海洋科学  2023, Vol. 47 Issue (2): 31-46   PDF    
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20220919001

文章信息

王小红. 2023.
WANG Xiao-hong. 2023.
东方市近岸海域波浪特征分析
Analysis of wave characteristics in the offshore area of Dongfang City
海洋科学, 47(2): 31-46
Marina Sciences, 47(2): 31-46.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20220919001

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收稿日期:2022-09-19
修回日期:2022-10-10
东方市近岸海域波浪特征分析
王小红     
国家海洋局海口海洋环境监测中心站, 海南 海口 570311
摘要:为了解海南东方市近岸海域波浪基本特征, 根据东方海洋环境监测站使用的SZF型波浪浮标连续11 a的实测数据, 进行了统计分析。首先对波浪要素进行统计, 得到了各向各级波高的季节分布, 以及波高和周期的均值与极值;再对波高和周期的联合分布、平均持续时间与波高的关系进行了探讨;最后选取一典型台风浪过程进行分析。结果表明本海域以S向浪出现频率最高, 为14.3%, 其次是N向和NNE向, 频率均为11.9%;强浪向为S向和N向, 浪向分布与东方市所处地理位置相符。该海域以有效波高小于1.3 m的小浪和轻浪为主, 年出现频率为97.6%, 4级中浪占2.22%, 5级大浪仅占0.12%, 只有在夏、秋季台风过境时才出现。累年有效波高平均值为0.49 m, 最大值为3.2 m;最大波高为5.6 m, 最大波高平均值为2.5 m;平均有效周期为4.2 s, 最大有效波周期为9.5 s。有效波高在1.0 m以下, 且周期在4~5 s的波浪出现频率最大, 为80.5%。强台风“海燕”影响期间, 波高具有明显的滞后特征, 5级大浪持续了10 h, 浪向与风向基本一致, 说明台风产生的波浪是以风浪为主, 最大波高均出现于偏S向。通过波谱分析, 台风海浪的波型变化规律为混合浪-风浪-混合浪。
关键词东方市    SZF波浪浮标    波浪特征    台风浪    波浪谱    
Analysis of wave characteristics in the offshore area of Dongfang City
WANG Xiao-hong     
Haikou Marine Environment Monitoring Center Station, SOA, Haikou 570311, China
Abstract: Based on the 11-year measured data of SZF Wave Buoy from the Dongfang Marine Environmental Monitoring Station, this paper statistically analyzed the basic characteristics of waves in the offshore area of Dongfang City. Firstly, the seasonal distribution of wave heights at all levels in all directions, as well as the mean and extreme values of wave heights and periods are obtained by statistical analysis of wave elements; The joint distribution of wave height and period, and the relationship between average duration and wave height are discussed; Finally, a typical typhoon wave process is selected for analysis. The results show that the wave frequency in S-direction is the highest in this sea area, accounting for 14.3%, the frequency is 11.9% in the N-direction and NNE-direction, and the strong wave is in the S-direction and N-direction, which is consistent with the geographical position of Dongfang City. In this sea area, small waves and light waves with effective wave height less than 1.3 m are dominant, at the annual frequency 97.6%, the middle wave of grade 4 is 2.22%, and the big wave of grade 5 is only 0.12%. The average and the maximum annual effective wave height are 0.49 m and 3.2 m, respectively. The maximum wave height is 5.6 m and the average maximum wave height is 2.5 m. The average effective period and the maximum effective wave period are 4.2 s and 9.5 s respectively.The wave with significant wave height below 1.0 m and period of 4~5 s has the maximum frequency of 80.5%. During the impact of strong typhoon "Haiyan", the wave height had obvious hysteresis characteristics, The magnitude 5 wave lasted for 10 hours, and the wave direction is basically consistent with the wind direction, indicating that the wave generated by typhoon is mainly wind wave, and the maximum wave height appears in the S-direction. According to the spectral analysis, the wave pattern change law of typhoon is mixed wave—wind wave—mixed wave. The research work in this paper can provide reference basis for marine disaster prevention and mitigation, and the development and utilization of marine engineering.
Key words: Dongfang City    SZF wave buoy    wave characteristics    typhoon wave    wave spectrum    

