齋堂島東南海域波浪特征及海浪譜分析

楊忠良，葉 欽，歐陽偉，羊天柱

(國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012)

齋堂島東南海域波浪特征及海浪譜分析

楊忠良，葉 欽*，歐陽偉，羊天柱

(國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012)

利用齋堂島東南海域2013年至2014年的實測波浪資料，統(tǒng)計分析了本海域波浪特征，為波浪能資源評估提供基本波浪參數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果表明，本海域年平均有效波高為0.60 m，最大波高為5.30 m，平均周期為3.3 s，最大周期為8.3 s，常浪向為E-SE向。本文亦討論了本海域波高分布和波高與周期的關(guān)系，并基于JONSWAP譜譜型的基本結(jié)構(gòu)，擬合得到適用于本海域的海浪譜譜型，可為海洋能發(fā)電裝置的布設(shè)及相應(yīng)的工程建設(shè)提供一定的參考。

齋堂島；波浪特征；波高分布；波高-周期聯(lián)和分布；海浪譜

0 引言

海洋可再生能源因其具有數(shù)量巨大、清潔、可預(yù)報性和利于社會可持續(xù)發(fā)展等特點備受重視，近年來關(guān)于海洋能資源評估應(yīng)用和發(fā)電裝置的研究發(fā)展非常迅速，取得了大量的成果[1]。山東省具有豐富的海洋可再生能源，波浪能理論平均波功率達(dá)161×104kW，潮流能理論功率達(dá)119.5×104kW[2]。2012年在青島膠南市齋堂島海域建成了我國北方最大的海洋能綜合試驗基地，重點開展多能互補智能化獨立能源系統(tǒng)，波浪能、潮流能發(fā)電裝置和低成本海洋能輸變電設(shè)備等海洋可再生能源綜合利用技術(shù)開發(fā)。

齋堂島海域地處黃海北部，其東向和東南向面臨開闊海域。該海域受寒潮的影響較大，平均波高冬季較大，介于0.9～1.9 m之間[3]。早期的觀測資料亦測得過最大有效波高3.5 m[4]。此前缺乏針對海洋能實驗基地的長期連續(xù)的波浪資料，因此本文利用齋堂島東南海域2013年至2014年的實測波浪資料從波高分布、波高與周期的聯(lián)合分布和擬合海浪譜等方面進(jìn)行計算和分析，對齋堂島東南海域的波浪特征進(jìn)行探討，為波浪研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 資料選取

波浪測點位于齋堂島東南海域，其地理位置為35°36.2′N，119°56.15′E(圖1)，水深約30 m，東向至東南向面臨廣闊海域。觀測儀器采用Nortek公司生產(chǎn)的浪龍(AWAC-AST)波浪觀測儀，測波采樣的時間間隔為1 h，每次觀測18 min，采樣頻率2 Hz。該波浪測點的觀測日期為2013年5月至2014年4月，期間由于波浪儀器受損，2013年6月和12月資料缺失，因此本文選取了共10個月的資料。

圖1 波浪觀測站位置Fig.1 Location of wave observation station

2 波浪特征

2.1 統(tǒng)計特征

表1 Hs和分級統(tǒng)計出現(xiàn)頻率

圖2 全年Hs玫瑰圖Fig.2 Rose chart of significant wave height in the year

2.2 波高分布

深水情況下，波高的Rayleigh分布經(jīng)過大量驗證，已被普遍接受和廣泛應(yīng)用[5]。其概率密度函數(shù)為：

(1)

對應(yīng)的累計概率為：

(2)同時關(guān)于深水波高是否遵從Rayleigh分布的爭議也一直存在[5]，有作者采用Weibull分布來擬合實測波高，也獲得了較好的結(jié)果[6]。Weibull分布累計概率為：

(3)

(4)

圖3 實測波高概率密度分布Fig.3 Probability density distribution ofmeasured wave height

(5)

