南海深水區(qū)雙峰型海浪譜特征研究＊

任敘合，謝波濤，宋轉(zhuǎn)玲

（1.中海油研究總院，北京 100080；2.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061）

平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)波浪荷載的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算多采用譜分析方法。由于譜是描述復(fù)雜海浪的有效手段，在隨機(jī)波浪作用下，使用譜分析法對(duì)柔性較大的平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，都是通過(guò)海浪譜乘以相應(yīng)的傳遞函數(shù)求得相應(yīng)的響應(yīng)力譜或運(yùn)動(dòng)譜。因此，譜型的選擇，特別是譜峰位置對(duì)結(jié)構(gòu)物所受作用力或船體動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果有很大影響。

海上由于風(fēng)場(chǎng)的變化，風(fēng)浪經(jīng)常處于不同的發(fā)展階段。風(fēng)浪譜的能量分布頻域較寬，風(fēng)浪一旦離開風(fēng)區(qū)或風(fēng)突然停息，隨著其往遠(yuǎn)處的傳播，一方面不同頻率的組成波產(chǎn)生頻散，另一方面由于內(nèi)摩擦作用，短周期的波消衰得很快，所以譜形變得越來(lái)越窄，這就是涌浪譜。實(shí)測(cè)譜高而窄的能量峰說(shuō)明海面存在著遠(yuǎn)處傳來(lái)的涌浪；實(shí)測(cè)譜較寬的能量分布頻域，說(shuō)明海面上又存在著風(fēng)浪，遠(yuǎn)處傳來(lái)的涌浪和現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)浪相互疊加，就形成了觀測(cè)中常見的混合型雙峰海浪譜。

涌浪不需要依靠風(fēng)場(chǎng)的繼續(xù)作用，也能傳播到上百公里以外的平靜海域。每個(gè)獨(dú)立的波列顯得比較有規(guī)則性，其外形與風(fēng)浪相比也更為圓滑規(guī)則。風(fēng)浪還常和涌浪同時(shí)出現(xiàn)，因此實(shí)際的海浪譜形狀常是復(fù)雜的，有時(shí)包括兩個(gè)或更多的峰，在同一波高下，譜的寬窄和峰的位置可以有很大差異。

表1 各海區(qū)雙峰譜資料數(shù)量Table 1 The statistical probability of the occurrence of double－peaked wave spectrum in the Chinese seas

從雙峰譜譜形來(lái)分析，主要有3種類型：1）以涌浪為主的混合浪，雙峰譜的低頻峰值比高頻峰值大得多，譜的大部分能量集中于低頻部分。2）以風(fēng)浪為主的混合浪，雙峰譜的高頻峰值比低頻峰值大得多，譜的大部分能量集中于高頻部分。3）涌浪和風(fēng)浪強(qiáng)度相當(dāng)?shù)幕旌侠?，雙峰譜的高、低頻峰值相差不大，譜的高、低頻部分的能量相當(dāng)。

陳雪英等［1］對(duì)我國(guó)各海區(qū)雙峰型海浪譜出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1），結(jié)果顯示，南海雙峰譜的出現(xiàn)概率較高，所占比率超過(guò)總數(shù)的1／3。由于涌浪周期波長(zhǎng)都較長(zhǎng)，其會(huì)帶動(dòng)水表面更深（相對(duì)風(fēng)浪）的水粒子運(yùn)動(dòng)。對(duì)于南海深水區(qū)一些型深較大的浮式平臺(tái)，位于下半段的垂蕩板很可能會(huì)受到涌浪附帶的水粒子的直接作用，而導(dǎo)致較大的垂蕩響應(yīng)。還有，半潛式平臺(tái)的橫向浮筒、海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）的大面積船底都有可能直接受到涌浪水粒子的作用而產(chǎn)生較大響應(yīng)［2］。

Elzbieta等［3］認(rèn)為當(dāng)海況相對(duì)惡劣時(shí)，使用單一方向的單一JONSWAP或PM譜能有效的進(jìn)行海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究，就需要雙峰譜才能較為準(zhǔn)確的描述波浪環(huán)境。因此，有必要對(duì)南海深水區(qū)雙峰型海浪譜的特征進(jìn)行研究，為海洋工程的設(shè)計(jì)、建造提供參考和支持。

1 波浪資料觀測(cè)

