渤海灣中部波浪特征分析

祁祥禮，鄭向陽，諶業(yè)良

(1.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所，煙臺 264003)

渤海灣位于渤海西部，是一個半封閉海灣，東西長約110 Km，南北長約90 Km，在東部與渤海中部海域相連。渤海灣有豐富的油氣資源，西岸是京津冀經(jīng)濟(jì)區(qū)，分布著大量的港口、工業(yè)區(qū)、能源部門。波浪是近海水動力的主要過程，深入了解某一海區(qū)的波浪特征對于保護(hù)沿岸基礎(chǔ)設(shè)施、降低海洋自然災(zāi)害有重要的作用。多個海區(qū)的波浪觀測資料被用于波浪特征分析，如大連海域[1]、臺州海域[2]、以色列Ashdod港[3]等。本文利用渤海中部一年的波浪觀測數(shù)據(jù)，分析此處波浪特征和季節(jié)變化規(guī)律，同時探討大浪期間風(fēng)與波浪的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)來源

2014年3月到2015年2月，在渤海中部(見圖1)放置聲學(xué)多普勒波浪剖面流速儀(俗稱“浪龍”)，觀測一年的波浪數(shù)據(jù)，包括波高、波向和波周期，數(shù)據(jù)時間間隔為1 h。該位置坐標(biāo)是38.471°N，118.26°E，水深13.5 m。為了探討波浪與當(dāng)?shù)仫L(fēng)的關(guān)系，本文使用歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)的全球風(fēng)場數(shù)據(jù)ERA-Interim[4]。風(fēng)場數(shù)據(jù)空間分辨率為0.125°，時間間隔為3 h。

2 波浪特征分析

2.1 波浪一年內(nèi)總體特征

2014年3月到2015年2月1 a時間內(nèi)，觀測位置處最大波高為5.46 m，發(fā)生在2014年9月29日17點(diǎn)，最大波高時波周期為8.5 s，波向?yàn)?9°。最大有效波高3.36 m，發(fā)生在2014年10月26日11點(diǎn)，此時波周期為6.5 s，波向(N向?yàn)?°，順時針為正)為30°。

圖2 基于一年有效波高和波向的波浪玫瑰圖Fig.2 Wave rose diagram of wave height and wave direction over one year

圖2顯示了一年內(nèi)基于有效波高和波向的波浪玫瑰圖。常浪向?yàn)镋向，頻率為13%；次常浪向?yàn)镹E向；NNE向和ESE向也有相對較高的頻率，接近10%。從圖 2可以看出一年內(nèi)大部分時間波浪來自外海，并且自外海傳入的波浪也比自西向東傳播的波高大。該觀測點(diǎn)位于渤海灣中部，西側(cè)為陸地，東側(cè)面對較為寬闊的渤海中部海區(qū)，外海產(chǎn)生較強(qiáng)的波浪自東向西傳入渤海灣，造成了西向波浪占優(yōu)的特點(diǎn)。由圖 1可以看出等深線為西北一東南走向，波浪折射作用使得東北方向的波浪具有較大的頻率。

孫連成[4]分析渤海灣西部海域一處多年的波浪觀測數(shù)據(jù)，觀測點(diǎn)位于本文觀測點(diǎn)西偏北約50 km，同樣西側(cè)為陸地，東側(cè)為渤海灣入口，等深線的走勢也較為接近。常浪向與本文上述類似，常浪向和強(qiáng)浪向都集中在N向和E向之間。分析結(jié)果中SW向的波浪出現(xiàn)的頻率也較高，而本研究中發(fā)現(xiàn)NW向波浪的頻率明顯高于SW，原因是本文的測波處西北方向風(fēng)區(qū)較大，也與當(dāng)年特定的氣候特征有關(guān)。

表1 全年以及各季度按照有效波高(m)的波浪分級以及各級的出現(xiàn)頻率(%)Tab.1 Occurrence frequency of different wave height levels in the four seasons and over the whole year

2.2 波浪季節(jié)變化特征

表1展示了根據(jù)有效波高劃分的各級波浪的出現(xiàn)頻率，分級標(biāo)準(zhǔn)取自文獻(xiàn)[6]。在不同季節(jié)中，小于0.5米的小浪出現(xiàn)頻率均是最高，而大浪頻率在全年出現(xiàn)的頻率僅為2%，大于4 m的巨浪在該地區(qū)沒有出現(xiàn)。在春季和夏季小浪頻率尤其高，在秋季和冬季出現(xiàn)了頻率相對較高的中浪，大浪僅出現(xiàn)在秋季和冬季。

圖3 月平均有效波高的月度變化(2014-03～2015-02)Fig. 3 Variations of the month averaged significant wave height (from March 2014 to February 2015)

波浪分級(s)春夏秋冬全年0～339.246.026.232.535.93～439.442.740.830.538.34～517.79.614.524.416.55～63.51.711.710.77.0>60.20.06.81.92.3

