臺風影響下珠江口實測波浪特征分析

朱小偉,侯 堋,劉曉建,王其松,王 強,郭輝群,劉琴琴

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510611;3.水利部珠江河口海岸工程技術研究中心,廣東 廣州 510611)

波浪是海堤、防波堤等海岸防護工程設計的重要外部荷載,臺風天氣條件下產生的極端大浪具有顯著的破壞力,會對海岸防護結構產生重大安全隱患,因此,研究臺風天氣下的波浪特征對于海岸結構物的設計和安全防護有重要意義。

針對極端條件下進行海岸防護工程結構安全設計時,不同部位采用的波要素也不一致,例如海堤的護底塊石穩定性計算一般采用H13%(相當于有效波高H1/3)、校驗港區平穩的設計波浪采用H4%(相當于十分之一大波H1/10)、計算直立式擋墻最大波壓力則多采用最大波高Hmax。因此,了解波浪特征參數之間的換算關系對于海岸工程設計具有重要意義。國內外學者基于不同海域的實測波浪資料、理論分析開展了大量波浪參數特征及其關系研究。Wiegel[1]根據美國西部太平洋海域3個波浪測點的資料,通過回歸分析給出了最大波高與有效波高的比值為1.85、1.87、1.91。Longuet-Higgins[2]假設波浪為窄譜隨機波浪,推導了最大波高的概率分布函數,指出最大波高與有效波高的比值與樣本長度(波浪個數)有關。Kumar等[3]在夏季季風季節對阿拉伯海北部海域進行了45 d的波浪觀測,根據實測數據給出了最大波高與有效波高比值為1.65。Goda[4]根據Wilson[5]風浪預報公式,參考周期與波高的2/3次方定律[6],給出了有效周期與有效波高的經驗公式。Yang等[7-8]根據中國黃海南部海域一年的波浪觀測資料,給出了最大波高與有效波高的比值為1.65,并給出了有效周期與有效波高之間的關系式。彭石等[9]分析了伶仃洋河口灣及口外水域在不同風力條件下的波高分布特征,并擬合了大萬山、澳門兩站波高與橫瀾島站風速的關系式。徐嘯等[10]基于臺灣海峽中部某浮標站2017年全年的實測資料,指出NNE、NE方向的波浪有效波高和有效波周期線性相關性較強。解靜等[11]基于廣東省陽江市陽西縣近海海域水深約28 m處波浪觀測站2016—2017年實測資料,給出最大波高與有效波高比值為1.663,與有效波高比值為1.257。目前珠江口臺風期實測波浪資料及波浪參數特征的研究匱乏,對實際工程設計的指導缺乏數據支撐,因此本文基于珠江口臺風影響期間實測波浪資料,研究了波高、周期、波向等波浪特征參數的關系,為珠江口海岸防護工程的設計和研究提供參考。

1 測站和測量儀器

珠江河口原型觀測試驗站設置12個浮標,其中內伶仃洋水域布設4個,澳門管轄水域布設3個,磨刀門水域布設3個,黃茅海布設2個,見圖1a。每個測站安裝有聲波式剖面流速波浪儀,泥沙、鹽度、水質多參數觀測儀,測站實現了對珠江河口海域潮流、波浪、風況、泥沙、鹽度及水質等多要素的實時同步觀測[12]。

由于伶仃洋西側澳門海域的A7號測站波浪觀測時間長、數據完整率高,本次分析波浪實測數據取自A7號測站,測點位于22.11°N、113.63°E,測點處海圖水深約4.7 m。其中波浪觀測儀器為Nortek公司生產的AWAC“浪龍”聲波式剖面流速波浪儀(簡稱AWAC“浪龍”),是一款多普勒聲學測波儀器,其獨特的AST(聲學表面追蹤)功能,相比壓力測波,可以觀測到更小周期的波浪,且不受大氣壓影響,投放于海底,可以有效地避免海面惡劣天氣的影響、人為破壞以及水面船只的影響,水面浮標太陽能系統可為其供電,水面信號發射裝置可將測量數據以無線傳輸方式實時發送到陸上客戶端,見圖1b、1c。AWAC“浪龍”采樣頻率為1 Hz,采樣間隔為1 h,每小時采集1 024次。

2 熱帶氣旋資料

熱帶氣旋按強度等級分為熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風,以2017—2022年影響珠江口11場熱帶風暴等級以上的波浪實測數據為研究對象,分別為“1713天鴿”超強臺風、“1714帕卡”強熱帶風暴、“1719杜蘇芮”強臺風、“1720卡努”強臺風、“1804艾云尼”熱帶風暴、“1809山神”熱帶風暴、“1816貝碧嘉”強熱帶風暴、“1822山竹”超強臺風、“2007海高斯”臺風、“2203暹芭”臺風、“2209馬鞍”臺風,基本信息見表1。本文為便于描述,討論這11場不同強度等級的“熱帶氣旋”影響結果時均簡稱為“臺風”。

表1 熱帶氣旋基本信息

3 臺風期波浪特征參數分析

統計A7號測站臺風影響期間72 h的數據(以Hmax最大值為時間分界點,分別統計前后36 h的數據),11場臺風的數據完整率為97.2%,波浪特征參數包含最大波高Hmax、十分之一大波H1/10、有效波高H1/3、有效周期T1/3、平均周期Tz、譜峰周期Tp、主波向、譜峰波向。

3.1 特征波高之間的關系

根據珠江口臺風影響期間72 h實測最大波高、有效波高以及十分之一大波的統計數據,得到特征波高之間的關系分別見圖2、3。其中,Longuet-Higgins基于窄譜隨機波浪的假設,得到最大波高與有效波高的比值為式(1):