課題觀測(cè)設(shè)備為布放至荔灣3－1（簡(jiǎn)稱LW3－1）海區(qū)的美國(guó)INTEROCEAN多參數(shù)測(cè)波浮標(biāo)；該浮標(biāo)站位主要根據(jù)西北太平洋及南海生成臺(tái)風(fēng)的路徑特征設(shè)置。LW3－1氣田是中海油第一個(gè)深水氣田，水深1 500m，深水海域的油氣田一般采用浮式平臺(tái)及水下生產(chǎn)設(shè)施的開發(fā)方案，對(duì)于海洋動(dòng)力環(huán)境條件，特別是海表波浪等要素具有較高的要求。本研究測(cè)站布置在南海LW3－1海域1 500m水深區(qū)域。

LW3－1浮標(biāo)的觀測(cè)時(shí)段為2011－04－01—10－14，共197d，浮標(biāo)測(cè)得波浪序列見圖1。2011年共有21場(chǎng)臺(tái)風(fēng)在西太平洋海區(qū)生成。本研究設(shè)置的浮標(biāo)成功觀測(cè)到5場(chǎng)臺(tái)風(fēng)，分別是第3號(hào)熱帶風(fēng)暴“莎莉嘉”、第4號(hào)熱帶風(fēng)暴“海馬”、第8號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“洛坦”、第17號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”及第19號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尼格”；“納沙”臺(tái)風(fēng)期間測(cè)得的有效波高達(dá)10.14m。

圖1 2011年LW3－1浮標(biāo)波浪時(shí)程圖Fig.1 The time－h(huán)istory diagram of sea waves recorded by Buoy LW3－1in 2011

2 南海雙峰型海浪譜特征研究

2.1 雙峰型海浪譜的篩選

關(guān)于判斷波譜主頻形式為單一主頻或是多主頻的原則，最直接的方法是使用人工以觀察的方式，由主觀的經(jīng)驗(yàn)來(lái)區(qū)分。但是以人工篩選的方式來(lái)處理，不僅缺乏科學(xué)與客觀的依據(jù)，且過(guò)程相當(dāng)耗時(shí)。隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)步，更高速的處理器與儲(chǔ)存媒體可以取代許多人工處理的方式來(lái)執(zhí)行龐大的處理程序以及復(fù)雜的計(jì)算。

透過(guò)波譜形狀的觀察與歸納，本文將區(qū)分雙峰型波譜的判斷原則整理如下：

1）在平滑后的譜曲線上挑選0.05～0.25Hz頻段有兩個(gè)主要峰值的曲線樣本；

2）頻譜的主峰與次峰之間的頻率間隔Δf≥0.05s；

3）頻譜的次峰譜值大于主峰譜值的30%；

4）主峰與次峰之間的譜谷值要小于次峰譜值的2／3。

經(jīng)過(guò)以上步驟便可將雙峰型海浪譜數(shù)據(jù)通過(guò)程序篩選出來(lái)。

2.2 雙峰型海浪譜的演化過(guò)程

2011－07－07—08期間南海實(shí)測(cè)雙峰型海浪譜曲線見圖2。由圖可以看出，開始階段（圖2a），雙峰譜低頻處實(shí)測(cè)譜高而窄的能量譜峰曲線顯示出涌浪的特性，譜曲線較為尖、瘦，能量集中，反映出此時(shí)海浪以外海傳來(lái)頻率單一、能量集中的涌浪為主。

隨后（圖2b、圖2c），遠(yuǎn)處傳來(lái)的涌浪和現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)浪相互疊加，低頻處包括面積漸漸變小，能量逐漸傳到后方，逐漸形成涌浪和風(fēng)浪強(qiáng)度相當(dāng)?shù)幕旌侠?；最后階段（圖2d），由于風(fēng)場(chǎng)的持續(xù)作用，海浪能量逐漸顯示為以風(fēng)浪為主的雙峰海浪譜。

圖2 LW3－1浮標(biāo)南海實(shí)測(cè)雙峰型海浪譜演化過(guò)程Fig.2 The evolutionary process of double－peaked sea waves measured with Buoy LW3－1in the South China Sea

2.3 雙峰型海浪譜特征分析

南海寬廣遼闊，有利于涌浪的生成和傳播。為更好的了解雙峰型海浪譜的特征，本研究對(duì)其基本特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

2.3.1 雙峰型海浪譜波高特征

雙峰譜波高統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。由圖可知，5月至10月期間，南海雙峰型海浪出現(xiàn)時(shí)，波高普遍不大，有66%的波高低于1m，低于2m的波高占到了95%左右，此類等級(jí)大小的波浪，對(duì)海洋工程威脅不大。

圖3 南海雙峰譜波高比例Fig.3 Wave height proportion of the double－peaked wave spectrum in the South China Sea

2.3.2 雙峰海浪譜譜峰頻率特征

南海雙峰海浪譜譜峰頻率特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4?？芍虾ｋp峰型海浪譜，風(fēng)浪部分譜峰周期均值為5.20s，方差為0.980；涌浪部分譜峰周期均值為11.37s，方差為3.85。期間會(huì)出現(xiàn)少量涌浪譜峰周期達(dá)15s，但總體數(shù)量不多。

