QF207浮標的海浪要素計算探討*

盧小鵬，呂翠蘭，王 薇，沈 光

（1.寧波海洋環境監測中心站 寧波 315012；2.寧波市海洋與漁業局 寧波 315012）

QF207浮標的海浪要素計算探討*

盧小鵬1，呂翠蘭1，王 薇1，沈 光2

（1.寧波海洋環境監測中心站 寧波 315012；2.寧波市海洋與漁業局 寧波 315012）

文章主要從目前已有的一些計算海浪要素的半理論半經驗的公式出發，結合QF207的部分實測資料進行比較，尋找一種適合計算QF207風浪特征的計算公式。

QF207浮標；海浪；計算方法

1 概 述

海浪是一個非常復雜的物理現象，到目前為止，人們對它的認識還不是非常清楚。雖然，大家都知道，風吹過海面就會形成波浪，但實際上，我們在海洋上遇到的通常是不同來源地波系疊加起來的混合浪。當風浪和涌浪在淺海傳播時，由于地形的影響，在海岸和島嶼附近還常出現折射、繞射、反射、卷倒等現象，同時其在傳播過程中其波向、波速、波形以及其他性質也都在不斷發生變化。

海浪也是一種具有巨大能量的自然現象，蘊藏著大量的可再生動力能源，現在也有人提出運用海浪能進行發電。但是海浪也給人們的生產生活、海洋工程等帶來很多不利因素。因此，我們需要對海浪特征充分地了解，才能正確地利用它，又能減少它帶來的不良后果。

2 分析對象

海上的實測風浪資料是非常寶貴的資源，本文選擇浮標QF207作為分析的對象，該浮標位于東海外部，29.5°N、124.0°E，其所在海域水深大約為60～70m，周邊開闊，無島嶼阻擋，能很好地代表東海海域的風浪。

該浮標于2009年12月由東海技術中心負責安放投入使用，其風浪要素分別為美國公司的測風儀和山東省科學院海洋儀器研究所的測浪儀獲取。本文以其獲取的重大天氣系統影響期間的實測風、浪要素進行分析，期望從中總結一些規律，為今后的風浪預報提供一些借鑒。

3 風浪特征分析

3.1 風浪要素計算理論

風浪的形成源于風-水間相互作用，通過風與水界面進行動量、能量和其他物理量的交換。風浪的成長和消衰取決于能量的輸入和消耗，當波面上的壓力不對稱導致風浪的能量輸入大于水體由于摩擦消耗的能量時，決定了風浪的不斷發展；當能量輸入等于能量消耗時，風浪不再發展，趨于穩定；當能量的輸入小于波能消耗時，風浪將不斷減弱，并趨于消亡。

目前國內外關于風浪生成和發展的研究，以菲利浦斯（Phillips）的共振機制理論和米爾斯（Miles）的剪切流理論最為重要，但也不能完全反映風浪生成這一復雜的物理現象。而運用理論計算風浪要素的公式主要是線性理論中的特征波計算方法和頻譜計算法。特征波計算方法是以一種或幾種有代表性的特征波代替實際風浪，然后將此特征波視為簡單的波動，依能量平衡原理討論其相對于時間和位置的成長，并以特征波的成長規律反映風浪的成長規律。依照特征波計算方法，經過理論推導，可得出無因次波高的成長關系式。頻譜計算法是將波能譜于整個頻率范圍內積分即得總能量，再根據波譜與波要素的關系以及波高的分布規律就可得到各種特征波高與波能譜零階矩的關系式，從而求出各特征波高［1］。

3.2 風浪要素經驗計算方法

從特征波計算方法出發，結合實際情況，選擇一些適合浮標QF207情況的計算方法。因其所在海域水深大約為60～70m，按深水波和淺水波的分類來看，該水域的波浪性質應表現為過渡淺水區，因此在計算海浪成長經驗公式時，應考慮水深對波浪的影響。當前國內外適合淺水和任意水深的風浪要素計算的半經驗半理論方法主要有：青島海洋大學法、莆田實驗站法、蘇聯1975年波浪規范、美國SMB法、日本的井島公式［1－3］。

3.2.1 青島海洋大學法

該方法是青島海洋大學相關學者研究所得，根據對布萊斯納德（Bretschneider）、蘇聯1975年波浪規范和我國1987年規范進行分析比較后得出的淺水風浪要素計算公式及其計算圖解，其適用條件為d／U2≤0.2，對本文而言，即風速大于17.3m／s。該方法目前已作為我國《海港水文規范》中淺水風浪計算公式，即

式中：HS為有效波波高，單位為m；TS為有效波周期，單位為min；F為風區長度，單位為m；d為水深，單位為m；g為重力加速度，單位為m／s2；U為海面上10m高處的10min平均風速，單位為m／s。該符號的定義與以下各公式一致。

