莺歌海洋站附近海域波浪特征分析

陈三江，陈 坤,3*，贺仕昌，梁海燕，车志伟，陈巧弟，王浩展，陈川波

（1.国家海洋局三沙海洋环境监测中心站，海南 海口 570311；2. 国家海洋局海口海洋环境监测中心站，海南 海口 570311；3. 自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室，广东 广州 510310）

波浪观测是海洋观测的主要内容之一[1]。我国是海洋大国、航海大国，有着300多万km2的蓝色国土。随着海洋经济的快速发展，海上活动日益增多，人们开始重新认识海洋，随之对水文观测预报及其规律认知的需求也越来越迫切，尤其是波浪观测预报及其规律特征的研究。

海洋监测是认识海洋、研究海洋、开发利用海洋的基础。波浪蕴含着巨大的能量，它能使船舶倾覆，对海上作业危害很大，对海岸防护、港口码头等有很大的破坏作用[2]；波浪是近海水体运动的主要动力之一，影响近岸沉积物的运输，侵蚀海岸，进一步造成海滩后退、地势较低的地区被淹没，并引起海水倒灌以及地面下沉[3]，对海岸设施安全构成了极大的威胁；同时河口盐度提高，加快土壤盐渍化，导致近岸生态环境受到破坏[4]，使沿海地区的农业受到影响。而一些极端的天气现象如台风引发的巨浪狂涛等则会造成人员伤亡与巨大的经济损失。

波浪是海水运动的形式之一，是水质点周期振动引起的水面起伏现象。当水体受外力作用时水质点离开平衡位置往复运动，并向一定方向传播，此种运动被称为波动。海洋里的波动可根据其不同的性质及特点进行分类：按水深与波长之比可分为短波和长波；按波形的传播分为行波和驻波；按波动发生的位置分为表面波、内波和边缘波；按成因分为风浪、涌浪、地震波和潮波等[5]。在众多的海洋观测要素中，波浪是最重要且最复杂的一种海洋水文要素，也是物理海洋学研究的重要内容之一，是海洋预报、海洋工程建设、防灾减灾、海洋权益维护和航海安全等领域重要的输入参数之一。

1 波浪简述

1. 1 波浪要素

波浪的大小和形状是用波浪要素来说明的。波浪的基本要素有：波峰、波顶、波谷、波底、波高、波长、周期、波速、波向线和波峰线等。波峰是波浪周期性运动的高处部分，其最高处称为波顶；波谷是波浪周期性运动的低处部分，其最低处称为波底；波高是波峰到波谷之间的垂直距离，波高的单位为m，波高的准确度等级分为两级：一级最大允许误差为观测值的±10%，二级最大允许误差为观测值的±15%；波长是两个波峰之间的水平距离，波周期的单位为s，波周期的最大允许误差±0.5 s；波向的单位为（°），波向的准确度等级分为两级：一级最大允许误差为±5°，二级最大允许误差为±10°。波向又称浪向，是指波浪传来的方向，通常分16个方位，分别以符号N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW表示，与气象上表示风向方位的符号有相同的意义[6]。

1. 2 波型分类

风浪（Wind Wave，F）：受风力的直接作用，波峰较尖，波峰线较短，背风面比向风面陡，波峰上常有浪花和飞沫。涌浪（Swell，U）：受惯性力作用传播，外形圆滑，波峰线较长，波向明显，波陡较小。混合浪（Mixed Wave，FU）按主导地位分3类：（1）FU风浪涌浪同时存在，风浪波高和涌浪波高相差不大；（2）F/U风浪涌浪同时存在，风浪波高明显大于涌浪波高；（3）U/F风浪涌浪同时存在，风浪波高明显小于涌浪波高。