圖4 南海雙峰海浪譜譜峰頻率特征Fig.4 Characteristics of wave period of the double－peaked wave spectrum in the South China Sea

2.3.3 南海雙峰譜出現(xiàn)時(shí)間特征

圖5顯示了雙峰譜出現(xiàn)時(shí)間的規(guī)律。圖5a為觀測(cè)期間測(cè)得的有效波高，圖5b橫軸上的豎線對(duì)應(yīng)著雙峰譜出現(xiàn)的日期。由圖可知，雙峰譜的形成與南海臺(tái)風(fēng)有一定關(guān)系。如2011－06－10左右，雙峰譜出現(xiàn)在第3號(hào)熱帶風(fēng)暴“莎莉嘉”前夕；2011－07－15前后，雙峰譜又伴著第7號(hào)熱帶風(fēng)暴“蝎虎”出現(xiàn)。2011－08－01，在第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“洛坦”消亡之后，雙峰譜又再次出現(xiàn)。由上述現(xiàn)象初步可以判斷，造成雙峰型海浪的熱帶氣旋一般發(fā)生在距浮標(biāo)測(cè)站較遠(yuǎn)的海區(qū)，而且強(qiáng)度普遍偏小。風(fēng)浪脫離臺(tái)風(fēng)源地后形成的涌浪經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播，與浮標(biāo)測(cè)站海區(qū)局地風(fēng)浪共同作用，形成了雙峰型海浪譜。

由此可見，雙峰型海浪譜為臺(tái)風(fēng)邊緣影響期間波浪與涌浪共存時(shí)混合浪能量的實(shí)際分布。在大風(fēng)影響過(guò)程中，海浪的譜型在不斷變化，首先是遠(yuǎn)處傳來(lái)的涌浪，隨著臺(tái)風(fēng)風(fēng)向測(cè)點(diǎn)靠近，波浪逐漸成長(zhǎng)，直至出現(xiàn)兩種海浪共存，海浪的譜型則由涌浪演變成混合浪，而后演變成為風(fēng)浪。

圖5 南海雙峰譜出現(xiàn)時(shí)間Fig.5 The occurrence time of the double－peaked wave spectrum in the South China Sea

2.3.4 南海雙峰譜波向特征

雙峰譜波浪玫瑰圖見圖6。由圖可知，此時(shí)雙峰型海浪的主波向以SW向?yàn)橹?，海浪頻譜風(fēng)浪譜能量也以風(fēng)浪譜為主，與該季節(jié)西南季風(fēng)盛行的風(fēng)場(chǎng)情況相吻合。

圖6 南海雙峰型海浪波浪玫瑰圖Fig.6 The wave rose of the double－peaked waves in the South China Sea

為更清楚的揭示雙峰型海浪譜各組成部分，本研究采用海浪方向譜模型顯示了雙峰型海浪譜不同頻段能量在各方向上的分布。由圖7可知，低頻部分涌浪的來(lái)向以E—SE為主，與臺(tái)風(fēng)源地方向一致，證明此類涌浪的來(lái)源；風(fēng)浪頻譜能量較大，以S—SW向?yàn)橹?，與當(dāng)時(shí)西南季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征相吻合。

圖7 雙峰譜方向來(lái)源分析Fig.7 Analysis of directions of the double－peaked wave spectrum

2.4 雙峰型海浪譜模型適用性分析

Elzbieta等［3］通過(guò)對(duì)尼日利亞海域的涌浪、風(fēng)浪雙峰海浪譜組合環(huán)境下實(shí)際海洋工程作業(yè)的研究，發(fā)現(xiàn)如果在涌浪、風(fēng)浪同時(shí)存在的海域，使用單一波譜進(jìn)行海況模擬會(huì)得到較差的結(jié)果，則不能用于海洋工程研究。因此，有必要對(duì)雙峰型海浪譜模式在南海的適用性進(jìn)行探討。目前，Ochi－Hubble譜［4］與Torsethaugen譜［5］在海洋工程領(lǐng)域得到較多應(yīng)用。

Ochi與Hubble［4］分析了800個(gè)海浪譜的資料，提出大洋波浪（由風(fēng)浪和涌浪疊加而成的混合浪）可采用一個(gè)平均譜、相應(yīng)于95%置信水平的10個(gè)變形譜和一個(gè)最可能的譜型參數(shù)組成的譜模型。Ochi與Hubble的6參量譜公式，將整個(gè)海浪譜分為低頻部分和高頻部分，每一部分分別用有效波高Hs、譜峰頻率ωp和形狀參數(shù)λ表示。

