周昳鳴,楊立華,郇彩云,劉 榮

(1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司,北京 102209; 2.華能國(guó)際電力江蘇能源開發(fā)有限公司清潔能源分公司,江蘇 南京 210015; 3.浙江省深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310014; 4.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310014)

0 引言

波浪是重要的海洋水文要素,是海洋工程建設(shè)和海洋生態(tài)保護(hù)的重要參數(shù)之一。隨著浙江省海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各種大型海洋工程陸續(xù)開工建設(shè),諸如海上風(fēng)電場(chǎng)、跨海橋梁隧道、海底管線等。在臺(tái)風(fēng)等極端天氣條件下,波浪的巨大破壞力會(huì)給海洋工程構(gòu)筑物帶來極大的安全隱患。因此,對(duì)工程海域的波浪參數(shù)分布特征、尤其臺(tái)風(fēng)浪特征進(jìn)行研究具有理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)學(xué)模型是研究波浪的兩種常用手段。浙江海域的波浪研究主要集中在杭州灣、舟山群島、三門灣、臺(tái)州灣、南麂列島等區(qū)域。楊斌 等[1-2]利用杭州灣中部一年實(shí)測(cè)波浪資料分析了波參數(shù)年內(nèi)變化特征、波參數(shù)相關(guān)關(guān)系和頻譜特性,還利用過境舟山東北部海域的6個(gè)臺(tái)風(fēng)浪資料分析了臺(tái)風(fēng)浪期間的波高、周期、頻譜變化過程,并探討了舟山東北部海域在不同臺(tái)風(fēng)路徑、不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響下的波浪成長(zhǎng)衰減過程。周陽(yáng) 等[3]利用三門灣一年實(shí)測(cè)波浪資料進(jìn)行波參數(shù)統(tǒng)計(jì)和線性回歸分析,探討了臺(tái)風(fēng)影響下波參數(shù)和波浪譜的變化過程。劉海源 等[4]根據(jù)臺(tái)州灣外海大陳島40年的風(fēng)浪資料建立波浪數(shù)學(xué)模型,計(jì)算臺(tái)州灣不同重現(xiàn)期波浪要素,分析波浪年分頻分級(jí)情況,得出H4%超過1 m的頻率在每年20天以下,建港的波浪條件較好。郭敬 等[5]利用1949—2016年期間對(duì)南麂列島海域影響嚴(yán)重的118場(chǎng)臺(tái)風(fēng)浪資料,基于SWAN波浪模型計(jì)算年極值波浪場(chǎng),分析了不同重現(xiàn)期波浪空間分布場(chǎng),從防災(zāi)減災(zāi)的角度為當(dāng)?shù)貪O業(yè)養(yǎng)殖的規(guī)劃布局提供參考依據(jù)。黃樹生[6]統(tǒng)計(jì)分析了南麂島站1960—1989年的實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)該海域以3級(jí)波浪(輕浪)為主,各向平均波高為0.8～1.4 m,各向平均周期為4.7～5.7 s,7—10月的最大波高較大,測(cè)得的最大波高為10.0 m。

由于長(zhǎng)周期波浪觀測(cè)具有成本高、設(shè)備維護(hù)困難等特性,因此蒼南近岸海域長(zhǎng)周期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波浪資料較少。因蒼南近岸海域距離南麂列島較近,在一般工程應(yīng)用上常用南麂島站波浪數(shù)據(jù)通過數(shù)值模擬推算蒼南近岸工程海域的設(shè)計(jì)波浪。局部海域的波浪特征與其具體的水文氣象動(dòng)力條件和地形地貌條件有關(guān)[7],考慮到數(shù)值模擬的精確度問題,對(duì)于大型工程而言不能用南麂島海域的波浪特征完全代表蒼南近岸海域的波浪特征。本文利用蒼南近岸海域波浪觀測(cè)站一年實(shí)測(cè)波浪資料,統(tǒng)計(jì)分析各波參數(shù)的分布特征和波高-周期的聯(lián)合分布特征,運(yùn)用最小二乘法擬合分析波參數(shù)的相關(guān)關(guān)系,估算波浪能水平,分析典型臺(tái)風(fēng)浪特征,以期為該局部海域的海洋工程建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供相對(duì)精確的基礎(chǔ)資料。

