南海北部夏季定点实测波浪统计分析

卢 燕,王冠琳*,王道龙,王新怡

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266237)

中国南海是一个半封闭的深海盆,平均水深约1 212 m,最大水深约5 567 m。南海北部经台湾海峡和东海与太平洋相连。其夏季5月至9月盛行西南季风,同时是台风频发期,故海上实测资料尤为珍贵。南海北部是我国海上石油经济热门地区之一。由于波浪要素的变化对海洋工程设施选址、海上作业和安全生产等具有重要的参考价值,故对实测波浪数据进行科学的分析是极为重要的。本文使用1997年南海北部现场实测数据,分析了1997年6月至8月时间段内的包括有效波高、波向、谱峰周期及跨零周期、谱峰波向散布、波面方差等在内的主要波浪参数,并给出其变化规律。同时,对波级、大波最大历时长度、波谱峰周期及最大历时长度、有效波高和主波向、有效波高和谱峰周期(Tp)联合分布进行统计分析。本文基于现场实测资料得到一系列分析结果,旨在为该海区的海洋工程作业提供有效参考。

1 数 据

1.1 观测数据状况

1997-04-01—10-15自然资源部第一海洋研究所于南海北部平均水深100 m 左右的观测站点(114°58'33.24″E,21°16'16.91″N)(图1)进行了海洋水文气象定点连续观测,获得了夏季波浪数据。观测仪器为当时较为先进的SeaPac 2100方向波浪潮流仪,详细技术指标见表1。

图1 观测站位置(红色三角)Fig.1 Location of observation station(red triangle)

1.2 波浪实测数据

表1 SeaPac 2100方向波浪潮流仪技术指标Table 1 Specifications of SeaPac 2100 wave and current gauge

SeaPac 2100仪器位于水下7 m 处。每3 h观测一次,每次采样0.3 h,采样间隔0.5 s,观测要素包括:有效波高(H)、主波向、谱峰周期及跨零周期和波浪谱。对实测数据进行质量控制,将由于设备提出海面读取实测数据等工作缺测部分以NAN 补充,不参加统计和绘图,确保统计数据真实可靠。

利用Wave Pro软件处理SeaPac 2100方向波浪仪的数据,用以提供动力波压力(P)、水平流速(Ve、Vn)以及方位(C)等要素。其运用自相关和交叉谱,基于Grosskopf等[1]及Longuet等[2]提出的方法根据上述要素计算出方向谱。经过估算,得到海浪的有效波高、波向、谱峰周期及跨零周期、谱峰波向散布和波面方差等10多个主要要素。图2给出了1997-06-01—08-31海浪的有效波高、波向、谱峰周期和方向散布及压力计算的波面方差的时间序列。

图2 有效波高、主波向、谱峰周期、波向散布和波面方差的时间序列Fig.2 Time series diagram of the effective wave height,the major wave direction,the peak spectral period,the wave-direction diffusion and the wave front variance

由图2可见,1997年6月有2次弱浪过程:第1次发生于1997-06-06—11,记录最大有效波高达4.32 m,方向SW,谱峰周期7.5 s;第2次发生1997-06-15—18,最大有效波高为3.04 m,方向为S,谱峰周期为6.7 s。本月平均有效波高1.77 m,平均谱峰周期7.0 s,最大谱峰周期为12.8 s,常浪向为SSW,频率为26.3%,次常浪向为SW,频率为18.8%;强浪向与此常浪向一致。

1997年7月有2次弱浪过程:第1次发生于1997-07-16—18,最大有效波高达3.66 m,方向S,谱峰周期8 s;第2次发生于1997-07-25—27,最大有效波高为3.59 m,方向S,谱峰周期3.6 s。月平均有效波高1.77 m,平均谱峰周期6.8 s,最大谱峰周期为11.6 s,常浪向为SSW、S,频率皆为21.7%,次常浪向为SW,频率为17.1%;强浪向为S,2次弱浪过程都发生在S向。

