浙江中部三門灣波浪特征統計分析

周陽，葉欽，施偉勇，楊斌，宋澤坤，閆東號

(1.浙江海洋大學 海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316022；2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.浙江浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 317100)

1 引言

海灣和河流入海口地區是海陸相互作用的敏感地帶，各種動力過程耦合復雜多變，然而由于這些地區交通和海洋資源上的優勢，往往是人類集中生活的地方，同時也是人類重點開發的區域。三門灣位于浙江省中部沿海，北靠象山半島，東起南田島，西至坡壩港牛頭門，南部至牛頭山，灣內長約40 km，寬約10 km，是多條河流的入海口，內有多個港口，往來船只眾多，對該區域的波浪參數進行統計分析，有利于深入了解三門灣海域的波浪特性。另外，三門灣海域常年受到臺風的影響，據統計，浙江沿海的臺風主要出現在每年的5?11 月，8 月最多[1]，其引起的臺風浪對碼頭、堤防等沿海設施造成重大影響，還會對船只的安全系泊構成威脅，因此，臺風浪的實測分析對該海域附近的港口規劃設計和海岸工程的建設與保護有十分重要的意義。

目前，國外關于實測波浪特性的研究分析比較多，對印度附近海域波浪做了大量的研究工作，統計了印度沿海的波浪特征[2-4]，指出印度沿海的波浪約6 成為多譜峰混合浪[5]，并分別對阿拉伯海[6-8]和孟加拉灣[9-10]的波浪特征進行了具體的研究分析，包括相關性分析、譜分析、風涌浪的分離等，對不同季風影響下、季風前中后、各年際間的波浪特征進行了深入研究。Umesh 等[11]采用數值模擬和實測資料相結合的方法對印度東南沿海的波浪特征進行了統計分析，得到了適用于該海域的SWAN 波浪模型。Kumar 等[12]對韓國浦項市新港的港內實測波浪進行了譜密度分析，并通過數值模擬完成了對港灣入口處設置防波堤必要性的論證。Shanas 等[13]對紅海東部夏季的波浪進行了風涌浪分離的研究，指出該海域夏季多為混合浪。國內也有一些相關研究，Yang 等[14]通過實測波浪資料對江蘇南部輻射沙洲的波浪變化特征、參數相關性、譜特征進行了研究分析。楊斌等[15]對舟山群島局部海域的臺風浪特性進行了實測分析，指出臺風路徑對波浪譜型有著顯著影響。祁祥禮等[16]對渤海灣中部的波浪特征進行了統計分析，對波高和風速、波向和風向的相關性進行了探討。然而，目前關于三門灣波浪特性尤其是臺風浪特性的研究報道十分罕見，之前一些學者對三門灣的研究主要集中在潮流、潮位[17]、漁業資源[18]等方面，主要是由于長期的現場波浪實測費用昂貴，資料獲取難度大。

本文基于AWAC 波浪觀測儀的實測資料，首先，對三門灣海域的波浪特征進行了統計分析，包括最大波高（Hmax）、顯著波高（H1/10）、有效波高（H1/3）、平均波高（Hmean）、平均波周期（Tmean）、譜峰周期（Tp）等，并進行了特征波高、特征波周期的線性回歸分析；其次，對三門灣海域受臺風影響時，各波浪參數的變化情況進行了研究分析，根據波浪頻譜進行了風涌浪的分離。本文的研究工作為這一海域的工程建設和海浪研究提供科學依據。

