江蘇輻射沙洲北部海域風(fēng)浪關(guān)系分析

楊斌，馮衛(wèi)兵，虞丹君

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310012）

江蘇輻射沙洲北部海域風(fēng)浪關(guān)系分析

楊斌1，2，馮衛(wèi)兵1，虞丹君1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310012）

根據(jù)江蘇輻射沙洲北部海域（響水沿海）8個(gè)月的實(shí)測風(fēng)與浪的資料統(tǒng)計(jì)分析了該區(qū)域的風(fēng)浪關(guān)系。首先，統(tǒng)計(jì)了該海域的風(fēng)速分布以及波向分布，然后采用新的風(fēng)浪判別方法挑選出其中的風(fēng)浪數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合了有效波高、有效波周期和風(fēng)速的曲線關(guān)系。結(jié)果表明各個(gè)方向的風(fēng)速分布基本均勻，但波高分布差異較大，能起破壞性作用的波浪主要來自NW、NNW、N、NNE方向。擬合得到的關(guān)系式與實(shí)測分布符合較好，其中有效波高與有效波周期的關(guān)系式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測的平均相對誤差較小，可用于該海域的波浪預(yù)報(bào)及作為附近工程建設(shè)的參考。

風(fēng)浪關(guān)系；響水沿海；最小二乘法；平均相對誤差；波浪預(yù)報(bào)

在沿海地區(qū)，波浪是影響人類生產(chǎn)生活的重要因素之一，尤其災(zāi)害性的風(fēng)浪對人身財(cái)產(chǎn)安全、工程建設(shè)等構(gòu)成嚴(yán)重威脅，研究風(fēng)浪關(guān)系及其特征對預(yù)防海洋災(zāi)害有著重要意義。常見的風(fēng)浪關(guān)系研究中通常考慮風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)、水深、水流、重力、海底及岸邊地形［1］等因素對波浪的影響。許多學(xué)者對計(jì)算風(fēng)浪要素提出了諸多方法并得到了不同的風(fēng)浪關(guān)系式［1-6］，但是這些風(fēng)浪關(guān)系式往往僅適用于各自的風(fēng)浪資料觀測地點(diǎn)及其鄰近地區(qū)，運(yùn)用于其他地區(qū)尚有一定的局限性。

關(guān)于江蘇沿海地區(qū)的風(fēng)與風(fēng)浪關(guān)系的研究報(bào)道并不多見。馮衛(wèi)兵等［2］利用南黃海輻射沙洲中部的實(shí)測風(fēng)和浪資料分析了該地區(qū)的波高與風(fēng)速之間、風(fēng)速與波周期之間的關(guān)系。對于江蘇輻射沙洲北部海域（響水沿海）及其附近海域，未見有學(xué)者做相關(guān)研究。隨著江蘇沿海開發(fā)上升為國家戰(zhàn)略，海上各項(xiàng)工程的實(shí)施，對沿海海域的風(fēng)浪關(guān)系的研究日趨漸熱。因此，本文利用該海域的實(shí)測風(fēng)浪資料，統(tǒng)計(jì)得到了該海域的風(fēng)速分布以及波向分布，繼而采用新的風(fēng)浪判別方法挑選出其中的風(fēng)浪數(shù)據(jù)，分析了有效波高、有效波周期以及風(fēng)速三者之間的關(guān)系，并擬合得到了該海域的風(fēng)與浪的關(guān)系式，可為實(shí)際工程建設(shè)服務(wù)。

圖1 江蘇沿海水深及測點(diǎn)位置（120°05.6′E，34°26.3′N，‘★’）示意圖Fig.1Illustration of depth and measured point in Jiangsu coastal waters

1 資料介紹

本文風(fēng)浪資料采集于江蘇省鹽城市響水縣沿海海域的某波浪測站，測站位置為東經(jīng)120°05.6′，北緯34°26.3′（圖1）。測點(diǎn)平均水深約7.6 m，離岸約8 km，自西北—東—西南海域海面開闊，無島嶼等障礙物掩護(hù)，實(shí)測資料代表性較好。波浪數(shù)據(jù)是由SBF3?1型觀測浮標(biāo)測量所得，風(fēng)速、風(fēng)向資料（海上10 m高度處10 min平均數(shù)據(jù)）為與測波點(diǎn)附近位置的風(fēng)電測風(fēng)塔的風(fēng)速風(fēng)向儀所測。數(shù)據(jù)采集時(shí)間段為2009年7月～2010年2月，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到風(fēng)速、風(fēng)向、波向、水深、有效波高及有效波周期等對應(yīng)數(shù)據(jù)共4 269組數(shù)據(jù)。