1997年8月有2次台风过程经过测点,由图2可见,2次台风所引起的波浪变化规律:第1次台风发生于1997-07-31—08-04,最大有效波高达10.66 m,方向S,谱峰周期10.77 s;2次台风过程发生于1997-08-21—23,最大有效波高为6.57 m,方向S,谱峰周期8.5 s。月平均有效波高2.77 m,平均谱峰周期8.3 s,最大谱峰周期为16 s,常浪向为SSW,频率为19.5%,次常浪向为S,频率为19.0%;强浪向为S。

2 波浪统计分析

本次波浪资料统计采用1997年6月至8月共3个月的实测数据。期间因设备更换电池等导致的缺测以NaN 填充。实际使用736 组数据,资料覆盖率达93.7%。本文依照《海洋调查规范:第2部分 海洋水文观测》(GB/T 12763.2-2007)进行波浪要素资料处理并统计分析。其中1997年8 月有2 次台风路径经过本观测点附近,其中1997-07-31—08-04的9710号台风特征较为明显。由图3可见,9710号和9713号台风路径及观测站位,由于波级、大波最大历时长度、波谱峰周期及最大历时长度、有效波高和主波向、有效波高和谱峰周期波浪要素对海洋工程设施选址以及实际工程海上作业条件分析具有重要意义,所以对波级、大波最大历时长度等波浪要素进行了联合分布进行统计分析。

2.1 波级统计

我国和国际上均根据有效波高范围进行波浪波级的划分,其划分要求如表2[3]所示。根据波级(表2)划分标准,南海东北部观测点观测到的1997年6月至8月各月波级统计表见表3。

图3 9713号和9710号台风路径Fig.3 Typhoon tracks of No.9710 and No.9713

表2 波级表Table 2 Wave level table

由表3可知,1997年6月和7月波级≤6级,大浪非常少,＜4级的浪各占1997年6月和7月观测数据的78.6%和87.1%;1997年8月有大浪达到8级,＜4级的浪占本月观测数据的56.6%,6级及以上大浪占本月观测数据的14.0%。

表3 1997年6月至8月各月波级出现频率Table 3 Frequency of wave levels in each month from June to August 1997

2.2 5级以上大波最大历时长度统计

6级以上大波为有效波高＞4 m 的波浪,通常称为风暴浪。风暴浪最大历时长度描述了海面上恶劣海况所持续的最长时间,在海洋工程设计中是一个重要的考量指标。表4给出了南海北部观测点1997年6月至8月5级以上大波最大历时长度统计表。

表4 1997年6月至8月各月5级以上大波最大历时长度(h)Table 4 Statistics of maximum diachronic lengths(h)of the waves larger than 5 grades monthly from June to July 1997

由表4可知,1997年夏季各月中≥6级的浪最大持续时间为66 h;≥7级的浪最大持续时间为27 h;≥8级大浪的最大持续时间为9 h。这些大波级海浪最大历时均发生在1997年8月。

2.3 谱峰周期统计

波浪周期是海洋设施动力响应和疲劳度计算的重要参数。表5给出了南海北部观测点各月谱峰周期出现率(%)统计表。

表5 1997年6月至8月各月谱峰周期出现率(%)统计结果Table 5 Probability of the occurrence frequency of spectral peak period monthly from June to July 1997(%)

由表5可知,1997年6月和7月谱峰周期出现频率较多的为6～8 s,各月占比皆为54%,而1997年8月谱峰周期出现频率较多的为8～11 s,占比45%;1997年6月和7月最少的谱峰周期出现在11～14 s,而1997年8月最少的谱峰周期出现于14～18 s。

2.4 大波谱峰周期最大历时长度统计

由表6可知,1997年6月至8月8 s以上波浪谱峰周期最大历时长度统计结果为90 h;≥11 s的谱峰周期最大历时长度为54 h;≥14 s的谱峰周期最大历时长度为21 h。这些最大历时长度均发生在1997年8月。

表6 1997年6月至8月各月8 s以上谱峰周期最大历时(h)长度统计结果Table 6 Statistics of maximum diachronic lengths(h)of the spectral peak periods longer than 8 s monthly from June to July 1997