表2給出了不同有效波周期的波浪在四季和全年出現(xiàn)的頻率。從全年來看，有效波周期小于5 s的波浪占絕對優(yōu)勢，頻率達(dá)90%，周期高于6 s的波浪僅占2.3%。與有效波高的頻率類似，在秋季和冬季，長周期波浪出現(xiàn)的頻率要遠(yuǎn)大于春季和夏季。這與秋、冬季的風(fēng)速較強(qiáng)、持續(xù)時間較久、波浪成長時間較長有關(guān)系。宮英龍等[7]分析了江蘇近海的波浪分布特征，江蘇近海與渤海灣西部的風(fēng)場季節(jié)模式類似，波周期也同樣表現(xiàn)出秋冬高、春夏低的特點(diǎn)。

將波浪觀測處的有效波高數(shù)據(jù)和此處風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行月平均，獲得了2014年3月到2015年2月期間各月的平均有效波高和平均風(fēng)速，如圖 3所示。各月的月平均波高有較大差異，最高值出現(xiàn)在12月，有效波高為0.77 m，最低值出現(xiàn)在6月，有效波高為0.32 m。有效波高的年變化總體呈現(xiàn)出春夏低、秋冬高的特點(diǎn)，與月平均風(fēng)速變化趨勢完全一致，說明風(fēng)速大小直接影響波高的變化。9月到次年2月有效波高平均值大于0.5 m，3月到8月有效波高大部分時間低于0.4 m，但5月是一個例外，5月份的平均有效波高為0.56 m，遠(yuǎn)高于臨近的4月和6月。

圖4 不同季節(jié)波浪玫瑰圖Fig.4 Wave rose diagram of wave height and wave direction in different seasons

圖4展示了春、夏、秋、冬四個季節(jié)的波浪玫瑰圖。波向有較為明顯的季節(jié)變化，春季(3～5月)常浪向?yàn)镋向，強(qiáng)浪向?yàn)镹向和S向；夏季(6～8月)E向和ESE向是出現(xiàn)頻率最高，最大波高時波向?yàn)镋SE向；而秋季(9～11月)NNE向?yàn)槌＠讼?，NE向?yàn)榇纬＠讼?，冬?12月到次年2月)NE向占有較大優(yōu)勢，同時NW向的波浪相比于其他季節(jié)也顯著增多。

2.3 大浪(有效波高2.5 m以上)期間波浪特征統(tǒng)計(jì)

表3 觀測時段內(nèi)有效波高大于2.5 m的大浪過程Tab.3 Large wave event (significant wave height larger than 2.5 m)

在波浪等級中，有效波高2.5 m以上的海浪被稱為大浪，大浪對于海上交通、海岸設(shè)施等有極大的破壞力，表3列出了有效波高大于2.5 m的6次大浪過程，包括各次事件的起止時間、平均有效波高和波向。從表3中可以看出，在觀測期中，大浪發(fā)生的季節(jié)集中在秋季和冬季，此時渤海區(qū)域盛行偏北風(fēng)，風(fēng)速較其他季節(jié)強(qiáng)。大部分的大浪平均方向?yàn)镹NE向，即從渤海灣外向?yàn)硟?nèi)方向傳播，只有在2014年11月30日的這一次大風(fēng)浪事件中，波向?yàn)閃NW向，波浪由灣內(nèi)向?yàn)惩鈧鞑?，與其他5次大浪過程明顯不同。

2.4 大浪期間波浪成長與當(dāng)?shù)仫L(fēng)的關(guān)系

為了探討大浪時波浪與風(fēng)的關(guān)系，本文從表3中選取了兩次典型的大浪過程進(jìn)行分析，分別是2014年10月20日和11月30日，代表了東、西兩種波向的大浪過程。為了更完整地研究波浪成長過程，將大浪發(fā)生的前后各一天也包括在內(nèi)。風(fēng)數(shù)據(jù)來源于ECMWF全球風(fēng)場數(shù)據(jù)，從ECMWF數(shù)據(jù)中選取最靠近波浪觀測點(diǎn)的一個網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖5和圖6分別表示這兩次大浪過程中波高、波向和風(fēng)速、風(fēng)向的對比，下面是對這兩次大浪過程的分析。

在第一次大浪過程中的10月20日6點(diǎn)左右，風(fēng)速開始增大，風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)向偏北風(fēng)，波高并沒有隨著風(fēng)速的增加而迅速增長，而是有約8 h的滯后，直到10月20日15點(diǎn)有效波高才迅速增長，20點(diǎn)左右有效波高就從不到0.5 m增長到接近3 m，之后隨著風(fēng)速的減弱，波高也隨之減小，在大浪期間有效波高和風(fēng)速的相關(guān)性可達(dá)0.74，具有較強(qiáng)的相關(guān)性。從圖5-b可以看出在大風(fēng)期間(10月20日22時到22日0時)，波向和風(fēng)向都指向西南方向，具有較高的一致性，但風(fēng)向與波向并不完全相同，波向在風(fēng)向的左側(cè)；在風(fēng)速較小時，波向與風(fēng)速的相關(guān)性不明顯，波向一直保持東北方向。

圖5 2014-10-21日大浪期間風(fēng)-浪關(guān)系。Fig.5 wind-wave during the large wave event on Oct. 21 2014. 圖6 2014-11-30日大浪期間風(fēng)-浪關(guān)系。Fig.6 wind-wave during the large wave event on Nov. 30 2014.

