渤海湾中部波浪特征分析

祁祥礼，郑向阳，谌业良

(1.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456；2.中国科学院烟台海岸带研究所，烟台 264003)

渤海湾位于渤海西部，是一个半封闭海湾，东西长约110 Km，南北长约90 Km，在东部与渤海中部海域相连。渤海湾有丰富的油气资源，西岸是京津冀经济区，分布着大量的港口、工业区、能源部门。波浪是近海水动力的主要过程，深入了解某一海区的波浪特征对于保护沿岸基础设施、降低海洋自然灾害有重要的作用。多个海区的波浪观测资料被用于波浪特征分析，如大连海域[1]、台州海域[2]、以色列Ashdod港[3]等。本文利用渤海中部一年的波浪观测数据，分析此处波浪特征和季节变化规律，同时探讨大浪期间风与波浪的关系。

1 数据来源

2014年3月到2015年2月，在渤海中部(见图1)放置声学多普勒波浪剖面流速仪(俗称“浪龙”)，观测一年的波浪数据，包括波高、波向和波周期，数据时间间隔为1 h。该位置坐标是38.471°N，118.26°E，水深13.5 m。为了探讨波浪与当地风的关系，本文使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的全球风场数据ERA-Interim[4]。风场数据空间分辨率为0.125°，时间间隔为3 h。

2 波浪特征分析

2.1 波浪一年内总体特征

2014年3月到2015年2月1 a时间内，观测位置处最大波高为5.46 m，发生在2014年9月29日17点，最大波高时波周期为8.5 s，波向为29°。最大有效波高3.36 m，发生在2014年10月26日11点，此时波周期为6.5 s，波向(N向为0°，顺时针为正)为30°。

图2 基于一年有效波高和波向的波浪玫瑰图Fig.2 Wave rose diagram of wave height and wave direction over one year

图2显示了一年内基于有效波高和波向的波浪玫瑰图。常浪向为E向，频率为13%；次常浪向为NE向；NNE向和ESE向也有相对较高的频率，接近10%。从图 2可以看出一年内大部分时间波浪来自外海，并且自外海传入的波浪也比自西向东传播的波高大。该观测点位于渤海湾中部，西侧为陆地，东侧面对较为宽阔的渤海中部海区，外海产生较强的波浪自东向西传入渤海湾，造成了西向波浪占优的特点。由图 1可以看出等深线为西北一东南走向，波浪折射作用使得东北方向的波浪具有较大的频率。

孙连成[4]分析渤海湾西部海域一处多年的波浪观测数据，观测点位于本文观测点西偏北约50 km，同样西侧为陆地，东侧为渤海湾入口，等深线的走势也较为接近。常浪向与本文上述类似，常浪向和强浪向都集中在N向和E向之间。分析结果中SW向的波浪出现的频率也较高，而本研究中发现NW向波浪的频率明显高于SW，原因是本文的测波处西北方向风区较大，也与当年特定的气候特征有关。

表1 全年以及各季度按照有效波高(m)的波浪分级以及各级的出现频率(%)Tab.1 Occurrence frequency of different wave height levels in the four seasons and over the whole year

2.2 波浪季节变化特征

表1展示了根据有效波高划分的各级波浪的出现频率，分级标准取自文献[6]。在不同季节中，小于0.5米的小浪出现频率均是最高，而大浪频率在全年出现的频率仅为2%，大于4 m的巨浪在该地区没有出现。在春季和夏季小浪频率尤其高，在秋季和冬季出现了频率相对较高的中浪，大浪仅出现在秋季和冬季。

图3 月平均有效波高的月度变化(2014-03～2015-02)Fig. 3 Variations of the month averaged significant wave height (from March 2014 to February 2015)

波浪分级(s)春夏秋冬全年0～339.246.026.232.535.93～439.442.740.830.538.34～517.79.614.524.416.55～63.51.711.710.77.0>60.20.06.81.92.3

表2给出了不同有效波周期的波浪在四季和全年出现的频率。从全年来看，有效波周期小于5 s的波浪占绝对优势，频率达90%，周期高于6 s的波浪仅占2.3%。与有效波高的频率类似，在秋季和冬季，长周期波浪出现的频率要远大于春季和夏季。这与秋、冬季的风速较强、持续时间较久、波浪成长时间较长有关系。宫英龙等[7]分析了江苏近海的波浪分布特征，江苏近海与渤海湾西部的风场季节模式类似，波周期也同样表现出秋冬高、春夏低的特点。

将波浪观测处的有效波高数据和此处风速数据进行月平均，获得了2014年3月到2015年2月期间各月的平均有效波高和平均风速，如图 3所示。各月的月平均波高有较大差异，最高值出现在12月，有效波高为0.77 m，最低值出现在6月，有效波高为0.32 m。有效波高的年变化总体呈现出春夏低、秋冬高的特点，与月平均风速变化趋势完全一致，说明风速大小直接影响波高的变化。9月到次年2月有效波高平均值大于0.5 m，3月到8月有效波高大部分时间低于0.4 m，但5月是一个例外，5月份的平均有效波高为0.56 m，远高于临近的4月和6月。

图4 不同季节波浪玫瑰图Fig.4 Wave rose diagram of wave height and wave direction in different seasons

图4展示了春、夏、秋、冬四个季节的波浪玫瑰图。波向有较为明显的季节变化，春季(3～5月)常浪向为E向，强浪向为N向和S向；夏季(6～8月)E向和ESE向是出现频率最高，最大波高时波向为ESE向；而秋季(9～11月)NNE向为常浪向，NE向为次常浪向，冬季(12月到次年2月)NE向占有较大优势，同时NW向的波浪相比于其他季节也显著增多。

