海南岛东南近岸海浪观测及统计特征*
2016-12-12李淑江李泽文高秀敏徐晓庆
李淑江，李泽文，范 斌，高秀敏，徐晓庆，滕 涌，叶 钦
(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.华能新能源股份有限公司，北京 100097；3.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)
海南岛东南近岸海浪观测及统计特征*
李淑江1，李泽文2，范 斌1，高秀敏1，徐晓庆1，滕 涌1，叶 钦3
(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.华能新能源股份有限公司，北京 100097；3.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)
根据2012-2013年海南岛东南近岸整年海浪观测资料，初步分析了观测海域的海浪季节变化和统计特征。观测结果表明，观测海域年平均有效波高为1.28 m，常浪向为东向(E)，平均跨零周期为5.1 s。观测海域波浪存在显著季节变化特征，主要表现为冬季型和夏季型两种波浪类型。对比观测期间影响观测海域的台风，发现从观测海域南部经过的台风“山神”对观测海域的影响远大于从北部经过的台风“启德”。台风“山神”使观测海域的波高和周期同步迅速升高到最大值5.77 m和7.8 s，但波向滞后约12 h从东向(E)转为偏南向(SSE)。受该台风影响，各频率和各方向上的能量都迅速增加，谱峰值由高频向低频转换，方向谱由单峰结构向双峰结构转换，即台风导致了观测海域一支偏南向(SSE)浪的出现。
海南岛；海浪观测；平均持续时间；台风；海浪谱
海南岛地处南海西北部，其东南方向面向开阔的南海，水深由陆架浅水迅速下降到1 000 m，因此其东南近岸波浪受南海影响显著。南海地处东亚季风区，冬季盛行东北风，夏季盛行西南风，东北季风盛行时间明显长于西南季风，风速也强于夏季。除季风影响外，南海北部还经常遭受台风和寒潮的袭击，造成波浪极大值的出现。这些台风主要由西太平洋和南海当地热带低压发展而成，每年夏秋季节台风活动频繁，平均每年9个台风会影响到南海，约1～2个台风会在海南岛登陆[1-2]。每年9月至次年4、5月，平均有50次寒潮进入南海，也会影响到南海海浪的发展[3-4]。
无论早期观测还是数值模拟都表明[4-7]，南海风浪受季风的影响，存在显著的季节变化特征。冬季，南海几乎以东北向(NE)浪为主，夏季多为西南向(SW)浪，春季和秋季为转换季节，且冬季波高较大，夏季较小。受风区和水深的限制，海南岛周边海域海浪存在西低东高，北低南高的特征[3-5]。早期船报资料和数值模拟都表明，海南岛东南附近海域是南海极值波高最大的海域，其中早期船舶资料测得最大波高达到14.3 m[3]，数模得到百年一遇极值波高超过18 m[5]，如此大的波高，足以对沿海农田、水利、工程设施等产生巨大的威胁，但附近海域缺乏长时间连续的波浪观测，因此对该海域波浪的特征和规律还缺乏深入的了解。
本文将利用2012-2013年海南岛东南近岸一整年的波浪观测资料，统计分析该海域波浪的季节性变化等特征，并分析台风影响下观测海域的波浪发展过程及规律。
1 资 料
波浪观测地点位于海南岛东南近岸约3 km处的(110°33′00″E，18°44′50″N)(图1)，水深约37 m，直接面向开阔的南海深水海域。由于观测点位于海岸突出岬角的外海一侧，且水深坡度较大(见图1水深分布，数据来自ETOPO 1[8])，波浪易辐聚，因此观测点波浪较大。波浪观测仪器采用荷兰Datawell公司的MK III型方向波浪浮标(又称Waverider，即波浪骑士)，波高和波向分辨率分别为0.01 m和1.5°，采样频率为1.28 Hz，波浪浮标每30 min给出一次统计特征值。本文采用整点时刻的数据对海浪的季节变化规律开展相关研究，采用30 min间隔数据分析台风期间的波浪特征。该观测点的波浪观测日期为2011-12—2013-05，前期观测频繁受到人为干扰和破坏，导致资料存在较多缺测，因此这里选取了数据较为完整的2012-05—2013-04一整年的观测结果，研究分析该海域的波浪特征和规律。
图1 波浪观测站及周边海域水深(m)分布
由于观测过程很难保证资料的完整性，为了进行相关统计分析，本文对缺测的资料进行了插补。首先根据LAGFD-WAM第三代海浪模式[9]，结合NCEP风场对观测点海浪进行后报，得到观测点的波浪参量时间变化序列，然后将这一时间序列与观测值时间序列进行线性回归分析，最后拟合出缺测时段的波浪各参量值。
2 波浪的季节变化和统计特征
2.1 波浪的季节变化