2 資料選取與處理方法

2.1 研究區域及數據

三門灣在平面形態上總體呈NW?SE 走向，灣口為一個朝向為SE 的半封閉式網袋狀海灣[17]。本文選用的波浪實測數據為2016 年10 月1 日至2017 年9 月30 日三門灣灣口海域臨時測波點的觀測資料，測波點位于29°01.003′N，121°42.893′E，水深約為7.5 m，測波點SE 向面向東海海區敞開，基本無島嶼遮掩，NW 向順時針至SE 向均有較寬闊的水域，可觀測到多個方向的波浪，波浪代表性好，測波點SW 向緊靠半島山地海岸，波浪測站位置示意圖見圖1。波浪觀測每小時進行一次，每次觀測約18 min，采樣間隔為0.5 s。用于輔助分析的風資料由波浪測站西向約200 m處的臺二電廠碼頭前沿測風塔測得，與波浪觀測同步進行，臺二電廠碼頭前沿四面開闊，風資料測量基本不受周圍地形的影響。

2.2 儀器及數據處理

波浪現場觀測采用的儀器是挪威Nortek 公司制造的聲學多普勒波浪流速剖面儀（Acoustic Wave and Current Meter，AWAC，國內稱浪龍），該儀器具有聲學波浪表面掃描功能，所得數據經儀器配套的Storm 軟件處理后得到各類波要素，包括最大波高（Hmax）、顯著波高（H1/10）、有效波高（H1/3）、平均波高（Hmean）、平均波周期（Tmean）以及譜峰周期（Tp）等參數，另外，根據需要還計算了零階矩m0、譜峰值S(fp)、波高概率密度p(H/Hmean)以及平均周期T01、T02等參數[19]。Storm 軟件采用聲學表面跟蹤結合水平流速方法（acoustic surface tracking and horizontal velocity U and V，SUV）計算波浪來向[20]，通過快速傅里葉變換（FFT）方法計算波浪譜，可以得到64 自由度的平滑波浪譜曲線，截斷頻率為1 Hz，分辨率為0.01 Hz。AWAC 波浪觀測儀應用廣泛，數據處理效率高，所測得的波向誤差小于2°，波高誤差小于0.15%，保證了此次波浪測量數據的可靠性和準確性[21]。

圖1 波浪測站位置Fig.1 Location of the wave measurement station

3 波浪要素統計分析

3.1 波高統計特征

圖2 給出了全年波高平均值及最大值逐月變化規律，由圖可知，所測海域秋季波浪運動最為劇烈，主要是受臺風影響，其他季節各月份之間相差不大。表1給出了測站全年各級波高按16 方位波向統計的結果，資料完整率為99.42%，圖3 為相應的波浪玫瑰圖，分析可知：（1）實測波浪常浪向為E 向，出現頻率為40.27%，這與地形主要向東面敞開密切相關，該方向H1/10年平均值為0.43 m；（2）次常浪向為ESE 向，出現頻率為25.07%，該方向H1/10年平均值為0.39 m；（3）強浪向為E 向，H1/10大于1.5 m 的波浪主要發生在該范圍內，相應的出現頻率為0.25%，觀測期間出現的最大波高為2.71 m，對應的H1/10為2.14 m，波向為ENE，風向為N，出現在2017 年9 月14 日11 時第18 號臺風“泰利”期間；（4）H1/10小于0.8 m 的波浪全年中出現頻率為94.32%，因此，所測海域超9 成是不超過0.8 m的波浪。

圖2 測站各月特征波高變化Fig.2 Variation of wave height in each month

3.2 波周期統計特征

圖4 給出了全年波周期平均值及最大值逐月變化規律，由圖可知，各月之間波周期沒有明顯的變化規律和差異，Tmean月均值和Tp月均值的變化趨勢基本相同，且波動較小。表2 給出了測站全年各級平均波周期按16 方位波向統計的結果，圖5 為相應的玫瑰圖，分析可知：（1）常浪向（E 向）的Tmean年平均值為3.71 s，次常浪向（ESE 向）的Tmean年平均值為3.49 s；（2）觀測期間出現的Tmean最大值為9.78 s，出現在2016 年11 月10 日23 時，相應的Tp為13.08 s；（3）Tmean小于4 s的波浪全年中出現頻率為75.02%，可見該海域主要是短周期波浪。

