南海北部夏季定點(diǎn)實(shí)測波浪統(tǒng)計(jì)分析

盧 燕,王冠琳*,王道龍,王新怡

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266237)

中國南海是一個(gè)半封閉的深海盆,平均水深約1 212 m,最大水深約5 567 m。南海北部經(jīng)臺(tái)灣海峽和東海與太平洋相連。其夏季5月至9月盛行西南季風(fēng),同時(shí)是臺(tái)風(fēng)頻發(fā)期,故海上實(shí)測資料尤為珍貴。南海北部是我國海上石油經(jīng)濟(jì)熱門地區(qū)之一。由于波浪要素的變化對(duì)海洋工程設(shè)施選址、海上作業(yè)和安全生產(chǎn)等具有重要的參考價(jià)值,故對(duì)實(shí)測波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析是極為重要的。本文使用1997年南海北部現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),分析了1997年6月至8月時(shí)間段內(nèi)的包括有效波高、波向、譜峰周期及跨零周期、譜峰波向散布、波面方差等在內(nèi)的主要波浪參數(shù),并給出其變化規(guī)律。同時(shí),對(duì)波級(jí)、大波最大歷時(shí)長度、波譜峰周期及最大歷時(shí)長度、有效波高和主波向、有效波高和譜峰周期(Tp)聯(lián)合分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本文基于現(xiàn)場實(shí)測資料得到一系列分析結(jié)果,旨在為該海區(qū)的海洋工程作業(yè)提供有效參考。

1 數(shù) 據(jù)

1.1 觀測數(shù)據(jù)狀況

1997-04-01—10-15自然資源部第一海洋研究所于南海北部平均水深100 m 左右的觀測站點(diǎn)(114°58'33.24″E,21°16'16.91″N)(圖1)進(jìn)行了海洋水文氣象定點(diǎn)連續(xù)觀測,獲得了夏季波浪數(shù)據(jù)。觀測儀器為當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的SeaPac 2100方向波浪潮流儀,詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 觀測站位置(紅色三角)Fig.1 Location of observation station(red triangle)

1.2 波浪實(shí)測數(shù)據(jù)

表1 SeaPac 2100方向波浪潮流儀技術(shù)指標(biāo)Table 1 Specifications of SeaPac 2100 wave and current gauge

SeaPac 2100儀器位于水下7 m 處。每3 h觀測一次,每次采樣0.3 h,采樣間隔0.5 s,觀測要素包括:有效波高(H)、主波向、譜峰周期及跨零周期和波浪譜。對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,將由于設(shè)備提出海面讀取實(shí)測數(shù)據(jù)等工作缺測部分以NAN 補(bǔ)充,不參加統(tǒng)計(jì)和繪圖,確保統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

利用Wave Pro軟件處理SeaPac 2100方向波浪儀的數(shù)據(jù),用以提供動(dòng)力波壓力(P)、水平流速(Ve、Vn)以及方位(C)等要素。其運(yùn)用自相關(guān)和交叉譜,基于Grosskopf等[1]及Longuet等[2]提出的方法根據(jù)上述要素計(jì)算出方向譜。經(jīng)過估算,得到海浪的有效波高、波向、譜峰周期及跨零周期、譜峰波向散布和波面方差等10多個(gè)主要要素。圖2給出了1997-06-01—08-31海浪的有效波高、波向、譜峰周期和方向散布及壓力計(jì)算的波面方差的時(shí)間序列。

圖2 有效波高、主波向、譜峰周期、波向散布和波面方差的時(shí)間序列Fig.2 Time series diagram of the effective wave height,the major wave direction,the peak spectral period,the wave-direction diffusion and the wave front variance

由圖2可見,1997年6月有2次弱浪過程:第1次發(fā)生于1997-06-06—11,記錄最大有效波高達(dá)4.32 m,方向SW,譜峰周期7.5 s;第2次發(fā)生1997-06-15—18,最大有效波高為3.04 m,方向?yàn)镾,譜峰周期為6.7 s。本月平均有效波高1.77 m,平均譜峰周期7.0 s,最大譜峰周期為12.8 s,常浪向?yàn)镾SW,頻率為26.3%,次常浪向?yàn)镾W,頻率為18.8%;強(qiáng)浪向與此常浪向一致。