1 數(shù)據(jù)獲取和處理

波浪觀測(cè)站位于蒼南近岸(見圖1),離岸約40 km,距離南麂列島以南約 30 km,水深約30 m。觀測(cè)站周圍無明顯遮擋,可觀測(cè)到各方向的來波,波浪代表性較好。采用挪威Nortek公司的聲學(xué)多普勒波浪流速剖面儀(acoustic wave and current meter,AWAC ) “浪龍”座底觀測(cè)?！袄她垺辈捎寐晫W(xué)表面跟蹤(acoustic surface tracing,AST)法測(cè)波,每小時(shí)測(cè)量一次波面,采樣頻率為1 Hz,一次可采集1 024個(gè)波面數(shù)據(jù),觀測(cè)周期為2019年7月1日—2020年6月30日。處理異常數(shù)據(jù)后共計(jì)獲取8 774組完整波浪數(shù)據(jù),獲取率為99.89%。用配套的Storm軟件處理數(shù)據(jù),可得到波高、周期、波向等波要素,包括最大波高Hmax及其對(duì)應(yīng)周期Tmax、十分之一波高H1/10及其對(duì)應(yīng)周期T1/10、有效波高H1/3及其對(duì)應(yīng)周期T1/3、平均波高Hmean及其對(duì)應(yīng)平均周期Tmean以及譜峰周期Tp等。

圖1 波浪觀測(cè)站位置示意圖

2 波浪要素統(tǒng)計(jì)分析

2.1 波高、周期年內(nèi)變化特征

各波要素特征值見表1。圖2為觀測(cè)期間有效波高和平均周期隨時(shí)間的變化過程曲線。在觀測(cè)期內(nèi),年平均周期為4.5 s,年最大平均周期為9.2 s;年均有效波高為1.25 m,年最大有效波高為7.09 m;年均十分之一波高為1.58 m,年最大十分之一波高為9.12 m;年均最大波高為2.07 m,年最大波高為10.80 m。在2019年8月和2019年10月,受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和“米娜”影響,各級(jí)波高均明顯存在一個(gè)極值和次極值,期間最大波高分別為10.80 m和 8.89 m。8—10月南麂島站最大波高較大,文獻(xiàn)[6]中實(shí)測(cè)最大波高為10.0 m,與本文較為一致。圖3為有效波高、十分之一波高和最大波高的逐月變化過程,可以看出:月均有效波高、月均十分之一波高和月均最大波高在年內(nèi)變化較為穩(wěn)定,總體上在8—9月、11—12月相對(duì)較高;月最大有效波高、月最大十分之一波高和月最大波高具有明顯的波動(dòng)性,8月和10月存在明顯的增大過程,這與夏、秋季臺(tái)風(fēng)較為活躍有關(guān)。

表1 波要素特征值統(tǒng)計(jì)表

圖2 觀測(cè)期間有效波高(a)和平均周期(b)隨時(shí)間的變化過程

圖3 波高特征值月變化過程線

2.2 波級(jí)、波向、周期分布特征

根據(jù)波浪等級(jí)表對(duì)觀測(cè)期內(nèi)的有效波高進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì),各級(jí)有效波高的出現(xiàn)頻率見表2和表3。研究海域以輕浪為主,年出現(xiàn)頻率57.46%,且輕浪在全部16個(gè)方位均有出現(xiàn),這與南麂島站以3級(jí)波浪(輕浪)為主[6]的結(jié)論相吻合;其次是中浪,年出現(xiàn)頻率35.90%;小浪、大浪、巨浪、狂浪年出現(xiàn)頻率合計(jì)為6.64%。波級(jí)具有一定的季節(jié)性特征:小浪和輕浪的出現(xiàn)頻率基本表現(xiàn)為夏、秋季低于冬、春季;中浪及以上級(jí)別波浪的出現(xiàn)頻率均為夏、秋季高于冬、春季。巨浪只出現(xiàn)在夏、秋季,狂浪只出現(xiàn)在夏季,這和夏、秋季研究海域臺(tái)風(fēng)的活動(dòng)較為活躍有關(guān)。