2 風(fēng)速和波向分布

圖2為各風(fēng)向的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速分布，由此可見各方向的平均風(fēng)速相差較小，并且各方向的最大風(fēng)速之間也相差不是很大。各方向平均風(fēng)速屬于微、和風(fēng)級別，均值為6.2 m/s；最大風(fēng)速基本屬于強(qiáng)、疾風(fēng)范圍，均值為13.4 m/s。然而，該地區(qū)各向最大有效波高則差別較大（圖3），圖3顯示SW以及WSW方向無波浪，NNW方向的最大有效波高為2.68 m；各方向的平均有效波高變化范圍為0～1.06 m，所有方向的有效波高均值為0.5 m。偏北方向（NW-N-NE）的平均有效波高較大，基本接近1 m，最大有效波高也出現(xiàn)在這些方向。

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)向與波向一致約占總數(shù)據(jù)的14%；有效波高大于1 m時(shí)，波向與浪向一致的比例為17.5%。就波浪而言，發(fā)生頻率較多的出現(xiàn)在偏東向，E向占20.5%，ESE向占19.4%；而大浪（有效波高大于1.0 m）則主要來自偏北（NNW-N-NE）方向，發(fā)生頻率最大的為NNE（25.8%），其次為N和NNW，發(fā)生頻率分別為19.6%和15.4%（表1）。

圖2 平均和最大風(fēng)速分布圖Fig.2Distribution diagram of average and maximum wind speed

圖3 平均和最大有效波波高分布圖Fig.3Distribution diagram of average and maximum effective wave height

3 實(shí)測風(fēng)浪關(guān)系分析

由于本文所在海域的岸線大致呈西北至東南走向，NW順時(shí)針至SE方向的海面開闊，部分方向的最大風(fēng)區(qū)非常長，接近無限風(fēng)區(qū)，同時(shí)風(fēng)時(shí)也不易確定，導(dǎo)致波高與風(fēng)區(qū)長度以及風(fēng)時(shí)的關(guān)系復(fù)雜。因此，本文根據(jù)收集到的有效波高、有效波周期以及風(fēng)速數(shù)據(jù)來分析響水沿海的風(fēng)浪關(guān)系。

馮衛(wèi)兵等［7］對本測點(diǎn)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析得到該海域波浪主要為混合浪。由于本文研究風(fēng)與風(fēng)浪的關(guān)系，所以剔除了涌浪及涌浪成分為主的混合浪數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的處理是依據(jù)李水清等［8］最近提出的風(fēng)涌浪劃分方法，采用改進(jìn)的一維PM法對風(fēng)涌浪進(jìn)行分離的。一維PM法與風(fēng)速有關(guān)，改進(jìn)的一維PM法是將分割頻率?s增大為原來頻率?PM的1.2倍，然后用該頻率對風(fēng)、涌浪進(jìn)行分離，譜峰頻率高于該頻率說明該峰值對應(yīng)的波浪為風(fēng)浪，低于該頻率則為涌浪。經(jīng)過公式挑選后最終得到130組數(shù)據(jù)。PM法相關(guān)公式如下

表14 269組數(shù)據(jù)和有效波高大于1 m的數(shù)據(jù)中各向來波的數(shù)據(jù)比例Tab.1Proportions of wave direction of the 4 269 data and that of significant wave height greater than 1 m%

式中：fPM為PM風(fēng)浪譜譜峰頻率；g為重力加速度；U10為海面10 m高處10 min風(fēng)速平均值。

130組風(fēng)浪數(shù)據(jù)的風(fēng)速范圍為4.5～14.7 m/s，有效波高范圍為0.25～2.66 m，有效波周期范圍為2.15～9.34 s。通過對實(shí)測風(fēng)速與有效波高、有效波高與有效波周期之間分別用最小二乘法擬合得到

公式（2）、（3）擬合的效果圖見圖4和圖5。由擬合圖4可見，有效波高與風(fēng)速有較好的曲線關(guān)系，波高計(jì)算值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)為0.86。由圖5可知有效波高與對應(yīng)波周期的散點(diǎn)基本呈向上彎曲帶狀分布，曲線擬合效果較好，計(jì)算得到有效波周期值與實(shí)測有效波周期值相關(guān)系數(shù)為0.94。

