潿洲島海域風(fēng)侯和波侯特征分析

黃子眉，張春華，申友利，姜紹材

（國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西北海536000）

1 引言

廣西北海市潿洲島是中國(guó)著名的旅游島。隨著北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的開發(fā)和發(fā)展，潿洲島周邊海岸工程建設(shè)越來越多，海岸工程結(jié)構(gòu)物的建設(shè)必須考慮防御風(fēng)和波浪的能力，因此潿洲島海域風(fēng)侯和波侯的特征研究具有十分重要的意義。我國(guó)科學(xué)工作者在風(fēng)速和波高極值計(jì)算方面有過許多的研究。鄭崇偉等[1-2]利用WW3（WAVEWATCH-Ⅲ）模式和實(shí)測(cè)波高數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)海進(jìn)行了概率數(shù)值預(yù)報(bào)以及大浪頻率和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析。豐鑒章[3]利用中國(guó)沿海14個(gè)臺(tái)站的年極值資料，對(duì)年極值波高的分布特點(diǎn)及其頻率曲線開展選配研究，得出選配兩個(gè)對(duì)數(shù)正太曲線推算重現(xiàn)期波高和周期是一種新的途徑。按照規(guī)定[4]，對(duì)于年極值波高及其對(duì)應(yīng)周期的理論頻率曲線，一般采用Pearson-Ⅲ型曲線。曹兵等[5]在設(shè)計(jì)波高分布函數(shù)比較分析中，認(rèn)為Pearson-Ⅲ型曲線與波高和周期的經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)一般都擬合良好。鄧兆青等[6]利用Gumbel極值推算方法和Pearson-Ⅲ型方法計(jì)算出了渤海灣4個(gè)點(diǎn)的多年一遇有效波高。董勝等[7]將潿洲島海洋站1961—1989年極值波高與風(fēng)速的長(zhǎng)期觀測(cè)資料作為統(tǒng)計(jì)樣本，基于二維Pearson-Ⅲ型聯(lián)合分布，估計(jì)了年極值有效波高與風(fēng)速的聯(lián)合出現(xiàn)概率。夏華永等[8]在分析廣西沿海多年一遇波高時(shí)，針對(duì)潿洲島海洋站3個(gè)常浪向的極值分布情況進(jìn)行了初步研究。本文將根據(jù)潿洲海洋監(jiān)測(cè)站1973—2018年風(fēng)和波浪實(shí)時(shí)觀測(cè)資料，先分析風(fēng)和波浪的分布特征，再分別選出具有代表性的4個(gè)方向角的風(fēng)速的年最大值和十分之一波高（H1/10）的年最大值，并采用Pearson-Ⅲ型曲線進(jìn)行風(fēng)速和波高的重現(xiàn)期計(jì)算，為潿洲島海域海洋工程設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

潿洲海洋監(jiān)測(cè)站波浪觀測(cè)手段不統(tǒng)一，1973—2002年是自動(dòng)觀測(cè)，2003—2018年是人工觀測(cè)。為了風(fēng)和波浪資料年限的統(tǒng)一，本文對(duì)風(fēng)和波浪的分布特征研究采用的資料年限為1973—1995年，對(duì)風(fēng)和波浪的年極值計(jì)算采用的資料年限為1973—2018年。

本文主要研究方法是統(tǒng)計(jì)方法和Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制方法。Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制方法為[9]：

式中：hˉ為年平均最大風(fēng)速或波高；cv為變差系數(shù)；hp為不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速或設(shè)計(jì)波高。

3 潿洲島海域風(fēng)的分布特征

本文根據(jù)1973—1995年潿洲海洋監(jiān)測(cè)站逐日每小時(shí)風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析得出：潿洲島地處季風(fēng)氣候區(qū)[10]，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹和NNE，其平均風(fēng)速分別為5.9 m/s和5.3 m/s；常風(fēng)向?yàn)镹NE和ENE，其頻率分別為18.2%和12.4%；常年最少風(fēng)向?yàn)镹W，其頻率為1.1%；其余各風(fēng)向累年出現(xiàn)頻率分布在1.5%～10.9%之間（見表1和圖1）。