表2 各級(jí)有效波高出現(xiàn)頻率

表3 各級(jí)有效波高各向出現(xiàn)頻率

根據(jù)有效波高玫瑰圖(圖4),研究海域主要盛行NE—E—SE向浪(順時(shí)針),其中,常浪向?yàn)镋,出現(xiàn)頻率22.48%,以輕浪為主;次常浪向?yàn)镹E,出現(xiàn)頻率16.52%,以中浪為主。各方向最大波高分布見圖5,研究海域強(qiáng)浪向?yàn)镋NE,對(duì)應(yīng)最大波高10.80 m,次強(qiáng)浪向?yàn)镋,對(duì)應(yīng)最大波高10.72 m,均出現(xiàn)在2019年8月臺(tái)風(fēng)“利奇馬”過境時(shí)。

圖4 有效波高玫瑰圖

圖5 最大波高各方向分布圖

各級(jí)平均波周期的出現(xiàn)頻率如表4所示。研究海域以平均周期3～5 s的短周期波浪為主,合計(jì)出現(xiàn)頻率76.67%,其中又以平均周期4～5 s為最多,出現(xiàn)頻率49.46%。從季節(jié)特征看,四季均以平均周期4～5 s為多,5 s以上的略長(zhǎng)平均周期的波浪呈現(xiàn)夏、冬季出現(xiàn)頻率高于春、秋季的特征,這與夏季臺(tái)風(fēng)和冬季寒潮多引起海域較長(zhǎng)周期波浪有關(guān)。

表4 不同平均周期出現(xiàn)頻率

2.3 波高-周期聯(lián)合分布

研究海域有效波高和譜峰周期的聯(lián)合分布(表5)以譜峰周期5～9 s的輕浪為主,合計(jì)出現(xiàn)頻率43.22%。從波級(jí)和對(duì)應(yīng)譜峰周期看,輕浪和中浪譜峰周期以5～7 s和7～9 s為多,大浪譜峰周期以7～9 s和9～11 s為多,巨浪譜峰周期以9～11 s和11 s以上為多,狂浪的譜峰周期則均在11 s以上,總體上有效波高和譜峰周期呈現(xiàn)浪大、周期長(zhǎng)的特征。

表5 有效波高和譜峰周期聯(lián)合分布

3 波參數(shù)相關(guān)性分析

3.1 波高

波浪的幾種特征波高之間存在著一定的規(guī)律[8-10],因此可通過已知一種特征波高推導(dǎo)出其他特征波高。采用最小二乘法對(duì)研究海域?qū)崪y(cè)特征波高進(jìn)行回歸分析,得到幾種特征波高之間的相關(guān)關(guān)系,其擬合結(jié)果見圖6。研究海域?qū)崪y(cè)特征波高之間存在很好的線性關(guān)系,擬合相關(guān)系數(shù)為0.98或0.99,Hmax/H1/3、H1/10/H1/3、H1/3/Hmean、Hmax/Hmean比值系數(shù)分別為1.658、1.272、1.586、2.630;從擬合的線型看,幾種特征波高分布和瑞利分布[8]具有較為一致的線性關(guān)系,研究海域特征波高符合比較典型的瑞利分布。