Torsethaugen［5］根據(jù)North Sea（北海）的Statfjord海域?qū)崪y(cè)波浪資料，將20 000個(gè)海浪譜分為146組，最后提出一種雙峰型海浪頻譜。該譜由風(fēng)浪系統(tǒng)（Sω）、涌浪（Ss）兩部分組成，共包括10個(gè)參數(shù)。

Torsethaugen譜的商業(yè)化程度較好，已整合進(jìn)入DNV設(shè)計(jì)的SESAM軟件的預(yù)設(shè)譜型中。用戶只需輸入波浪相應(yīng)的有效波高和譜峰，即可得到相應(yīng)條件下Torsethaugen譜參數(shù)及譜曲線。為驗(yàn)證Torsethaugen譜在南海的適用性，本研究將南海實(shí)測(cè)波高、譜周期作為參數(shù)輸入到該模型，但得到的擬合結(jié)果并不準(zhǔn)確，如圖8所示。

圖8 Torsethaugen譜擬合計(jì)算結(jié)果Fig.8 The results from the fitting with Torsethaugen spectrum

圖9 Ochi－Hubble譜擬合計(jì)算結(jié)果Fig.9 The results from the fitting with Ochi－Hubble spectrum

由于Torsethaugen譜是根據(jù)北海20 000筆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬和而得，其參數(shù)是根據(jù)北海海況而設(shè)定的，因此雙峰型Torsethaugen譜在南海并不適用。

Ochi－Hubble譜在高頻風(fēng)浪部分和低頻涌浪部分波譜各有3個(gè)參數(shù)，有效波高Hs、譜峰周期Tp和形狀參數(shù)λ。計(jì)算時(shí)，調(diào)整wp1、wp2，使其與實(shí)測(cè)海浪譜低頻譜峰和高頻譜峰一致；然后再調(diào)整譜形參數(shù)λ1、λ2。

圖9為Ochi－Hubble譜擬合南海實(shí)測(cè)雙峰譜的結(jié)果。由上述結(jié)果可知，Ochi－Hubble譜比Torsethaugen譜的擬合結(jié)果稍好，但計(jì)算過(guò)程較為繁瑣。

3 結(jié) 語(yǔ)

南海深水區(qū)將成為我國(guó)海洋石油工業(yè)新的戰(zhàn)略區(qū)域，掌握該區(qū)域的海洋動(dòng)力環(huán)境對(duì)于油氣開發(fā)具有重要意義。本文基于南海深水區(qū)實(shí)測(cè)資料，對(duì)雙峰型海浪譜進(jìn)行了研究，并對(duì)雙峰型海浪的特征進(jìn)行分析。主要獲得以下結(jié)論：

1）從雙峰型海浪出現(xiàn)的時(shí)間判斷，該類型海浪的形成與臺(tái)風(fēng)的出現(xiàn)有一定關(guān)聯(lián)；

2）南海雙峰型海浪波高普遍低于2m，涌浪部分平均周期11.37s，對(duì)海洋工程威脅不大；

3）海浪方向譜模型顯示：低頻部分涌浪的來(lái)向與臺(tái)風(fēng)源地一致；風(fēng)浪頻譜能量較大，以S－SW向?yàn)橹鳎c夏季西南季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征相吻合；

4）在海洋工程設(shè)計(jì)常用雙峰譜模型適用性上，Ochi－Hubble譜比Torsethaugen譜的擬合結(jié)果稍好。

（References）：

［1］ CHEN X Y，HU Z J.Joint distribution of wave heights and period of sea wave with double－peaked spectra［J］.Huanghai ＆Bohai Seas，1997，15（4）：8－13.陳雪英，胡澤建.雙峰譜型海浪波高與周期的聯(lián)合分布［J］.黃渤海海洋，1997，15（4）：8－13.

［2］ ZHANG F，YANG J M，LI R P，et al.Numerical and experimental research on the global performances of cell－truss spar platform［J］.China Ocean Engineering，2007，21（4）：561－576.

［3］ BITNER－GREGERSEN E M.Uncertainties of joint long－term probabilistic modelling of wind sea and swell［C］／／ASME 2010 29th International Conference on Ocean Offshore and Arctic Engineering.Shanghai：American Society of Mechanical Engineers，2010：493－504.

［4］ OCHI M K，HUBBLE E N.Six－parameter wave spectra［R］.Coastal Engineering Proceedings，1976，1（15）：301－328.

［5］ TORSETHAUGEN K.Model for a doubly peaked wave spectrum［R］.SINTEF report STF22A，1996：96204.