2 莺歌海洋站波浪特征分析

2. 1 研究背景意义

莺歌海站是我国建站较早的海洋观测站，是海南省主要的海洋观测站之一。莺歌海洋站位于海南省乐东县莺歌海镇莺歌咀附近。西、南面环海，面临北部湾，与越南隔海相望，北靠我国南方最大的海盐生产基地——莺歌海盐场，如图1所示。莺歌海地处低纬度，属热带海洋性季风气候，该海区受季风气候的影响，近海海浪具有明显的季节性变化特征。莺歌海站波浪自动化观测设备是SZF型波浪浮标、该浮标布放在观测场地SW方向，距离观测场地约1 km。SZF型浮标采用重力加速度原理进行波浪测量，利用波高倾斜一体化传感器和方位传感器得到波高、周期、波向等参数；采样长度：每个测量参数每次的采样长度均为2 048个点；测量波高范围为0.3 ～20 m的波浪，误差小于10%；波浪周期的测量范围为2 s到20 s，误差为0.5 s；采样间隔可调0.25 s，0.5 s，0.125 s等[2]；工作方式设定为采样间隔0.5 s，定时3 h。本文对莺歌海站建站以来的一线观测原始数据（2002年5月之前为人工观测，2002年5月之后为波浪浮标自动化观测）进行统计、分析、研究，了解其规律特征，为莺歌海附近海域波浪的预报提供参考，为国家掌握该区域的水文气象特征提供基础数据支撑。

图1 莺歌海站位置示意图

该区域经常遭受台风等海洋灾害的影响，尤其随着海洋开发活动的日趋频繁，影响也愈发严重。为了能够更好地掌握该海区的海洋环境特性，提高海区波浪预报的准确性和海洋灾害预警能力，加强海洋监测，研究琼西南海域海浪的变化规律就显得十分必要。波浪观测数据的分析研究是海洋水文工作的基础，对于掌握波浪特征，了解海洋水文环境，提高沿海人民及港口的灾害防范能力，减少极端灾害对海洋工程、渔业生产、海洋运输、沿海港口的损失，保障沿海港口、码头生产作业和人民生命财产的安全，促进海洋渔业发展和海洋环境保护方面具有现实意义。同时，海浪蕴含巨大能量，可以用于波浪发电。由此可见，研究掌握波浪规律特征意义重大。

2. 2 波浪测量系统发展现状

早期的波浪观测方法是目测法，用目视直接观测波浪波高、周期等信息[7]。随着海洋技术的发展和测量技术的进步，各种前沿观测方法和尖端设备应运而生，观测仪器种类的日趋多样标志着波浪观测逐渐进入了一个新的阶段。目前常见的波浪观测仪器有资料浮标、水压式波浪计、重力式测波仪、遥感测波仪以及声学式测波仪等。其中，重力式测波仪是目前较通用的一种测波仪器，在我国也是使用最多的一种测波仪器[8]。各种不同的测波仪器按照测量方法可分为：人工观测法、仪器测量法和遥感反演法[1]。

目前国内外经常使用的波浪浮标大多是基于加速度传感器和GPS传感器的波浪浮标[9]。波浪浮标在海洋的任何气象和海域情况下都可以采集海洋环境不同的水文要素信息，因此浮标经常被海洋工作者们喻为“海洋自动观测站”[10]。

2.2.1 国外测波系统现状 发达国家的海洋监测历史长达百年以上。当前全球领先水平的测波仪器有：SBE26型压力式测波仪、RADAC WAVE GUIDE型遥测式测波仪、挪威 Nortek公司 的AWAC（Acoustic Wave and Current）坐 底式ADCP[7]、波浪浮标有加拿大AXYS公司的TRIAXYS系列测波浮标、英国 ValePort公司的730D方向浮标和美国ENDECO/YSI公司的1156型波浪跟踪浮标等，而荷兰Datawell公司的波浪骑士浮标[11]Directional Waverider buoy（DWR）即Datawell DWR-MkⅢ以其优良的可靠性、稳定性为世界所公认。此外，还有滑翔器、动物遥测系统等是具有很大潜力的新兴现代化海洋监测技术。美国在20世纪80年代就建立了全国永久性的海洋立体监测系统。同期，挪威和德国等国也相继建立了自己的观测系统。通过多学科的努力，经过几十年的积累、沉淀，发展至今技术已经相对成熟。像美国、日本、澳大利亚、英国等发达国家在本国邻近海域建立了其关键海域符合本国利益的浮标监测网。总之，发达国家的海洋观测系统正朝着高效率、全覆盖、数字化、全球化、网络化的方向发展[12]。