东方市位于海南省的西南部, 西濒北部湾。东方市八所镇位于海南省西部工业走廊的核心区域, 临港经济发展迅速, 各类船舶航行频繁。东方市的港区有八所老港区、八所化工危险品港区、华能东方电厂配套煤码头港区、八所原油码头和八所中心渔港。八所港为国家一级口岸, 是海南大型的港口之一。由于东方市的港口所处地理位置开阔, 四周无遮蔽, 海面在风的作用下容易形成风浪[1], 台风或冷空气引发的灾害性海浪, 对海岸防护、港口码头、防波堤及海上作业等构成巨大威胁, 曾引发多起船舶沉没的安全事故[1]。近年来已有学者对海南岛部分近岸海域波浪要素特征做了一些研究。冯兴如等[2]利用一整年的海浪观测资料, 分析了东方近岸海浪的时间变化特征;陈三江等[3]利用多年的实测资料, 阐明了莺歌海附近海域海浪的特点及变化规律;苏志等[4]对北部湾海域的灾害性海浪特征进行了分析;李淑江等[5]基于2012—2013年海南岛东南近岸整年海浪观测资料, 初步分析了观测海域的海浪季节变化和统计特征, 并研究了台风期间的波浪发展特征。但到目前, 利用10 a以上连续完整的波浪自动观测数据对东方市近岸海域海浪基本要素进行全面统计分析的文献还未见报道。为保证波浪要素特征数据分析的一致性, 采用东方海洋环境监测站使用的同型号的SZF型波浪浮标, 获取长度为11 a的观测数据, 通过研究分析东方市近岸海域波浪的基本特征, 揭示其波浪常年变化的基本规律, 并选取一个典型的台风浪过程进行分析, 研究台风过程中该海域海浪的变化特征。

1 波浪数据观测

波浪测点位于东方市八所老港区西南方2.4 km处(19°05.522′N, 108°36.143′E), 水深11~14 m, 测点海域开阔, 周围无暗礁、岛屿或人工建筑物等障碍物, 具有良好的代表性, 观测位置见图 1所示。

图 1 波浪浮标观测位置(审图号: 琼S(2022)117号) Fig. 1 Observation position of wave buoy

SZF型波浪浮标由中国海洋大学生产, 广泛应用于海洋台站的波浪观测, 具有能自动、定点、定时(或连续)对波浪要素进行测量的小型浮标自动测量系统, 能测量海浪的波高、周期、波向。采用重力加速度原理进行波高和周期的测量, 波向是通过波高倾斜传感器及方位传感器进行测量[6]。波高测量范围是0.3~20 m, 准确度为±(0.3+5%×测量值) m;波向测量范围0°~360°, 准确度为±10°;周期测量范围2~20 s, 准确度为±0.5 s。SZF型浮标采用单点锚泊方式系留浮标, 浮标工作方式为每隔3 h测量一次, 也就是每天02、05、08、11、14、17、20、23时(北京时间)进行测量, 设定当H1/10≥1.5 m时加密到1 h观测一次。浮标正点前21 min开始通电, 波浪传感器稳定3 min后开始观测, 采样间隔为0.5 s, 数据采集时间为17 min, 连续记录波数为200个左右。浮标测得的波浪各特征值实时通过GSM短信传输至东方站上的岸站数据接收机。

东方海洋环境监测站于1969年5月开始进行波浪观测, 早期用的是人工HAB型岸用光学测波仪进行观测波浪, 自2002年6月开始配备了SZF型波浪浮标使用至今。本文采用东方站2010年至2020年共计11 a的SZF型波浪浮标观测数据, 该时段数据经过三级审核, 进行了严格质量控制, 资料质量可靠, 完整性、代表性较好, 能全面反映该海域真实波浪变化规律。

2 波浪要素统计分析

本论文根据11 a的波浪实测数据, 按16个方位计算统计了各波级[7]出现的频率、有效波高(H1/3)平均值、有效周期(T1/3)平均值、最大H1/3和最大波高(Hmax), 并绘出了春、夏、秋、冬及累年各向浪各级波高出现频率玫瑰图(图 2), 其中3—5月为春季, 6—8月为夏季, 9—11月为秋季, 12月—次年2月为冬季。