根據(jù)累年各月出現(xiàn)最多風(fēng)向和次多風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示和圖2所示。潿洲島海域風(fēng)向和風(fēng)速隨季節(jié)變化明顯，1—4月盛行風(fēng)向?yàn)镹NE，5月盛行風(fēng)向?yàn)镾SE，6—8月盛行風(fēng)向?yàn)镾SW，9—12月盛行風(fēng)向?yàn)镹NE；夏季（6—8月）月平均風(fēng)速最大，春季（3—5月）月平均風(fēng)速最小，累年月平均風(fēng)速在3.7～4.8 m/s之間，這與潿洲島地理位置有關(guān)。

圖1 潿洲島海域累年風(fēng)玫瑰圖

圖2 潿洲島海域月平均風(fēng)速變化圖

表1潿洲島海域風(fēng)要素累年統(tǒng)計(jì)（1973—1995年）

表2潿洲島海域風(fēng)要素逐月統(tǒng)計(jì)（1973—1995年）

4 潿洲島海域風(fēng)速年極值計(jì)算

為了進(jìn)一步研究潿洲島海域風(fēng)向風(fēng)速的季節(jié)變化規(guī)律，本文統(tǒng)計(jì)了1973—2018年潿洲海洋監(jiān)測(cè)站共46 a 16個(gè)方位角的年極值風(fēng)速資料，并根據(jù)強(qiáng)風(fēng)向、常風(fēng)向和月出現(xiàn)最多風(fēng)向選出4個(gè)風(fēng)向角（N、NNE、ENE和SSW）的年最大風(fēng)速進(jìn)行重現(xiàn)期計(jì)算。根據(jù)Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制方法，當(dāng)n=46時(shí)，算出xˉ和cv，假設(shè)cs=2cv，再算出kp和xp，最后根據(jù)p、xp值繪制出Pearson-Ⅲ型分布曲線（見圖3）。根據(jù)不同重現(xiàn)期計(jì)算方法[11]，算出多年一遇的計(jì)算結(jié)果（見表3）。

圖3 不同風(fēng)向的風(fēng)速Pearson-Ⅲ型分布曲線圖

表3潿洲島海域各向風(fēng)速重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果（單位：m/s）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出：潿洲島海域4個(gè)風(fēng)向角風(fēng)速的Pearson-Ⅲ型分布與極值風(fēng)速樣本的實(shí)測(cè)分布均擬合得很好。其中ENE向風(fēng)速多年一遇值最大，10年一遇值為19.8 m/s，25年一遇值為26.9 m/s，50年一遇值為29.5 m/s，100年一遇值為32.1 m/s。反之，N向風(fēng)速多年一遇值最小，10年一遇值為18.9 m/s，25年一遇值為20.8 m/s，50年一遇值為22.2 m/s，100年一遇值為23.4 m/s。

5 潿洲島海域波高分布特征

本文根據(jù)1973—1995年潿洲海洋監(jiān)測(cè)站波浪觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析得出：潿洲島海域波高（H1/10）的年平均值為0.6 m；強(qiáng)浪向?yàn)镾SW，其波高（H1/10）的平均值為0.8 m，頻率為16.2%；常浪向?yàn)镹NE、SSW、NE和ENE，其頻率分別為16.5%、16.2%、14.4%和10.5%；波高（H1/10）的平均值≤0．4 m的波浪頻率為11.2%，波高（H1/10）的平均值≥0．7 m的波浪頻率為9.2%，如表4和圖4所示。

根據(jù)累年各月出現(xiàn)最多波向和次多波向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5和圖5。潿洲島海域波向和波速隨季節(jié)變化明顯：1—4月盛行浪向?yàn)镹NE，5—9月盛行浪向?yàn)镾SW，10—12月盛行浪向?yàn)镹E～NNE；夏季（6—8月）波高（H1/10）的月平均值最大，其余季節(jié)月平均值稍小于夏季，累年月平均值在0.5～0.8 m/s之間。

圖4 潿洲島海域累年波浪玫瑰圖

圖5 潿洲島海域波高（H1/10）的月平均值逐月變化圖

表4 潿洲島海域波浪要素統(tǒng)計(jì)（1973—1995年）

表5潿洲島海域波浪要素逐月統(tǒng)計(jì)（1973—1995年）

圖6 不同波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布曲線圖

表6 潿洲島海域各向波高（H1/10）的重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果（單位：m）

