杭州灣北部實測波浪特征*

楊 斌 楊萬康 謝華偉 黃賽花

杭州灣北部實測波浪特征*

楊 斌1楊萬康2①謝華偉1黃賽花1

(1. 浙江水利水電學院 浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關鍵技術重點實驗室 浙江杭州 310018; 2. 自然資源部第二海洋研究所 海洋空間資源管理技術重點實驗室 浙江杭州 310012)

為了解杭州灣北部波浪特性, 利用杭州灣北部一年實測波浪資料, 統(tǒng)計分析該地區(qū)的波參數(shù)變化特征, 運用回歸分析獲得波參數(shù)之間的相關關系, 并用譜參數(shù)及波譜形態(tài)分析了實測波浪頻譜的變化特性。結果表明, 與杭州灣南部海域波浪特性明顯不同之處是熱帶氣旋對本觀測水域波浪的影響強度大于冬季季風的影響強度, 較大波浪主要由熱帶氣旋引起, 并且路徑相似的熱帶氣旋在杭州灣南、北部測點引起的最大波浪其參數(shù)較為接近。研究水域常浪向分布在東東北至東南向, 強浪向主要分布在東東北方向。研究成果可為河口海灣相關工程的設計建造和沿海防災減災提供重要參考。

波浪特征; 杭州灣; 波參數(shù); 頻率譜; 臺風浪

沿海波浪特性是近岸工程需要了解的一個重要因素, 而且也是近些年來國內(nèi)外學者經(jīng)常關注的內(nèi)容。世界各地關于實測波浪特性分析的研究報道較多: Yang等(2014)利用1 a實測波浪資料對黃海輻射沙洲波浪的統(tǒng)計特性、譜特性和波群特性進行了研究, Amrutha等(2017)利用淺水區(qū)域四個測站各一個月的實測波浪資料對印度沿海夏季季風浪統(tǒng)計特性和譜特性進行了分析, Anoop等(2014)和Nair等(2017)對印度西海岸淺水海域波浪時空變化和譜形特性進行了研究報道。Shanas等(2017, 2018)人對紅海東岸中部的波浪來源進行研究以及對該區(qū)域波浪譜特性進行了分析。楊斌等(2017)分析了舟山島東北部沿海深淺水兩個測站的臺風影響下的波浪特性。Xiong等(2020)利用江蘇、浙江和福建沿海合計五個測波點的短期測波資料, 側(cè)重分析了不同水深測點的波高、波壓力和軌道速度之間的分布特性, 并提出了一個推算波高的經(jīng)驗公式。Zhou等(2020)分析了浙江中部三門灣某測波點的波浪特性, 尤其對影響最大的臺風浪過程進行了詳細分析。上述學者研究實測波浪的方法主要有波參數(shù)之間的回歸分析、參數(shù)變化的數(shù)理統(tǒng)計和波浪頻率譜或者方向譜的波譜理論分析, 從年、季、月, 甚至天的時間尺度對研究水域波浪進行分析, 目的是深入了解海域波浪的外部波參數(shù)變化特征和內(nèi)部波譜變化特性。

關于杭州灣實測波浪特征的論文亦有見報道, 其中茹榮忠等(1985)利用杭州灣乍浦、灘滸和游山海洋水文觀測站的實測風和波浪資料統(tǒng)計分析了杭州灣風浪分布規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)杭州灣冬季盛行偏北風, 以西北風為主, 夏季盛行偏南風, 常浪向為N-ENE向, 強浪向為NE。夏期頤等(1994)基于多種風浪要素計算方法, 根據(jù)實測風浪資料研究分析了長江口和杭州灣地區(qū)的風浪關系。楊斌等(2018)基于杭州灣中部偏南水域某測點的波浪資料進行了波浪特性分析, 發(fā)現(xiàn)資料中的一個最大波浪過程是由冷空氣影響所致, 影響強度大于資料中的臺風影響過程, 并且冷空氣影響次數(shù)比臺風頻繁?？傮w而言, 由于早期波浪的測量頻次較低, 導致研究并不詳細和深入, 而近些年的儀器觀測性能均顯著提高, 對波浪的分析也進一步深入并且較為全面。因此, 對于杭州灣北部的實測波浪特性研究總體上是不夠的, 也未見詳細研究成果見諸報道, 有必要進行分析。