图 2 各季及累年各向浪各级波高出现频率玫瑰图 Fig. 2 Rose map of the wave frequency of each wave class in different directions in four seasons and years
2.1 波向及各级波高的季节分布

图 2(a)为累年春季各向各级波高出现频率, 1级波高的频率为0.02%, 2级和3级波高出现频率相当, 分别为48.7%和50.9%, 4级波高只占0.37%, 5级波高没有出现。由此可见, 春季的常见波是轻浪和小浪, 占99.6%。春季是季风转换季节, 冬季的偏北风逐渐减弱, 偏南风逐渐增多, 常浪向为S, 频率为16.9%;其次是N向和SW向, 频率均为12.8%;SSW向第三, 频率为10.3%。强浪向为NNE向, 4级波高出现频率0.24%;次强浪向分布于N向, 4级波高出现频率为0.05%;第三强浪向为S向, 4级波高出现频率0.03%。

图 2(b)为累年夏季各向各级波高出现频率, 1级波高的频率为0.05%, 3级波高占优, 为53.5%, 其次是2级波高, 出现频率为41.1%, 4级波高只占5.23%, 5级波高出现次数很少, 频率仅为0.16%。由此可见, 夏季以轻浪为多, 其次是小浪, 两者占94.6%。夏季盛行西南季风, 相应的S浪向占绝对优势, 频率为31.1%;SW向次之, 频率为16.9%;SSW向第三, 频率为13.9%。夏季强浪向主要是S向, 4—5级波高出现频率为1.8%;其次是SW向, 4—5级波高出现频率为0.96%;第三强浪向为SSW, 频率为0.75%。

图 2(c)为累年秋季各向各级波高出现频率, 1级波高的频率为0.17%, 2级波高出现频率最大, 为64.6%, 其次是3级波高, 出现频率为33.1%, 4级波高只占1.89%, 5级波高仅为0.30%。由此可见, 秋季主要是以小浪为主, 当有台风影响时才会出现中到大浪。秋季常浪向为NNE向, 频率为17.8%;其次是N向, 频率为13.7%;NE向第三, 频率为11.9%。强浪向主要表现为N向, 4—5级波高出现频率为0.33%;次强浪向为NW向, 4—5级波高出现频率分别为0.16%;第三强浪向为SSW向。

累年冬季各向各级波高出现频率见图 2(d), 1级波高的频率为0.06%, 2级出现频率最多, 为53.1%, 其次是3级, 频率为45.4%, 4级波高出现较少, 仅占1.41%, 5级波高未见。由此可见, 冬季的常见波为小到轻浪, 占98.5%。冬季盛行东北季风, 常浪向为NNE向, 频率为20.8%;其次是N向, 频率为18.4%;第三是NE向, 频率为11.6%。冬季强浪向为NNE向, 4级波高频率为0.64%;次强浪向为NE向, 4级波高频率为0.38%;第三强浪向为N向, 4级波高频率为0.16%。

累年各向各级波高出现频率见图 2(e), 1级波高的频率为0.06%, 最多是2级波高, 频率占51.6%, 其次是3级波高, 出现频率为46.0%, 4级波高占2.22%, 5级波高占0.12%。由此可见, 本海域以有效波高小于1.3 m的小浪和轻浪为主, 年出现频率为97.6%。有效波高超过2.5 m的波很少见, 出现频率仅为0.12%, 只有在夏、秋季台风过境时才出现, 秋季多于夏季。累年以S向浪出现频率最高, 为14.3%;其次是N向和NNE向, 频率均为11.9%;第三是SW向, 频率为11.3%。这与童朝锋等[8]分析的基本一致, 常浪向与常风向也基本相吻合[9]。累年强浪向为S向, 4—5级波高出现频率为0.50%;次强浪向为N向, 4—5级波高出现频率0.16%;第三强浪向为SSW向。在E-ESE范围的波浪很少, 出现频率均不足0.5%, 与海南省海岛资源综合调查报告[10]描述的基本相符。浪向分布与东方市所处地理位置相符。

春、夏季常浪向均为S向, 秋、冬季常浪向一样, 都为NNE向。冬、春季的强浪向为NNE向, 夏季的强浪向为S向, 秋季的强浪向为N向。各季常、强浪向统计见表 1。从全年来看, 秋季和夏季会出现个别较大海浪, 主要是这两个季节台风出现最多, 对海上作业会有影响。

