QF207浮標(biāo)的海浪要素計(jì)算探討*

盧小鵬，呂翠蘭，王 薇，沈 光

（1.寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 寧波 315012；2.寧波市海洋與漁業(yè)局 寧波 315012）

QF207浮標(biāo)的海浪要素計(jì)算探討*

盧小鵬1，呂翠蘭1，王 薇1，沈 光2

（1.寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 寧波 315012；2.寧波市海洋與漁業(yè)局 寧波 315012）

文章主要從目前已有的一些計(jì)算海浪要素的半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式出發(fā)，結(jié)合QF207的部分實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，尋找一種適合計(jì)算QF207風(fēng)浪特征的計(jì)算公式。

QF207浮標(biāo)；海浪；計(jì)算方法

1 概 述

海浪是一個(gè)非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，到目前為止，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)還不是非常清楚。雖然，大家都知道，風(fēng)吹過(guò)海面就會(huì)形成波浪，但實(shí)際上，我們?cè)诤Ｑ笊嫌龅降耐ǔＪ遣煌瑏?lái)源地波系疊加起來(lái)的混合浪。當(dāng)風(fēng)浪和涌浪在淺海傳播時(shí)，由于地形的影響，在海岸和島嶼附近還常出現(xiàn)折射、繞射、反射、卷倒等現(xiàn)象，同時(shí)其在傳播過(guò)程中其波向、波速、波形以及其他性質(zhì)也都在不斷發(fā)生變化。

海浪也是一種具有巨大能量的自然現(xiàn)象，蘊(yùn)藏著大量的可再生動(dòng)力能源，現(xiàn)在也有人提出運(yùn)用海浪能進(jìn)行發(fā)電。但是海浪也給人們的生產(chǎn)生活、海洋工程等帶來(lái)很多不利因素。因此，我們需要對(duì)海浪特征充分地了解，才能正確地利用它，又能減少它帶來(lái)的不良后果。

2 分析對(duì)象

海上的實(shí)測(cè)風(fēng)浪資料是非常寶貴的資源，本文選擇浮標(biāo)QF207作為分析的對(duì)象，該浮標(biāo)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(kāi)闊，無(wú)島嶼阻擋，能很好地代表東海海域的風(fēng)浪。

該浮標(biāo)于2009年12月由東海技術(shù)中心負(fù)責(zé)安放投入使用，其風(fēng)浪要素分別為美國(guó)公司的測(cè)風(fēng)儀和山東省科學(xué)院海洋儀器研究所的測(cè)浪儀獲取。本文以其獲取的重大天氣系統(tǒng)影響期間的實(shí)測(cè)風(fēng)、浪要素進(jìn)行分析，期望從中總結(jié)一些規(guī)律，為今后的風(fēng)浪預(yù)報(bào)提供一些借鑒。

3 風(fēng)浪特征分析

3.1 風(fēng)浪要素計(jì)算理論

風(fēng)浪的形成源于風(fēng)-水間相互作用，通過(guò)風(fēng)與水界面進(jìn)行動(dòng)量、能量和其他物理量的交換。風(fēng)浪的成長(zhǎng)和消衰取決于能量的輸入和消耗，當(dāng)波面上的壓力不對(duì)稱導(dǎo)致風(fēng)浪的能量輸入大于水體由于摩擦消耗的能量時(shí)，決定了風(fēng)浪的不斷發(fā)展；當(dāng)能量輸入等于能量消耗時(shí)，風(fēng)浪不再發(fā)展，趨于穩(wěn)定；當(dāng)能量的輸入小于波能消耗時(shí)，風(fēng)浪將不斷減弱，并趨于消亡。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)浪生成和發(fā)展的研究，以菲利浦斯（Phillips）的共振機(jī)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(fēng)浪生成這一復(fù)雜的物理現(xiàn)象。而運(yùn)用理論計(jì)算風(fēng)浪要素的公式主要是線性理論中的特征波計(jì)算方法和頻譜計(jì)算法。特征波計(jì)算方法是以一種或幾種有代表性的特征波代替實(shí)際風(fēng)浪，然后將此特征波視為簡(jiǎn)單的波動(dòng)，依能量平衡原理討論其相對(duì)于時(shí)間和位置的成長(zhǎng)，并以特征波的成長(zhǎng)規(guī)律反映風(fēng)浪的成長(zhǎng)規(guī)律。依照特征波計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，可得出無(wú)因次波高的成長(zhǎng)關(guān)系式。頻譜計(jì)算法是將波能譜于整個(gè)頻率范圍內(nèi)積分即得總能量，再根據(jù)波譜與波要素的關(guān)系以及波高的分布規(guī)律就可得到各種特征波高與波能譜零階矩的關(guān)系式，從而求出各特征波高［1］。

