粤东近岸深水区周年波浪特征分析

2021-01-11潘冬冬周川王俊李健华

南方能源建设 2020年4期

潘冬冬，周川，王俊，李健华

（1. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663；2. 广东科诺勘测工程有限公司，广州510663）

地球表面71%的面积是海洋，而海洋中最常见的一种现象就是波浪，波浪是岸滩演变、海港和其他海洋工程最重要的动力因素和作用力。国内外研究学者和工程技术人员始终都在对其进行研究，其中现场原型观测是最重要的手段之一，伴随着波浪观测仪器的技术水平提升，该方法也变得越来越重视。

近年来，已有很多研究学者对广东沿海的实测波浪进行了研究，例如，李志强等利用粤东遮浪海洋站3a的波浪观测资料，对红海湾的波侯进行分析；黎维祥等根据平海站、田尾角站和海门站1a的近岸实测波浪资料，对粤东不同海域的波浪特性进行对比分析；尹毅等根据珠江口1a 的实测海浪资料，对海浪的基本要素、大浪过程以及与热带气旋活动的关系进行统计分析。但是，以上文献的波浪实测资料均是从离岸距离很近的岸边获得，不能代表深水海域的波浪特性。由于广东沿海面向整个南海，常年受到季风气候和热带气旋的影响，当大浪从远海向近岸传播过程中，通过会发生一系列的变形，如：浅水变形、波浪折射、波浪绕射和波浪破碎等，所以对于近岸深水区波浪特性的研究就显得更为迫切。

本文根据粤东近岸深水区1a的现场实测波浪资料，对该海域的周年波浪特征和典型台风浪特征进行统计分析和研究。包括逐月波高与周期特征值的统计分析、平均波向季节特征、波高-周期联合分布、波浪与周期的关系以及“山竹”台风浪特征。本文研究成果可以为相关海洋工程的设计提供技术参考。

1 资料来源

波浪资料来源于广东省惠来县外海周年波浪观测站（116°26.395'，22°42.148'），位置见图 1 所示，离岸距离约26 km，水深为38 m。观测时间为2018 年 8 月 9 日至 2019 年 8 月 8 日，采用挪威Nortek 公司生产的AWAC“浪龙”仪器进行座底式波浪观测，仪器参数与观测频率：声学频率为600 kHz，通过声学表面波跟踪（AST）进行波浪数据处理，每天24 小时连续观测，每小时记录一次，每次记录17 min（不少于100 个波），采样频率为2 Hz。

图1 周年观测站位置示意图Fig. 1 Diagram of annual observation station location

2 周年波浪特征分析

采用Nortek 公司Storm 软件进行原始数据预处理，再对预处理过后的波浪要素进行统计分析，数据完整率达到98.26%，数据完整率较高，可以较好地对该海域周年波浪特征进行分析和研究。本文波浪要素符号说明：为有效波高；为最大波高；为平均波高；为谱峰周期；为最大周期；为平均周期。

2.1 逐月波浪要素特征值

表1 给出了周年观测期间各月和全年的部分波浪要素统计数据，由表可知，全年平均值为1.52 m，平均值为2.40 m，和最大值分别为9.38 m 和15.97 m，最大值均发生在台风“山竹”影响期间；平均值全年各月差异不大，冬季的12 月、1 月和2 月为全年最高的三个月，其中2 月份最大，和分别为2.01 m 和3.41 m，主要原因为冬季受到东北季风影响，导致波高整体偏大。而春、夏季的4 月、6 月和7 月为全年最低的三个月，其中 6 月份最小，和分别为 1.01 m 和1.70 m。

2.2 波向季节特征

图2 给出四个季节的波浪玫瑰图。分析可知：春季，常浪向为向，次常浪向为向，频率分别为40.48%与23.76%，强浪向为向。夏季，常浪向为向，次常浪向为向，频率分别为22.60%和18.10%，强浪向为向。秋季，常浪向为向，次常浪向为向，频率分别为39.79%和34.84%，强浪向为向。冬季，常浪向为向，次常浪向为向，频率分别为50.84%和34.39%，强浪向为向。

综上分析可知，全年常浪向为向，次常浪向为向，频率分别为33.06%与24.68%，强浪向为向。由于粤东近岸深水区由于受到冬季东北季风和夏季西南季风等因素影响，而且不受外围任何岛屿的掩护，呈现出典型的季节特征。