1997年7月有2次弱浪過程:第1次發(fā)生于1997-07-16—18,最大有效波高達(dá)3.66 m,方向S,譜峰周期8 s;第2次發(fā)生于1997-07-25—27,最大有效波高為3.59 m,方向S,譜峰周期3.6 s。月平均有效波高1.77 m,平均譜峰周期6.8 s,最大譜峰周期為11.6 s,常浪向?yàn)镾SW、S,頻率皆為21.7%,次常浪向?yàn)镾W,頻率為17.1%;強(qiáng)浪向?yàn)镾,2次弱浪過程都發(fā)生在S向。

1997年8月有2次臺(tái)風(fēng)過程經(jīng)過測點(diǎn),由圖2可見,2次臺(tái)風(fēng)所引起的波浪變化規(guī)律:第1次臺(tái)風(fēng)發(fā)生于1997-07-31—08-04,最大有效波高達(dá)10.66 m,方向S,譜峰周期10.77 s;2次臺(tái)風(fēng)過程發(fā)生于1997-08-21—23,最大有效波高為6.57 m,方向S,譜峰周期8.5 s。月平均有效波高2.77 m,平均譜峰周期8.3 s,最大譜峰周期為16 s,常浪向?yàn)镾SW,頻率為19.5%,次常浪向?yàn)镾,頻率為19.0%;強(qiáng)浪向?yàn)镾。

2 波浪統(tǒng)計(jì)分析

本次波浪資料統(tǒng)計(jì)采用1997年6月至8月共3個(gè)月的實(shí)測數(shù)據(jù)。期間因設(shè)備更換電池等導(dǎo)致的缺測以NaN 填充。實(shí)際使用736 組數(shù)據(jù),資料覆蓋率達(dá)93.7%。本文依照《海洋調(diào)查規(guī)范:第2部分 海洋水文觀測》(GB/T 12763.2-2007)進(jìn)行波浪要素資料處理并統(tǒng)計(jì)分析。其中1997年8 月有2 次臺(tái)風(fēng)路徑經(jīng)過本觀測點(diǎn)附近,其中1997-07-31—08-04的9710號(hào)臺(tái)風(fēng)特征較為明顯。由圖3可見,9710號(hào)和9713號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑及觀測站位,由于波級(jí)、大波最大歷時(shí)長度、波譜峰周期及最大歷時(shí)長度、有效波高和主波向、有效波高和譜峰周期波浪要素對(duì)海洋工程設(shè)施選址以及實(shí)際工程海上作業(yè)條件分析具有重要意義,所以對(duì)波級(jí)、大波最大歷時(shí)長度等波浪要素進(jìn)行了聯(lián)合分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 波級(jí)統(tǒng)計(jì)

我國和國際上均根據(jù)有效波高范圍進(jìn)行波浪波級(jí)的劃分,其劃分要求如表2[3]所示。根據(jù)波級(jí)(表2)劃分標(biāo)準(zhǔn),南海東北部觀測點(diǎn)觀測到的1997年6月至8月各月波級(jí)統(tǒng)計(jì)表見表3。

圖3 9713號(hào)和9710號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑Fig.3 Typhoon tracks of No.9710 and No.9713

表2 波級(jí)表Table 2 Wave level table

由表3可知,1997年6月和7月波級(jí)≤6級(jí),大浪非常少,＜4級(jí)的浪各占1997年6月和7月觀測數(shù)據(jù)的78.6%和87.1%;1997年8月有大浪達(dá)到8級(jí),＜4級(jí)的浪占本月觀測數(shù)據(jù)的56.6%,6級(jí)及以上大浪占本月觀測數(shù)據(jù)的14.0%。

表3 1997年6月至8月各月波級(jí)出現(xiàn)頻率Table 3 Frequency of wave levels in each month from June to August 1997

2.2 5級(jí)以上大波最大歷時(shí)長度統(tǒng)計(jì)

6級(jí)以上大波為有效波高＞4 m 的波浪,通常稱為風(fēng)暴浪。風(fēng)暴浪最大歷時(shí)長度描述了海面上惡劣海況所持續(xù)的最長時(shí)間,在海洋工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要的考量指標(biāo)。表4給出了南海北部觀測點(diǎn)1997年6月至8月5級(jí)以上大波最大歷時(shí)長度統(tǒng)計(jì)表。

