印尼爪哇島南岸波浪雙峰譜特征分析

黃美玲，陳漢寶，耿寶磊，徐亞男

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

在印度洋北岸的開闊水域，常年波濤洶涌，規(guī)則的長峰波拍擊海岸，給海岸防護(hù)和近岸工程建設(shè)帶來巨大困難。印度洋北岸開敞岸線長達(dá)2 000多公里，包括印度尼西亞、馬來西亞、斯里蘭卡等國家，在大浪影響的區(qū)域又缺乏現(xiàn)場實(shí)測的波浪數(shù)據(jù)。在已有的近岸工程建設(shè)中，出現(xiàn)了多個(gè)失敗破壞的案例，如防波堤建設(shè)過程中的護(hù)面塊體滾落、高強(qiáng)度的泥沙淤積和系泊船舶斷纜移位等，這些案例多被證明與波浪周期過長有關(guān)。在對實(shí)測波浪數(shù)據(jù)的分析中，出現(xiàn)了一些介于5～10 s的周期，與實(shí)際觀察的現(xiàn)象不符。通常在島群海域，受不同風(fēng)距的兩組或多組波浪疊加作用，波浪周期會(huì)出現(xiàn)類似混合浪的特征，短于涌浪而長于風(fēng)浪。這些面對幾千公里的完全開闊海域尚未有相關(guān)報(bào)道或研究。

1 雙峰譜的研究現(xiàn)狀

隨著人類開發(fā)海洋步伐的加快，人們對海浪的統(tǒng)計(jì)特征，方向譜的研究更加深入。國內(nèi)學(xué)者對雙峰波譜型海浪作了大量的研究[1-8]。隋世峰[1]用規(guī)則的單峰海浪頻譜表示混合浪的頻譜。黃培基[2]等通過分析膠州灣實(shí)測雙峰海浪譜的譜型特征，提出了一個(gè)含6個(gè)參量的雙峰海浪譜公式。陳雪英[3]等探討了雙峰譜型海浪的波要素概率分布及其群性特征，并與單峰譜型海浪進(jìn)行了比較。管長龍[4]等對雙峰海浪頻譜采用分譜疊加的思想，很好地解釋了以往雙峰譜在高頻部分過高統(tǒng)計(jì)的問題。陳雪英[5]等利用實(shí)測雙峰譜型海浪資料，討論了雙峰譜型下波高與周期的聯(lián)合分布。趙棟梁[6]等采用兩種分辨力較高的方向譜估計(jì)方法對雙峰方向分布做了深入的研究，探討其物理本質(zhì)。潘玉萍[7]等采用最新的隨機(jī)波分析方法，研究雙峰型海浪波高和周期的聯(lián)合概率密度分布。這些研究多基于兩組或多組不同周期波浪的疊加特性。

2 赤道無風(fēng)帶開敞水域波浪特性研究現(xiàn)狀

爪哇島南岸面對的印度洋海域面積廣闊，波浪呈現(xiàn)長周期、大波高特征，對工程影響較大，故對印度洋開敞海域的波浪特性研究非常有意義。梅勇[8]、尹兵[9]、張弦[10]、劉金芳、梁玉清[11]、鄭崇偉[12]、封有德[13]等分別研究了北印度洋-南海海域海浪場、南印度洋、北大西洋、地中海等地的風(fēng)、浪、涌的特點(diǎn)及其變化規(guī)律，對風(fēng)場、風(fēng)浪、涌浪、混合浪的特征進(jìn)行分析。周加杰等[14]的工程報(bào)告指出，印度洋環(huán)境的波浪則表現(xiàn)為周期大、波長長，而印尼沿海受印度洋波浪影響，強(qiáng)浪主要由2種涌浪組成，季風(fēng)期外海涌浪與風(fēng)成浪相互疊加，近岸水流變化劇烈，基本無法施工；非季風(fēng)期波浪主要表現(xiàn)為外海環(huán)境變化所引起的近岸涌浪，涌浪周期一般大于10 s，平均周期大于 13 s，最大周期達(dá)21 s，波長大于180 m，波高達(dá)3.5 m，高波高、大周期、長波長波浪是破壞海洋建筑物的主因。這些針對無風(fēng)帶開闊海域的波浪研究沒有涉及雙峰譜的波浪特征。

3 印尼爪哇島南岸雙峰譜特征

將印尼爪哇島南岸中部的實(shí)測波浪資料對比JONSWAP譜進(jìn)行研究，如下

(1)

(2)

(3)