3.2.2 莆田實驗站法

河海大學洪廣學等根據福建莆田實驗室觀測資料考慮風速、風區和水深的影響，提出了一個適合深、淺水的風浪要素計算方法，該方法目前已被我國水利部 《輾壓式土石壩規范》所采用，其具體表達式為：

3.2.3 蘇聯1975年波浪規范

1969年，蘇聯熱帕林斯基等在大量自記波浪資料的基礎上，提出的計算風浪要素的經驗方法。后來，斯特列卡洛夫根據其收集的資料，進行了改進，即為蘇聯1975年的波浪規范方法，其為：

3.2.4 美國SMB法

美國的布萊斯納德（Bretschneider）以斯費德魯普（Sverdrup）和蒙克（Munk）以有效波理論為基礎，根據收集的資料做了一些修正，現為美國 《海岸防護手冊》所推薦，具體表達式為：

3.2.5 日本井島公式

日本井島武士于1967年將美國威爾遜深水定常波的計算方法，推廣到任何水深的情況，該公式為：

3.3 QF207的風浪要素對比

QF207的風、浪實測資料的要素主要為平均風速、風向、最大風速、有效波高、有效波高周期、最大波高、最大波高周期等，將該實測資料與主要5種計算方法結果進行比對。考慮到風浪的危害性，主要選擇有效波高大于2.5m的實測風浪資料進行分析總結。因風浪的經驗計算是考慮風浪的完全充分成長，要求風速相對穩定少變，因此在做對比分析時，主要以冷空氣的影響下風浪為主要分析對象 （表1）。當海面風速出現上升或下降時，風速按 《海港水文規范》規定的方法計算。

表1 QF207波浪要素實測統計資料

續表

風浪的成長發展主要與風區、風時、水深等要素有關。因QF207所在海域開闊，風浪成長的風區，以理論最小風區為界，風時為理論最小風時，水深為60m。風區是指風速、風向一致的水域，《海港水文規范》中規定風區內風速差不宜大于2～4m／s，風向差不宜大于30°。

運用上述的5個風浪要素的經驗運算公式，對平均風速從12～29m／s，其風區長度結合規范的深水風浪要素計算圖給出合適的最小風區，分別計算風浪在各個風速值下的充分成長，最小風時作用下的有效波高 （表2）。

表2 定常風作用下的風浪要素計算

從表2來看，日本井島公式在平均風速為12～20m／s之間時，有效波高多數明顯大于其他4個公式的計算值；在平均風速為20～29m／s之間時，青島海洋大學法計算值則表現為最大。與實測資料比對，發現當某日QF207測得平均風速為13m／s時，實測有效波高為3.0～3.5m，該結果與蘇聯1975波浪規范計算值3.0m、美國SMB法計算值3.2m、日本井島公式計算值3.6m較為接近，日本井島公式計算結果略大些；當實測平均風速為14m／s時，分析上述實測資料，可認為在該定常風作用下，實測有效波高為3.5～4.0m，該結果與蘇聯1975波浪規范計算值3.6m、美國SMB法計算值3.8m、日本井島公式計算值4.2m較為接近，而日本井島公式計算結果也略大些；當實測平均風速為15m／s時，認為在該定常風作用下，實測有效波高大約為4.0～4.5m，該結果與蘇聯1975波浪規范計算值4.0m、美國SMB法計算值4.3m、日本井島公式計算值4.7m較為接近，而日本井島公式計算結果也略大些。綜上所述，發現實測結果與蘇聯波浪規范法和美國SMB法更為接近。

4 小 結

結合QF207浮標在冷空氣影響期間的實測資料與風浪計算公式的比對，認為冷空氣影響期間，在相對穩定風的作用下，即當日風速變化2～4m／s，風向變化不大于30°，QF207浮標theNekdongRiver，Korea［J］.EcologicalModeling，2002（152）：65－75.

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［43］ 吳亞瓊.總量控制下排污權交易制度若干機制的研究［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［44］ 瞿偉，王溪若.關于排污權交易運行過程中若干問題的研究［J］.合肥工業大學學報：社會科學版，2005，19（4）：37－39.

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［46］ 李永紅.國內排污權交易現狀分析［J］.消費導刊，2009（15）：131－131.所在海域的風浪要素計算與蘇聯波浪規范法和美國SMB法更為吻合，但該方法不適合臺風影響期間的風浪計算。

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南黃海輻射沙脊群空間開發利用及環境生態評價技術——分區監測站網與管理信息系統構建 （201005006－8）；富營養化污染實時速報和生態效應預警評價技術——排污口浮標維護和比測 （201105014）.