3.2 風(fēng)浪要素經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法

從特征波計(jì)算方法出發(fā)，結(jié)合實(shí)際情況，選擇一些適合浮標(biāo)QF207情況的計(jì)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(lái)看，該水域的波浪性質(zhì)應(yīng)表現(xiàn)為過(guò)渡淺水區(qū)，因此在計(jì)算海浪成長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，應(yīng)考慮水深對(duì)波浪的影響。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外適合淺水和任意水深的風(fēng)浪要素計(jì)算的半經(jīng)驗(yàn)半理論方法主要有：青島海洋大學(xué)法、莆田實(shí)驗(yàn)站法、蘇聯(lián)1975年波浪規(guī)范、美國(guó)SMB法、日本的井島公式［1－3］。

3.2.1 青島海洋大學(xué)法

該方法是青島海洋大學(xué)相關(guān)學(xué)者研究所得，根據(jù)對(duì)布萊斯納德（Bretschneider）、蘇聯(lián)1975年波浪規(guī)范和我國(guó)1987年規(guī)范進(jìn)行分析比較后得出的淺水風(fēng)浪要素計(jì)算公式及其計(jì)算圖解，其適用條件為d／U2≤0.2，對(duì)本文而言，即風(fēng)速大于17.3m／s。該方法目前已作為我國(guó)《海港水文規(guī)范》中淺水風(fēng)浪計(jì)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(fēng)區(qū)長(zhǎng)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(fēng)速，單位為m／s。該符號(hào)的定義與以下各公式一致。

3.2.2 莆田實(shí)驗(yàn)站法

河海大學(xué)洪廣學(xué)等根據(jù)福建莆田實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)資料考慮風(fēng)速、風(fēng)區(qū)和水深的影響，提出了一個(gè)適合深、淺水的風(fēng)浪要素計(jì)算方法，該方法目前已被我國(guó)水利部 《輾壓式土石壩規(guī)范》所采用，其具體表達(dá)式為：

3.2.3 蘇聯(lián)1975年波浪規(guī)范

1969年，蘇聯(lián)熱帕林斯基等在大量自記波浪資料的基礎(chǔ)上，提出的計(jì)算風(fēng)浪要素的經(jīng)驗(yàn)方法。后來(lái)，斯特列卡洛夫根據(jù)其收集的資料，進(jìn)行了改進(jìn)，即為蘇聯(lián)1975年的波浪規(guī)范方法，其為：

3.2.4 美國(guó)SMB法

美國(guó)的布萊斯納德（Bretschneider）以斯費(fèi)德魯普（Sverdrup）和蒙克（Munk）以有效波理論為基礎(chǔ)，根據(jù)收集的資料做了一些修正，現(xiàn)為美國(guó) 《海岸防護(hù)手冊(cè)》所推薦，具體表達(dá)式為：

3.2.5 日本井島公式

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

3.3 QF207的風(fēng)浪要素對(duì)比

QF207的風(fēng)、浪實(shí)測(cè)資料的要素主要為平均風(fēng)速、風(fēng)向、最大風(fēng)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(shí)測(cè)資料與主要5種計(jì)算方法結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。考慮到風(fēng)浪的危害性，主要選擇有效波高大于2.5m的實(shí)測(cè)風(fēng)浪資料進(jìn)行分析總結(jié)。因風(fēng)浪的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算是考慮風(fēng)浪的完全充分成長(zhǎng)，要求風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定少變，因此在做對(duì)比分析時(shí)，主要以冷空氣的影響下風(fēng)浪為主要分析對(duì)象 （表1）。當(dāng)海面風(fēng)速出現(xiàn)上升或下降時(shí)，風(fēng)速按 《海港水文規(guī)范》規(guī)定的方法計(jì)算。