表4 1997年6月至8月各月5級(jí)以上大波最大歷時(shí)長度(h)Table 4 Statistics of maximum diachronic lengths(h)of the waves larger than 5 grades monthly from June to July 1997

由表4可知,1997年夏季各月中≥6級(jí)的浪最大持續(xù)時(shí)間為66 h;≥7級(jí)的浪最大持續(xù)時(shí)間為27 h;≥8級(jí)大浪的最大持續(xù)時(shí)間為9 h。這些大波級(jí)海浪最大歷時(shí)均發(fā)生在1997年8月。

2.3 譜峰周期統(tǒng)計(jì)

波浪周期是海洋設(shè)施動(dòng)力響應(yīng)和疲勞度計(jì)算的重要參數(shù)。表5給出了南海北部觀測點(diǎn)各月譜峰周期出現(xiàn)率(%)統(tǒng)計(jì)表。

表5 1997年6月至8月各月譜峰周期出現(xiàn)率(%)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Probability of the occurrence frequency of spectral peak period monthly from June to July 1997(%)

由表5可知,1997年6月和7月譜峰周期出現(xiàn)頻率較多的為6～8 s,各月占比皆為54%,而1997年8月譜峰周期出現(xiàn)頻率較多的為8～11 s,占比45%;1997年6月和7月最少的譜峰周期出現(xiàn)在11～14 s,而1997年8月最少的譜峰周期出現(xiàn)于14～18 s。

2.4 大波譜峰周期最大歷時(shí)長度統(tǒng)計(jì)

由表6可知,1997年6月至8月8 s以上波浪譜峰周期最大歷時(shí)長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果為90 h;≥11 s的譜峰周期最大歷時(shí)長度為54 h;≥14 s的譜峰周期最大歷時(shí)長度為21 h。這些最大歷時(shí)長度均發(fā)生在1997年8月。

表6 1997年6月至8月各月8 s以上譜峰周期最大歷時(shí)(h)長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistics of maximum diachronic lengths(h)of the spectral peak periods longer than 8 s monthly from June to July 1997

2.5 波參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表7給出了1997年6月至8月各月平均有效波高、最大有效波高、主波向、平均譜峰周期和最大譜峰周期實(shí)測值。1997年6月最大有效波高為4.32 m,主波向SW;1997年7月最大有效波高3.82 m,主波向S;1997年8月最大波高10.66 m,主波向S。平均有效波高皆小于3 m,1997年6月和7月平均有效波高＜2 m。

表7 1997年6月至8月各月平均有效波高,最大有效波高,主波向,平均譜峰周期和最大譜峰周期統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 7 The mean and maximum effective wave heights,the main wave direction,the mean and maximum spectral peak periods monthly from June to July 1997

蘇紀(jì)蘭[4]統(tǒng)計(jì)分析了盛行風(fēng)浪向頻率(%)分布(表8)、孫湘平[5]統(tǒng)計(jì)分析了盛行涌浪向頻率分布(%)和南海波高逐月分布及周期分布(表9)。由表8可知,風(fēng)浪最多常浪向南向(S),頻率17;涌浪最多常浪向南向(S),頻率28。由表9得知,南海北部海域的月平均波高在1.3～1.5 m,最大波高為4.0～5.0 m;月平均周期為5.9～6.1 s,最大周期為15.0～17.0 s。

images/BZ_65_236_2319_2244_2435.png南海北部(110°～115°E,20°～25°N)浪向 頻率 浪向 頻率 浪向 頻率 浪向 頻率S 17 SW 17 S 28 SW 17

表9 南海北部波高(m)、周期(s)逐月分布[5]Table 9 Monthly distributions of wave heights(m)and periods(s)in the northern South China Sea[5]

經(jīng)比較,實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果只有平均有效波高和最大有效波高高于統(tǒng)計(jì)資料,是因歷年觀測方法、觀測地點(diǎn)不同,又加以9710號(hào)臺(tái)風(fēng)等原因所致,其他統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果都是相符的。

由于各月波高、波向出現(xiàn)頻率和平均有效波高、最大有效波高及波向按方位的出現(xiàn)頻率均為海洋工程作業(yè)所需要的重要參數(shù),故給出了有效波高按方向出現(xiàn)的頻率、平均有效波高和最大有效波高的玫瑰分布(圖4)、波高、周期聯(lián)合分布表(表10)以及波高、波向聯(lián)合分布表(表11)。聯(lián)合分布表格都以1997年8月資料為例,上述表7和圖4中波的主波向皆指波的來向,以北向?yàn)?°,順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