表 1 各季常、强浪向统计表 Tab. 1 Statistical table of frequent wave direction and strong wave direction in each season
项目 春季 夏季 秋季 冬季 累年
常浪向 S S NNE NNE S
频率/% 16.9 31.1 17.8 20.8 14.3
次常浪向 SW, N SW N N N, NNE
频率/% 12.8 16.9 13.7 18.4 11.9
强浪向 NNE S N NNE S
4—5级频率/% 0.24 1.8 0.33 0.64 0.50
最大H1/3/m 1.7 2.6 3.0 1.8 2.9
次强浪向 N SW NW NE N
4—5级频率/% 0.05 0.96 0.16 0.38 0.16
最大H1/3/m 1.6 2.7 3.2 1.6 3.0
2.2 海浪要素的均值与极值 2.2.1 均值分布

图 3为累年各季各向H1/3平均值和T1/3平均值的玫瑰图。春季各向H1/3平均值在0.28~0.68 m, 平均0.48 m, SE-S向较大, W-NW向和E向较小;各向T1/3平均值在3.9~4.5 s, 平均4.16 s, NE向和SE向最大, W-NW向最小。

图 3 累年各季各向H1/3平均值和T1/3平均值玫瑰图 Fig. 3 Rose map of H1/3 average value and T1/3 average value in all directions in all seasons over the years

夏季各向H1/3平均值在0.32~0.70 m, 平均0.49 m, ESE-S向较大, WNW-NW向和E向较小;各向T1/3平均值在3.7~5.0 s, 平均4.23 s, ESE向最大, E向最小。

秋季各向H1/3平均值为0.26~0.64 m, 平均0.43 m, E-ESE向较大, WSW-NW向较小;各向T1/3平均值在3.9~4.9 s, 平均4.20 s, E向最大, 偏W向最小。

冬季各向H1/3平均值为0.28~0.75 m, 平均0.46 m, NE-ENE向较大, WSW-NW向较小;各向T1/3平均值在4.0~5.1 s, 平均4.34 s, ENE向最大, NNW向最小。

各季H1/3平均值都是NE-S向较大, W-NW向较小。夏季H1/3平均值最大, 秋季最小。

累年各向H1/3平均值在0.29~0.66 m, 平均0.49 m, SSE向最大, WNW向最小。NE-W向都较大, W-NW向都较小。各向T1/3平均值介于4.0~4.7 s, 平均4.32 s, 最大值出现在NE向, 最小值出现在W-NW向, 偏东向较大。

图 4已给出了累年各月H1/3平均值与T1/3平均值, 可以看出, 本海域累年各月H1/3平均值为0.49 m, 各月介于0.38~0.61 m, 6月最大, 9月最小。累年各月T1/3平均值都很接近, 介于4.0~4.5 s, 12月最大, 5月、9月最小。

图 4 累年各月H1/3平均值与T1/3平均值 Fig. 4 H1/3 average and T1/3 average of months in years

图 5给出了各年H1/3平均值、T1/3平均值和Hmax平均值, 从图中可以看出, 本海域各年H1/3平均值介于0.41~0.53 m, 平均0.49 m, 2015年和2020年最大, 2017年最小。各年Hmax平均值为2.5 m, 每年的Hmax平均值很接近, 其中2011年最大, 为2.7 m, 2017年最小, 为1.9 m。各年T1/3均值非常接近, 介于4.1~4.4 s, 平均4.2 s, 2010年和2011年最小, 2019年最大。

图 5 各年H1/3平均值、T1/3平均值和Hmax平均值 Fig. 5 H1/3 average, T1/3 average and Hmax average in each year
2.2.2 极值分布

图 6给出累年及各季各向的最大H1/3Hmax, 从中可看出, 秋季各向最大H1/3最大, 出现较大波高的方向有S、SSW、SW、NW、N。最大值出现在NW向, 为3.2 m, 第二是N向, 为3.0 m, E向最小, 为1.2 m。其次是夏季, SSW向和SW向最大H1/3最大, 为2.7 m, E向最小为0.6 m。冬、春季各向, 最大H1/3基本一样, 在0.8~1.8 m范围内, 都是NNE向最大, ESE向最小。