2.3 大浪(有效波高2.5 m以上)期间波浪特征统计

表3 观测时段内有效波高大于2.5 m的大浪过程Tab.3 Large wave event (significant wave height larger than 2.5 m)

在波浪等级中，有效波高2.5 m以上的海浪被称为大浪，大浪对于海上交通、海岸设施等有极大的破坏力，表3列出了有效波高大于2.5 m的6次大浪过程，包括各次事件的起止时间、平均有效波高和波向。从表3中可以看出，在观测期中，大浪发生的季节集中在秋季和冬季，此时渤海区域盛行偏北风，风速较其他季节强。大部分的大浪平均方向为NNE向，即从渤海湾外向湾内方向传播，只有在2014年11月30日的这一次大风浪事件中，波向为WNW向，波浪由湾内向湾外传播，与其他5次大浪过程明显不同。

2.4 大浪期间波浪成长与当地风的关系

为了探讨大浪时波浪与风的关系，本文从表3中选取了两次典型的大浪过程进行分析，分别是2014年10月20日和11月30日，代表了东、西两种波向的大浪过程。为了更完整地研究波浪成长过程，将大浪发生的前后各一天也包括在内。风数据来源于ECMWF全球风场数据，从ECMWF数据中选取最靠近波浪观测点的一个网格点进行分析。

图5和图6分别表示这两次大浪过程中波高、波向和风速、风向的对比，下面是对这两次大浪过程的分析。

在第一次大浪过程中的10月20日6点左右，风速开始增大，风向由偏南风转向偏北风，波高并没有随着风速的增加而迅速增长，而是有约8 h的滞后，直到10月20日15点有效波高才迅速增长，20点左右有效波高就从不到0.5 m增长到接近3 m，之后随着风速的减弱，波高也随之减小，在大浪期间有效波高和风速的相关性可达0.74，具有较强的相关性。从图5-b可以看出在大风期间(10月20日22时到22日0时)，波向和风向都指向西南方向，具有较高的一致性，但风向与波向并不完全相同，波向在风向的左侧；在风速较小时，波向与风速的相关性不明显，波向一直保持东北方向。

图5 2014-10-21日大浪期间风-浪关系。Fig.5 wind-wave during the large wave event on Oct. 21 2014. 图6 2014-11-30日大浪期间风-浪关系。Fig.6 wind-wave during the large wave event on Nov. 30 2014.

在第二次大浪过程中，波高与风速同样有很高的相关性，二者相关系数高达0.91。但在此次事件中，强风的风向是西北向，开始于11月30日0点左右，浪向随之由东北转向西北，并一直保持到风速减弱到6 m/s时，之后的风速提升到8 m/s左右，浪向也随着风向转到西向和西偏南向。

综合以上两次大风过程中波高和波向的变化，可以看出在风速较小(<6 m/s)时，波高也较小，波向与当地风向的关系不大，主要受外海传入的波浪影响，为偏东向；当风速逐渐变大时，波高也逐渐增大，波向开始与当地风向趋同，当地风对于波浪成长的作用随着风速的增大而增强。另外，偏东风引起的波高要大于偏西风引起的波高，在事件1中，最大风速为11 m/s，最大有效波高为3 m，而在大浪过程2中，当地风速为15 m/s，所引起的最大有效波高为2.5 m/s，小于事件1中的最大有效波高。这是由于偏东风的风区比偏西风的风区大很多，充分成长后的波高要大，同时这也是强浪向为NNE向的原因。所以此区域的西向强风应该引起特别关注。

2.5 波高预测

波浪的成长与风速大小有直接关系，前文的分析可以看出大风期间有效波高与风速有较高的相关性。本节利用2014年3月到2015年2月一年的有效波高观测数据和对应的ECMWF风速和风向数据定量研究风速和有效波高的关系，探讨能否利用预报风场对波高做合理的预报。波浪的成长区域与风区长度和风力大小，在近岸区域，风向影响着风区长度，参照图 2波浪玫瑰图中的方向，将风向划分为同样的16个方向，取各风向对应的风速和同一时刻的有效波高数据，利用线性回归，研究在一定风向下风速和有效波高的关系，获得了风速和有效波高的线性关系，如图 7所示。在所有16个方向上，有效波高都随着风速的增大而增大。二者的相关性在不同风向上有较大差异，在NNE、NE、NW和NNW向上相关系数超过或者非常接近0.8，在这四个方向上有较高的风速；而偏南向风速与有效波高的相关性较小，偏南向风速大多数情况下都在6m/s以下，本地风浪的成分相对较少，波高也受外海传入涌浪的影响。从图中可以看出，本海区风速较小时(6 m/s以下)，波高多在0.5 m以下，风速较大时，可以根据风向，利用图 7中的线性关系式估计有效波高。

3 结论

本文基于渤海湾中部某处2014年3月到2015年2月一年的波浪观测数据(波高、波向和波周期)和ECMWF全球模拟风场数据，分析此处的波浪特征。在这一年期间，该点处最大有效波高为3.36 m，最大有效波周期为8.05 s，均发生于秋季。受风场的季节变化影响，波浪特征的季节变化明显，春季和夏季的平均波高小于秋季和冬季，发生大浪的频率也远小于秋季和冬季。在观测位置处，各季节的常浪向有所差别，春季和夏季E向波浪占优势，而秋季和冬季NE和ENE向波浪发生频率更高，与秋冬季节多偏北风有关系。本区的大浪波向也多位于N向和NE向之间，在大浪发生期间，波高和当地风速有较高的相关性，波向和风向也表现出很强的一致性。本文给出了不同风向情况下风速和有效波高的线性关系，可以直接利用预报风场对波高做出合理的预报。