圖4 1997年6月至8月逐月及整個(gè)夏季有效波高與波向的玫瑰分布Fig.4 Rose diagrams of significant wave height and wave direction monthly and in the whole summer from June to August 1997

表11 1997年8月有效波高與主波向聯(lián)合分布Table 11 Joint distribution of the effective wave height and direction in August 1997

在整個(gè)夏季,觀測到的臺(tái)風(fēng)都實(shí)發(fā)于8月。第一次為7月31日開始至8月3日結(jié)束的9710號(hào)(VICTOR)臺(tái)風(fēng);第二次為8月20日開始至8月23日結(jié)束的9713號(hào)(ZITA)臺(tái)風(fēng)。結(jié)果表明,8月有效波高＞2 m的波浪持續(xù)時(shí)間超過了15 d,達(dá)18.75 d;大風(fēng)期間有明顯大浪過程,一般持續(xù)3～5 d;其高波級(jí)大浪出現(xiàn)頻率較大(≥8級(jí),出現(xiàn)頻率1.2),持續(xù)時(shí)間也較長(9 h);主波向以西南向(SW)居多;6月至8月期間的波浪過程,主波向也都是西南向(SW)和南向(S)居多(圖4的波向散度區(qū)間98%以上＜90°,也說明主波向的聚攏度穩(wěn)定)。由上述頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖4)可知,西南(SW)范圍內(nèi)出現(xiàn)主波向的頻率都集中在這個(gè)區(qū)域,這與文獻(xiàn)[6]觀點(diǎn)一致。

2.6 臺(tái)風(fēng)期間的波浪譜分析

SeaPac 2100方向波浪儀自身數(shù)據(jù)處理軟件Wave Pro提供了譜峰值的計(jì)算結(jié)果。1997-07-31—08-04的9710號(hào)臺(tái)風(fēng),其形成初期有一個(gè)小的西行過程,然后一直由南向北移動(dòng)直至登陸。此臺(tái)風(fēng)路徑經(jīng)過本觀測海域,其離觀測點(diǎn)的最近距離為110 km,臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)力為11級(jí)。

臺(tái)風(fēng)過境時(shí),本觀測點(diǎn)上方111 m 高度處最大風(fēng)力＞10級(jí),譜峰值達(dá)到8 000 FT2/Hz。圖5為1997-07-30—08-05臺(tái)風(fēng)期間的波浪要素連續(xù)圖,記錄了9710號(hào)臺(tái)風(fēng)過境的全部過程。根據(jù)現(xiàn)有的資料,在此采用1D-PM 方法[7],以實(shí)測譜峰頻率與分割頻率(fs)(0.8PM 譜峰頻率)的比較,高于分割頻率則視為風(fēng)浪。在1997-07-31T07:00—08-05T11:00期間,經(jīng)實(shí)測譜譜峰頻率與分割頻率比較得出,風(fēng)浪起主導(dǎo)作用,占整個(gè)波浪的64%。

由Earle[8]給出的分割頻率(fs)分離經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:

式中:PM 譜峰頻率fPM=0.13g/U10,其中g(shù)為重力加速度,g=9.8 m/s2,U10為10 m 高處的風(fēng)速[9]。

圖5 臺(tái)風(fēng)期間(1997-07-30—08-05)的波浪要素Fig.5 Wave element map during the typhoon(July 30-August 5 in 1997)

為了進(jìn)一步從譜型中研究該測點(diǎn)的風(fēng)浪特點(diǎn),我們分析了譜峰值S(fp)和有效波高之間的關(guān)系,如圖6所示,在臺(tái)風(fēng)來臨和臺(tái)風(fēng)過后,譜峰值隨有效波高增加的線性關(guān)系較弱,這表明譜峰值難以控制波浪譜形式,單在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過測點(diǎn)時(shí),即譜峰＞1 500時(shí),譜峰值隨有效波高的增加線性關(guān)系較強(qiáng),譜峰值基本可以控制海浪譜形式。其譜峰值和譜的平均頻率寬度基本可表示為

