南海北部夏季定點實測波浪統計分析

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.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東 青島266237)

中國南海是一個半封閉的深海盆,平均水深約1 212 m,最大水深約5 567 m。南海北部經臺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,同時是臺風頻發期,故海上實測資料尤為珍貴。南海北部是我國海上石油經濟熱門地區之一。由于波浪要素的變化對海洋工程設施選址、海上作業和安全生產等具有重要的參考價值,故對實測波浪數據進行科學的分析是極為重要的。本文使用1997年南海北部現場實測數據,分析了1997年6月至8月時間段內的包括有效波高、波向、譜峰周期及跨零周期、譜峰波向散布、波面方差等在內的主要波浪參數,并給出其變化規律。同時,對波級、大波最大歷時長度、波譜峰周期及最大歷時長度、有效波高和主波向、有效波高和譜峰周期(Tp)聯合分布進行統計分析。本文基于現場實測資料得到一系列分析結果,旨在為該海區的海洋工程作業提供有效參考。

1 數 據

1.1 觀測數據狀況

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(114°58'33.24″E,21°16'16.91″N)(圖1)進行了海洋水文氣象定點連續觀測,獲得了夏季波浪數據。觀測儀器為當時較為先進的SeaPac 2100方向波浪潮流儀,詳細技術指標見表1。

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

1.2 波浪實測數據

表1 SeaPac 2100方向波浪潮流儀技術指標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。對實測數據進行質量控制,將由于設備提出海面讀取實測數據等工作缺測部分以NAN 補充,不參加統計和繪圖,確保統計數據真實可靠。

利用Wave Pro軟件處理SeaPac 2100方向波浪儀的數據,用以提供動力波壓力(P)、水平流速(Ve、Vn)以及方位(C)等要素。其運用自相關和交叉譜,基于Grosskopf等[1]及Longuet等[2]提出的方法根據上述要素計算出方向譜。經過估算,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算的波面方差的時間序列。

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次發生于1997-06-06—11,記錄最大有效波高達4.32 m,方向SW,譜峰周期7.5 s;第2次發生1997-06-15—18,最大有效波高為3.04 m,方向為S,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,常浪向為SSW,頻率為26.3%,次常浪向為SW,頻率為18.8%;強浪向與此常浪向一致。

1997年7月有2次弱浪過程:第1次發生于1997-07-16—18,最大有效波高達3.66 m,方向S,譜峰周期8 s;第2次發生于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,常浪向為SSW、S,頻率皆為21.7%,次常浪向為SW,頻率為17.1%;強浪向為S,2次弱浪過程都發生在S向。

1997年8月有2次臺風過程經過測點,由圖2可見,2次臺風所引起的波浪變化規律:第1次臺風發生于1997-07-31—08-04,最大有效波高達10.66 m,方向S,譜峰周期10.77 s;2次臺風過程發生于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,常浪向為SSW,頻率為19.5%,次常浪向為S,頻率為19.0%;強浪向為S。

2 波浪統計分析

本次波浪資料統計采用1997年6月至8月共3個月的實測數據。期間因設備更換電池等導致的缺測以NaN 填充。實際使用736 組數據,資料覆蓋率達93.7%。本文依照《海洋調查規范:第2部分 海洋水文觀測》(GB/T 12763.2-2007)進行波浪要素資料處理并統計分析。其中1997年8 月有2 次臺風路徑經過本觀測點附近,其中1997-07-31—08-04的9710號臺風特征較為明顯。由圖3可見,9710號和9713號臺風路徑及觀測站位,由于波級、大波最大歷時長度、波譜峰周期及最大歷時長度、有效波高和主波向、有效波高和譜峰周期波浪要素對海洋工程設施選址以及實際工程海上作業條件分析具有重要意義,所以對波級、大波最大歷時長度等波浪要素進行了聯合分布進行統計分析。

2.1 波級統計

我國和國際上均根據有效波高范圍進行波浪波級的劃分,其劃分要求如表2[3]所示。根據波級(表2)劃分標準,南海東北部觀測點觀測到的1997年6月至8月各月波級統計表見表3。

圖3 9713號和9710號臺風路徑Fig.3 Typhoon tracks of No.9710 and No.9713

表2 波級表Table 2 Wave level table

由表3可知,1997年6月和7月波級≤6級,大浪非常少,＜4級的浪各占1997年6月和7月觀測數據的78.6%和87.1%;1997年8月有大浪達到8級,＜4級的浪占本月觀測數據的56.6%,6級及以上大浪占本月觀測數據的14.0%。

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

2.2 5級以上大波最大歷時長度統計

6級以上大波為有效波高＞4 m 的波浪,通常稱為風暴浪。風暴浪最大歷時長度描述了海面上惡劣海況所持續的最長時間,在海洋工程設計中是一個重要的考量指標。表4給出了南海北部觀測點1997年6月至8月5級以上大波最大歷時長度統計表。

表4 1997年6月至8月各月5級以上大波最大歷時長度(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級的浪最大持續時間為66 h;≥7級的浪最大持續時間為27 h;≥8級大浪的最大持續時間為9 h。這些大波級海浪最大歷時均發生在1997年8月。

2.3 譜峰周期統計

波浪周期是海洋設施動力響應和疲勞度計算的重要參數。表5給出了南海北部觀測點各月譜峰周期出現率(%)統計表。

表5 1997年6月至8月各月譜峰周期出現率(%)統計結果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在11～14 s,而1997年8月最少的譜峰周期出現于14～18 s。