2.5 波参数统计

表7给出了1997年6月至8月各月平均有效波高、最大有效波高、主波向、平均谱峰周期和最大谱峰周期实测值。1997年6月最大有效波高为4.32 m,主波向SW;1997年7月最大有效波高3.82 m,主波向S;1997年8月最大波高10.66 m,主波向S。平均有效波高皆小于3 m,1997年6月和7月平均有效波高＜2 m。

表7 1997年6月至8月各月平均有效波高,最大有效波高,主波向,平均谱峰周期和最大谱峰周期统计结果Table 7 The mean and maximum effective wave heights,the main wave direction,the mean and maximum spectral peak periods monthly from June to July 1997

苏纪兰[4]统计分析了盛行风浪向频率(%)分布(表8)、孙湘平[5]统计分析了盛行涌浪向频率分布(%)和南海波高逐月分布及周期分布(表9)。由表8可知,风浪最多常浪向南向(S),频率17;涌浪最多常浪向南向(S),频率28。由表9得知,南海北部海域的月平均波高在1.3～1.5 m,最大波高为4.0～5.0 m;月平均周期为5.9～6.1 s,最大周期为15.0～17.0 s。

images/BZ_65_236_2319_2244_2435.png南海北部(110°～115°E,20°～25°N)浪向 频率 浪向 频率 浪向 频率 浪向 频率S 17 SW 17 S 28 SW 17

表9 南海北部波高(m)、周期(s)逐月分布[5]Table 9 Monthly distributions of wave heights(m)and periods(s)in the northern South China Sea[5]

经比较,实测资料统计结果只有平均有效波高和最大有效波高高于统计资料,是因历年观测方法、观测地点不同,又加以9710号台风等原因所致,其他统计分析结果都是相符的。

由于各月波高、波向出现频率和平均有效波高、最大有效波高及波向按方位的出现频率均为海洋工程作业所需要的重要参数,故给出了有效波高按方向出现的频率、平均有效波高和最大有效波高的玫瑰分布(图4)、波高、周期联合分布表(表10)以及波高、波向联合分布表(表11)。联合分布表格都以1997年8月资料为例,上述表7和图4中波的主波向皆指波的来向,以北向为0°,顺时针方向旋转。

图4 1997年6月至8月逐月及整个夏季有效波高与波向的玫瑰分布Fig.4 Rose diagrams of significant wave height and wave direction monthly and in the whole summer from June to August 1997

表11 1997年8月有效波高与主波向联合分布Table 11 Joint distribution of the effective wave height and direction in August 1997

在整个夏季,观测到的台风都实发于8月。第一次为7月31日开始至8月3日结束的9710号(VICTOR)台风;第二次为8月20日开始至8月23日结束的9713号(ZITA)台风。结果表明,8月有效波高＞2 m的波浪持续时间超过了15 d,达18.75 d;大风期间有明显大浪过程,一般持续3～5 d;其高波级大浪出现频率较大(≥8级,出现频率1.2),持续时间也较长(9 h);主波向以西南向(SW)居多;6月至8月期间的波浪过程,主波向也都是西南向(SW)和南向(S)居多(图4的波向散度区间98%以上＜90°,也说明主波向的聚拢度稳定)。由上述频率统计结果(图4)可知,西南(SW)范围内出现主波向的频率都集中在这个区域,这与文献[6]观点一致。

2.6 台风期间的波浪谱分析

SeaPac 2100方向波浪仪自身数据处理软件Wave Pro提供了谱峰值的计算结果。1997-07-31—08-04的9710号台风,其形成初期有一个小的西行过程,然后一直由南向北移动直至登陆。此台风路径经过本观测海域,其离观测点的最近距离为110 km,台风中心风力为11级。

台风过境时,本观测点上方111 m 高度处最大风力＞10级,谱峰值达到8 000 FT2/Hz。图5为1997-07-30—08-05台风期间的波浪要素连续图,记录了9710号台风过境的全部过程。根据现有的资料,在此采用1D-PM 方法[7],以实测谱峰频率与分割频率(fs)(0.8PM 谱峰频率)的比较,高于分割频率则视为风浪。在1997-07-31T07:00—08-05T11:00期间,经实测谱谱峰频率与分割频率比较得出,风浪起主导作用,占整个波浪的64%。

