長江口附近海域周年波浪特征分析

李冠宇，邱文博，胡軼群，王亞丁

(國家海洋技術中心，天津 300111)

引 言

長江口地處東海之濱，該地區(qū)是我國人口密度最高、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一。該處海域受亞熱帶季風控制，冬季常受北方冷空氣侵擾，夏秋兩季均受臺風影響，波浪作用強烈[1]。

近年來已有學者對長江口近海海域的波浪做了一些研究，以再分析數(shù)據(jù)[2]、實測數(shù)據(jù)[3-4]或者數(shù)值模擬研究為主[5-12]。例如吳秋原[2]利用歐洲中期預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECWMF)再分析資料對近40年(1979—2018年)長江口及其鄰近海域風、浪要素進行系統(tǒng)化、網(wǎng)格化的分析；孔令雙等[5]利用MIKE21模型對長江口海域在“鳳凰”臺風期間的波浪場進行了模擬計算，結果顯示出水位對波高的影響是比較明顯的。任劍波等[6]針對遠區(qū)臺風對河口波浪動力場的影響問題,利用第三代波浪模式SWAN計算了遠區(qū)臺風“三巴”期間長江口波浪動力場分布,分析了陸架至河口區(qū)的波浪能量耗散和波致泥沙侵蝕的時空分布。

在海洋工程應用中，基于實測資料的波浪要素特征分析具有更高的應用價值。因經(jīng)濟成本等原因，實際中幾乎不可能獲得高時空分辨率的觀測資料，特別在長江口區(qū)海域，由于沖淤演變、海陸相互作用、海岸及航道工程等諸多因素的影響，往往導致波浪場本底環(huán)境的變化，因此波浪的分布亦具有局地性較強的特征。依靠多布點的現(xiàn)場觀測不僅在經(jīng)濟效益上不可取，而且實際操作也難可行，因此在研究中實測數(shù)據(jù)獲取的波浪特征分析較少。基于上述原因，本文利用長江口近岸海域連續(xù)一年的海浪觀測數(shù)據(jù)，對海浪基本要素進行了統(tǒng)計分析,給出長江口海域波浪的基本特征，統(tǒng)計和分析長江口海域大浪過程與熱帶氣旋活動的關系,并選取其中一個臺風浪過程進行分析，研究臺風過程中該海域海浪的特征和演變規(guī)律,為長江口的海浪預報等工作提供一定的參考。

1 資料來源及處理

1.1 資料來源

觀測站位于長江口東南側，經(jīng)度為123°08.11′E，緯度為30°42.91′N，水深約為61m,岸邊數(shù)據(jù)接收站距其109 km。采用觀測儀器為荷蘭Datawell公司出產(chǎn)的Waverider(波浪騎士)浮標,型號為DWR-MK Ⅲ。觀測工作自2011年1月1日0時開始,至2011年12月31日23時結束。儀器設置每1 h觀測一次波浪,每次連續(xù)記錄30 min,采樣頻率為1.28 Hz。根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，氣旋期間該儀器正常工作。熱帶氣旋軌跡資料來源于中國氣象局熱帶氣旋資料中心每6 h一次的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。圖1標注了觀測站位的地理位置及臺風路徑。

圖1 觀測點位置及臺風路徑

1.2 資料處理

本文首先對一年期數(shù)據(jù)開展質(zhì)量控制，剔除異常值。其中儀器默認的缺測值為999，可以首先被剔除。與序列平均值的偏差超過3倍標準差的測定值，稱為異常值，是否被剔除，根據(jù)風速等情況而定，剔除后共獲取8732組數(shù)據(jù)。

2 海浪要素的基本特征

對長江口海域2011年1月—2011年12月期間一年的海浪實測資料進行統(tǒng)計分析。波高分級的標準參考祁祥禮等[13]的研究：有效波高(Hs)介于0～0.5 m、0.5～1.25 m、1.25～2.5 m、2.5～4 m、>4 m，分別劃分為小浪、輕浪、中浪、大浪和巨浪。周年觀測結果顯示，長江口內(nèi)波浪一般較小，輕浪為主，中浪次之，巨浪最少，5種波浪所占頻率分別為12.03%，50.20%，33.60%，3.70%和0.48%。觀測期間最大有效波高(Hs)達7.4 m。下文分別從海浪要素的月平均值、極值變化特征等方面進行分析。

2.1 月平均值和極值變化特征

觀測期間有效波高(Hs)和有效周期(Ts)的時間變化見圖2，波浪月特征值及年特征值統(tǒng)計結果見表1，可知：觀測期間，年Hs平均值為1.2 m，1月平均有效波高值最大，可達1.5 m；因受臺風影響，最大Hs出現(xiàn)在8月，達7.4 m；最大H1/10為9.0 m，對應的周期為12.0 s。

表1 觀測期間波浪特征值(波高單位為m，周期單位為s)

圖2 觀測期間有效波高(Hs)和有效周期(Ts)的時間變化

2.2 波高周期聯(lián)合分布

觀測站水深約為61 m,根據(jù)文獻[14]，淺水因子H=h/d的范圍在0.001 6～0.080 3之間，均小于0.1，其中h為平均波高(單位:m)，d為水深(單位:m),因此觀測期間獲取的波浪均屬于深水波。作為隨機量的波高與周期，遵從一定的聯(lián)合概率分布，按實測有效波高以0.5 m、有效周期以1.0 s為間隔,統(tǒng)計波浪在每一間隔內(nèi)出現(xiàn)的頻率,全年有效波高與有效周期的聯(lián)合分布如圖3所示。有效波高在1 m以下的出現(xiàn)頻率為48.9%,有效波高介于1～2 m的概率為42.3%，觀測期間有效周期在3～14 s之間,說明該區(qū)域以風浪為主，兼有涌浪存在。有效波高1.5 m以上的波浪對應的有效周期均大于4 s，主要集中在5～8 s之間；有效波高4 m以上有效周期介于7～14 s之間，有效波高6 m以上有效周期介于11～14 s之間，其中有效波高最大值為7.4 m，對應的有效周期為11.1 s,發(fā)生于2011年8月7號1時，該波高是由臺風“梅花”引起的臺風浪，中國氣象局熱帶氣旋資料中心顯示該時刻臺風位于測點東南部，中心風力達40 m/s。