6 潿洲島海域波高年極值計(jì)算

為了進(jìn)一步掌握潿洲島海域波高變化規(guī)律，本文根據(jù)強(qiáng)浪向、常浪向和月出現(xiàn)最多浪向選出4個(gè)波向（NNE、NE、ENE和SSW）波高（H1/10）的年最大值進(jìn)行重現(xiàn)期計(jì)算。根據(jù)1973—2018年潿洲海洋監(jiān)測(cè)站波高年極值資料，n=46，選取cs=2cv的適線，繪制出Pearson-Ⅲ型分布曲線（見圖6），然后根據(jù)重現(xiàn)期計(jì)算方法，得出多年一遇的計(jì)算結(jié)果（見表6）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：潿洲島海域4個(gè)波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布與極值波高（H1/10）樣本的實(shí)測(cè)分布均擬合得很好。其中SSW向波高（H1/10）多年一遇值最大，2年一遇值為2.4 m，25年一遇值最大為3.5 m，50年一遇值為3.7 m，100年一遇值為4.0 m。反之，NNE向波高（H1/10）多年一遇值最小，2年一遇值為1.4 m，25年一遇值最大為2.2 m，50年一遇值為2.4 m，100年一遇值為2.6 m。

7 結(jié)論

本文通過對(duì)潿洲海洋監(jiān)測(cè)站多年風(fēng)和波浪資料的統(tǒng)計(jì)分析，得出潿洲島海域風(fēng)和波浪的分布特征。根據(jù)連續(xù)46 a的年極值資料，采用Pearson-Ⅲ型分布曲線分別對(duì)風(fēng)速和波高（H1/10）的年最大值進(jìn)行重現(xiàn)期計(jì)算，得出年極值分布情況。結(jié)論如下：

（1）潿洲島地處季風(fēng)氣候區(qū)，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹和NNE，其平均風(fēng)速分別為5.9 m/s和5.3 m/s；常風(fēng)向?yàn)镹NE和ENE，其頻率分別為18.2%和12.4%；其余各風(fēng)向累年出現(xiàn)頻率分布在1.5%～10.9%之間。

（2）潿洲島海域風(fēng)向和風(fēng)速隨季節(jié)變化明顯：1—4月盛行風(fēng)向?yàn)镹NE，5月盛行風(fēng)向?yàn)镾SE，6—8月盛行風(fēng)向?yàn)镾SW，9—12月盛行風(fēng)向?yàn)镹NE；夏季（6—8月）月平均風(fēng)速最大，春季（3—5月）月平均風(fēng)速最小，累年月平均風(fēng)速在3.7～4.8 m/s之間，這與潿洲島地理位置有關(guān)。

（3）潿洲島海域4個(gè)風(fēng)向角風(fēng)速的Pearson-Ⅲ型分布與極值風(fēng)速樣本的實(shí)測(cè)分布均擬合得很好，其中ENE向風(fēng)速多年一遇值最大，10年一遇值為19.8 m/s，100年一遇值為32.1 m/s。

（4）潿洲島海域強(qiáng)浪向?yàn)镾SW，其波高（H1/10）的平均值為0.8m，頻率為16.2%；常浪向?yàn)镹NE、SSW、NE和ENE，其頻率分別為16.5%、16.2%、14.4%和10.5%。

（5）潿洲島海域波向和波速隨季節(jié)變化明顯：1—4月盛行浪向?yàn)镹NE，5—9月盛行浪向?yàn)镾SW，10—12月盛行浪向?yàn)镹E～NNE；夏季（6—8月）波高（H1/10）的月平均值最大，其余季節(jié)月平均值稍小于夏季，累年月平均值在0.5～0.8 m/s之間。

（6）潿洲島海域4個(gè)波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布與極值波高（H1/10）樣本的實(shí)測(cè)分布均擬合得很好，其中SSW向波高（H1/10）多年一遇值最大，10年一遇值為3.2 m，100年一遇值為4.0 m。