台风影响下珠江口实测波浪特征分析

朱小伟,侯 堋,刘晓建,王其松,王 强,郭辉群,刘琴琴

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611;2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东 广州 510611;3.水利部珠江河口海岸工程技术研究中心,广东 广州 510611)

波浪是海堤、防波堤等海岸防护工程设计的重要外部荷载,台风天气条件下产生的极端大浪具有显著的破坏力,会对海岸防护结构产生重大安全隐患,因此,研究台风天气下的波浪特征对于海岸结构物的设计和安全防护有重要意义。

针对极端条件下进行海岸防护工程结构安全设计时,不同部位采用的波要素也不一致,例如海堤的护底块石稳定性计算一般采用H13%(相当于有效波高H1/3)、校验港区平稳的设计波浪采用H4%(相当于十分之一大波H1/10)、计算直立式挡墙最大波压力则多采用最大波高Hmax。因此,了解波浪特征参数之间的换算关系对于海岸工程设计具有重要意义。国内外学者基于不同海域的实测波浪资料、理论分析开展了大量波浪参数特征及其关系研究。Wiegel[1]根据美国西部太平洋海域3个波浪测点的资料,通过回归分析给出了最大波高与有效波高的比值为1.85、1.87、1.91。Longuet-Higgins[2]假设波浪为窄谱随机波浪,推导了最大波高的概率分布函数,指出最大波高与有效波高的比值与样本长度(波浪个数)有关。Kumar等[3]在夏季季风季节对阿拉伯海北部海域进行了45 d的波浪观测,根据实测数据给出了最大波高与有效波高比值为1.65。Goda[4]根据Wilson[5]风浪预报公式,参考周期与波高的2/3次方定律[6],给出了有效周期与有效波高的经验公式。Yang等[7-8]根据中国黄海南部海域一年的波浪观测资料,给出了最大波高与有效波高的比值为1.65,并给出了有效周期与有效波高之间的关系式。彭石等[9]分析了伶仃洋河口湾及口外水域在不同风力条件下的波高分布特征,并拟合了大万山、澳门两站波高与横澜岛站风速的关系式。徐啸等[10]基于台湾海峡中部某浮标站2017年全年的实测资料,指出NNE、NE方向的波浪有效波高和有效波周期线性相关性较强。解静等[11]基于广东省阳江市阳西县近海海域水深约28 m处波浪观测站2016—2017年实测资料,给出最大波高与有效波高比值为1.663,与有效波高比值为1.257。目前珠江口台风期实测波浪资料及波浪参数特征的研究匮乏,对实际工程设计的指导缺乏数据支撑,因此本文基于珠江口台风影响期间实测波浪资料,研究了波高、周期、波向等波浪特征参数的关系,为珠江口海岸防护工程的设计和研究提供参考。

1 测站和测量仪器

珠江河口原型观测试验站设置12个浮标,其中内伶仃洋水域布设4个,澳门管辖水域布设3个,磨刀门水域布设3个,黄茅海布设2个,见图1a。每个测站安装有声波式剖面流速波浪仪,泥沙、盐度、水质多参数观测仪,测站实现了对珠江河口海域潮流、波浪、风况、泥沙、盐度及水质等多要素的实时同步观测[12]。

由于伶仃洋西侧澳门海域的A7号测站波浪观测时间长、数据完整率高,本次分析波浪实测数据取自A7号测站,测点位于22.11°N、113.63°E,测点处海图水深约4.7 m。其中波浪观测仪器为Nortek公司生产的AWAC“浪龙”声波式剖面流速波浪仪(简称AWAC“浪龙”),是一款多普勒声学测波仪器,其独特的AST(声学表面追踪)功能,相比压力测波,可以观测到更小周期的波浪,且不受大气压影响,投放于海底,可以有效地避免海面恶劣天气的影响、人为破坏以及水面船只的影响,水面浮标太阳能系统可为其供电,水面信号发射装置可将测量数据以无线传输方式实时发送到陆上客户端,见图1b、1c。AWAC“浪龙”采样频率为1 Hz,采样间隔为1 h,每小时采集1 024次。

2 热带气旋资料

热带气旋按强度等级分为热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风,以2017—2022年影响珠江口11场热带风暴等级以上的波浪实测数据为研究对象,分别为“1713天鸽”超强台风、“1714帕卡”强热带风暴、“1719杜苏芮”强台风、“1720卡努”强台风、“1804艾云尼”热带风暴、“1809山神”热带风暴、“1816贝碧嘉”强热带风暴、“1822山竹”超强台风、“2007海高斯”台风、“2203暹芭”台风、“2209马鞍”台风,基本信息见表1。本文为便于描述,讨论这11场不同强度等级的“热带气旋”影响结果时均简称为“台风”。

表1 热带气旋基本信息

3 台风期波浪特征参数分析

统计A7号测站台风影响期间72 h的数据(以Hmax最大值为时间分界点,分别统计前后36 h的数据),11场台风的数据完整率为97.2%,波浪特征参数包含最大波高Hmax、十分之一大波H1/10、有效波高H1/3、有效周期T1/3、平均周期Tz、谱峰周期Tp、主波向、谱峰波向。

3.1 特征波高之间的关系

根据珠江口台风影响期间72 h实测最大波高、有效波高以及十分之一大波的统计数据,得到特征波高之间的关系分别见图2、3。其中,Longuet-Higgins基于窄谱随机波浪的假设,得到最大波高与有效波高的比值为式(1):