图 6 累年及各季各向最大H1/3Hmax玫瑰图 Fig. 6 Rose map of maximum H1/3 and Hmax in all seasons and directions over the years

各向Hmax出现在夏、秋两季, 夏季SSW向最大, 为5.6 m, 秋季WNW向和NW向最大, 都是4.9 m;冬、春季最小, 范围在1.2~3.5 m, 冬季NNE向最大, 为3.5 m, 春季S向最大, 为3.3 m。

图 6可看出, 累年与秋季的图形基本重合, 各向最大H1/3出现在NW向, 为3.2 m, 其次是N向, 为3.0 m, 最小值出现在E向, 为1.4 m;累年各向Hmax出现在SSW向, 为5.6 m, 其次是S向, 为5.3 m, 最小是E向, 为2.7 m。E向是离岸浪, 所以波高最小。

累年各月最大H1/3Hmax和最大T1/3图 7所示。由图 7可看出, 本海域累年各月最大H1/3的最大值为3.2 m, 出现在9月, 最小值在5月, 为1.3 m。累年各月Hmax的最大值为5.6 m, 在8月出现, 其次是6月, 为5.3 m, Hmax最小值为2.8 m, 在2月。累年各月最大T1/3的最大值为9.5 s, 出现在1、7、10、11月, 5月是最小值, 为6.5 s。

图 7 累年各月最大H1/3Hmax和最大T1/3 Fig. 7 Maximum H1/3, Hmax and maximum T1/3 in each month of over the years

图 8绘出了最大H1/3Hmax和最大T1/3的年变化, 从中可看出, 本海域各年最大H1/3的最大值为2011年的3.2 m, 最小值为2017年的1.5 m。各年Hmax, 其最大值为2016年(5.6 m), 其次是2015年(5.3 m), Hmax最小值是2017年的2.7 m。各年最大T1/3, 其最大值为9.5 s, 分别出现在2012—2015年和2019年;其最小值为7.5 s, 出现在2020年。

图 8 各年最大H1/3Hmax和最大T1/3 Fig. 8 Maximum H1/3, Hmax and maximum T1/3 in each year
2.3 波高和周期联合分布

本文从波高与周期联合出现的频率出发, 探讨本海域波高和周期的联合分布。利用11 a的资料, 实测有效波高以0.5 m, 有效波周期以1.0 s为间隔, 统计它们于每一间隔内出现的频率, 以10–3单位表示, 绘制成波高和周期联合分布频率图(图 9)。有效波高在1.0 m以下, 且周期在4~5 s的波浪出现频率最大, 为80.5%;其次是波高0.5 m以下, 且周期为3 s的频率为8.4%;第三是波高1.5 m以下, 且周期为6 s的频率为8.2%。有效波高在2.5 m以上, 周期在8 s以上的波浪所占的比例极小。

图 9 累年波高和周期联合分布频率图 Fig. 9 Joint distribution frequency diagram of wave height and period over the years

有研究表明, 波高和周期的对应关系, 并非完全独立, 它们之间有一定的相关性, 平均波高与平均周期的平方之间, 存在着良好的线性关系[11]: $\bar{H}=a \bar{T}^2$, 不同海域a值不尽相同, 如Bretschneider提出a值为0.058 5, 1965年海浪会战求得0.038, 1978年莆田试验站为0.051, 1979年黄海实测资料求得0.025, 连云港地区的观测资料求得0.041[11]。石臼港由实测资料得0.023[12], 黄河口海域由风浪观测资料统计得0.033 8[13]。本文根据11 a的浮标实测资料, 讨论不同波级情况下平均波高与平均周期的平方之间的线性关系, 通过计算统计, 系数a值、系数标准差及相关系数列于表 2, 表中平均值表示各年的平均, 范围表示各年统计数据中的最小值至最大值。由表 2可知, 本海域按不同波级平均波高和平均周期的关系式如下:

表 2 各波级系数α值统计表 Tab. 2 Statistical table of coefficient a value of each wave level
波级 系数a 系数标准差 相关系数
平均值 范围 平均值 范围 平均值 范围
2级 0.014 0.013~0.016 0.006 6 0.006 3~0.007 4 0.11 0.06~0.17
3级 0.030 0.028~0.032 0.007 8 0.007 4~0.008 7 0.40 0.32~0.51
4—5级 0.038 0.035~0.042 0.006 6 0.004 4~0.011 0 0.56 0.11~0.91
不分级 0.022 0.019~0.025 0.010 9 0.010 3~0.011 9 0.59 0.40~0.70
$ a=\frac{\bar{H}}{\bar{T}^2}=\left\{\begin{array}{cr} 0.022 & \text { (不分波级 }) \\ 0.014 & \text { (2级波高) } \\ 0.030 & \text { (3级波高) } \\ 0.038 & (4-5 \text { 级波高 }) \end{array}\right.. $ (1)

波级不同, 系数a值也不同, a值随着波级的增大也加大, 相关系数也变大。说明平均波高与平均周期之间的关系分波级表达更为符合, 波高越大, 相关性越好。

2.4 平均持续时间

波浪的持续时间是指大于等于某设定波高的连续延时, 平均持续时间是指设定波高的各次持续时间的均值[14]。本文采用1975年Lawson和Abernethy[15]提出的指数函数:

$D = \alpha {H^\beta } . $ (2)

式(2)用于研究本海域平均持续时间与波高的关系, 式中H为指定波高值, 单位为m;D为大于等于H的平均持续时间, 单位为d;αβ为两个参数。不同海域的参数都不相同。Lawson和Abernethy根据澳大利亚东南海岸的波高观测资料得α=7, β=–2;李淑江等[5]根据海南岛东南近岸1 a的观测资料计算出α=1.67, β=–2.09;冯兴如等[2]利用一整年的海南西南海域观测资料拟合出α=0.35, β=–1.83。我们基于东方海洋环境监测站2010—2020年共11 a的观测数据, 统计计算出了海域有效波高对应的平均持续时间, 并绘出了平均持续时间与有效波高的关系(图 10)。从图 10可以看出拟合出2条曲线, 当有效波高小于2.6 m时, 拟合得到α=0.45, β=–1.07, 表现出平均持续时间随着波高的增大而缓慢减少, 符合Lawson和Abernethy提出的指数衰减规律;当有效波高大于2.9 m时, 拟合得到α=5.61×107, β=–17.93, 表现出平均持续时间随着波高的增大而迅速减少, 这说明了本海域出现3.0 m以上的有效波高极少。当有效波高在2.6~2.9 m时, 出现了平均持续时间随着波高的增大而增大的现象, 这主要是因为在这个范围内随着波高的加大, 出现的次数减少, 导致平均持续时间增大。

图 10 累年平均持续时间随波高的变化 Fig. 10 Variation of average duration with respect to wave height over the years
3 研究方法比较分析

本文与参考文献[2]研究方法主要有两大不同点: 其一, 采用的波浪观测仪器不同, 本文采用的是基于重力式加速度测量原理的波浪浮标, 文献[2]采用的是基于声学坐底式测波仪。波浪浮标可适用于从浅海到深海。声学坐底式测波仪一般适用于近海, 目前存在遇到大浪测量误差大的问题, 主要原因是高海况下波浪破碎产生浪花同时水中产生气泡, 声波遇到气泡和破碎波会产生反射波。如文献[2]2014年9月与2015年6月测得最大H1/3分别为3.48 m和4.03 m, 本文同时间的最大H1/3分别为2.7 m和2.6 m。目前国家海洋局海洋台站的波浪观测主要采用波浪浮标。

其二, 采用的波浪数据样本、长度不同, 导致结果不同。如文献[2]的结论为冬季波高较大, 秋季最小, 常浪向为SSW方向, 强浪向为WSW向, 而本文的结论为夏季有效波高平均值最大, 秋季最小, 常浪向为S向, 强浪向为S向和N向, 与之有些差别,这主要是资料长短的差别。经统计, 我们采用的11 a的资料, 波高最大值出现在夏季最大的有8 a, 在冬季的有2 a, 在春季的有1 a;最小值出现在秋季的有7 a, 在春季的有3 a, 在冬季的有1 a。常浪向为S向的有6 a, N向的有1 a, SW向的有2 a, NNE向的有2 a。强浪向为S向的有6 a, N向的有1 a, SSW向的有1 a, NNE向的有2 a, SW向的有1 a。可见每年的最大H1/3、最大波高、常浪向、强浪向不完全一样。显然, 长年的波浪资料能更加准确反映该海域的波浪变化特征。

