马迹山海域风和波浪特征分析

杨树刚，刘鹏飞，马 追，王付坤，周同弟

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

马迹山岛位于浙江省舟山群岛北部、杭州湾外海域，舟山市嵊泗县嵊泗本岛西南，东临外海，西南侧与洋山岛隔水道相望，南侧为岱衢洋、相隔约20 km为黄泽洋和衢山岛，东侧相隔约31 km为嵊山岛。马迹山岛南侧、西侧水域开阔，深水贴岸，具备建设大型泊位的水深条件。目前马迹山岛南侧岸段自东向西建设有宝钢一/二期卸船、一/二期装船泊位，同时马迹山岛的西南侧拟建1个矿石中转码头。

波浪是一种重要的海洋动力因素，波浪要素的观测和分析对港口码头设计、航道建设、围垦工程都尤为重要[1-3]。受有限水深的限制，近海浅水区波浪会发生折射、绕射等效应[4]，从而导致波浪传播方向发生改变、波高增大、波浪破碎等一系列现象[5-6]，故近海海域波浪具有一定的局地性和复杂性，单纯使用数模、物模方法很难保证波浪预报准确性，因此实测波浪数据对近岸波浪研究必不可少[7]。

本文利用2020年4月—2021年3月马迹山海域一整年的风和波浪观测资料，统计分析该海域波浪的季节变化特征，并分析不同季节风对波浪的影响，为港口和航道建设提供必要的参考资料。

1 数据来源

本文数据来源于拟建马迹山矿石中转码头前沿海域抛设的1个锚定式测波站(W1)以及附近开阔区域长期气象站(W)，风和波浪观测站位置见图1，其中W1测站水深25 m，W气象站四周无遮挡。波浪观测仪采用挪威Nortek公司生产的AWAC浪龙波浪观测仪，波高和波向分辨率分别为0.01 m和1.5°，采样频率为1 Hz，每次采样数1 024个，仪器每1 h给出一次统计特征值，观测要素包含最大波高及其周期、有效波高及其周期、平均波高及其周期、波数及波向等。气象观测仪采用DZZ3新型自动气象站，风速、风向观测时间分辨率为1 min，统计要素包含2和10 min平均风速风向、10 min最大风速风向和瞬时极大风速风向等。观测时间为2020-04-01T00:00—2021-03-31T23:00，共一整年，观测期间海域无台风直接经过，有一次较强的寒潮发生(2020-12-28—2020-12-31)。由于受渔民生产活动的影响，仪器于2020-06-03—2020-06-18、2020-09-01—2020-09-14、2020-01-19—2020-01-27被渔船拖动导致数据缺失，整体而言，观测数据完整性良好，春夏秋冬四季数据获取率分别为100%、78%、84%和90%，能够反映真实波浪变化规律。本文采用整点时刻的数据对波浪、风的季节变化规律开展相关研究，文中风速数据为海平面10 m风速数据，平均速度与最大速度分别为10 min平均风速与10 min最大风速。

注：W气象站(30°40′47.49″N，122°24′55.87″E)；W1波浪站(30°41′4.78″N，122°23′44.84″E)。

2 波浪的统计特征和季节变化

波要素特征值分布见表1。观测年内最大波高为4.59 m，出现在2020-12-30，此时正发生寒潮，最大波高时刻对应最大风速为21.5 m/s，风向321°。平均波高在0.20～0.42 m，其中6月份最小、12月份最大。各月份平均波周期相差不大，在2.66～3.01 s，其中10月份最小、12月份最大；最大波周期为9.50 s，对应最大波高3.03 m、最大风速17.3 m/s。

表1 波要素特征值月分布

为更好地了解波浪的季节变化特征，本文规定3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12—次年2月为冬季，并将波要素按四季统计，并对各向出现的频率进行计算，得到16个波向的季节分布以及四季与全年的强浪向、常浪向，分别见表2、3。

表2 波向季节分布

表3 全年及四季强浪向、常浪向

马迹山海域全年常浪向为NNW向，频率为15.4%，其次为NW和S向，频率为12.9%、12.3%；常浪向的季节变化规律为：春、夏季常浪向为S向，频率各占14.5%、21.8%，秋、冬季常浪向均为NNW向，频率各占20.7%、23.1%。马迹山海域全年强浪向为WNW向，实测最大波高为4.59 m，次强浪向为NNW，实测最大波高为3.62 m；强浪向的季节变化规律为春、秋、冬季强浪向均为偏N向，分别为N、NNW、WNW向，最大波高分别为3.11、2.42和4.59 m，夏季强浪向出现在S向，最大波高为2.11 m。综上所述，观测海域全年以偏N向浪居多，以NW向浪最大，最大浪发生在冬季，可高达4.59 m。根据实测波浪数据绘制的平均波高、波向玫瑰图见图2。