由Earle[8]给出的分割频率(fs)分离经验关系式:

式中:PM 谱峰频率fPM=0.13g/U10,其中g为重力加速度,g=9.8 m/s2,U10为10 m 高处的风速[9]。

图5 台风期间(1997-07-30—08-05)的波浪要素Fig.5 Wave element map during the typhoon(July 30-August 5 in 1997)

为了进一步从谱型中研究该测点的风浪特点,我们分析了谱峰值S(fp)和有效波高之间的关系,如图6所示,在台风来临和台风过后,谱峰值随有效波高增加的线性关系较弱,这表明谱峰值难以控制波浪谱形式,单在台风经过测点时,即谱峰＞1 500时,谱峰值随有效波高的增加线性关系较强,谱峰值基本可以控制海浪谱形式。其谱峰值和谱的平均频率宽度基本可表示为

式中,M0为波浪谱的零阶距,S(fp)为谱峰谱的平均频率宽度,B=0.01 Hz。这表明在本次观测台风浪期间,台风浪海浪谱具有相似特点,可以确定其谱的形式。

海浪谱是描述实际海浪内部机构的近似波动(正弦波),解析海浪的振幅(波高)与他们的波动频率之间所存在的关系。目前,海浪谱分析有多种谱模式,根据本次观测台风期间的波浪分析,发现观测点区域海浪谱为单峰谱,且平均频率宽度窄。从谱型上看,与JONSWAP 谱型相似。因此,选JONSWAP 为靶谱来拟合9710号台风浪的波浪谱。由JONSWAP的基本公式[10]可知其无因形式为

式中:ῶ为无因次圆频中,ω0为谱峰频率的圆频率;γ为谱峰升高因波浪谱峰值,EPmMax为PM 谱谱峰值,取平均值γ=3.3。当ω≤1时,峰形参数σ=0.07;当ω＞1时,σ=0.09。利用JONSWAP谱对实测台风浪进行拟合时,需要波浪的谱峰值和谱峰圆频率,它们的实测资料已给出。海浪谱拟合仅对应本台风期间的最大有效波高＞8 m 海浪进行,拟合结果相似度较高,在此不逐一列举,仅选取有效波高=10.66 m 为例(图7)。由图7可知,此实测海浪谱与JONSWAP谱吻合度较高。认为9710号台风期间观测有效波高＞8 m 的可以用JONSWAP谱来解析其波浪的内部波动结构。

图6 9710号台风期间有效波高与谱峰值之间的关系Fig.6 Relationship between the effective wave height and the spectral peak during Typhoon 9710

3 结 论

图7 实测谱与JONSWAP谱拟合Fig.7 Fitting chart of the measured and the JONSWAP spectra

根据位于南海北部观测站的现场实测资料,分析了1997年6月至8月(夏季)该站位附近的波浪特征,并着重分析了1997-07-31—08-04因9710号台风过境引起的波浪变化,给出了有效波高按方向出现的频率、平均有效波高和最大有效波高的玫瑰图以及波高、周期联合分布表和波高、波向联合分布表。据此得出的主要结论有:

1)观测期间波级较大、历时和谱峰周期较长的海浪均出现在1997年8月,1997年6月至7月的大浪非常少。

2)1997年6月最大有效波高为4.32 m,主波向SW;1997年7月最大有效波高3.82 m,主波向S;1997年8月最大波高10.66 m,主波向S。各月份平均有效波高皆＜3 m,1997年6月和1997年7月有效波高均＜2 m。

3)受台风影响,1997年8月＞2 m 的波浪持续时间超过了15 d,达18.75 d。波向散度区间98%以上＜90°。主波向聚拢度稳定。大风期间的主波向以西南向居多。

4)离观测点最近距离为110 km、中心风力11级的9710号台风过境时,经实测谱谱峰与PM 谱谱峰比较得出,风浪起主导作用,占整个波浪的64%。

5)上述台风过境期间,南海海浪谱为单峰谱,且平均频率宽度窄。从谱型上看,与JONSWAP 谱型相似。因此,可使用JONSWAP为靶谱来拟合9710号台风期间有效波高＞8 m 的海浪的波浪谱。

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