本文利用杭州灣北部一年實測波浪資料, 分析杭州灣北部的波浪變化特性。具體為對觀測期內(nèi)的波參數(shù)變化進行統(tǒng)計分析, 并進行波參數(shù)之間的相關性和波譜特性的研究, 還對觀測到的典型臺風浪過程進行了闡述, 并重點與南部已有分析成果進行了對比研究。本研究可為杭州灣北部水域相關工程建設和區(qū)域波浪數(shù)值模擬研究提供有效的波浪基礎資料。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測區(qū)域及內(nèi)容

杭州灣位于東中國海西部, 經(jīng)度大致為120.85°～ 121.85°E的水域(圖1), 南北有陸地為其邊界, 東邊有舟山群島。杭州灣內(nèi)的水下地形總體上變化較為平緩, 大部分區(qū)域的海圖水深約為7～10 m, 灣內(nèi)分布有一些小島嶼, 島嶼附近水深變深, 西北部有深槽, 其邊緣為10 m等深線圈, 線圈里深槽最深處約有46 m, 東及東南向接近島嶼附近水深相對較深, 東北至東南方向均有大小不等的出口面向東海, 其中東北東向的出口開敞程度大于東南東向。

本文波浪測站位于杭州灣北部(圖1), 位置離北岸垂直距離為14.1 km, 平均水深約為10.9 m。波浪測量周期自2014年4月1日至2015年3月31日, 測量周期內(nèi)均利用聲學多普勒波浪流速剖面儀(acoustic wave and current profiler, AWAC)進行觀測, 每小時測量一次波面, 一次采樣持續(xù)1 024 s, 采樣間隔為0.5 s, 一次記錄2 048個波面數(shù)據(jù)。AWAC主要運用聲表面追蹤方法測波, 所測數(shù)據(jù)經(jīng)過儀器配套的Storm處理軟件可計算波參數(shù)和波譜等數(shù)據(jù)(Pedersen, 2002)。

圖1 波浪站位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文所用波面數(shù)據(jù)經(jīng)過Storm軟件采用跨零統(tǒng)計方法可統(tǒng)計有效波高1/3及有效周期1/3, 顯著波高1/10及顯著周期1/10, 最大波高max及其對應周期max, 平均波高mean及平均周期mean等參數(shù)。該軟件采用SUV(acoustic surface tracking and horizontal velocityand)方法計算波向(Pedersen, 2005), 運用快速傅里葉變換方法計算頻率譜, 得到自由度為64的平滑頻譜, 譜高頻截斷為1 Hz, 分辨率為0.01 Hz, 還可以輸出譜計算的有效波高m0、譜計算平均周期02、譜峰周期p(譜峰頻率p的倒數(shù))等參數(shù)。另外, 本文計算了零階矩0、譜峰值max、平均周期01、譜寬度和相關系數(shù)等參數(shù)。其中部分參數(shù)的定義為

式中,m是指第階矩; ?為頻率, 單位為Hz;(?)為波能密度譜值, 單位為m2/Hz。

在剔除明顯異常數(shù)據(jù)后, 本文共選取8 282組(占全年的94.5%)有效數(shù)據(jù)用于分析。

2 波參數(shù)統(tǒng)計分析

2.1 年月變化統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計得到有效波高年變化范圍及年均值為0.03～1.81 m和0.40 m, 最大波高范圍及均值為0.05～3.11 m和0.68 m, 平均周期范圍及均值為1.5～5.4 s和2.8 s, 譜峰周期范圍及均值為1.0～16.7 s和3.6 s(數(shù)據(jù)曲線圖見圖2), 其中對譜峰周期超過10 s的波浪進行分析發(fā)現(xiàn), 多數(shù)波浪來自ENE向, 該方向是外海波浪可直接傳至觀測點水域的方向, 總體而言研究水域多為波高偏小的短周期波浪。

最大波高月均值變化趨勢與有效波高月均值變化趨勢一致(圖3), 有效波高月均最大值為0.52 m, 出現(xiàn)在9月, 最大有效波高1.81 m、最大波高月均值的最大值為0.89 m和最大波高3.11 m均出現(xiàn)在9月, 主要因為當月受強熱帶風暴影響。平均周期月均值變化趨勢與譜峰周期月均值變化趨勢亦較為一致, 波動范圍較小, 而每月的最大譜峰周期變化相對較大, 最大譜峰周期16.65 s出現(xiàn)在11月。

圖2 2014年4月1日至2015年3月31日的有效波高H1/3 (a), 平均周期Tmean和譜峰周期Tp (b), 平均波向的時間序列(c)