图2 平均波高、波向玫瑰图

可以发现：春季波向较为分散，夏、秋、冬季波向较为集中，夏季大多为偏S向浪，秋冬季多为偏N向浪，秋冬季节大浪多发生在NW向，夏季大浪多发生在SW向。全年的平均波高、波向联合概率密度分布和全年平均波高周期联合概率密度分布见图3，四季的平均波高波向联合概率密度见图4。

图3 全年平均概率密度

图4 四季平均概率密度分布变化

观测海域波浪根据波向可分为两种，波向在170°～210°集中分布的夏季浪和320°～360°的冬季浪，冬季浪平均波高相对较大。全年平均波高在0.2～0.4 m，平均周期在2.5～4.5 s范围内的波浪最为常见。

3 风的统计特征和季节变化

将平均风速、最大风速按四季统计，并对各向出现的频率进行计算，得到了16个方向的风向季节分布以及四季与全年的强风向、常风向，见表4、5。

表4 风向季节分布

表5 全年及四季强风向、常风向

马迹山海域全年常风向为NNW向，频率为14.5%，其次为SSW、S向，频率为13.1%、12.5%；常风向的季节变化规律为：春、夏季常风向分别为S、SSW向，频率各占14.2%、27.2%，秋、冬季常风向均为NNW向，频率各占19.7%、23.5%。马迹山海域全年强风向为NNW向，实测最大风速为29.4 m/s，次强风向为NW向，实测最大风速为28.9 m/s；强风向的季节变化规律为秋、冬季强风向均为偏N向，分别为NW、NNW向，春、夏季强风向分别出现在W、S向。综上所述，观测海域全年以偏N向风居多，最大风发生在冬季，最大风速可高达29.4 m/s。根据实测小时气象数据绘制的平均风速、风向玫瑰图见图5。

图5 四季平均风速、风向玫瑰图

4 风与波浪的关系

马迹山海域风速与波高、风向与波向有很大的相似性。为此本文绘制四季平均风速与平均波高日平均时间序列、最大风速与最大波高的日平均时间序列分别见图6、7。

图6 平均波高与平均风速时间序列

图7 最大波高与最大风速时间序列

风速与波高规律具有一致性，在日平均的时间尺度下相位差基本为0，此规律在秋、冬季尤为明显。平均波高-平均风速散点图、最大波高-最大风速散点图分别见图8、9，并计算出四季两者的相关系数见表6。

图8 平均波高-平均风速散点图

图9 最大波高-最大风速散点图

表6 风速-波高相关系数

由图8、9可看出，春夏两季波高与风速的线性相关性一般，秋、冬季两者的线性关系明显。秋冬季平均波高、平均风速的相关系数分别为0.86、0.95，置信度超过99%，最大波高、最大风速的相关系数分别为0.88、0.82，置信度超过99%。

分析认为：春、夏季东南风多发(图5)，马迹山工程海域东南侧有陆地遮挡，风对波浪的影响减弱；冬季盛行北风、西北风，风从海洋吹向陆地，此时波向和风向基本一致，波高与风速呈线性相关。

5 结论

1)马迹山海域波浪类型为以风浪为主的混合浪。最大波高为4.59 m，出现在12月；平均波高在0.20～0.42 m，6月份最小、12月份最大。平均波周期在2.66～3.01 s，10月份最小、12月份最大，最大波周期为9.50 s。全年平均波高集中分布在0.2～0.4 m、平均周期2.5～4.5 s。

2)马迹山海域波浪可根据波向分为两种：波向在170°～210°集中分布的夏季浪和320°～360°集中分布的冬季浪。全年常浪向为NNW向，强浪向为WNW向，春季波向较为分散，夏、秋、冬季波向较为集中，夏季大多为偏S向浪，秋、冬季多为偏N向浪，秋、冬季大浪多发生在偏N向，夏季大浪多发生在偏S向。

3)马迹山海域全年常风向为 NNW向，最大风发生在冬季，最大风速可高达29.4 m/s。春、夏季常风向分别为S、SSW向，秋、冬季常风向均为 NNW 向，马迹山海域全年强风向为NNW向，强风向的季节变化规律为秋、冬季强风向均为偏 N 向，分别为NW、NNW向，春夏季强风向分别出现在W、S向。

4)马迹山海域春、夏季波高与风速的相关性一般，秋、冬季两者的线性关系极为明显，秋冬季平均波高平均风速的相关系数分别为0.86、0.95；秋、冬季最大波高最大风速的相关系数分别为0.88、0.82。

5)根据本文中提出的秋、冬季波高与风速的线性关系，利用天气预报的风速资料可预测马迹山码头附近海域的波高情况。