在第二次大浪過程中，波高與風(fēng)速同樣有很高的相關(guān)性，二者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.91。但在此次事件中，強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)向是西北向，開始于11月30日0點(diǎn)左右，浪向隨之由東北轉(zhuǎn)向西北，并一直保持到風(fēng)速減弱到6 m/s時，之后的風(fēng)速提升到8 m/s左右，浪向也隨著風(fēng)向轉(zhuǎn)到西向和西偏南向。

綜合以上兩次大風(fēng)過程中波高和波向的變化，可以看出在風(fēng)速較小(<6 m/s)時，波高也較小，波向與當(dāng)?shù)仫L(fēng)向的關(guān)系不大，主要受外海傳入的波浪影響，為偏東向；當(dāng)風(fēng)速逐漸變大時，波高也逐漸增大，波向開始與當(dāng)?shù)仫L(fēng)向趨同，當(dāng)?shù)仫L(fēng)對于波浪成長的作用隨著風(fēng)速的增大而增強(qiáng)。另外，偏東風(fēng)引起的波高要大于偏西風(fēng)引起的波高，在事件1中，最大風(fēng)速為11 m/s，最大有效波高為3 m，而在大浪過程2中，當(dāng)?shù)仫L(fēng)速為15 m/s，所引起的最大有效波高為2.5 m/s，小于事件1中的最大有效波高。這是由于偏東風(fēng)的風(fēng)區(qū)比偏西風(fēng)的風(fēng)區(qū)大很多，充分成長后的波高要大，同時這也是強(qiáng)浪向?yàn)镹NE向的原因。所以此區(qū)域的西向強(qiáng)風(fēng)應(yīng)該引起特別關(guān)注。

2.5 波高預(yù)測

波浪的成長與風(fēng)速大小有直接關(guān)系，前文的分析可以看出大風(fēng)期間有效波高與風(fēng)速有較高的相關(guān)性。本節(jié)利用2014年3月到2015年2月一年的有效波高觀測數(shù)據(jù)和對應(yīng)的ECMWF風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)定量研究風(fēng)速和有效波高的關(guān)系，探討能否利用預(yù)報風(fēng)場對波高做合理的預(yù)報。波浪的成長區(qū)域與風(fēng)區(qū)長度和風(fēng)力大小，在近岸區(qū)域，風(fēng)向影響著風(fēng)區(qū)長度，參照圖 2波浪玫瑰圖中的方向，將風(fēng)向劃分為同樣的16個方向，取各風(fēng)向?qū)?yīng)的風(fēng)速和同一時刻的有效波高數(shù)據(jù)，利用線性回歸，研究在一定風(fēng)向下風(fēng)速和有效波高的關(guān)系，獲得了風(fēng)速和有效波高的線性關(guān)系，如圖 7所示。在所有16個方向上，有效波高都隨著風(fēng)速的增大而增大。二者的相關(guān)性在不同風(fēng)向上有較大差異，在NNE、NE、NW和NNW向上相關(guān)系數(shù)超過或者非常接近0.8，在這四個方向上有較高的風(fēng)速；而偏南向風(fēng)速與有效波高的相關(guān)性較小，偏南向風(fēng)速大多數(shù)情況下都在6m/s以下，本地風(fēng)浪的成分相對較少，波高也受外海傳入涌浪的影響。從圖中可以看出，本海區(qū)風(fēng)速較小時(6 m/s以下)，波高多在0.5 m以下，風(fēng)速較大時，可以根據(jù)風(fēng)向，利用圖 7中的線性關(guān)系式估計(jì)有效波高。

3 結(jié)論

本文基于渤海灣中部某處2014年3月到2015年2月一年的波浪觀測數(shù)據(jù)(波高、波向和波周期)和ECMWF全球模擬風(fēng)場數(shù)據(jù)，分析此處的波浪特征。在這一年期間，該點(diǎn)處最大有效波高為3.36 m，最大有效波周期為8.05 s，均發(fā)生于秋季。受風(fēng)場的季節(jié)變化影響，波浪特征的季節(jié)變化明顯，春季和夏季的平均波高小于秋季和冬季，發(fā)生大浪的頻率也遠(yuǎn)小于秋季和冬季。在觀測位置處，各季節(jié)的常浪向有所差別，春季和夏季E向波浪占優(yōu)勢，而秋季和冬季NE和ENE向波浪發(fā)生頻率更高，與秋冬季節(jié)多偏北風(fēng)有關(guān)系。本區(qū)的大浪波向也多位于N向和NE向之間，在大浪發(fā)生期間，波高和當(dāng)?shù)仫L(fēng)速有較高的相關(guān)性，波向和風(fēng)向也表現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性。本文給出了不同風(fēng)向情況下風(fēng)速和有效波高的線性關(guān)系，可以直接利用預(yù)報風(fēng)場對波高做出合理的預(yù)報。