3.3 特征波高線性回歸分析

根據Longuet-Higgins 提出的瑞利波高分布形式，各特征波高之間存在著固定的比值關系，如H1/10/Hmean=2.031、H1/3/Hmean=1.598 等，然而實測得到的波浪數據由于地形、海區、水深等因素，它們的特征波高之間的比值相比于理論值通常有一定的差異。本文通過對三門灣海域全年各特征波高的統計，得到了該海域特征波高之間的比值關系，采用最小二乘法對各特征波高比值關系進行線性回歸分析，得到了H1/10、H1/3、Hmax與平均波高Hmean的相關關系（表3）。波浪測站海圖水深d=7.5 m，平均波高Hmean=0.21 m，計算可知淺水因子H*=Hmean/d=0.028＜0.1，屬于深水水域，通過比較表3 可知，本區域實測得到的特征波高之間的相關關系與理論值較為接近，基本符合瑞利分布，部分組次波高分布如圖6 所示。圖7a 給出了最大波高和平均波高之間的相關關系，線性擬合可知，實測Hmax/Hmean=2.70，相關系數為0.97，根據深水海域連續N個波中Hmax/Hmean的數學期望與波數N的近似關系，可以得到理論比值，公式如下所示[22]：此處N取312.6，為全年觀測期間AWAC 每次觀測波數的平均值，計算可知理論比值Hmax/Hmean=2.70，可見實測波浪數據在此比值上同理論比值非常一致。圖7b和圖7c 分別給出了H1/10和H1/3與Hmean的相關關系，與楊斌等[15]統計的舟山海域波浪特征參數相比，其H1/10/H1/3和H1/3/Hmean分別為1.25 和1.57，而Yang 等[14]統計的黃海南部海域的H1/10/H1/3和H1/3/Hmean分別為1.24 和1.54，本文統計得到的H1/10/H1/3和H1/3/Hmean分別為1.26 和1.58，三者比值均分別小于理論比值1.27和1.60，其中舟山海域的比值與本文非常接近，其觀測海區與三門灣海域也更為接近。總體而言三門灣海域的特征波高相關關系符合瑞利分布情況，該海域的波浪特征分布是一個比較典型的瑞利分布。

表1 測站各級各向顯著波高（H1/10）出現頻率分布（%）Table 1 Distribution of H1/10in different levels and different directions (%)

圖3 測站全年各級各向顯著波高（H1/10）出現頻率分布Fig.3 Distribution of H1/10in different levels and different directions

圖4 測站各月特征波周期變化Fig.4 Variation of wave period in each month

表2 測站各級各向平均波周期出現頻率分布（%）Table 2 Distribution of Tmeanin different levels and different directions (%)

圖5 測站全年各級各向平均波周期（Tmean）出現頻率分布Fig.5 Distribution of Tmeanin different levels and different directions

圖6 三門灣海域波高分布特征Fig.6 Wave height distribution during the observation period in the Sanmen Bay

圖7 三門灣海域各特征波高參數的線性擬合Fig.7 Linear relationship of different characteristic wave height of the Sanmen Bay

圖7d 給出了實測波浪數據的跨零統計有效波高H1/3與零階距m0開方的比值，線性擬合得到H1/3與的比值為3.50，而理論情況下譜計算的有效波高Hm0與m10/2的比值為4，查閱文獻可知一般情況下均小于4，其中，Goda[23]對深水情況下的風浪特征參數統計發現該比值為3.8，Kumar 等[7]對印度西部沿海的波浪統計發現該比值為3.72，楊斌等[15]對舟山海域的波浪統計顯示該比值為3.57，本文的比值最小，通過頻譜分析可知，本觀測海域的波浪往往是風浪和涌浪形成的混合浪，而不是以單峰的風浪為主，這是變小的重要原因。

3.4 特征波周期線性回歸分析

波浪特征周期之間的關系并不像特征波高一樣具有明顯的理論關系，隨著觀測海域的不同有較大的差別[7,14-15,23]。1976 年Goda[24]根據現場實測資料得出：