取參照J(rèn)ONSWAP譜的窗函數(shù)，對一年多逐日的波浪實(shí)測資料進(jìn)行譜分析，再對每個(gè)月的波浪譜按周進(jìn)行疊加，得到代表雨季的10月份和3月份，以及代表旱季的7月份和9月份各4周的波浪頻譜，見圖1～圖4。

圖1 十月份典型波譜圖Fig.1 Typical spectrum in October

圖2 三月份典型波譜圖Fig.2 Typical spectrum in March

圖3 七月份典型波譜圖Fig.3 Typical spectrum in July

圖4 九月份典型波譜圖Fig.4 Typical spectrum in September

參考圖1～圖4典型月份波譜圖，分析各月的數(shù)據(jù)，可知印尼爪哇島南岸7、8、9等旱期月份低頻涌浪和高頻波浪所占能量相差無幾；雨季低頻涌浪所占能量很大，高頻波浪部分所占能量很小。

圖5 典型地區(qū)(RATU)年風(fēng)玫瑰圖Fig.5 Annual wind rose chart at RATU

印尼爪哇島南岸地理位置在赤道無風(fēng)帶，即使在旱季，風(fēng)速也很小，多年統(tǒng)計(jì)的短時(shí)風(fēng)速大值多小于30 knots，平均風(fēng)速在5 knots左右(圖5)，同時(shí)風(fēng)向變化很快，因此難以產(chǎn)生較大的風(fēng)浪。

印尼爪哇島南岸面對的印度洋海域面積廣闊，跨越了南半球的所有風(fēng)帶；波浪在充足海域空間內(nèi)、在大風(fēng)的作用下，充分成長為大浪。這種大浪在由外海傳至岸邊時(shí)，由于彌散和角散的作用，高頻的短波部分在內(nèi)摩擦作用不斷消耗、低頻的長波部分分離出去，在達(dá)到近岸時(shí)表現(xiàn)為長周期的涌浪。這是雨季和旱季波浪的主要組成部分。

圖6 典型地區(qū)(Adipala)預(yù)報(bào)資料波高 周期分布關(guān)系Fig.6 Distribution of wave heights and periods of forecast data at Adipala

雨季季風(fēng)向與涌浪方向相反，同時(shí)降雨較多，一定程度上降低了波浪活躍程度，綜合表現(xiàn)出波浪平均強(qiáng)度較弱，高頻的風(fēng)浪的短波部分到達(dá)近岸時(shí)消耗相對較大，因此所占譜能量很少。旱季則風(fēng)向與涌浪方向相同，同時(shí)基本無降雨，遠(yuǎn)海洋流活躍，波浪平均強(qiáng)度較強(qiáng)，高頻的風(fēng)浪的短波部分到達(dá)近岸時(shí)消耗相對較小，因此低頻和高頻部分占譜能量的比例相差無幾。在對大浪的分析中，進(jìn)一步出現(xiàn)了大浪對應(yīng)周期短于平常涌浪的情況，見圖6。

根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，印尼爪哇島南岸波浪具有明顯的長周期波浪特征，長周期波浪對海岸工程結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈沖擊作用，例如長周期海域近岸水體會(huì)在斜坡胸墻前急劇破碎，強(qiáng)大沖擊力破壞胸墻整體穩(wěn)定性。因此在斜坡堤胸墻設(shè)計(jì)中，應(yīng)該著重物理模型的驗(yàn)證結(jié)果，修正規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式造成的偏小誤差。長周期雙峰譜波浪中低頻部分，也會(huì)對離岸式開敞碼頭停泊的船舶有較大影響，船舶各運(yùn)動(dòng)分量也會(huì)比純風(fēng)浪條件下大，對系泊安全有很大影響。因此，如何防護(hù)長周期波浪的破壞是該海域相關(guān)工程中需考慮的重要問題之一。

4 結(jié)論

(1)印度洋北岸赤道無風(fēng)帶開闊海域的波浪呈現(xiàn)出季節(jié)性的雙峰譜特性，旱季高頻、低頻波浪能量相當(dāng)，雨季以低頻波浪為主；(2)赤道無風(fēng)帶風(fēng)弱、風(fēng)向變化快，難以形成較大的風(fēng)浪，高頻波浪也來自于南部海區(qū)較近海域風(fēng)浪的傳播；(3)分析的雙峰譜各波浪成分與傳播距離有關(guān)，不同海域會(huì)呈現(xiàn)較大差異，同時(shí)大浪的波高與周期聯(lián)合分布特征還需要進(jìn)一步的研究。