长江口附近海域周年波浪特征分析

2022-08-30李冠宇邱文博胡轶群王亚丁

海洋湖沼通报 2022年4期

李冠宇，邱文博，胡轶群，王亚丁

(国家海洋技术中心，天津 300111)

引言

长江口地处东海之滨，该地区是我国人口密度最高、经济最发达的地区之一。该处海域受亚热带季风控制，冬季常受北方冷空气侵扰，夏秋两季均受台风影响，波浪作用强烈[1]。

近年来已有学者对长江口近海海域的波浪做了一些研究，以再分析数据[2]、实测数据[3-4]或者数值模拟研究为主[5-12]。例如吴秋原[2]利用欧洲中期预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECWMF)再分析资料对近40年(1979—2018年)长江口及其邻近海域风、浪要素进行系统化、网格化的分析；孔令双等[5]利用MIKE21模型对长江口海域在“凤凰”台风期间的波浪场进行了模拟计算，结果显示出水位对波高的影响是比较明显的。任剑波等[6]针对远区台风对河口波浪动力场的影响问题,利用第三代波浪模式SWAN计算了远区台风“三巴”期间长江口波浪动力场分布,分析了陆架至河口区的波浪能量耗散和波致泥沙侵蚀的时空分布。

在海洋工程应用中，基于实测资料的波浪要素特征分析具有更高的应用价值。因经济成本等原因，实际中几乎不可能获得高时空分辨率的观测资料，特别在长江口区海域，由于冲淤演变、海陆相互作用、海岸及航道工程等诸多因素的影响，往往导致波浪场本底环境的变化，因此波浪的分布亦具有局地性较强的特征。依靠多布点的现场观测不仅在经济效益上不可取，而且实际操作也难可行，因此在研究中实测数据获取的波浪特征分析较少。基于上述原因，本文利用长江口近岸海域连续一年的海浪观测数据，对海浪基本要素进行了统计分析,给出长江口海域波浪的基本特征，统计和分析长江口海域大浪过程与热带气旋活动的关系,并选取其中一个台风浪过程进行分析，研究台风过程中该海域海浪的特征和演变规律,为长江口的海浪预报等工作提供一定的参考。

1 资料来源及处理

1.1 资料来源

观测站位于长江口东南侧，经度为123°08.11′E，纬度为30°42.91′N，水深约为61m,岸边数据接收站距其109 km。采用观测仪器为荷兰Datawell公司出产的Waverider(波浪骑士)浮标,型号为DWR-MK Ⅲ。观测工作自2011年1月1日0时开始,至2011年12月31日23时结束。仪器设置每1 h观测一次波浪,每次连续记录30 min,采样频率为1.28 Hz。根据数据判断，气旋期间该仪器正常工作。热带气旋轨迹资料来源于中国气象局热带气旋资料中心每6 h一次的热带气旋最佳路径数据集。图1标注了观测站位的地理位置及台风路径。

图1 观测点位置及台风路径

1.2 资料处理

本文首先对一年期数据开展质量控制，剔除异常值。其中仪器默认的缺测值为999，可以首先被剔除。与序列平均值的偏差超过3倍标准差的测定值，称为异常值，是否被剔除，根据风速等情况而定，剔除后共获取8732组数据。

2 海浪要素的基本特征

对长江口海域2011年1月—2011年12月期间一年的海浪实测资料进行统计分析。波高分级的标准参考祁祥礼等[13]的研究：有效波高(Hs)介于0～0.5 m、0.5～1.25 m、1.25～2.5 m、2.5～4 m、>4 m，分别划分为小浪、轻浪、中浪、大浪和巨浪。周年观测结果显示，长江口内波浪一般较小，轻浪为主，中浪次之，巨浪最少，5种波浪所占频率分别为12.03%，50.20%，33.60%，3.70%和0.48%。观测期间最大有效波高(Hs)达7.4 m。下文分别从海浪要素的月平均值、极值变化特征等方面进行分析。

2.1 月平均值和极值变化特征

观测期间有效波高(Hs)和有效周期(Ts)的时间变化见图2，波浪月特征值及年特征值统计结果见表1，可知：观测期间，年Hs平均值为1.2 m，1月平均有效波高值最大，可达1.5 m；因受台风影响，最大Hs出现在8月，达7.4 m；最大H1/10为9.0 m，对应的周期为12.0 s。

表1 观测期间波浪特征值(波高单位为m，周期单位为s)

