粵東近岸深水區周年波浪特征分析

潘冬冬 ，周川 ，王俊 ，李健華

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663；2. 廣東科諾勘測工程有限公司，廣州510663）

地球表面71%的面積是海洋，而海洋中最常見的一種現象就是波浪，波浪是岸灘演變、海港和其他海洋工程最重要的動力因素和作用力。國內外研究學者和工程技術人員始終都在對其進行研究，其中現場原型觀測是最重要的手段之一，伴隨著波浪觀測儀器的技術水平提升，該方法也變得越來越重視。

近年來，已有很多研究學者對廣東沿海的實測波浪進行了研究，例如，李志強等利用粵東遮浪海洋站3a的波浪觀測資料，對紅海灣的波侯進行分析；黎維祥等根據平海站、田尾角站和海門站1a的近岸實測波浪資料，對粵東不同海域的波浪特性進行對比分析；尹毅等根據珠江口1a 的實測海浪資料，對海浪的基本要素、大浪過程以及與熱帶氣旋活動的關系進行統計分析。但是，以上文獻的波浪實測資料均是從離岸距離很近的岸邊獲得，不能代表深水海域的波浪特性。由于廣東沿海面向整個南海，常年受到季風氣候和熱帶氣旋的影響，當大浪從遠海向近岸傳播過程中，通過會發生一系列的變形，如：淺水變形、波浪折射、波浪繞射和波浪破碎等，所以對于近岸深水區波浪特性的研究就顯得更為迫切。

本文根據粵東近岸深水區1a的現場實測波浪資料，對該海域的周年波浪特征和典型臺風浪特征進行統計分析和研究。包括逐月波高與周期特征值的統計分析、平均波向季節特征、波高-周期聯合分布、波浪與周期的關系以及“山竹”臺風浪特征。本文研究成果可以為相關海洋工程的設計提供技術參考。

1 資料來源

波浪資料來源于廣東省惠來縣外海周年波浪觀測站 （116°26.395'，22°42.148'），位置見圖 1 所示，離岸距離約26 km，水深為38 m。觀測時間為2018 年 8 月 9 日 至 2019 年 8 月 8 日 ， 采 用 挪 威Nortek 公司生產的AWAC“浪龍”儀器進行座底式波浪觀測，儀器參數與觀測頻率：聲學頻率為600 kHz，通過聲學表面波跟蹤（AST）進行波浪數據處理，每天24 小時連續觀測，每小時記錄一次，每次記錄17 min（不少于100 個波），采樣頻率為2 Hz。

圖1 周年觀測站位置示意圖Fig. 1 Diagram of annual observation station location

2 周年波浪特征分析

采用Nortek 公司Storm 軟件進行原始數據預處理，再對預處理過后的波浪要素進行統計分析，數據完整率達到98.26%，數據完整率較高，可以較好地對該海域周年波浪特征進行分析和研究。本文波浪要素符號說明：為有效波高；為最大波高；為平均波高；為譜峰周期；為最大周期；為平均周期。

2.1 逐月波浪要素特征值

表1 給出了周年觀測期間各月和全年的部分波浪要素統計數據，由表可知，全年平均值為1.52 m，平均值為2.40 m，和最大值分別為9.38 m 和15.97 m，最大值均發生在臺風“山竹”影響期間；平均值全年各月差異不大，冬季的12 月、1 月和2 月為全年最高的三個月，其中2 月份最大，和分別為2.01 m 和3.41 m，主要原因為冬季受到東北季風影響，導致波高整體偏大。而春、夏季的4 月、6 月和7 月為全年最低的三個月，其中 6 月份最小，和分別為 1.01 m 和1.70 m。

2.2 波向季節特征

圖2 給出四個季節的波浪玫瑰圖。分析可知：春季，常浪向為向，次常浪向為向，頻率分別為40.48%與23.76%，強浪向為向。夏季，常浪向為向，次常浪向為向，頻率分別為22.60%和18.10%，強浪向為向。秋季，常浪向為向，次常浪向為向，頻率分別為39.79%和34.84%，強浪向為向。冬季，常浪向為向，次常浪向為向，頻率分別為50.84%和34.39%，強浪向為向。

綜上分析可知，全年常浪向為向，次常浪向為向，頻率分別為33.06%與24.68%，強浪向為向。由于粵東近岸深水區由于受到冬季東北季風和夏季西南季風等因素影響，而且不受外圍任何島嶼的掩護，呈現出典型的季節特征。

表1 各月及全年波浪要素統計表Tab. 1 Statistical table of wave elements in each month and year

2.3 波高——周期聯合分布

由圖3 可知，聯合分布高密度區域類似一個橢圓形，其中，主要分布在0.5～1之間，主要分布在0.5～1.5之間。概率密度等值線最大值為2.1，說明譜峰周期主要集中在平均值附近，而有效波高集中在平均值以下。進一步分析概率密度等值線的分布范圍可知，該海域主要以風浪成分為主，根據臺風“山竹”期間的實測數據，有效波高與譜峰周期雖然都很大，但是其概率密度值太小，圖3 中并未表現出來，后續對臺風“山竹”期間的波高和周期特征進行單獨分析。