式中,M0為波浪譜的零階距,S(fp)為譜峰譜的平均頻率寬度,B=0.01 Hz。這表明在本次觀測臺(tái)風(fēng)浪期間,臺(tái)風(fēng)浪海浪譜具有相似特點(diǎn),可以確定其譜的形式。

海浪譜是描述實(shí)際海浪內(nèi)部機(jī)構(gòu)的近似波動(dòng)(正弦波),解析海浪的振幅(波高)與他們的波動(dòng)頻率之間所存在的關(guān)系。目前,海浪譜分析有多種譜模式,根據(jù)本次觀測臺(tái)風(fēng)期間的波浪分析,發(fā)現(xiàn)觀測點(diǎn)區(qū)域海浪譜為單峰譜,且平均頻率寬度窄。從譜型上看,與JONSWAP 譜型相似。因此,選JONSWAP 為靶譜來擬合9710號(hào)臺(tái)風(fēng)浪的波浪譜。由JONSWAP的基本公式[10]可知其無因形式為

式中:?為無因次圓頻中,ω0為譜峰頻率的圓頻率;γ為譜峰升高因波浪譜峰值,EPmMax為PM 譜譜峰值,取平均值γ=3.3。當(dāng)ω≤1時(shí),峰形參數(shù)σ=0.07;當(dāng)ω＞1時(shí),σ=0.09。利用JONSWAP譜對(duì)實(shí)測臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行擬合時(shí),需要波浪的譜峰值和譜峰圓頻率,它們的實(shí)測資料已給出。海浪譜擬合僅對(duì)應(yīng)本臺(tái)風(fēng)期間的最大有效波高＞8 m 海浪進(jìn)行,擬合結(jié)果相似度較高,在此不逐一列舉,僅選取有效波高=10.66 m 為例(圖7)。由圖7可知,此實(shí)測海浪譜與JONSWAP譜吻合度較高。認(rèn)為9710號(hào)臺(tái)風(fēng)期間觀測有效波高＞8 m 的可以用JONSWAP譜來解析其波浪的內(nèi)部波動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖6 9710號(hào)臺(tái)風(fēng)期間有效波高與譜峰值之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the effective wave height and the spectral peak during Typhoon 9710

3 結(jié) 論

圖7 實(shí)測譜與JONSWAP譜擬合Fig.7 Fitting chart of the measured and the JONSWAP spectra

根據(jù)位于南海北部觀測站的現(xiàn)場實(shí)測資料,分析了1997年6月至8月(夏季)該站位附近的波浪特征,并著重分析了1997-07-31—08-04因9710號(hào)臺(tái)風(fēng)過境引起的波浪變化,給出了有效波高按方向出現(xiàn)的頻率、平均有效波高和最大有效波高的玫瑰圖以及波高、周期聯(lián)合分布表和波高、波向聯(lián)合分布表。據(jù)此得出的主要結(jié)論有:

1)觀測期間波級(jí)較大、歷時(shí)和譜峰周期較長的海浪均出現(xiàn)在1997年8月,1997年6月至7月的大浪非常少。

2)1997年6月最大有效波高為4.32 m,主波向SW;1997年7月最大有效波高3.82 m,主波向S;1997年8月最大波高10.66 m,主波向S。各月份平均有效波高皆＜3 m,1997年6月和1997年7月有效波高均＜2 m。

3)受臺(tái)風(fēng)影響,1997年8月＞2 m 的波浪持續(xù)時(shí)間超過了15 d,達(dá)18.75 d。波向散度區(qū)間98%以上＜90°。主波向聚攏度穩(wěn)定。大風(fēng)期間的主波向以西南向居多。

4)離觀測點(diǎn)最近距離為110 km、中心風(fēng)力11級(jí)的9710號(hào)臺(tái)風(fēng)過境時(shí),經(jīng)實(shí)測譜譜峰與PM 譜譜峰比較得出,風(fēng)浪起主導(dǎo)作用,占整個(gè)波浪的64%。

5)上述臺(tái)風(fēng)過境期間,南海海浪譜為單峰譜,且平均頻率寬度窄。從譜型上看,與JONSWAP 譜型相似。因此,可使用JONSWAP為靶譜來擬合9710號(hào)臺(tái)風(fēng)期間有效波高＞8 m 的海浪的波浪譜。

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