表1 各月及全年波浪要素统计表Tab. 1 Statistical table of wave elements in each month and year

2.3 波高——周期联合分布

由图3 可知，联合分布高密度区域类似一个椭圆形，其中，主要分布在0.5～1之间，主要分布在0.5～1.5之间。概率密度等值线最大值为2.1，说明谱峰周期主要集中在平均值附近，而有效波高集中在平均值以下。进一步分析概率密度等值线的分布范围可知，该海域主要以风浪成分为主，根据台风“山竹”期间的实测数据，有效波高与谱峰周期虽然都很大，但是其概率密度值太小，图3 中并未表现出来，后续对台风“山竹”期间的波高和周期特征进行单独分析。

2.4 波高与周期的关系

图2 四个季节波浪玫瑰图Fig. 2 Wave rose diagram in four seasons

图3 波高-周期联合分布Fig. 3 Joint distribution of wave height and period

由于波高与周期之间并不是简单的线性关系，从而导致其是海洋工程研究领域的难点之一。在不同重现期设计波要素推算时，尤其是近岸波浪模型的计算，不同尺度模型进行嵌套时，不同重现期波高对应周期的计算通常会失真，所以有必要对二者的关系进行研究分析。

图4 波高与周期的关系Fig. 4 The relationship between wave height and wave period

2.5 典型台风浪分析

2.5.1 实测台风浪过程

周年观测期间记录的最大一场台风浪过程是台风“山竹”造成的，图5 给出了台风期间的波高和周期变化过程线，台风移动路径见图1。

由波高变化可知，台风“山竹”引起的大浪于9/14 18：00 开始影响观测海域，9/16 7：00 仪器记录到本次台风过程的、和分别为15.97 m、9.38 m 和5.62 m。9/16 10：00 时出现一个波谷，随着台风的不断移动，又出现一个波高增大的过程，最后波高逐渐下降至正常状态。

由周期变化可知，9/13 16：00就开始记录到大周期波浪，和都达到14 s 以上，说明外海台风引起的涌浪开始影响观测海域。9/14 20：00 时开始出现较大波动，此时台风外围风圈开始影响观测站位置，从波高的变化过程也可得出相同结论。台风期间观测到、和的最大值分别为17.7 s、15.3 s和9.9 s。

2.5.2 台风浪谱分析

海浪谱可以描述海浪的内部结构，说明内部各部分之间的相互关系，从能量角度反映波能在频率和方向上的分布，而根据实测台风浪数据进行波谱分析意义更大，为进一步研究台风浪的内部特征提供帮助。

图5 台风“山竹”期间实测波高与周期过程Fig. 5 Measured wave height and period during typhoon mangkhut

图6 给出了台风“山竹”大浪影响最大时段具有代表性的4 个时刻实测波浪频谱，分别是9/16 0：00、6：00、12：00 和 18：00，通过4 个时刻的波浪谱对比可知，谱峰值经历了一个从成长到消退的过程。台风影响期间的谱峰值很大，最大值出现9/16 6：00，为 96.74 m/H，谱峰频率为 0.07 Hz。谱型均为单峰谱，主峰频率宽度较窄，范围为0.05 Hz～0.20 Hz。波谱方向主要为～向。

图7 给出了台风“山竹”大浪影响之前具有代表性的4 个时刻实测双峰谱，分别为9/13 16：00、9/14 6：00、9/14 21：00 和9/15 6：00，通过4 个时刻波浪谱对比分析，可以很明显看出双峰谱的形成和演变过程。从谱峰值和谱峰频率的变化可知，在台风大浪影响之前，谱峰值的变化为低—高—低，双峰的谱峰频率差逐渐缩小，说明台风浪的谱型是一个实时变化的，从双峰型向单峰型逐渐演变的过程。谱型变化也说明了台风浪类型为混合浪，并且是以涌浪为主的风涌混合浪。根据杨生强南海北部的三场实测台风浪谱分析的成果表明：随着海况的恶劣程度增加，谱峰频率向左移动，能量往低频方向集中。消衰过程中，谱峰值逐渐减小，峰频有向高频推移的趋势；并且进一步对实测数据进行JONSWAP 谱的参数拟合。通过与本文“山竹”台风浪谱分析的对比可知，粤东海域过境台风浪的谱型和谱峰频率的变化规律基本一致，但是由于台风强度和观测位置的不同，谱峰值和波谱方向会有所差异。