2.4 大波譜峰周期最大歷時長度統計

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長度統計結果為90 h;≥11 s的譜峰周期最大歷時長度為54 h;≥14 s的譜峰周期最大歷時長度為21 h。這些最大歷時長度均發生在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(h)長度統計結果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 波參數統計

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計結果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

蘇紀蘭[4]統計分析了盛行風浪向頻率(%)分布(表8)、孫湘平[5]統計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]

經比較,實測資料統計結果只有平均有效波高和最大有效波高高于統計資料,是因歷年觀測方法、觀測地點不同,又加以9710號臺風等原因所致,其他統計分析結果都是相符的。

由于各月波高、波向出現頻率和平均有效波高、最大有效波高及波向按方位的出現頻率均為海洋工程作業所需要的重要參數,故給出了有效波高按方向出現的頻率、平均有效波高和最大有效波高的玫瑰分布(圖4)、波高、周期聯合分布表(表10)以及波高、波向聯合分布表(表11)。聯合分布表格都以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,以北向為0°,順時針方向旋轉。

圖4 1997年6月至8月逐月及整個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合分布Table 11 Joint distribution of the effective wave height and direction in August 1997

在整個夏季,觀測到的臺風都實發于8月。第一次為7月31日開始至8月3日結束的9710號(VICTOR)臺風;第二次為8月20日開始至8月23日結束的9713號(ZITA)臺風。結果表明,8月有效波高＞2 m的波浪持續時間超過了15 d,達18.75 d;大風期間有明顯大浪過程,一般持續3～5 d;其高波級大浪出現頻率較大(≥8級,出現頻率1.2),持續時間也較長(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的波向散度區間98%以上＜90°,也說明主波向的聚攏度穩定)。由上述頻率統計結果(圖4)可知,西南(SW)范圍內出現主波向的頻率都集中在這個區域,這與文獻[6]觀點一致。

2.6 臺風期間的波浪譜分析

SeaPac 2100方向波浪儀自身數據處理軟件Wave Pro提供了譜峰值的計算結果。1997-07-31—08-04的9710號臺風,其形成初期有一個小的西行過程,然后一直由南向北移動直至登陸。此臺風路徑經過本觀測海域,其離觀測點的最近距離為110 km,臺風中心風力為11級。

臺風過境時,本觀測點上方111 m 高度處最大風力＞10級,譜峰值達到8 000 FT2/Hz。圖5為1997-07-30—08-05臺風期間的波浪要素連續圖,記錄了9710號臺風過境的全部過程。根據現有的資料,在此采用1D-PM 方法[7],以實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浪。在1997-07-31T07:00—08-05T11:00期間,經實測譜譜峰頻率與分割頻率比較得出,風浪起主導作用,占整個波浪的64%。

由Earle[8]給出的分割頻率(fs)分離經驗關系式:

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

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

為了進一步從譜型中研究該測點的風浪特點,我們分析了譜峰值S(fp)和有效波高之間的關系,如圖6所示,在臺風來臨和臺風過后,譜峰值隨有效波高增加的線性關系較弱,這表明譜峰值難以控制波浪譜形式,單在臺風經過測點時,即譜峰＞1 500時,譜峰值隨有效波高的增加線性關系較強,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風浪期間,臺風浪海浪譜具有相似特點,可以確定其譜的形式。

海浪譜是描述實際海浪內部機構的近似波動(正弦波),解析海浪的振幅(波高)與他們的波動頻率之間所存在的關系。目前,海浪譜分析有多種譜模式,根據本次觀測臺風期間的波浪分析,發現觀測點區域海浪譜為單峰譜,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號臺風浪的波浪譜。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ω≤1時,峰形參數σ=0.07;當ω＞1時,σ=0.09。利用JONSWAP譜對實測臺風浪進行擬合時,需要波浪的譜峰值和譜峰圓頻率,它們的實測資料已給出。海浪譜擬合僅對應本臺風期間的最大有效波高＞8 m 海浪進行,擬合結果相似度較高,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,此實測海浪譜與JONSWAP譜吻合度較高。認為9710號臺風期間觀測有效波高＞8 m 的可以用JONSWAP譜來解析其波浪的內部波動結構。

圖6 9710號臺風期間有效波高與譜峰值之間的關系Fig.6 Relationship between the effective wave height and the spectral peak during Typhoon 9710

3 結 論

圖7 實測譜與JONSWAP譜擬合Fig.7 Fitting chart of the measured and the JONSWAP spectra

根據位于南海北部觀測站的現場實測資料,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號臺風過境引起的波浪變化,給出了有效波高按方向出現的頻率、平均有效波高和最大有效波高的玫瑰圖以及波高、周期聯合分布表和波高、波向聯合分布表。據此得出的主要結論有:

1)觀測期間波級較大、歷時和譜峰周期較長的海浪均出現在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)受臺風影響,1997年8月＞2 m 的波浪持續時間超過了15 d,達18.75 d。波向散度區間98%以上＜90°。主波向聚攏度穩定。大風期間的主波向以西南向居多。

4)離觀測點最近距離為110 km、中心風力11級的9710號臺風過境時,經實測譜譜峰與PM 譜譜峰比較得出,風浪起主導作用,占整個波浪的64%。

5)上述臺風過境期間,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號臺風期間有效波高＞8 m 的海浪的波浪譜。

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