圖3 波參數(shù)的月最大和月均值變化圖

經(jīng)分析得知最大的一次波浪過程為強熱帶風暴“鳳凰”(Fung-wong, 201416號)引起, 其波浪過程總體強于冬季冷空氣引起的較大波浪過程, 這與杭州灣南部海域的研究結果相反(楊斌等, 2018)。在冬季, 杭州灣多出現(xiàn)冷空氣引起的偏北風, 引起的波浪也多為偏北向, 此次冬季波浪的有效波高均值為0.35 m, 平均波周期為2.6 s, 均小于年均值, 說明冬季平時波浪波高不大。冬季冷空氣引起的最大一次波浪過程中最大有效波高1.17 m, 對應平均波周期3.9 s, 波向WNW向, 波高遠小于南部冬季時期實測最大有效波高2.21 m, 對應平均波周期5.47 s, 波向為NW向(楊斌等, 2018)。具體原因為本次波浪觀測點位置靠近杭州灣北岸, 偏北風的風區(qū)相對較短, 導致冷空氣在測點產(chǎn)生波浪總體小于強熱帶風暴引起的波浪, 也小于杭州灣南部區(qū)域的波浪。

強熱帶風暴“鳳凰”為自南向北穿過杭州灣海域的熱帶氣旋, 其以熱帶風暴形式誕生于菲律賓以東海域, 后沿西北向行進至菲律賓北端升級成強熱帶風暴, 接著北上至浙江寧波象山附近登陸, 繼續(xù)北上, 至杭州灣中部時降為熱帶風暴繼續(xù)北上至啟東市, 然后沿東北方向進入黃海, 接近韓國時消失。若以大于0.4 m有效波高來記錄該氣旋對觀測點的影響歷時, 從9月20日17時開始觀測點的波浪開始增大, 到23日0時影響達到最大, 此時氣旋中心接近但還未到杭州灣內(nèi), 隨后氣旋中心穿過杭州灣北上, 24日15時后觀測點波浪明顯減小, 整個影響過程歷時95 h。平均周期的變化趨勢是先從2.4 s波動式增長到5.4 s, 后波動式減小到2 s。在氣旋中心位于觀測點南方時波浪波向主要為ENE向, 之后波向主要為偏西方向。在觀測點產(chǎn)生的最大波高3.11 m出現(xiàn)在23日0時, 對應有效波高為1.81 m, 平均周期為4.5 s, 波向為ENE向(見圖2)。這與杭州灣南部一次臺風莫拉克引起的最大有效波高1.76 m接近, 對應平均周期4.2 s, 波向E向(楊斌等, 2018), 兩個臺風在杭州灣附近的路徑較為相似, 引起的波參數(shù)大小也接近。因此, 本次“鳳凰”引起的最大波浪比冬季冷空氣引起的最大波浪高。

各月以及全年各級別波高的出現(xiàn)頻率見表1, 由表可知, 測量水域全年以0.1～0.5 m小浪為主, 占六成多, 其次為0.5～1.0 m的波浪, 占25.24%, 1 m以上的波浪占比甚少。各月也以小浪出現(xiàn)頻率最高, 其中冬季占比相對較小; 各月占比次多為0.5～1.0 m波浪; 1 m以上波浪主要出現(xiàn)在7～9月, 即熱帶氣旋影響較多的月份。

2.2 波高周期聯(lián)合分布

由各級有效波高和平均周期的聯(lián)合統(tǒng)計可知, 全年中周期為2～3 s的波浪占近六成, 其中占比最多為0.1～0.5 m波浪, 占44.29%, 集中度稍高于杭州灣南部觀測數(shù)據(jù); 其次為3～4 s的波浪, 占兩成多, 4 s以上波浪只占4.1%, 稍低于杭州灣南部觀測數(shù)據(jù)(楊斌等, 2018)。因此, 本文波浪主要以0.1～1.0 m、2～4 s為主, 大于1 m的波浪其波周期主要分布在3～5 s, 總體上浪大波周期也大。

表1 2014年4月至2015年3月各級有效波高出現(xiàn)頻率(單位: %)

Tab.1 The occurrence frequency of significant wave height at all levels from April 2014 to March 2015 (unit: %)

注: “—”代表無數(shù)據(jù)