圖6 幾種特征波高線性關(guān)系擬合

3.2 周期

采用與特征波高相同的擬合方法,對(duì)幾種特征周期進(jìn)行擬合分析,結(jié)果如圖7所示:Tp和Tmean、T1/3和Tmean之間的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.59和0.79,其中,Tp和Tmean的相關(guān)性一般,T1/3和Tmean的相關(guān)性相對(duì)較好。

圖7 幾種特征周期線性關(guān)系擬合

3.3 波高和周期

關(guān)于波高和周期的相關(guān)性,徐嘯 等[11]用線性關(guān)系表征了臺(tái)灣海峽中部波高與周期的關(guān)系:T1/3=0.73H1/3+5.43。本文對(duì)平均周期Tmean和有效波高H1/3進(jìn)行擬合,得到相關(guān)系數(shù)為0.45,相關(guān)性并不顯著。將波向按16個(gè)方位進(jìn)行劃分,分別擬合各波向的平均周期Tmean和有效波高H1/3相關(guān)關(guān)系(需指出的是,WSW—NNE(順時(shí)針)向波浪出現(xiàn)較少,擬合誤差較大,不予擬合計(jì)算)。由圖8可知,NE—SE向浪(順時(shí)針)Tmean和H1/3的相關(guān)系數(shù)較小,其余偏南向浪(SSE—S—SSW)(順時(shí)針)的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較大。對(duì)SSE—S—SSW浪的波高、周期進(jìn)行擬合,相關(guān)系數(shù)為0.68(圖9),相關(guān)性略好,其擬合關(guān)系Tmean=0.83H1/3+3.13可為該海域的波高、周期關(guān)系研究提供一定參考。

圖8 NE—SW向有效波高和平均波周期相關(guān)系數(shù)玫瑰圖

圖9 SSE—S—SSW向有效波高和平均周期的相關(guān)關(guān)系

3.4 波浪持續(xù)時(shí)間和波高的關(guān)系

波浪持續(xù)時(shí)間指的是大于等于某特定波高所持續(xù)的時(shí)間,波浪平均持續(xù)時(shí)間是指某特定波高所對(duì)應(yīng)的各次持續(xù)時(shí)間的平均值。波浪的波高和持續(xù)時(shí)間都是表征波浪能水平的重要參數(shù),LAWSON 等[12]提出波浪平均持續(xù)時(shí)間和波高之間存在著指數(shù)關(guān)系:

D=α×Hβ

(1)

式中:α和β為擬合參數(shù),H為設(shè)定波高,D為大于等于設(shè)定波高H的平均持續(xù)時(shí)間。

據(jù)此指數(shù)關(guān)系式,LAWSON 等[12]研究了澳大利亞東南海域的波高和平均持續(xù)時(shí)間,得出α=7、β=-2;馮興如 等[13]根據(jù)海南東方近海實(shí)測(cè)資料,得出在非臺(tái)風(fēng)期α=0.35、β=-1.83,臺(tái)風(fēng)期α=27.66、β=-4.71;李淑江 等[14]根據(jù)海南島東南近岸海域?qū)崪y(cè)資料,得出在非臺(tái)風(fēng)期α=1.67、β=-2.09,臺(tái)風(fēng)期α=1.09×104、β=-7.23。上述研究成果的擬合參數(shù)α和β雖然不盡相同,但波高和平均持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)指數(shù)衰減關(guān)系,只是衰減速率不同。

表6 設(shè)定有效波高和對(duì)應(yīng)平均持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

圖10 平均持續(xù)時(shí)間隨有效波高的變化

4 波浪能估算

波浪能是綠色、無污染、可再生的清潔能源,具有廣闊的應(yīng)用前景,前人基于SWAN波浪模式分別研究了浙江近海和南海的波浪能分布變化特征[15-17]。本文以實(shí)測(cè)波浪資料對(duì)觀測(cè)海域的波浪能分布變化特征進(jìn)行估算。計(jì)算方法采用美國(guó)電力科學(xué)研究院(Electric Power Research Institute,EPRI)的波浪能評(píng)估方法[13]:

(2)

式中:Pw為波浪能流密度,H1/3為有效波高,Tmean為平均周期。

和前人的數(shù)模計(jì)算[16-17]相對(duì)比,本文計(jì)算結(jié)果與之較為一致。需指出的是,與文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]采用長(zhǎng)周期波浪資料不同,本文計(jì)算所采用的是一年實(shí)測(cè)波浪資料,因此本文計(jì)算結(jié)果僅供參考。由公式(2)計(jì)算的觀測(cè)期間和各月月均波浪能流密度的變化過程見圖11。波浪能流密度在2019年8月和2019年10月均出現(xiàn)明顯的極大值(圖11a),這分別對(duì)應(yīng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和“米娜”的過境影響。波浪能流密度在觀測(cè)期間的變化幅度相對(duì)較大,月均波浪能流密度介于2.58～10.61 kW/m2,總體上夏、秋季的波浪能流密度大于冬、春季,最大值出現(xiàn)在2019年8月(圖11b)。馮興如 等[13]和任建莉 等[18]認(rèn)為波浪能流密度大于2 kW/m2時(shí),波浪能的開發(fā)利用價(jià)值相對(duì)較好。研究海域觀測(cè)期間波浪能流密度大于2 kW/m2的出現(xiàn)頻率為61%,波浪能的開發(fā)條件較為適宜。

圖11 觀測(cè)期間波浪能流密度(a)和月均波浪能流密度(b)變化過程

5 臺(tái)風(fēng)浪特征

以觀測(cè)期內(nèi)最大波高10.80 m所對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)“利奇馬”為例,分析觀測(cè)海域的臺(tái)風(fēng)浪特征。

5.1 臺(tái)風(fēng)浪的發(fā)展

2019年8月4日,臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在菲律賓以東洋面生成,隨后強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)并向我國(guó)沿海移動(dòng),于8月9日以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)進(jìn)入東海,于8月10日2時(shí)前后以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)在浙江省臺(tái)州市溫嶺沿海登陸,登陸后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱。“利奇馬”的移動(dòng)路徑見圖12,臺(tái)風(fēng)影響期間的最大波高和譜峰周期見圖13。可以看出臺(tái)風(fēng)對(duì)觀測(cè)海域的影響大約持續(xù)了3天,即2019年8月8日—10日,期間最大波高和譜峰周期均經(jīng)歷了明顯的先增大后減小的過程,其中影響最為顯著的是8月9日,最大波高和譜峰周期的波動(dòng)最為劇烈。當(dāng)與臺(tái)風(fēng)相距較遠(yuǎn)時(shí),觀測(cè)海域的最大波高和譜峰周期較小,分別維持在2 m和4 s左右;8月7日起,隨著臺(tái)風(fēng)的靠近,臺(tái)風(fēng)引起的外海涌浪開始影響觀測(cè)海域,最大波高和譜峰周期開始逐漸增大;8月9日11時(shí)記錄到譜峰周期的峰值13.9 s以及最大波高的第一個(gè)峰值10.72 m,此后譜峰周期和最大波高明顯下降,但此時(shí)臺(tái)風(fēng)浪的影響仍在持續(xù),最大波高再次增大,至14時(shí)記錄到最大波高的峰值10.80 m;此后最大波高和譜峰周期同步明顯下降,至8月10日2時(shí)臺(tái)風(fēng)登陸,譜峰周期降至8 s左右,最大波高降至6 m左右;隨著臺(tái)風(fēng)的遠(yuǎn)去,最大波高和譜峰周期的下降趨緩,至8月14日恢復(fù)至臺(tái)風(fēng)影響前。