图2为海南岛东南近岸观测站有效波高(以下简称波高H)、谱峰方向(以下简称波向)和跨零周期(以下简称周期T)在2012-05—2013-04的时间变化曲线。图中实线为观测值，虚线为拟合插补值，波向北向为0°。为了显示清楚，图中选择每12 h一个观测值绘制了时间变化曲线。观测结果表明，观测点全年平均波高为1.28 m，平均周期为5.1 s，常浪向为东向浪(E)，各参量都存在显著的季节变化特征。夏季，受西南季风的影响，观测点波高较低，几乎全在2.00 m以下，其中7月份达到全年月平均最低值0.87 m；冬季，观测海域盛行东北季风，观测点波高显著增加，全年高于2.00 m以上的大浪几乎都出现在冬季，其中12月达到全年月平均最高值1.87 m。观测地点浪向的季节变化特征更加显著，9月底至次年3月中旬常浪向为东向(E)，6月中旬至8月中旬常浪向为偏南向(SSE)；其他时间为转换季节，东向浪和偏南向浪交替出现。春季和夏季，观测点波浪周期较小，5月份达到最小月平均值4.7 s；秋季和冬季观测点波浪周期显著升高，12月达到最大月均值5.5 s。
图2 观测点的波高、波向和周期时间变化曲线
根据观测海域的全年观测资料，本文给出了波高与波向的联合分布以及周期与波向的联合分布(图3)。结果表明，在波向上展现出清晰的两族分布，分别代表着波向为东向及偏东向(60°～100°)的冬季型波浪和波向为南向及偏南向(150°～190°)的夏季型波浪。冬季型浪的波高和周期较大，平均波高和周期分别为1.48 m和5.3 s，常浪向为东向(E)浪；夏季型浪的平均波高和周期较小，平均波高和周期分别为0.88 m和4.7 s，常浪向为南向(S)浪。除冬季型浪和夏季型浪外，观测到的其他浪向出现频率很低，这说明观测海域波浪转换季持续时间较短。在转换季节，观测到的有效波高大部分都在1 m以下，这表明非台风期，冬季型浪的波高和周期最高，夏季型浪次之，春秋转换季最小。
图3 波高-波向联合概率密度分布与周期-波向联合概率密度分布
2.2 波高与周期的联合分布
作为随机变量的海浪波高和周期并非独立的[10-11]，他们之间存在一定的相关性。就本文观测结果而言，计算出的二者相关系数为0.62，置信度超过99%。很多学者根据自己的观测资料进行统计分析，得到一些经验公式，认为平均周期的平方与平均波高成正比例[11-13]：
H=aT2,
(1)
系数a随不同海域而变。根据本文获取的观测资料，可计算出海南岛东南近岸的全年波高和周期的联合分布(图4)。在波高与周期的联合分布中，最大概率对应的波高为0.80 m，对应的周期为4.8 s。随着周期的逐渐增大，对应的波高范围逐渐扩大，其中波高极小值缓慢增高，但波高极大值却迅速升高。设定周期，可求得对应的平均波高值，当周期T小于6.0 s时，随着设定周期的增大平均波高逐渐增大，二者满足式(1)，应用最小二乘法可求得a=0.050；当周期T满足6.0 s 图4 波高-周期的联合概率密度(m-1·s-1·%)分布 2.3 平均持续时间 表征波浪能量的参量，除了波高外，波浪的持续时间也是一个重要参量。波浪的持续时间指大于等于某设定波高的连续延时，平均持续时间指设定波高值对应的各次持续时间的均值[14]。1975年Lawson和Abernethy[15]提出了平均持续时间与波高存在指数关系： D=α(H)β, (2) 式中，H为设定波高；D为大于等于H的平均持续时间；α与β为参数。Lawson和Abernethy[15]根据澳大利亚东南海岸的波高观测资料得到α=7，β=-2；而Graham[16]根据北海观测资料得到α=4.16，β=-1.52；潘锦嫦[14]根据北部湾观测资料，得到非台风期，α=1.82，β=-0.93，可见虽然平均持续时间与波高都服从指数衰减关系，但不同海域的系数是不同。 根据海南岛东南近岸的观测资料，我们也统计计算出了不同设定波高对应的平均持续时间(图5)。结果表明，观测点平均持续时间随着设定波高的变化可以分为3个阶段：当设定波高H<2.80 m时，平均持续时间符合1975年Lawson和Abernethy[15]提出的指数衰减规律，采用最小二乘法可计算出非台风期间α=1.67，β=-2.09；当设定波高2.80 m 图5 平均持续时间随波高的变化 海南岛处在西北太平洋台风的西移路径之上，在海南岛登陆的台风次数占全国台风登陆总数的1/4，素有“台风走廊”之称，次数多、强度大、季节长是海南台风的三大特点，台风也是海南最严重和普遍的自然灾害[17-18]。在2012-05—2013-04的观测期间，约20个台风和热带风暴经过或影响到我国近海，其中从观测附近海域经过的台风有2个，分别为2012-08的“启德”和2012-10的“山神”。根据中国台风网(www.typhoon.gov.cn)的台风数据，台风“启德”从观测点北部海域经过，台风“山神”从观测南部海域经过(图6)。两次台风强度接近，离观测海域的最近距离也相当，但从观测结果来看，台风“启德”引起的最大有效波高仅为2.24 m，远小于台风“山神”引起的最大波高5.77 m，这说明从南部深水区经过的台风更易导致观测海域极大波高的产生。因此本文将重点分析台风“山神”期间，观测海域的波浪特征及其发展规律。2012-10-24热带风暴“山神”在菲律宾东南部的西北太平洋洋面生成，随后向西北方向移动，2012-10-25进入南海东部海域，2012-10-26上升为强热带风暴和台风，继续向西北方向移动，2012-10-27升级为强台风，穿越海南岛西南海域，中心最低气压950 hPa，中心最大风速45 m·s-1，此时离观测海域最近，2012-10-28强度减弱成强热带风暴并在越南登陆，2012-10-29衰减为热带风暴直至变为热带低压(图6)。 