表2 觀測期間有效波高(Hs)及有效周期(Ts)的聯(lián)合分布頻率

圖3 觀測期間有效周期 (Hs)和有效波高(Ts)的聯(lián)合分布圖

2.3 風浪關系

圖4 海面10m高度風速U10與有效波高Hs的擬合

3 典型臺風浪特征分析

觀測期間共有2個臺風生成，分別為2011年第5號熱帶風暴“米雷”和第9號超強臺風“梅花”(圖1)，其中臺風“梅花”活動期間,觀測點觀測到最大浪高達11.3 m,本文選取該臺風浪過程進行分析,以了解此過程中長江口災害性海浪的特征和演變規(guī)律。

3.1 臺風概況

2011年第9號熱帶風暴“梅花”于7月28日14時在菲律賓以東洋面生成，中心位于11.7°N、135.0°E，中心附近最大風力8級(18 m/s，相當于65 km/h)，最低氣壓998百帕；7月30日8時加強為強熱帶風暴，中心附近最大風力11級(30 m/s)，14時升級為臺風，20時又升級為強臺風，于31日2時加強為超強臺風。7月31日20時，減弱成強臺風，8月3日凌晨再次加強為超強臺風。8月6日15時，“梅花”中心位于浙江省舟山市東偏南方大約310 km的東海海面上(28.6°N，125.0°E)，中心附近最大風力13級(40 m/s)，中心最低氣壓960百帕，已減弱為臺風?！懊坊ā庇?011年8月7日晚上減弱成為強熱帶風暴，8月8日5時，其中心位于遼寧省丹東市南偏西方大約380 km的黃海中部海面上，附近最大風力為10級(28 m/s)，中心最低氣壓為980百帕。

3.2 臺風浪特征

圖5給出“梅花”期間觀測點有效波高(Hs)、有效周期(Ts)、10 m高度處風速(U10)隨時間的變化過程曲線。8月4日之前,風速較小,一般不超過10 m/s,風向以偏南風為主，有效波高基本不足1 m，但是有效周期明顯受涌浪的影響，基本處于9—11 s之間。8月6日，風速開始增加，波高隨后開始出現(xiàn)增長，波浪組成中風浪部分開始增多，至8月6日開始，臺風逐漸靠近觀測點時,波高開始急劇增大，至7日1時，距離觀測點最近，風速為28.3 m/s，觀測點出現(xiàn)最大有效波高為7.4 m，對應的有效周期為11.1 s，以風浪為主。隨著強臺風“梅花”風場遠去，波高開始回落，8月8日0時,有效波高僅為2.2 m。隨著風浪減弱，有效周期開始減少，最大值不足9 s。8月9日以后,觀測到波浪的最大有效波高維持在1 m左右，有效波高對應的周期約為6—7 s,此時是以涌浪為主的混合浪。波浪變化過程與強臺風“梅花”風場變化密切相關，強臺風“梅花”靠近觀測點時中心附近最大風速約為30 m/s,臺風中心距離觀測點約90 km，在強風作用下，波高急劇增大,僅0.5 d有效波高就從3.6 m增大到7.4 m。由于強臺風“梅花”的移動速度較快，隨著觀測點所在海域遠離大風區(qū)，風浪波高迅速回落，但外海傳來的涌浪繼續(xù)影響長江口海域，使得臺風過后海區(qū)波浪有效波高還維持在約1 m左右。

圖5 “梅花”期間有效波高Hs、有效周期Ts和10m高度處風速U10隨時間變化過程

對比陳曉斌等人[17]結果，可以看出目前數(shù)值模型在模擬臺風浪過程中，依舊存在大波波高模擬能力不足的問題，除采取驅(qū)動風場優(yōu)化措施外，如何刻畫臺風下的海氣相互作用也是當下研究的熱點。

4 結論

本文利用長江口附近海域2011年1月—12月長達1年的海浪實測資料,對海浪基本要素及大浪過程與熱帶氣旋活動的關系進行統(tǒng)計分析，并選取一個典型臺風過程的波浪進行研究。結果總結如下：

(1)觀測期間，年Hs平均值為1.2 m，1月平均有效波高值最大，可達1.5 m；因受臺風影響，最大有效波高出現(xiàn)在8月，達7.4 m；最大H1/10為9.0 m，對應的周期為12.0 s。

(2)觀測期間，有效波高Hs在1 m以下的出現(xiàn)頻率為48.9%,有效波高Hs介于1～2 m的概率為42.3%，觀測期間有效周期在3～14 s之間,說明該區(qū)域以風浪為主，兼有涌浪存在。

(3)本地區(qū)的有效波高H1/3和風速U10具有較弱的線性關系，指數(shù)關系擬合效果更好。

(4)強臺風“梅花”活動期間,觀測站觀測到最大有效波高H1/3達7.4 m。長江口臺風浪波型先是由涌浪發(fā)展為風浪與涌浪比重相當?shù)幕旌侠?當臺風中心接近觀測站時出現(xiàn)風浪波型,隨后向混合浪演變。波型變化與一般臺風浪波型的演變規(guī)律較為一致。