平均相对偏差较小，计算结果较好，可用于本海区的风浪波要素推算。虽然有效波高与风速的关系相对较差，但拟合得到的关系式基本可用于实际预报。

［1］洪广文，杨正己.风浪要素计算方法［J］.水运工程，1978（9）:25-66. HONG G W，YANG Z J.Methods of calculating wind wave elements［J］.Port&Waterway Engineering，1978（9）:25-66.

［2］冯卫兵，彭向丽，张少兰.南黄海近岸海域风浪统计分析［C］//中国海洋工程学会.第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社，2009:523-528.

［3］潘锦嫦.大连湾小风区风浪要素的经验关系［J］.水运工程，1984（1）:50-53. PAN J C.Empirical relations of wind wave elements in minor wind zone of Dalian Bay［J］.Port&Waterway Engineering，1984（1）: 50-53.

［4］黄英凯，郑淑卿.福建海区风浪关系式及风浪要素计算［J］.海洋通报，1985，4（1）:19-25. HUANG Y K，ZHENG S Q.The wind⁃wave relations and the computation of the wind⁃wave elements in the Fujian sea area［J］.Ma⁃rine Science Bulletin，1985，4（1）:19-25.

［5］滕学春，吴秀杰，董吉田.浅水风浪要素计算方法［J］.黄渤海海洋，1985，3（3）:5-17. TENG X C，WU X J，DONG J T.A method of calculating wind wave elements［J］.Journal of Oceanography of Huanghai&Bohai Seas，1985，3（3）:5-17.

［6］王欣睿，娄安刚，孙波涛.珠江口近海海域海浪预报方法研究［J］.海洋通报，2009，28（3）:113-116. WANG X R，LOU A G，SUN B T.Study of Zhujiang Estuary Offshore Sea Area Wave Forecast Methods［J］.Marine Science Bulle⁃tin，2009，28（3）:113-116.

［7］Feng W B，Yang B，Xia J S，et al.Wind Wave Spectral Analysis in North⁃central Coastal Waters of Jiangsu［C］//Joseph Hun⁃Wei Lee，Chiu⁃On Ng.The 6th International Conference on Asian and Pacific Coasts（ISTP）.Singapore:World Scientific Publishing Co.Pte Ltd.，2011:1 810-1 817.

［8］李水清，赵栋梁.风浪和涌浪分离方法的比较［J］.海洋学报，2012，34（2）:23-29. LI S Q，ZHAO D L.Comparisons on partitioning techniques to identify wind⁃wave and swell［J］.Acta Oceanologica Sinica，2012，34（2）:23-29.

Analysis on wind⁃wave relationship on north coastal waters of Jiangsu radial sand ridges

YANG Bin1,2,FENG Wei⁃bing1,YU Dan⁃jun1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Engineering Oceanography,Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou 310012,China）

Based on the measured wind and wave data of eight months on the north coastal waters of radial sand ridges in Jiangsu province,the wind⁃wave relationship of this region was analyzed.Firstly,the distributions of wind speed and direction were statistically obtained.After that,the wind⁃wave data were picked out according to the new wind⁃wave distinguished method and the curve relations between significant wave height,significant wave peri⁃od and wind speed were fitted by least square method.The results show that the distribution of wind speed in all di⁃rections is almost uniform and does not coincide with the distribution of wave height.The waves induced significant damage are mainly from NW,NNW,N and NNE direction.The fitted formulas are in accordance with the actual dis⁃tribution.Besides,the average relative error is smaller between the measured values and the results calculated from the formula which reflects the relationship between significant wave height and significant wave period.Therefore the formulas can be used as wind⁃wave prediction and references of the nearby engineering construction.

wind⁃wave relationship；Xiangshui coast；least square method；mean relative error；wave forecast⁃ing

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2014）06-0578-04

2013-11-20；

2014-01-10

国家自然科学基金面上项目资助项目（51279055）

杨斌（1984-），男，江西省高安人，博士研究生，主要从事海岸水动力方向研究。

Biography：YANG Bin（1984-），male，doctor student.