2.3 波向

本文波浪來向主要分布于ENE至SE向, 全年出現(xiàn)頻率為62.76%, 其中E向波浪出現(xiàn)頻率最高, 占20.55% (圖4)。1 m以上波浪亦出現(xiàn)在ENE-SE向, 其中強浪向為ENE向。常浪向以2～3 s的短周期波浪為主, 其次是3～4 s, 5～6 s的較長周期波浪出現(xiàn)在ENE和E向, 其中ENE向波浪出現(xiàn)較多, 多數(shù)出現(xiàn)在9月份熱帶氣旋引起的波浪中(圖5)。

3 波參數(shù)相關分析

3.1 波高

研究顯示, 特征波高之間的比值關系常常與理論關系較為接近。本次實測數(shù)據(jù)的特征波高之間均有良好的相關性, 具體見圖6a～6d。由相關分析得到max/1/3、1/10/1/3、1/3/mean的值分別為1.70、1.26和1.57, 與杭州灣中南部波參數(shù)的對應比值基本一致(楊斌等, 2018), 其中max/1/3值大于瑞利分布的值1.53, 后兩者稍低于瑞利分布的1.271和1.598 (Longuet-Higins, 1952)。有效波高1/3與零階距0的開方之比為3.67 (圖6d), 小于杭州灣中南部統(tǒng)計的比值3.72 (楊斌等, 2018)以及理論比值4.0, 主要原因為波浪淺水效應, 不同水域淺水效應并不相同, 導致比值不一致。此外, 理論瑞利分布的關系是基于深水風浪數(shù)據(jù)推導所得, 而本研究海域水深較淺, 波浪傳播時發(fā)生了淺水變形, 導致特征參數(shù)之間的比值與理論值不同。

圖4 各級有效波高各向出現(xiàn)頻率

圖5 各級平均周期各向出現(xiàn)頻率

3.2 波周期

分析顯示部分特征波周期之間亦有較好的相關關系, 其中mean與1/3、1/10、譜計算的01、02的相關性均較好, 相關系數(shù)分別為0.95、0.88、0.99、0.99, 同時擬合得到的關系式分別為1/3=1.16mean,1/10=1.17mean,01=1.01mean,02=0.94mean(圖6e～ 6h)。mean與max、p的相關性相對較差, 相關系數(shù)分別為0.59和0.68。p和max屬于單個波周期, 并不代表某種平均意義, 所以與平均周期相關性較差。這些特征波周期之間的關系式與杭州灣中南部統(tǒng)計得出的關系式十分相近。因此, 雖然實測波參數(shù)的分布在各個海域會有所不同, 但對于同處于杭州灣區(qū)域的波浪而言, 特征波波參數(shù)之間的相關關系變化并不大。

3.3 波高與波周期

分析平均周期與有效波高的關系得知兩者相關性并不顯著, 相關系數(shù)為0.58。通過按16方位波向各個方向分別計算兩者相關系數(shù)(圖7)可知, W-NW向的有效波高與平均周期的相關系數(shù)較大, 其中又以W向最大, 為0.78, 但實際上W-NW向波浪出現(xiàn)頻率很低(圖4)。相關系數(shù)次大的方向為E-SE向, 這些方向是波浪出現(xiàn)頻率高的方向, 而偏北向和偏南向的相關系數(shù)較小, 波高與周期之間的相關性較差。

4 譜特性

研究區(qū)域譜寬度年均值為0.39, 小于杭州灣中南部波浪的譜寬度0.41, 全年最大譜密度的最大值為2.65 m2/Hz, 年平均為0.15 m2/Hz, 均小于杭州灣中南部波浪的值, 主要原因為本次觀測點位置靠近北岸, 除了熱帶氣旋以及較大偏南風能產(chǎn)生較大波浪, 冬季寒潮大風在觀測點引起的波浪相對過境熱帶氣旋引起的波浪明顯偏小, 因此, 相對中南部水域少了一個引起大波浪的因素。由譜寬度和譜密度的月均值以及月最大值的統(tǒng)計可知, 譜寬度月均值波動較小, 秋冬季稍微小于年均值; 9月的平均最大譜密度為0.26 m2/Hz, 明顯大于年均值, 1月份的均值最小, 為0.07 m2/Hz, 明顯低于年均值(圖8), 這表明季節(jié)性臺風對波譜能量有明顯增大作用, 而冬季偏北風引起的波浪譜能量相對較小。