2.2.2 国内测波系统现状 相对发达国家而言，我国的波浪测量技术研究起步较晚，从20世纪60年代开始才逐步进行深入的探索和研究，其发展历程大致可分为4个阶段。1965—1975年是我国波浪测量技术的探索和起步阶段。1975—1985年是积累沉淀阶段，即研究实验阶段；我国在本阶段的测波技术取得了较大的发展和进步；1985—1990年是我国波浪测量技术的实用化阶段，此阶段我国的测波技术得到了快速发展和应用；1990年至今是我国人工观测和自动化观测实质上的分水岭，也是我国测波技术获得长足发展的阶段。本阶段测波手段越来越多样化，测量参数不断增多，测量精度也得到了显著提高，在监测技术和监测产品等方面与海洋发达国家的差距在逐渐缩小。经过海洋战线几代人的不懈奋斗，波浪测量技术取得了长足进步，并建成了由海洋观测站、海洋调查船、海洋浮标、雷达观测站、飞机（无人机）和遥感卫星等组成的覆盖渤海、黄海、东海和南海较为系统、完善的海洋台站立体观测网[13]。

国内目前在用测波系统中，较为成熟的有中国海洋大学研制生产的SZF型波浪浮标、中山市探海仪器公司研发的OSB系列测波浮标以及山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的SBF3-2型波浪浮标等。其中SZF型波浪方向浮标是其中的代表性产品，以其优异的稳定性和可靠性被广泛应用在我国的海洋监测台站[14]。

近年来，在国家的大力支持下国内很多高校、研究所相继开展了加速度式波浪传感器的研制工作，取得了丰硕成果，其中在基于捷联式“数字稳定平台”、数值积分、PC机平台波浪谱后处理软件等方面取得了很好的研究进展；如中国科学院南海海洋研究所开发的DWS19-1/2微型惯性波浪传感器，传感器核心硬件采用国产工业级9轴惯导器件、核心算法采用数学姿态解算方法、数字式姿态补偿算法、频域数值积分算法等，使波浪传感器体积更小、方便安装和携带；使系统测量精度、可靠性、自适应性更高。

2. 3 波高和海况特征

根据莺歌海站资料，统计出全年各月十分之一波高，小于等于0.7 m的天数全年为228 d，如表1所示。全年各级海况出现的天数，如表2所示。

表1 全年十分之一波小于等于0.7 m的天数统计

表2 全年各级海况出现天数统计

2. 4 波型和波向特征

莺歌海累年各季各向风浪和涌浪频率，如表3所示。波向玫瑰图，如图2所示。

波型特征：风浪年总出现频率为80%，涌浪年总出现频率为41%，说明累年统计的年平均频率，在该海域风浪波型为主。

波向特征：风浪的常浪向是SE，其频率为19%，次常浪向是SSE，其频率是12%，涌浪的常浪向是S，其频率为14%，次常涌浪向是SSW，其频率为7%。

2.4.1 各季风浪常浪向 春季是SE向，频率为35%，夏季是SE向，频率为21%，秋和冬季是NNW向，其频率分别为16%和15%。

2.4.2 各季涌浪常浪向 春季是S向，频率为11%，夏季是S和SSW向，频率均为10%，秋和冬季是S向，其频率分别为16%和19%。

2.4.3 各季风浪和涌浪之和统计特征 春季最大频率是SSE，为18%；夏季是SE和SSE，频率分别是19%和18%；秋季是S，频率为20%，其次是NNW，频率为17%；冬季是S，频率为22%，其次是NNW，频率为16%。

表3 累年各季各向风浪、涌浪频率

图2 波向玫瑰图

2. 5 波高和波向特征

莺歌海累年各向各级1/10大波波高分布，如表4所示。从莺歌海站各向各级波高统计频率看出：海浪常浪向S向，其频率为18.2%，次常浪向是SE向，频率为15%，此结果与表4中风浪和涌浪频率之和出现的常浪向基本一致。

表4 累年各向各级1/10大波波高分布

莺歌海累年各向海浪要素统计值如表5所示。从表5莺歌海多年统计的最大波高值看出：强浪向是SE，最大波高值9.0 m，次强浪向是S和SSW，它们的最大波高都是7.0 m。N和NE向的平均波高值最大为1.0 m，NNE和WSW向平均波高值次值为0.9 m。

表5 累年各向海浪要素统计值

莺歌海站累年逐月波浪要素统计值，如表6所示。莺歌海在8月的月平均波高值为最大，平均波高值为1.0 m，次值在7月，月平均波高分别为0.8 m；莺歌海的月平均周期值变化范围是3.8～4.3 s，一般为4.0 s；而最大波高的最大值出现在9月，其值是9.0 m，最大波高次值是7月和10月，其值为7.0 m；最大周期为9.1 s，次值为8.6 s。