4 台风浪过程分析

东方市每年都受到台风影响, 图 8中的各年最大H1/3Hmax都是台风引起的, 根据每年最大H1/3对应的台风, 统计2010—2020年的台风浪数据(表 3)。从表 3可知台风影响的时间为6—11月, 波向与风向基本一致, 说明台风影响最大时以风浪为主, 波向为偏S向居多;最大H1/3滞后于最大风速, 一般为1~6 h, 台风强度越大, 滞后时间越长, 这说明风的动能需要一定的时间才能转化为波浪的势能;4级以上波高持续时间在23~39 h, 波高的大小与台风的强度、距离均有关。东方市受台风影响最多年份是2013年, 共受台风影响9次[1], 其中台风“海燕”影响最大, 本文选取该台风浪发生过程进行分析, 以了解台风过程中该海域海浪的特征。

表 3 2010——2020年台风浪统计 Tab. 3 Statistical e of typhoon waves from 2010 to 2020
4.1 台风“海燕”概况

台风“海燕”于2013年11月4日在西北太平洋上生成, 8日7时以超强台风级别登陆菲律宾, 登陆后向西北方向移动进入北部湾南部海面, 10日15时至20时, “海燕”以强台风级(42 m/s)擦过海南岛西南部沿海, 后移入北部湾海面, 11日5时以台风级别在越南北部的广宁沿海一带登陆, 11日20时在南宁市境内减弱为热带低压。该台风给海南带来巨大人员受灾和经济损失, 毁坏渔船152艘, 损坏渔船326艘, 死亡(含失踪)2人, 直接经济损失4.60亿元[16]

4.2 台风过程的波浪分析

图 11为2013年11月最大波高及对应周期和有效波高及对应周期变化过程曲线。从海浪过程曲线可以看到, 11月波高均不大, 而11月11日前后受台风影响时波高急剧加大。11月10日5时台风距离测点425 km, 风速开始增加, 测点处10 min平均风速1.9 m/s, 风向偏E;波高渐渐增大, 有效波高为0.9 m, 波向为N。14时台风距离测点150 km, 平均风速6.2 m/s, 风向偏E;最大波高达到4.6 m, 有效波高为1.8 m, 波向NNE。20时台风距离测点较近, 为84 km, 平均风速9.3 m/s, 风向SE, 最大波高达到3.2 m, 有效波高为2.0 m, 波向开始转为偏S向。23时风速达到最大, 平均风速14.0 m/s, 极大风速30.0 m/s, 波高达到了5级大浪。此后风速开始减弱, 但波高没有降低, 具有明显的滞后特征, 主要原因是台风强度强、影响范围广, 7级风圈半径320 km, 风区大、风时长, 再加上海浪始终受到来自于同一方向风应力的作用, 致使海浪发展充分, 波高持续不变。11日5时台风登陆越南, 6时有效波高达到峰值, 为2.8 m, 对应周期9.0 s;最大波高为4.0 m, 对应周期8.5 s;波向为SSW向。5级大浪持续了10 h, 到11日11时波高才渐渐减小, 20时波高迅速回落, 最大波高仅为1.3 m, 有效波高降至0.7 m, 见图 12所示。图 13是台风期间风向和浪向对照图, 可见浪向与风向基本一致, 说明台风产生的波浪是以风浪为主[17], 最大波高均出现于偏S向。

图 11 2013年11月最大波高及对应周期和有效波高及对应周期变化过程曲线图 Fig. 11 Variation curves of maximum wave height and corresponding period and significant wave height and corresponding period in November 2013

图 12 台风期间风速和波高对照图 Fig. 12 Comparison of wind speed and wave height during typhoon

图 13 台风期间风向和浪向对照图 Fig. 13 Comparison of wind direction and wave direction during typhoon
4.3 台风浪谱分析