图6 台风“启德”和“山神”路径及强度变化 3.1 台风期间波浪参量的变化过程 台风“山神”期间，观测地点波浪各要素的发展变化过程见图7(台风期间的观测资料采用半小时一次的观测值)。 波高早于台风到来之前的2012-10-24就开始增大，2012-10-26增高速率迅速增大，2012-10-26T06:00波高达到最大值5.77 m，然后迅速衰落至2012-10-30的1.50 m以下。台风前后波高的变化呈对称分布，即台风前波高的成长和台风后波高的衰落过程是相似的。台风对波浪周期和波向的影响时间相对较短，其中周期的变化时间主要在2012-10-26-28，并于2012-10-27T06:00与波高同步增大到最大值7.8 s，然后迅速衰减，周期与波高一样台风前后呈对称分布特征。波向的变化不同于波高和周期，波向的变化起步更晚，2012-10-27由东向浪(E)迅速朝偏南向浪(SSE)发展，2012-10-29T19:00浪向滞后波高和周期半天(约12 h)达到极值157.5°，此后缓慢回落。比较台风前后观测结果，可以发现波高仍维持原来水平，但周期升高，波向变小。 相对于从南部深水区经过的台风“山神”，从北部浅水区经过的台风“启德”对观测地点波浪的影响要小(图7)。台风“启德”过境期间，在观测地点产生了两次波高极大值。其中2012-08-16随着台风的靠近，波高从0.50 m左右迅速升高到2012-08-17凌晨的第一次极大值2.24 m，波向也由夏季的偏南向迅速转为偏东向，对应的周期先减小后增大；第二次极大值发生在台风过后的2012-08-18，但波向和周期都未发生显著变化，因此这次波高极大值可能由台风在深水区产生的涌浪传播到观测点所致。 图7 观测点波高、周期和波向在台风“启德”和“山神”过境期间的变化过程 3.2 台风期间波浪谱特征 为了研究台风对波浪能量在频率和波向上影响，本文对台风“山神”期间的方向谱分别在频率和波向上进行了积分并给出了其随时间的变化。结果表明(图8)，台风的到来使波浪谱值在所有频率上都显著增加，即所有频率波浪的能量都得到了提高，并且在谱峰频段和波向上能量增加幅度更大。台风期间，在频率上始终表现为单峰结构，但谱峰对应的频率受台风影响缓慢下降，从台风前的0.12 Hz下降到0.08 Hz，这说明台风致使波浪的能量由相对高频向相对低频方向转换。而台风对波浪能量在浪向上的分布的影响更加复杂：整个台风期间，观测海域一直存在一支稳定的东向浪(E)，随着台风的靠近而增强，并在2012-10-26达到该方向上能量最大值，此后随着台风西移逐渐衰减到台风前水平，但是波向相对台风前偏北；2012-10-27在台风抵达观测海域时产生了另一个波浪分支，这一分支由东向浪逐渐向南向浪发展，并在台风最强时达到最大值，因此可称之为台风浪。随着台风位置的远离和能量的衰弱，台风浪分支不能得到有效维持，逐渐减弱，但浪向继续沿顺时针向西南方向转换，2012-10-28能量已经低于东向浪，2012-10-29迅速减弱消失。正是这一台风浪的出现，导致了观测海域的波浪在方向谱上由单峰结构转换为双峰结构(图9)。即台风到来之前，观测海域一直存在一支稳定的东向浪，台风从观测海域南部过境产生了另一支偏南向浪，两支波浪的共存即产生了观测海域波浪方向谱的双峰结构。 图8 台风期间波浪谱密度在频率和波向上的分布及其随时间的变化 图9 台风期间方向谱的单峰结构和双峰结构 本文根据海南岛东南近岸1个观测点连续1 a的海浪观测资料，初步统计分析了该海域的海浪季节变化和统计特征，研究了观测点在台风期间的波浪发展特征，得到如下主要结论: 1)观测海域年平均有效波高为1.28 m，最常浪向为东向(E)，平均跨零周期为5.1 s。观测海域的海浪存在显著的季节变化规律，主要表现为冬季型浪和夏季型浪两种。观测点海浪的波高和周期并非独立的，周期的平方与对应的平均波高(周期小于6 s时)和最大波高都呈线性关系，其比例系数分别为0.050 m·s-2和0.092 m·s-2。台风期间产生的波高大于3.0 m的大浪，其波高和对应的周期的平方也存在线性关系。观测点设定波高的平均持续时间随着波高变化可以分为3个阶段，只有当波高小于2.80 m或大于4.30 m时，平均持续时间才符合1975年Lawson和Abernethy提出的指数衰减规律。 2)通过对影响观测海域台风的分析研究表明，从观测海域南部深水区经过的台风“山神”对观测海域的影响远大于从北部经过的台风“启德”。台风“山神”使观测海域的波高和周期迅速升高，最高分别达到5.77 m和7.8 s，波向滞后半天左右，从东向(E)转为偏南向(SSE)。频谱和方向谱随时间的发展过程表明，受台风影响所有频率和方向上的谱值都会迅速增加，高频波浪要早于低频波浪达到能量最大值，且台风致使波浪的能量由高频向低频方向转换。台风到来前，观测海域一直存在一支稳定的东向浪，而台风过境期间产生了一支新的偏南向浪，这使观测海域的波浪方向谱由单峰结构转换为台风期间的双峰结构。 [1] YAN K. 