2.3 波高和周期聯(lián)合分布

圖4 波高-周期聯(lián)合分布Fig.4 Joint distribution of wave height and period

3 擬合海浪譜

海浪譜是描述海浪最有效的方式，各波要素均可通過各階譜矩求得，還可以探索海浪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是研究海浪預(yù)報、海岸泥沙運動及海上水工建筑物設(shè)計的重要依據(jù)。本文首先對實測譜值和頻率進(jìn)行無因次化處理，海浪譜的譜型通過無因次化后便僅由譜參數(shù)確定，再基于JONSWAP譜[9]進(jìn)行擬合，從而求得該海域海浪譜的譜參數(shù)。

JONSWAP譜對工程問題具有實用意義，一方面由于在所提出的譜中，能量高度集中于譜峰附近，故由此譜通過傳遞函數(shù)計算得到的作用力譜或反映船體運動的譜必然受到這種能量集中的影響。其次如最大周期相同，由JONSWAP譜計算出的波高較大，波高的差異對工程設(shè)計是非常重要的。

JONSWAP譜包含峰升高因子γ和峰形參量σ，其最大特點是譜峰頻率附近，譜值顯著提高。其基本形式為:

(6)

(7)

式(7)的曲線圖及相應(yīng)實測值見圖5，圖中縱坐標(biāo)中的m0為實測譜的零階矩。由圖可見，擬合譜僅在低頻部分(ω/ω0<0.6)時低于實測值，在譜峰左右及高頻部分一致性較好，表明擬合譜總體適用于本海域，在對低頻范圍的涌浪描述時需進(jìn)一步加以討論和研究。

圖5 齋堂島東南海域推薦海浪譜Fig.5 Wave spectrum recommended off the southeastern coast of Zhaitang Island

4 小結(jié)

利用齋堂島東南海域2013—2014年的實測波浪資料從波高分布、波高與周期的聯(lián)合分布和擬合海浪譜等方面進(jìn)行計算和分析，對齋堂島東南海域的波浪特征進(jìn)行了探討，結(jié)論如下：

(3)將實測譜值無因次化后進(jìn)行擬合，得出了適合觀測海域的譜型，但在描述涌浪時并不準(zhǔn)確，需要進(jìn)一步研究。

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The wave characteristics and the analysis of wave spectrum off the southeastern coast of Zhaitang Island

YANG Zhong-liang, YE Qin*, OU-YANG Wei, YANG Tian-zhu

(KeyLaboratoryofEngineeringOceanography,SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

With the wave observation off the southeastern coast of Zhaitang Island from 2013 to 2014, the wave characteristics were analyzed. The statistical results show that annual average of significant wave height is 0.60 m, the maximum wave height is 5.30 m, the average period is 3.3 s, the maximum period is 8.3 s and the dominant wave direction is E-SE. The wave height distribution and the joint distribution of wave height and period were also discussed. Based on the basic spectrum structure of JONSWAP, the spectrum applied to this sea area is presented using fitting method. All the work would provide reference for wave research and engineering application in this sea area.

Zhaitang Island；wave character；wave height distribution；the joint distribution of wave height and period；wave spectrum

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.010.

2016-06-21

2016-09-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目資助(2012AA0526)

楊忠良(1981-)，男，山東煙臺市人，工程師,主要從事工程波浪方面的研究。E-mail：aliang2033300@163.com

*通訊作者：葉欽(1979-)，男，高級工程師,主要從事工程波浪方面的研究。E-mail：leaflet_yq@163.com

P731.22

A

1001-909X(2017)02-091-05

10.3969/j.issn.J1001-909X.2017.02.010

楊忠良，葉欽，歐陽偉，等.齋堂島東南海域波浪特征及海浪譜分析[J].海洋學(xué)研究,2017,35(2):91-95,

YANG Zhong-liang, YE Qin, OU-YANG Wei, et al. The wave characteristics and the analysis of wave spectrum off the southeastern coast of Zhaitang Island[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(2):91-95, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.010.