图2 最大波高与有效波高关系

Hmax/H1/3=0.706(lnN)1/2

(1)

式中,N为样本长度(波浪个数)。

从图2可以看出,台风影响期间最大波高与有效波高的相关性很好,相关系数R为0.99,线性回归函数为式(2):

Hmax=1.60H1/3

(2)

本次波浪实测资料样本平均长度约250,代入式(1)得到Longuet-Higgins最大波高与有效波高比值为1.66,Yang等在中国黄海南部海域10 m水深处波浪测点研究成果Hmax/H1/3比值为1.65。由此,珠江口近岸海域的台风期实测Hmax/H1/3拟合比值1.60略小于Longuet-Higgins理论值和Yang等的结果。此外,图3中十分之一大波与有效波高实测数据的拟合比值为1.24,同样略小于Longuet-Higgins理论值1.28。这是因为当前海域受台风影响较大,波浪谱形较宽,与Longuet-Higgins基于窄谱波浪假设不一致,从而导致特征波高之间比值关系略有不同。

图3 十分之一大波与有效波高关系

3.2 波高与周期之间的关系

根据波高与周期关系的研究成果,有效周期与有效波高的经验关系式形如T1/3=aH1/3b,如美国陆军工程师兵团的海岸防护手册[13](Shore Protection Manual,SPM)建议有效周期与有效波高的关系为式(3):

T1/3=3.85H1/30.5

(3)

Goda根据Wilson公式,参考Toba波高与周期的2/3次方定律关系,给出有效周期与有效波高的关系式见式(4):

T1/3=3.3H1/30.63

(4)

基于珠江口台风影响72 h实测波浪数据,有效周期与有效波高之间的关系见图4,经验关系式见式(5):

图4 有效波高与有效周期的关系

T1/3=5.13H1/30.34

(5)

拟合相关系数为0.61。结果表明:珠江口近岸海域台风影响期间的有效周期与有效波高之间的变化趋势与SPM、Goda研究成果基本一致,即随着有效波高增大,有效周期也逐渐增大,且对于相同的有效周期,本研究的有效波高小于SPM和Goda,这很有可能与测点水深有关,SPM和Goda适应于深海波浪,而本研究的波浪测点位于浅水,同等有效周期的波浪,在深水能引起更大的波浪,受水深限制浅水波高相对较小。

3.3 波浪要素与波向之间的联合分布

a)波高与波向的联合分布。珠江口实测台风波要素有效波高和最大波高的玫瑰图见图5,对应数据见表2。统计结果发现,台风期间珠江口海域的主波向为SSE,出现频率为37.92%,次波向为S,出现频率为26.11%,其余多为SE、ESE向,对应出现频率为11.04%、7.15%,北和西向浪出现概率较小,这是因为台风多发生在夏秋两季,且在南海生成,引发的浪向以南向附近为主。另外,有效波高大于3 m及最大波高大于4 m的极端大浪,出现频率为0.65%、1.95%,主要为ENE—SSW向。而且2017—2022年,伶仃洋西侧澳门海域有效波高的最大值为3.44 m、最大波高的最大值为6.11 m,发生在“1822山竹”超强台风袭击期间。

表2 有效波高和最大波高与方向联合分布

有效波高

b)周期与波向的联合分布。珠江口实测台风期波要素平均周期和谱峰周期的玫瑰图见图6,对应数据见表3。统计结果发现,平均周期多在2～6 s,出现频率为87.15%,平均周期大于6 s的长周期波浪发生频率相对较小,多为ESE—S向,出现频率为12.86%,平均周期最大为9.05 s,发生在“1719杜苏芮”强台风袭击期间。谱峰周期多在5～10 s,发生频率为65.47%,谱峰周期大于10 s的波浪,多为E—SSW向,出现频率为12.99%,谱峰周期最大值为23.53 s,发生在“2209马鞍”台风袭击期间。

表3 平均周期Tz和谱峰周期Tp与方向联合分布

a)Tz

4 结论

本文以伶仃洋西侧澳门海域波浪测站作为珠江口代表测站,基于2017—2022年的11场台风实测波浪资料,分析了特征波高之间、特征周期与波高的关系及其分布特征,为珠江口海岸防护工程的设计和研究提供了参考,主要结论如下。

a)台风期实测最大波高与有效波高比值为1.60,略小于Longuet-Higgins深水波浪的1.66和Yang等中国黄海南部海域的1.65。十分之一大波与有效波高比值1.24,同样略小于Longuet-Higgins(1952)理论值1.28。

b)台风期实测有效周期与有效波高相关性较强,拟合得到经验关系式。对于同样的周期,本研究结果的有效波高略小于SPM和Goda的成果。

c)台风影响期间本海域的主波向为SSE,出现频率为37.92%,次波向为S,出现频率为26.11%。对于有效波高大于3 m、最大波高大于4 m的极端波浪,波向多为ENE—SSW,出现频率为0.65%、1.95%;平均周期多在2～6 s,发生频率为87.15%,对于平均周期大于6 s的长周期波浪,波向多为ESE—S,出现频率为12.86%。谱峰周期多在5～10 s,出现频率为65.47%,对于谱峰周期大于10 s的波浪,波向多为E—SSW,出现频率为12.99%。