根據當時大量記錄的平均關系推定：

而根據Goda[23]的實測統計結果，日本近海的特征波周期關系取：

本文對觀測海域的特征波周期進行了線性擬合，得出Tmax、T1/10、T1/3以及譜計算平均周期T01和T02與Tmean的比值關系分別為1.69、1.58、1.40、1.10、0.91，譜峰周期Tp與Tmean的相關關系很差，相關系數僅為0.47，相應的比值為2.04，具體統計情況見表3。分析可知，該海域實測Tmax、T1/10、T1/3和Tmean的相互比值關系和Goda[23]的實測比值關系有較大差異，可見不同海域的特征波周期關系是有一定差別的。理論深水條件下，滿足T02＜T01≈Tmean＜Tp[22]，本文的實測結果為T02＜Tmean＜T01＜Tp，與理論情況有一定差別，這是由于理論關系基于完全的深水條件，而實測波浪從外海傳入會受到地形等因素影響，變化復雜，導致實測關系與理論關系并不完全一致。圖8 給出了部分各特征波周期之間的散點關系，分析可知，T1/3與Tmean和T02與Tmean有著很好的線性相關關系，而Tmax與Tmean和Tp與Tmean的線性相關關系較差。另外，與特征波高之間的線性相關關系相比，特征波周期之間的線性相關關系要差些。

表3 三門灣海域各波參數比值系數Table 3 Wave parameter ratio factors of the Sanmen Bay

4 臺風浪過程分析

4.1 過程分析

在波浪實測分析中，大浪過程是研究的重點之一，了解一個海域的大浪情況對工程建設和規劃布局有重要的參考價值，對于三門灣海域，臺風是引起大浪的主要原因，本文選取了觀測期間影響最大的臺風“泰利”引起的大浪過程進行研究分析。

2017 年9 月 第18 號臺風“泰 利”（9 月9 日20 時起編至9 月18 日14 時停編）在東海東南面海域逼近三門灣海域，后轉向在日本登陸（圖9），期間對三門灣海域波浪有明顯影響。圖10 為臺風“泰利”期間的各波要素變化過程，同時給出了風速、風向的變化情況。從圖10a 可知，該過程發生時段的風向主要為偏北向，而浪向主要為偏東向。從圖10b 可知，平均周期和譜峰周期有一個先增大再減小的過程，其中譜峰周期在中間時間段基本維持在12 s 左右，因此可以初步認為該海域在臺風“泰利”期間的波浪以長周期涌浪為主。圖10c 給出了顯著波高和風速的時程變化情況，分析可知，風速于13 日11 時之后明顯增大，波高和風速有著較一致的變化趨勢，這主要是由于外海波浪形成與風速相關。受沿海地形影響，經繞射、折射作用后，波浪從東向傳入觀測區所在海灣，所以出現了波高和風速正相關，而波向和風向無關的現象。

由表4 可知，臺風“泰利”期間各特征波高之間同樣符合瑞利分布的比值關系，與表3 全年的統計結果相比，臺風期間各比值系數的變化范圍均有一定程度的減小。另外，線性擬合得到此時僅為3.47，較全年統計值3.50 更小，這是由于臺風期間該海域波浪表現為明顯的混合浪。

圖8 三門灣海域各特征波周期的線性擬合Fig.8 Linear relationship of different characteristic wave period of the Sanmen Bay

圖9 臺風“泰利”路徑圖Fig.9 The track of Typhoon Talim

4.2 譜分析

圖10 臺風“泰利”作用下2017 年9 月12 日14 時至17 日14 時各波要素變化情況Fig.10 Variation of wave parameters from 14:00 12th to 14:00 17th September 2017 during Typhoon Talim