圖12 波浪觀測(cè)站和臺(tái)風(fēng)“利奇馬”路徑圖

圖13 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響期間最大波高和譜峰周期變化過程

5.2 臺(tái)風(fēng)浪譜

臺(tái)風(fēng)影響期間譜峰密度(圖14)與最大波高、譜峰周期(圖13)的變化基本同步,呈先增大后減小趨勢(shì),最大譜峰密度為55.10 m2/Hz。圖15為臺(tái)風(fēng)影響前(8月8日)、后(8月10日)和影響最顯著期間(8月9日14時(shí)最大波高前后)的臺(tái)風(fēng)浪譜型。臺(tái)風(fēng)影響前、后,譜型均呈現(xiàn)雙峰譜,臺(tái)風(fēng)影響前主峰頻率趨于低頻,臺(tái)風(fēng)影響后主峰頻率趨于高頻。臺(tái)風(fēng)影響最顯著期間譜型呈現(xiàn)單峰譜,譜峰趨于低頻。

圖14 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”期間波浪譜峰密度變化過程

圖15 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響前(a)、后(c)和影響最顯著期間(b)波浪譜型

6 結(jié)語(yǔ)

利用蒼南近岸海域一年實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù),分析了波參數(shù)分布特征、波參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系以及波浪持續(xù)時(shí)間和波高的關(guān)系,估算了波浪能水平,并以臺(tái)風(fēng)“利奇馬”為例分析了典型臺(tái)風(fēng)浪特征,相關(guān)成果可為該海域的海洋工程、防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)保提供科學(xué)依據(jù),也可為進(jìn)一步開展與南麂列島海域波浪特征的異同研究提供基礎(chǔ)資料。

1)研究海域年平均有效波高為1.25 m,年平均十分之一波高為1.58 m,年平均最大波高為2.07 m,年平均周期為4.5 s。平均波高總體上夏、秋季略大于冬、春季,而最大波高則波動(dòng)明顯。夏季8月和秋季10月的最大波高存在明顯增大過程,原因是夏、秋季臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的影響。年最大波高10.80 m出現(xiàn)在2019年8月臺(tái)風(fēng)“利奇馬”過境時(shí)。

2)研究海域以輕浪和中浪為主,出現(xiàn)頻率分別為57.46%和35.90%。主要盛行NE—E—SE向浪,常浪向?yàn)镋,次常浪向?yàn)镹E。強(qiáng)浪向?yàn)镋NE,對(duì)應(yīng)最大波高10.80 m;次強(qiáng)浪向?yàn)镋,對(duì)應(yīng)最大波高10.72 m,均出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”過境時(shí)。平均周期以3～5 s短周期為主。有效波高和譜峰周期聯(lián)合分布表明該海域以譜峰周期5～9 s的輕浪為主,總體上波級(jí)增大則譜峰周期增長(zhǎng),呈現(xiàn)浪大周期長(zhǎng)的特征。特征波高之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系,符合典型的瑞利分布;特征波周期之間的相關(guān)性則較為一般。

3)有效波高2.7 m以下的非臺(tái)風(fēng)期、非寒潮期以及4.1 m以上的臺(tái)風(fēng)期,波浪平均持續(xù)時(shí)間和有效波高符合指數(shù)衰減關(guān)系,平均持續(xù)時(shí)間隨有效波高的增大而減小,且4.1 m以上臺(tái)風(fēng)期的波浪衰減速率高于2.7 m以下的非臺(tái)風(fēng)期、非寒潮期。

4)觀測(cè)期間波浪能流密度在夏、秋季大于冬、春季,在夏季8月最大,波浪能流密度在2 kW/m以上的出現(xiàn)頻率為61%,總體上波浪能的開發(fā)條件較為適宜。

5)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響期間,最大波高、譜峰周期、譜峰密度呈現(xiàn)基本同步的先增大后減小的過程,最大譜峰密度為55.10 m2/Hz。臺(tái)風(fēng)影響前、后的臺(tái)風(fēng)浪譜型均呈雙峰譜,臺(tái)風(fēng)影響最顯著期間的波浪譜型呈單峰譜。