图2 观测期间有效波高(Hs)和有效周期(Ts)的时间变化

2.2 波高周期联合分布

观测站水深约为61 m,根据文献[14]，浅水因子H=h/d的范围在0.001 6～0.080 3之间，均小于0.1，其中h为平均波高(单位:m)，d为水深(单位:m),因此观测期间获取的波浪均属于深水波。作为随机量的波高与周期，遵从一定的联合概率分布，按实测有效波高以0.5 m、有效周期以1.0 s为间隔,统计波浪在每一间隔内出现的频率,全年有效波高与有效周期的联合分布如图3所示。有效波高在1 m以下的出现频率为48.9%,有效波高介于1～2 m的概率为42.3%，观测期间有效周期在3～14 s之间,说明该区域以风浪为主，兼有涌浪存在。有效波高1.5 m以上的波浪对应的有效周期均大于4 s，主要集中在5～8 s之间；有效波高4 m以上有效周期介于7～14 s之间，有效波高6 m以上有效周期介于11～14 s之间，其中有效波高最大值为7.4 m，对应的有效周期为11.1 s,发生于2011年8月7号1时，该波高是由台风“梅花”引起的台风浪，中国气象局热带气旋资料中心显示该时刻台风位于测点东南部，中心风力达40 m/s。

表2 观测期间有效波高(Hs)及有效周期(Ts)的联合分布频率

图3 观测期间有效周期 (Hs)和有效波高(Ts)的联合分布图

2.3 风浪关系

图4 海面10m高度风速U10与有效波高Hs的拟合

3 典型台风浪特征分析

观测期间共有2个台风生成，分别为2011年第5号热带风暴“米雷”和第9号超强台风“梅花”(图1)，其中台风“梅花”活动期间,观测点观测到最大浪高达11.3 m,本文选取该台风浪过程进行分析,以了解此过程中长江口灾害性海浪的特征和演变规律。

3.1 台风概况

2011年第9号热带风暴“梅花”于7月28日14时在菲律宾以东洋面生成，中心位于11.7°N、135.0°E，中心附近最大风力8级(18 m/s，相当于65 km/h)，最低气压998百帕；7月30日8时加强为强热带风暴，中心附近最大风力11级(30 m/s)，14时升级为台风，20时又升级为强台风，于31日2时加强为超强台风。7月31日20时，减弱成强台风，8月3日凌晨再次加强为超强台风。8月6日15时，“梅花”中心位于浙江省舟山市东偏南方大约310 km的东海海面上(28.6°N，125.0°E)，中心附近最大风力13级(40 m/s)，中心最低气压960百帕，已减弱为台风。“梅花”于2011年8月7日晚上减弱成为强热带风暴，8月8日5时，其中心位于辽宁省丹东市南偏西方大约380 km的黄海中部海面上，附近最大风力为10级(28 m/s)，中心最低气压为980百帕。

3.2 台风浪特征

图5给出“梅花”期间观测点有效波高(Hs)、有效周期(Ts)、10 m高度处风速(U10)随时间的变化过程曲线。8月4日之前,风速较小,一般不超过10 m/s,风向以偏南风为主，有效波高基本不足1 m，但是有效周期明显受涌浪的影响，基本处于9—11 s之间。8月6日，风速开始增加，波高随后开始出现增长，波浪组成中风浪部分开始增多，至8月6日开始，台风逐渐靠近观测点时,波高开始急剧增大，至7日1时，距离观测点最近，风速为28.3 m/s，观测点出现最大有效波高为7.4 m，对应的有效周期为11.1 s，以风浪为主。随着强台风“梅花”风场远去，波高开始回落，8月8日0时,有效波高仅为2.2 m。随着风浪减弱，有效周期开始减少，最大值不足9 s。8月9日以后,观测到波浪的最大有效波高维持在1 m左右，有效波高对应的周期约为6—7 s,此时是以涌浪为主的混合浪。波浪变化过程与强台风“梅花”风场变化密切相关，强台风“梅花”靠近观测点时中心附近最大风速约为30 m/s,台风中心距离观测点约90 km，在强风作用下，波高急剧增大,仅0.5 d有效波高就从3.6 m增大到7.4 m。由于强台风“梅花”的移动速度较快，随着观测点所在海域远离大风区，风浪波高迅速回落，但外海传来的涌浪继续影响长江口海域，使得台风过后海区波浪有效波高还维持在约1 m左右。