表1 QF207波浪要素實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料

續(xù)表

風(fēng)浪的成長(zhǎng)發(fā)展主要與風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)、水深等要素有關(guān)。因QF207所在海域開(kāi)闊，風(fēng)浪成長(zhǎng)的風(fēng)區(qū)，以理論最小風(fēng)區(qū)為界，風(fēng)時(shí)為理論最小風(fēng)時(shí)，水深為60m。風(fēng)區(qū)是指風(fēng)速、風(fēng)向一致的水域，《海港水文規(guī)范》中規(guī)定風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速差不宜大于2～4m／s，風(fēng)向差不宜大于30°。

運(yùn)用上述的5個(gè)風(fēng)浪要素的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)算公式，對(duì)平均風(fēng)速?gòu)?2～29m／s，其風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度結(jié)合規(guī)范的深水風(fēng)浪要素計(jì)算圖給出合適的最小風(fēng)區(qū)，分別計(jì)算風(fēng)浪在各個(gè)風(fēng)速值下的充分成長(zhǎng)，最小風(fēng)時(shí)作用下的有效波高 （表2）。

表2 定常風(fēng)作用下的風(fēng)浪要素計(jì)算

從表2來(lái)看，日本井島公式在平均風(fēng)速為12～20m／s之間時(shí)，有效波高多數(shù)明顯大于其他4個(gè)公式的計(jì)算值；在平均風(fēng)速為20～29m／s之間時(shí)，青島海洋大學(xué)法計(jì)算值則表現(xiàn)為最大。與實(shí)測(cè)資料比對(duì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)某日QF207測(cè)得平均風(fēng)速為13m／s時(shí)，實(shí)測(cè)有效波高為3.0～3.5m，該結(jié)果與蘇聯(lián)1975波浪規(guī)范計(jì)算值3.0m、美國(guó)SMB法計(jì)算值3.2m、日本井島公式計(jì)算值3.6m較為接近，日本井島公式計(jì)算結(jié)果略大些；當(dāng)實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為14m／s時(shí)，分析上述實(shí)測(cè)資料，可認(rèn)為在該定常風(fēng)作用下，實(shí)測(cè)有效波高為3.5～4.0m，該結(jié)果與蘇聯(lián)1975波浪規(guī)范計(jì)算值3.6m、美國(guó)SMB法計(jì)算值3.8m、日本井島公式計(jì)算值4.2m較為接近，而日本井島公式計(jì)算結(jié)果也略大些；當(dāng)實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為15m／s時(shí)，認(rèn)為在該定常風(fēng)作用下，實(shí)測(cè)有效波高大約為4.0～4.5m，該結(jié)果與蘇聯(lián)1975波浪規(guī)范計(jì)算值4.0m、美國(guó)SMB法計(jì)算值4.3m、日本井島公式計(jì)算值4.7m較為接近，而日本井島公式計(jì)算結(jié)果也略大些。綜上所述，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與蘇聯(lián)波浪規(guī)范法和美國(guó)SMB法更為接近。

4 小 結(jié)

結(jié)合QF207浮標(biāo)在冷空氣影響期間的實(shí)測(cè)資料與風(fēng)浪計(jì)算公式的比對(duì)，認(rèn)為冷空氣影響期間，在相對(duì)穩(wěn)定風(fēng)的作用下，即當(dāng)日風(fēng)速變化2～4m／s，風(fēng)向變化不大于30°，QF207浮標(biāo)theNekdongRiver，Korea［J］.EcologicalModeling，2002（152）：65－75.

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南黃海輻射沙脊群空間開(kāi)發(fā)利用及環(huán)境生態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)——分區(qū)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)與管理信息系統(tǒng)構(gòu)建 （201005006－8）；富營(yíng)養(yǎng)化污染實(shí)時(shí)速報(bào)和生態(tài)效應(yīng)預(yù)警評(píng)價(jià)技術(shù)——排污口浮標(biāo)維護(hù)和比測(cè) （201105014）.