圖4 有效波高與風(fēng)速的變化關(guān)系圖Fig.4Variation of wind speed with significant wave height

圖5 有效波高與有效波周期的變化關(guān)系圖Fig.5Variation of significant wave height and corresponding wave period

實(shí)測風(fēng)速、有效波高和有效波周期三者之間的關(guān)系常用下式表示

其中系數(shù)值c（1）、c（2）通過擬合得到。

圖6為無因次波高周期對數(shù)關(guān)系圖，無因次波高與周期的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布有明顯線性趨勢，圖6中實(shí)線為公式（4）的擬合結(jié)果，擬合較為合理，得到的相關(guān)系數(shù)為0.75。

表3列出了莆田試驗(yàn)、青島海大、SMB公式［1］的系數(shù)值以及本文按公式（4）擬合得到的系數(shù)。相比而言，本文得到的系數(shù)值c（1）、c（2）都偏小。

為了得知公式的計(jì)算值與實(shí)測值之間的差異情況，使用平均相對偏差S來表現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測值的差異程度

圖6 無因次波高周期對數(shù)關(guān)系圖Fig.6Logarithmic diagram of normalized wave height with period

表3 各種計(jì)算方法的系數(shù)值比較Tab.3Comparison of coefficients of different computing methods

表4 本文各公式計(jì)算值的平均相對偏差STab.4Average relative deviation（S）of the value calculated by different formulas

式中：Yi為計(jì)算值；Xi為實(shí)測值。

由公式（2）、（3）、（4）的計(jì)算值與實(shí)測值的平均相對偏差見表4。由表4得到公式（2）的計(jì)算結(jié)果的相對偏差S較大，原因是本海域以混合浪為主，波浪測量點(diǎn)位置靠近沿岸，雖然沿岸水深等深線基本平行，但相對坡度可能較大，波浪淺水變形對波浪的影響不可忽視，因此風(fēng)與浪的關(guān)系較差。但擬合得到的關(guān)系式基本可用于實(shí)際預(yù)報(bào)。公式（3）、（4）的相對偏差較小，表明計(jì)算得到的有效波周期與實(shí)測有效波周期差異較小，有效波高與有效波周期的關(guān)系較好。

4 結(jié)論

（1）響水縣沿海海域風(fēng)浪關(guān)系復(fù)雜，風(fēng)向與浪向不一致的情形占多數(shù)。測量期間平均風(fēng)速整體較小。由此產(chǎn)生的能起破壞性作用的波浪主要來自NW、NNW、N、NNE等方向。

（2）通過最小二乘法擬合分析得到有效波周期與有效波高的相關(guān)性、無因次有效波高與有效波周期的相關(guān)性都較好，其擬合公式計(jì)算結(jié)果的平均相對偏差較小，計(jì)算結(jié)果較好，可用于本海區(qū)的風(fēng)浪波要素推算。雖然有效波高與風(fēng)速的關(guān)系相對較差，但擬合得到的關(guān)系式基本可用于實(shí)際預(yù)報(bào)。

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Analysis on wind?wave relationship on north coastal waters of Jiangsu radial sand ridges

YANG Bin1,2,FENG Wei?bing1,YU Dan?jun1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Engineering Oceanography,Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou 310012,China）

Based on the measured wind and wave data of eight months on the north coastal waters of radial sand ridges in Jiangsu province,the wind?wave relationship of this region was analyzed.Firstly,the distributions of wind speed and direction were statistically obtained.After that,the wind?wave data were picked out according to the new wind?wave distinguished method and the curve relations between significant wave height,significant wave peri?od and wind speed were fitted by least square method.The results show that the distribution of wind speed in all di?rections is almost uniform and does not coincide with the distribution of wave height.The waves induced significant damage are mainly from NW,NNW,N and NNE direction.The fitted formulas are in accordance with the actual dis?tribution.Besides,the average relative error is smaller between the measured values and the results calculated from the formula which reflects the relationship between significant wave height and significant wave period.Therefore the formulas can be used as wind?wave prediction and references of the nearby engineering construction.

wind?wave relationship；Xiangshui coast；least square method；mean relative error；wave forecast?ing

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2014）06-0578-04

2013-11-20；

2014-01-10

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助項(xiàng)目（51279055）

楊斌（1984-），男，江西省高安人，博士研究生，主要從事海岸水動力方向研究。

Biography：YANG Bin（1984-），male，doctor student.