印尼爪哇島南岸波浪雙峰譜特征分析

黃美玲，陳漢寶，耿寶磊，徐亞男

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

在印度洋北岸的開闊水域，常年波濤洶涌，規則的長峰波拍擊海岸，給海岸防護和近岸工程建設帶來巨大困難。印度洋北岸開敞岸線長達2 000多公里，包括印度尼西亞、馬來西亞、斯里蘭卡等國家，在大浪影響的區域又缺乏現場實測的波浪數據。在已有的近岸工程建設中，出現了多個失敗破壞的案例，如防波堤建設過程中的護面塊體滾落、高強度的泥沙淤積和系泊船舶斷纜移位等，這些案例多被證明與波浪周期過長有關。在對實測波浪數據的分析中，出現了一些介于5～10 s的周期，與實際觀察的現象不符。通常在島群海域，受不同風距的兩組或多組波浪疊加作用，波浪周期會出現類似混合浪的特征，短于涌浪而長于風浪。這些面對幾千公里的完全開闊海域尚未有相關報道或研究。

1 雙峰譜的研究現狀

隨著人類開發海洋步伐的加快，人們對海浪的統計特征，方向譜的研究更加深入。國內學者對雙峰波譜型海浪作了大量的研究[1-8]。隋世峰[1]用規則的單峰海浪頻譜表示混合浪的頻譜。黃培基[2]等通過分析膠州灣實測雙峰海浪譜的譜型特征，提出了一個含6個參量的雙峰海浪譜公式。陳雪英[3]等探討了雙峰譜型海浪的波要素概率分布及其群性特征，并與單峰譜型海浪進行了比較。管長龍[4]等對雙峰海浪頻譜采用分譜疊加的思想，很好地解釋了以往雙峰譜在高頻部分過高統計的問題。陳雪英[5]等利用實測雙峰譜型海浪資料，討論了雙峰譜型下波高與周期的聯合分布。趙棟梁[6]等采用兩種分辨力較高的方向譜估計方法對雙峰方向分布做了深入的研究，探討其物理本質。潘玉萍[7]等采用最新的隨機波分析方法，研究雙峰型海浪波高和周期的聯合概率密度分布。這些研究多基于兩組或多組不同周期波浪的疊加特性。

2 赤道無風帶開敞水域波浪特性研究現狀

爪哇島南岸面對的印度洋海域面積廣闊，波浪呈現長周期、大波高特征，對工程影響較大，故對印度洋開敞海域的波浪特性研究非常有意義。梅勇[8]、尹兵[9]、張弦[10]、劉金芳、梁玉清[11]、鄭崇偉[12]、封有德[13]等分別研究了北印度洋-南海海域海浪場、南印度洋、北大西洋、地中海等地的風、浪、涌的特點及其變化規律，對風場、風浪、涌浪、混合浪的特征進行分析。周加杰等[14]的工程報告指出，印度洋環境的波浪則表現為周期大、波長長，而印尼沿海受印度洋波浪影響，強浪主要由2種涌浪組成，季風期外海涌浪與風成浪相互疊加，近岸水流變化劇烈，基本無法施工；非季風期波浪主要表現為外海環境變化所引起的近岸涌浪，涌浪周期一般大于10 s，平均周期大于 13 s，最大周期達21 s，波長大于180 m，波高達3.5 m，高波高、大周期、長波長波浪是破壞海洋建筑物的主因。這些針對無風帶開闊海域的波浪研究沒有涉及雙峰譜的波浪特征。

3 印尼爪哇島南岸雙峰譜特征

將印尼爪哇島南岸中部的實測波浪資料對比JONSWAP譜進行研究，如下

(1)

(2)

(3)

取參照JONSWAP譜的窗函數，對一年多逐日的波浪實測資料進行譜分析，再對每個月的波浪譜按周進行疊加，得到代表雨季的10月份和3月份，以及代表旱季的7月份和9月份各4周的波浪頻譜，見圖1～圖4。

圖1 十月份典型波譜圖Fig.1 Typical spectrum in October

圖2 三月份典型波譜圖Fig.2 Typical spectrum in March

圖3 七月份典型波譜圖Fig.3 Typical spectrum in July

圖4 九月份典型波譜圖Fig.4 Typical spectrum in September

參考圖1～圖4典型月份波譜圖，分析各月的數據，可知印尼爪哇島南岸7、8、9等旱期月份低頻涌浪和高頻波浪所占能量相差無幾；雨季低頻涌浪所占能量很大，高頻波浪部分所占能量很小。

圖5 典型地區(RATU)年風玫瑰圖Fig.5 Annual wind rose chart at RATU

印尼爪哇島南岸地理位置在赤道無風帶，即使在旱季，風速也很小，多年統計的短時風速大值多小于30 knots，平均風速在5 knots左右(圖5)，同時風向變化很快，因此難以產生較大的風浪。

印尼爪哇島南岸面對的印度洋海域面積廣闊，跨越了南半球的所有風帶；波浪在充足海域空間內、在大風的作用下，充分成長為大浪。這種大浪在由外海傳至岸邊時，由于彌散和角散的作用，高頻的短波部分在內摩擦作用不斷消耗、低頻的長波部分分離出去，在達到近岸時表現為長周期的涌浪。這是雨季和旱季波浪的主要組成部分。

圖6 典型地區(Adipala)預報資料波高 周期分布關系Fig.6 Distribution of wave heights and periods of forecast data at Adipala

雨季季風向與涌浪方向相反，同時降雨較多，一定程度上降低了波浪活躍程度，綜合表現出波浪平均強度較弱，高頻的風浪的短波部分到達近岸時消耗相對較大，因此所占譜能量很少。旱季則風向與涌浪方向相同，同時基本無降雨，遠海洋流活躍，波浪平均強度較強，高頻的風浪的短波部分到達近岸時消耗相對較小，因此低頻和高頻部分占譜能量的比例相差無幾。在對大浪的分析中，進一步出現了大浪對應周期短于平常涌浪的情況，見圖6。

根據上述分析可以發現，印尼爪哇島南岸波浪具有明顯的長周期波浪特征，長周期波浪對海岸工程結構有強烈沖擊作用，例如長周期海域近岸水體會在斜坡胸墻前急劇破碎，強大沖擊力破壞胸墻整體穩定性。因此在斜坡堤胸墻設計中，應該著重物理模型的驗證結果，修正規范和經驗公式造成的偏小誤差。長周期雙峰譜波浪中低頻部分，也會對離岸式開敞碼頭停泊的船舶有較大影響，船舶各運動分量也會比純風浪條件下大，對系泊安全有很大影響。因此，如何防護長周期波浪的破壞是該海域相關工程中需考慮的重要問題之一。

4 結論

(1)印度洋北岸赤道無風帶開闊海域的波浪呈現出季節性的雙峰譜特性，旱季高頻、低頻波浪能量相當，雨季以低頻波浪為主；(2)赤道無風帶風弱、風向變化快，難以形成較大的風浪，高頻波浪也來自于南部海區較近海域風浪的傳播；(3)分析的雙峰譜各波浪成分與傳播距離有關，不同海域會呈現較大差異，同時大浪的波高與周期聯合分布特征還需要進一步的研究。