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Received: August 26，2014 Wave Observation and Statistical Analysis in the Southeast Coast of Hainan Island LI Shu-jiang1, LI Ze-wen2, FAN Bin1, GAO Xiu-min1, XU Xiao-qing1, TENG Yong1, YE Qin3 (1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061， China;2.HuanengRenewablesCorporationLimited，Beijing 100097, China;3.TheSecondInstituteofOceanography,SOA, Hangzhou 310012, China) With the one-year wave observation off the southeast coast of Hainan Island from 2012 to 2013, we give a preliminary analysis of seasonal variation and statistical characteristics of waves in the domain of observation. The observation results show that annual average of significant wave height is 1.28 m, dominant wave direction E, and zero-crossing period 5.1 s. There is obvious seasonal variation for the wave in the domain of observation, and two wave modes were manifested throughout the year: the winter wave mode and summer wave mode. By comparison, we find that the significant wave height produced by typhoon "Son-tinh" which passed by on the south of the observation site is far greater than that produced by the typhoon "Kai-tak" on the north. During typhoon "Son-tinh", the wave height and zero-crossing period synchronously increase to a maximum value of 5.77 m and 7.8 s in a short period, but the wave direction transfers from the E to the SSE with a half day delay. Because of the typhoon, the energy in all frequencies and directions increase rapidly, the spectrum peak shifts from high to low frequency, and the directional spectrum evolves from a unimodal to a bimodal structure. This modal transformation implies a new wave branch in SSE direction in the observation area excited by typhoon "Son-tinh". Hainan Island; wave observation; average duration; typhoon; wave spectrum 2014-08-26资助项目：国家海洋可再生能源专项 资金项目——华能海南波浪能并网发电示范项目(GHME2010GC04)；国家高技术研究发展计划项目——南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统(2013AA09A506) 李淑江(1979-)，男，山东日照人，博士，助理研究员，主要从事南海环流和水交换的观测方面研究.E-mail：lisj@fio.org.cn (李 燕 编辑) P731.22 A 1671-6647(2016)01-0001-09 10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.001
3 台风期间的波浪特征
4 结 论