圖2 最大波高與有效波高關系

Hmax/H1/3=0.706(lnN)1/2

(1)

式中,N為樣本長度(波浪個數)。

從圖2可以看出,臺風影響期間最大波高與有效波高的相關性很好,相關系數R為0.99,線性回歸函數為式(2):

Hmax=1.60H1/3

(2)

本次波浪實測資料樣本平均長度約250,代入式(1)得到Longuet-Higgins最大波高與有效波高比值為1.66,Yang等在中國黃海南部海域10 m水深處波浪測點研究成果Hmax/H1/3比值為1.65。由此,珠江口近岸海域的臺風期實測Hmax/H1/3擬合比值1.60略小于Longuet-Higgins理論值和Yang等的結果。此外,圖3中十分之一大波與有效波高實測數據的擬合比值為1.24,同樣略小于Longuet-Higgins理論值1.28。這是因為當前海域受臺風影響較大,波浪譜形較寬,與Longuet-Higgins基于窄譜波浪假設不一致,從而導致特征波高之間比值關系略有不同。

圖3 十分之一大波與有效波高關系

3.2 波高與周期之間的關系

根據波高與周期關系的研究成果,有效周期與有效波高的經驗關系式形如T1/3=aH1/3b,如美國陸軍工程師兵團的海岸防護手冊[13](Shore Protection Manual,SPM)建議有效周期與有效波高的關系為式(3):

T1/3=3.85H1/30.5

(3)

Goda根據Wilson公式,參考Toba波高與周期的2/3次方定律關系,給出有效周期與有效波高的關系式見式(4):

T1/3=3.3H1/30.63

(4)

基于珠江口臺風影響72 h實測波浪數據,有效周期與有效波高之間的關系見圖4,經驗關系式見式(5):

圖4 有效波高與有效周期的關系

T1/3=5.13H1/30.34

(5)

擬合相關系數為0.61。結果表明:珠江口近岸海域臺風影響期間的有效周期與有效波高之間的變化趨勢與SPM、Goda研究成果基本一致,即隨著有效波高增大,有效周期也逐漸增大,且對于相同的有效周期,本研究的有效波高小于SPM和Goda,這很有可能與測點水深有關,SPM和Goda適應于深海波浪,而本研究的波浪測點位于淺水,同等有效周期的波浪,在深水能引起更大的波浪,受水深限制淺水波高相對較小。

3.3 波浪要素與波向之間的聯合分布

a)波高與波向的聯合分布。珠江口實測臺風波要素有效波高和最大波高的玫瑰圖見圖5,對應數據見表2。統計結果發現,臺風期間珠江口海域的主波向為SSE,出現頻率為37.92%,次波向為S,出現頻率為26.11%,其余多為SE、ESE向,對應出現頻率為11.04%、7.15%,北和西向浪出現概率較小,這是因為臺風多發生在夏秋兩季,且在南海生成,引發的浪向以南向附近為主。另外,有效波高大于3 m及最大波高大于4 m的極端大浪,出現頻率為0.65%、1.95%,主要為ENE—SSW向。而且2017—2022年,伶仃洋西側澳門海域有效波高的最大值為3.44 m、最大波高的最大值為6.11 m,發生在“1822山竹”超強臺風襲擊期間。

表2 有效波高和最大波高與方向聯合分布

有效波高

b)周期與波向的聯合分布。珠江口實測臺風期波要素平均周期和譜峰周期的玫瑰圖見圖6,對應數據見表3。統計結果發現,平均周期多在2～6 s,出現頻率為87.15%,平均周期大于6 s的長周期波浪發生頻率相對較小,多為ESE—S向,出現頻率為12.86%,平均周期最大為9.05 s,發生在“1719杜蘇芮”強臺風襲擊期間。譜峰周期多在5～10 s,發生頻率為65.47%,譜峰周期大于10 s的波浪,多為E—SSW向,出現頻率為12.99%,譜峰周期最大值為23.53 s,發生在“2209馬鞍”臺風襲擊期間。

表3 平均周期Tz和譜峰周期Tp與方向聯合分布

a)Tz

4 結論

本文以伶仃洋西側澳門海域波浪測站作為珠江口代表測站,基于2017—2022年的11場臺風實測波浪資料,分析了特征波高之間、特征周期與波高的關系及其分布特征,為珠江口海岸防護工程的設計和研究提供了參考,主要結論如下。

a)臺風期實測最大波高與有效波高比值為1.60,略小于Longuet-Higgins深水波浪的1.66和Yang等中國黃海南部海域的1.65。十分之一大波與有效波高比值1.24,同樣略小于Longuet-Higgins(1952)理論值1.28。

b)臺風期實測有效周期與有效波高相關性較強,擬合得到經驗關系式。對于同樣的周期,本研究結果的有效波高略小于SPM和Goda的成果。

c)臺風影響期間本海域的主波向為SSE,出現頻率為37.92%,次波向為S,出現頻率為26.11%。對于有效波高大于3 m、最大波高大于4 m的極端波浪,波向多為ENE—SSW,出現頻率為0.65%、1.95%;平均周期多在2～6 s,發生頻率為87.15%,對于平均周期大于6 s的長周期波浪,波向多為ESE—S,出現頻率為12.86%。譜峰周期多在5～10 s,出現頻率為65.47%,對于譜峰周期大于10 s的波浪,波向多為E—SSW,出現頻率為12.99%。