2.4 波高與周期的關系

圖2 四個季節波浪玫瑰圖Fig. 2 Wave rose diagram in four seasons

圖3 波高-周期聯合分布Fig. 3 Joint distribution of wave height and period

由于波高與周期之間并不是簡單的線性關系，從而導致其是海洋工程研究領域的難點之一。在不同重現期設計波要素推算時，尤其是近岸波浪模型的計算，不同尺度模型進行嵌套時，不同重現期波高對應周期的計算通常會失真，所以有必要對二者的關系進行研究分析。

圖4 波高與周期的關系Fig. 4 The relationship between wave height and wave period

2.5 典型臺風浪分析

2.5.1 實測臺風浪過程

周年觀測期間記錄的最大一場臺風浪過程是臺風“山竹”造成的，圖5 給出了臺風期間的波高和周期變化過程線，臺風移動路徑見圖1。

由波高變化可知，臺風“山竹”引起的大浪于9/14 18：00 開始影響觀測海域，9/16 7：00 儀器記錄到本次臺風過程的、和分別為15.97 m、9.38 m 和5.62 m。9/16 10：00 時出現一個波谷，隨著臺風的不斷移動，又出現一個波高增大的過程，最后波高逐漸下降至正常狀態。

由周期變化可知，9/13 16：00就開始記錄到大周期波浪，和都達到14 s 以上，說明外海臺風引起的涌浪開始影響觀測海域。9/14 20：00 時開始出現較大波動，此時臺風外圍風圈開始影響觀測站位置，從波高的變化過程也可得出相同結論。臺風期間觀測到、和的最大值分別為17.7 s、15.3 s和9.9 s。

2.5.2 臺風浪譜分析

海浪譜可以描述海浪的內部結構，說明內部各部分之間的相互關系，從能量角度反映波能在頻率和方向上的分布，而根據實測臺風浪數據進行波譜分析意義更大，為進一步研究臺風浪的內部特征提供幫助。

圖5 臺風“山竹”期間實測波高與周期過程Fig. 5 Measured wave height and period during typhoon mangkhut

圖6 給出了臺風“山竹”大浪影響最大時段具有代表性的4 個時刻實測波浪頻譜，分別是9/16 0：00、6：00、12：00 和 18：00，通過4 個時刻的波浪譜對比可知，譜峰值經歷了一個從成長到消退的過程。臺風影響期間的譜峰值很大，最大值出現9/16 6：00，為 96.74 m/H，譜峰頻率為 0.07 Hz。譜型均為單峰譜，主峰頻率寬度較窄，范圍為0.05 Hz～0.20 Hz。波譜方向主要為～向。

圖7 給出了臺風“山竹”大浪影響之前具有代表性的4 個時刻實測雙峰譜，分別為9/13 16：00、9/14 6：00、9/14 21：00 和9/15 6：00，通過4 個時刻波浪譜對比分析，可以很明顯看出雙峰譜的形成和演變過程。從譜峰值和譜峰頻率的變化可知，在臺風大浪影響之前，譜峰值的變化為低—高—低，雙峰的譜峰頻率差逐漸縮小，說明臺風浪的譜型是一個實時變化的，從雙峰型向單峰型逐漸演變的過程。譜型變化也說明了臺風浪類型為混合浪，并且是以涌浪為主的風涌混合浪。根據楊生強南海北部的三場實測臺風浪譜分析的成果表明：隨著海況的惡劣程度增加，譜峰頻率向左移動，能量往低頻方向集中。消衰過程中，譜峰值逐漸減小，峰頻有向高頻推移的趨勢；并且進一步對實測數據進行JONSWAP 譜的參數擬合。通過與本文“山竹”臺風浪譜分析的對比可知，粵東海域過境臺風浪的譜型和譜峰頻率的變化規律基本一致，但是由于臺風強度和觀測位置的不同，譜峰值和波譜方向會有所差異。

圖6 臺風“山竹”期間實測波浪譜Fig. 6 Measured wave spectrum during typhoon Mangkhut

圖7 臺風“山竹”期間實測雙峰譜Fig. 7 Measured wave double-peaked spectrum during typhoon Mangkhut

3 結論

本文根據粵東近岸深水區1a的現場實測波浪資料，對該海域的周年波浪特征和典型臺風浪特征進行統計分析和研究。得到如下結論：

1） 全年平均值為 1.52 m，為 15.97 m，全年 12 月、1 月和 2 月的平均值最大，4 月、6 月和7 月為全年最低，波高與周期最大值均由“山竹”臺風浪造成。

2）觀測海域主要受季風季候和熱帶氣旋等因素影響，全年常浪向和強浪向分別為向和向。

3）全年波浪類型主要以風浪成分為主，對波高與周期的相關關系進行擬合。

4）根據“山竹”臺風浪實測數據，波高和周期都有顯著的升高和降低過程。通過海浪譜分析，臺風期間經歷了從雙峰譜向單峰譜的演變，說明臺風期間的波浪類型主要為風涌混合浪，譜峰值于9月16 日6 時達到最大值96.74 m/Hz，譜峰頻率為0.07 Hz。