分析波浪譜形態(tài)得知杭州灣北部波浪譜以單峰為主, 占比81.7%, 也存在多峰, 占比12.9%, 其波浪單峰和多峰譜形見圖9。進一步分析顯示單峰譜波浪的平均波高為0.42 m, 而多譜峰波浪的平均波高比單峰譜波浪小, 為0.23 m, 多數(shù)單峰譜波浪波高較多峰譜波浪波高大。對于工程中關注較大波浪的情況, 有效波高大于0.8 m的波浪譜形為單峰的占總數(shù)據(jù)的5.72%, 而多峰譜數(shù)據(jù)占0.13%, 表明較大波浪中出現(xiàn)的單峰波浪明顯多于多峰波浪。

5 結語

根據(jù)杭州灣北部測波站一年的波浪資料, 采用統(tǒng)計方法著重與前人研究成果進行了對比分析, 研究了特征波參數(shù)的變化特性, 分析了波參數(shù)的相關性和波浪頻譜特征, 得到如下結論:

圖6 波參數(shù)散點關系圖

注:表示相關系數(shù)

圖7 有效波高和平均周期的相關系數(shù)(r)玫瑰圖

(1) 研究水域多為波高偏小的短周期波浪, 波高總體小于杭州灣偏南部水域的值, 波高月均值與波周期月均值的波動均較小, 有效波高1 m以上的較大波浪出現(xiàn)甚少, 主要出現(xiàn)在夏秋季的熱帶氣旋影響時期。

(2) 本觀測點離北岸較近, 偏北風風區(qū)較短, 導致冬季冷空氣引起的最大波浪小于杭州灣南部冬季最大觀測值, 也小于熱帶氣旋在杭州灣北部引起的最大波浪, 這是與杭州灣南部波浪明顯不同之處, 但本次分析得出路徑相似的熱帶氣旋在杭州灣南、北部測點引起的最大波浪其參數(shù)較為接近。

(3) 常浪向和強浪向的范圍均與杭州灣南部波浪稍微不同, 其中常浪向出現(xiàn)在ENE-SE向, 其中又以平均周期為2～3 s的小浪出現(xiàn)較多。強浪向為ENE向, 較大波浪的出現(xiàn)方向分布與出現(xiàn)頻率較高的波浪方向分布較為一致。大于1 m波浪其波周期主要分布在3～5 s, 長周期(大于4 s)波浪出現(xiàn)概率小于杭州灣南部的值。

圖8 譜參數(shù)月最大和月均值變化圖

圖9 實測波浪單峰和多峰譜圖

(4) 本研究揭示了杭州灣北部波浪特性, 豐富了區(qū)域波浪理論, 亦可為北部沿海及海上工程建設提供波浪分析成果, 但由于年內(nèi)極端風浪出現(xiàn)較少, 需要繼續(xù)積累長期數(shù)據(jù), 才能更全面分析極端風浪特性。

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CHARACTERISTICS OF MEASURED WAVES IN THE NORTH OF HANGZHOU BAY, EAST CHINA SEA

YANG Bin1, YANG Wan-Kang2, XIE Hua-Wei1, HUANG Sai-Hua1

(1.Key Laboratory for Technology in Rural Water Management of Zhejiang Province, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China; 2. Key Laboratory of Ocean Space Resource Management Technology, the Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China)

To understand the wave characteristics of northern Hangzhou Bay, We analyzed statistically the variation characteristics of measured wave parameters in the northern Hangzhou Bay, East China Sea based one-year observation data, from which correlations among wave parameters were obtained by regression, and the variation characteristics of measured wave spectrum were analyzed with spectral parameters and spectral morphology. Results show that the effect of tropical cyclones on the observed waves is stronger than that of winter monsoon, which is obviously different from that of the southern Hangzhou Bay. Large waves are mainly caused by tropical cyclones, and the parameters of the maximum waves induced by tropical cyclones of similar path in the southern and northern wave stations of Hangzhou Bay are similar. The direction of dominant wave of the study area is from ENE to SE, while the strong wave direction is ENE. This study provided an important reference for design and engineering of marine constructions, and for coastal disaster prevention and mitigation.

wave characteristic; Hangzhou Bay; wave parameter; frequency spectrum; typhoon wave

* 浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關鍵技術重點實驗室開放基金資助項目, ZJWEU-RWM-20200102B號; 浙江省自然科學基金青年基金項目, LQ20D060003號。楊 斌, 講師, E-mail: yb19841014@163.com

楊萬康, 碩士生導師, 高級工程師, E-mail: yangwankang@126.com

2021-11-25,

2022-01-14

TV139.2

10.11693/hyhz20211100296