波浪谱反映了波浪内部各成分波能量相对于频率和方向的分布, 用于分析波浪的成长耗散过程[18]图 14给出了台风“海燕”来临前、影响最大、远离后3个阶段的实测二维海浪频谱和极坐标方向谱。图 14(a)14(b)14(c)14(d)是处于成长阶段的波浪谱, 10日5时台风距离还较远, 出现双峰谱, 高频峰值比低频峰值大, 说明是以风浪为主的混合浪, 波谱方向为N向;随着台风的移动, 涌浪逐步增大, 到14时出现低频峰值比高频峰值大的双峰谱, 说明此时涌浪比风浪大, 波谱方向有NNE、NNW和SSE向;随着台风逐渐靠近测点, 高频谱峰值随着海浪的成长而增大, 频率也逐渐向低频方向推移, 越来越小, 20时台风离测点最近, 高频峰值已超过了低频峰值, 波谱方向为SSE-SSW;11日0时, 高频峰值大大超过了低频峰值, 谱形越来越陡, 波谱方向为S-SSW向。图 14(e)14(f)14(g)14(h)是处于高峰阶段的波浪谱, 由图可见, 4时变成了单峰谱, 波谱方向为S-SSW向;5时、6时、7时是高而窄的单峰谱, 6时谱峰值达到最大, 谱峰频率达到最小, 波谱方向都为S-SSW向, 说明此时波高最大, 周期也最大, 波形为风浪, 这与张经汉的研究结果较为一致[19]图 14(i)14(j)14(k)是处于衰弱期的波浪谱, 11日11时台风逐渐减弱, 谱峰逐渐降低, 谱形逐渐展开, 峰频率右移, 波谱方向为SW向, 这与成长期的波浪谱正好相反, 到17时谱形变得越来越平缓, 并伴有次峰出现, 形成了双峰谱的混合浪, 波谱方向为S-WSW向;20时台风消失, 主峰值降到最低, 主峰频范围越来越宽。以上分析表明, 台风“海燕”3个阶段海浪的波型变化规律为混合浪-风浪-混合浪, 与一般台风浪波形的演变规律较为一致。

图 14 台风期间实测二维海浪频谱和极坐标方向谱 Fig. 14 Two-dimensional wave frequency spectrum and polar directional spectrum measured during typhoon
5 结论

本文根据东方海洋环境监测站2010年至2020年共计11 a的SZF型波浪浮标观测数据, 对东方市近岸海域波浪基本特征进行了综合分析, 并选取一个台风浪过程进行研究。主要结论如下:

(1) 本海域以S向浪出现频率最高, 为14.3%, 其次是N向和NNE向, 频率均为11.9%;强浪向为S向和N向。在E-ESE范围的波浪很少, 出现频率均不足0.5%。春、夏季常浪向均为S向, 秋、冬季常浪向一样, 都为NNE向。冬、春季的强浪向均为NNE向, 夏、秋季的强浪向分别为S向、N向。浪向分布与东方市所处地理位置相符。

(2) 本海域以有效波高小于1.3 m的小浪和轻浪为主, 年出现频率为97.6%, 4级中浪占2.22%, 超过2.5 m的大浪很少见, 出现频率仅为0.12%, 只有在夏、秋季台风过境时才出现。有效波高平均值为0.49 m, 最大值为3.2 m;最大波高为5.6 m, 最大波高平均值为2.5 m;平均有效周期为4.2 s, 最大有效波周期为9.5 s;夏季有效波高平均值最大, 秋季最小。

(3) 有效波高在1.0 m以下, 且周期在4~5 s的波浪出现频率最大, 为80.5%;平均波高与平均周期的平方之间的线性关系, 分波级表达更为符合, 不分波级的系数为0.022, 2级波高的系数为0.014, 3级波高的系数为0.030, 4—5级波高的系数为0.038, 波级越大, 相关性越好。

(4) 当有效波高小于2.6 m或大于2.9 m时, 平均持续时间与波高的关系符合Lawson和Abernethy[15]于1975年提出的指数函数关系式, 平均持续时间随着波高的增大而减少。

(5) 强台风“海燕”影响期间, 浮标测到最大波高达到4.6 m, 风速减弱, 但波高没有降低, 波高具有明显的滞后特征, 5级大浪持续了10 h, 浪向与风向基本一致, 说明台风产生的波浪以风浪为主, 最大波高均出现于偏S向。通过波谱分析, 台风海浪的波型变化规律为混合浪-风浪-混合浪。

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