表4 臺風“泰利”期間各波參數比值系數Table 4 Wave parameter ratio factors during Typhoon Talim

對觀測期間的“泰利”臺風浪過程進行了波浪頻譜分析，圖11 為“泰利”臺風浪過程的頻譜隨時間變化過程，從圖可知“泰利”臺風浪過程的影響天數約為3 d，以雙峰譜為主，標記線為最大波高發生時刻。為了具體了解最大波高發生時的波浪頻譜變化情況，圖12 給出了最大波高發生時刻及其前后的波浪頻譜曲線，從中可以看到明顯的雙峰情況，波浪主要由頻率為0.08 Hz 左右的低頻波浪組成，少量的高頻部分在0.25 Hz 左右，最大波高發生時刻，其能譜密度達到最大值3.5 m2/Hz，對應的譜頻率為0.08 Hz。

根據Portilla 等[25]提出的判斷風涌浪方法來區分波浪中的風涌浪成分，即實測的譜峰值與對應頻率的PM 譜譜峰值比值大于1 為風浪，反之則為涌浪，PM 譜的譜峰密度計算公式為

式中，S(fp)為譜峰密度；fp為譜峰頻率；α為峰形系數，對于PM 譜 α=0.008 1；g為重力加速度。

圖11 臺風“泰利”期間波浪頻譜隨時間變化過程Fig.11 Variation of spectral wave characteristics during Typhoon Talim

圖12 最大波高發生時的波浪頻譜變化情況Fig.12 Variation of wave spectra curve during the maximum wave height

以圖12 的頻譜曲線為例，譜峰頻率為0.08 Hz 的PM 譜峰值為43.64 m2/Hz，譜峰頻率為0.25 Hz 對應的PM 譜峰值為0.15 m2/Hz，比較分析可知“泰利”臺風浪雙峰譜中低頻譜峰與相應頻率完全發展風浪譜PM 譜的譜峰比值小于1，而高頻譜峰的比值大于1，因此雙峰譜中的低頻部分為涌浪，而高頻部分為風浪。

5 結論

本文根據2016 年10 月至2017 年9 月在浙江中部三門灣海域實測波浪資料，統計分析了該海域的波浪特征，對波參數進行了回歸分析，并對臺風大浪過程進行了過程分析和譜分析，主要得到以下結論。

（1）三門灣海域常浪向和強浪向均為E 向，這與地形主要向東面敞開密切相關。所測海域全年顯著波高超9 成是不超過0.8 m 的波浪，期間的最大波高為2.71 m，可見該海域的波浪運動總體相對較弱，其中，以秋季的波浪運動最為劇烈，主要是由于浙江沿海秋季經常受到臺風的影響，因此秋季臺風浪過程較多。

（2）本文的特征波高之間有著較好的線性相關關系，基本符合深水情況下波高瑞利分布時各特征波高之間的相關關系，相對而言，特征波周期之間的線性相關關系要差些，其中譜峰周期Tp與Tmean的相關關系很差，相關系數僅為0.47。本文測得T02＜Tmean＜T01＜Tp，與理論情況有一定差別，主要由于實測的波浪從外海傳入會受到沿海地形的影響，變化復雜，導致實測關系與建立在完全深水條件下的理論關系并不完全一致。總體而言，三門灣海域的波浪特征參數之間的相關關系基本符合瑞利分布時各波浪參數的相關關系，該海域的波浪分布是一個較典型的瑞利分布。

（3）臺風“泰利”影響三門灣海域3 d 左右，期間波高和風速呈一致變化趨勢，而波向和風向無關，這是海灣地形的特有現象，究其原因主要是外海大浪形成與風速相關，經海灣地形繞射、折射后，波浪沿灣口從東向傳入觀測區。而觀測區本身風場所形成的風浪能量較小，這從波浪譜分析中可以看到，因此儀器統計所得的平均波向以外海傳入的長周期涌浪方向為主，形成了該海灣偏北風、東向浪的波浪情況。臺風期間波能譜以雙峰為主，采用風涌浪分離分析發現，外海傳入的涌浪和研究海域風區內的風浪形成混合浪，其中，0.08 Hz 左右的低頻涌浪成分占比很大，而0.25 Hz 左右的高頻風浪成分占比較小。