表6 累年逐月波浪要素统计值

3 结论与建议

3.1 结 论

本文利用莺歌海站多年的波浪实测资料，对其附近海域的波浪要素的基本特征、变化规律、风与浪的相关规律进行分析研究，发现该海区海浪的规律特征如下。

（1）海区的波浪主要受季风影响，以风浪为主，风浪占80%，涌浪占41%；东北季风期风浪向以NNW为主，涌浪以S为主；西南季风期风浪向以SE为主，涌浪以S和SW为主；风浪和涌浪频率之和出现的常浪向基本一致，最大的方位是SE和S。

（2）海区冬季的风速比夏季明显偏大，造成冬季的平均浪高比夏季大，冬季的风浪周期亦比夏季大。四季均盛行偏南涌，冬季的大涌数量多，传播范围大，而4—5月出现的大涌数量最少，海况相对较好。

（3）海区各月的波高以轻浪为主，年平均波高为0.78 m，强浪向是SE,最大波高为9.0 m，年平均周期约4.0 s，最大周期为9.1 s，各向平均周期变化不大；月平均波高最大值出现在8月，其值为1.0 m，其它各季的季平均波高为0.7 m，而9月的月平均波高值最小，其值为0.6 m。

（4）该海区是热带季风气候区，海区的波浪主要受季风影响，季风时期的风向、风浪传播方向、涌浪传播方向基本一致。

3.2 建 议

上述规律特征对莺歌海区生产生活具有一定的指导意义。由于本文所参考数据资料年份跨度大，其中早期人工目测波浪受光照和恶劣天气等影响，无法连续观测波浪，观测结果存在一定的人为误差；自动化观测仪器故障等造成数据失真甚至数据缺漏，致使个别时间段数据不完整；现运行观测浮标唯一，对于效验数据反映整个测区真实情况存在一定的局限性；数据后处理暂缺少标准化成熟的辅助软件。本文结论受上述多方面因素的影响致使分析成果存在一定的误差。针对上述不足，结合我国波浪测量技术发展现状及国家和社会的发展需求提出几点建议：

（1）优化布局，增设观测点位，提高数据观测密度和监测质量。根据各地区业务实际需求在现有台站观测参数的基础上合理规划，使其新增参数具有明确的目标性和应用性，做到整体布局合理，实现资源优化。

（2）提升自主研发能力，提高新技术、新工艺在我国海洋波浪观测装备上的综合应用，以提高仪器设备的稳定性及测量精度。

（3）开发统一、标准、规范的波浪数据处理分析软件/平台。方便人机高效互动，实现大批量多源数据精细化、多维度、模型化集中处理分析。

（4）加强计量和标定装置的研究。波浪测量方法和手段日趋多样化，但相关检定计量发展较为缓慢，不能很好地满足海洋水文仪器的检定工作，因此，通过科学的测试检定来确保测量仪器精度和所测数据准确性是十分必要的[19]。

（5）加强全覆盖、全要素、数字化、高效率、网络化的立体观测网建设。构建太空—海上—水面—水下—岸基五位一体多种手段优势互补完整的立体观测网。但国内海洋仪器的智能化程度还不够高，在便于操作、实时处理、综合性观测和智能采集等方面仍需改进。

（6）建立一个适合我国海区特点的多维动态波浪耦合模式。利用大量的原始数据来检验、改正已有较密的波浪观测网的资料；建立一个高效稳定实用的通信机制，是实现各子模式间数据传递和同步控制的前提；相对于非耦合模型，耦合模型能较真实地反映海浪相互作用的过程，并改善非耦合模型的数据不准确、误差大的问题，且耦合模式在模拟和预报中的优势更加显著；通过同化集合方法进行耦合模式的集合预测，能更好地提高权重选取的准确性和稳定性，且同化集合结果明显优于单个模式结果；数据同化分析模拟系统是多维耦合模式的重要组成部分，该系统将遥感和现场传感器得到的实时或延时数据进行分析，从而对海洋场分布和演变做出更准确的估计，对于改善预报效果，提高水文气象灾害预报能力具有重要作用[15-18]。