潿洲島海域風侯和波侯特征分析

黃子眉，張春華，申友利，姜紹材

（國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西北海536000）

1 引言

廣西北海市潿洲島是中國著名的旅游島。隨著北部灣經濟區的開發和發展，潿洲島周邊海岸工程建設越來越多，海岸工程結構物的建設必須考慮防御風和波浪的能力，因此潿洲島海域風侯和波侯的特征研究具有十分重要的意義。我國科學工作者在風速和波高極值計算方面有過許多的研究。鄭崇偉等[1-2]利用WW3（WAVEWATCH-Ⅲ）模式和實測波高數據，對中國海進行了概率數值預報以及大浪頻率和長期變化趨勢分析。豐鑒章[3]利用中國沿海14個臺站的年極值資料，對年極值波高的分布特點及其頻率曲線開展選配研究，得出選配兩個對數正太曲線推算重現期波高和周期是一種新的途徑。按照規定[4]，對于年極值波高及其對應周期的理論頻率曲線，一般采用Pearson-Ⅲ型曲線。曹兵等[5]在設計波高分布函數比較分析中，認為Pearson-Ⅲ型曲線與波高和周期的經驗頻率點一般都擬合良好。鄧兆青等[6]利用Gumbel極值推算方法和Pearson-Ⅲ型方法計算出了渤海灣4個點的多年一遇有效波高。董勝等[7]將潿洲島海洋站1961—1989年極值波高與風速的長期觀測資料作為統計樣本，基于二維Pearson-Ⅲ型聯合分布，估計了年極值有效波高與風速的聯合出現概率。夏華永等[8]在分析廣西沿海多年一遇波高時，針對潿洲島海洋站3個常浪向的極值分布情況進行了初步研究。本文將根據潿洲海洋監測站1973—2018年風和波浪實時觀測資料，先分析風和波浪的分布特征，再分別選出具有代表性的4個方向角的風速的年最大值和十分之一波高（H1/10）的年最大值，并采用Pearson-Ⅲ型曲線進行風速和波高的重現期計算，為潿洲島海域海洋工程設計提供相關理論依據。

2 數據與方法

潿洲海洋監測站波浪觀測手段不統一，1973—2002年是自動觀測，2003—2018年是人工觀測。為了風和波浪資料年限的統一，本文對風和波浪的分布特征研究采用的資料年限為1973—1995年，對風和波浪的年極值計算采用的資料年限為1973—2018年。

本文主要研究方法是統計方法和Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制方法。Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制方法為[9]：

式中：hˉ為年平均最大風速或波高；cv為變差系數；hp為不同重現期設計風速或設計波高。

3 潿洲島海域風的分布特征

本文根據1973—1995年潿洲海洋監測站逐日每小時風速風向觀測資料統計分析得出：潿洲島地處季風氣候區[10]，強風向為N和NNE，其平均風速分別為5.9 m/s和5.3 m/s；常風向為NNE和ENE，其頻率分別為18.2%和12.4%；常年最少風向為NW，其頻率為1.1%；其余各風向累年出現頻率分布在1.5%～10.9%之間（見表1和圖1）。

根據累年各月出現最多風向和次多風向進行統計，結果如表2所示和圖2所示。潿洲島海域風向和風速隨季節變化明顯，1—4月盛行風向為NNE，5月盛行風向為SSE，6—8月盛行風向為SSW，9—12月盛行風向為NNE；夏季（6—8月）月平均風速最大，春季（3—5月）月平均風速最小，累年月平均風速在3.7～4.8 m/s之間，這與潿洲島地理位置有關。

圖1 潿洲島海域累年風玫瑰圖

圖2 潿洲島海域月平均風速變化圖

表1潿洲島海域風要素累年統計（1973—1995年）

表2潿洲島海域風要素逐月統計（1973—1995年）

4 潿洲島海域風速年極值計算

為了進一步研究潿洲島海域風向風速的季節變化規律，本文統計了1973—2018年潿洲海洋監測站共46 a 16個方位角的年極值風速資料，并根據強風向、常風向和月出現最多風向選出4個風向角（N、NNE、ENE和SSW）的年最大風速進行重現期計算。根據Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制方法，當n=46時，算出xˉ和cv，假設cs=2cv，再算出kp和xp，最后根據p、xp值繪制出Pearson-Ⅲ型分布曲線（見圖3）。根據不同重現期計算方法[11]，算出多年一遇的計算結果（見表3）。

圖3 不同風向的風速Pearson-Ⅲ型分布曲線圖

表3潿洲島海域各向風速重現期計算結果（單位：m/s）

根據計算結果得出：潿洲島海域4個風向角風速的Pearson-Ⅲ型分布與極值風速樣本的實測分布均擬合得很好。其中ENE向風速多年一遇值最大，10年一遇值為19.8 m/s，25年一遇值為26.9 m/s，50年一遇值為29.5 m/s，100年一遇值為32.1 m/s。反之，N向風速多年一遇值最小，10年一遇值為18.9 m/s，25年一遇值為20.8 m/s，50年一遇值為22.2 m/s，100年一遇值為23.4 m/s。

5 潿洲島海域波高分布特征

本文根據1973—1995年潿洲海洋監測站波浪觀測資料統計分析得出：潿洲島海域波高（H1/10）的年平均值為0.6 m；強浪向為SSW，其波高（H1/10）的平均值為0.8 m，頻率為16.2%；常浪向為NNE、SSW、NE和ENE，其頻率分別為16.5%、16.2%、14.4%和10.5%；波高（H1/10）的平均值≤0．4 m的波浪頻率為11.2%，波高（H1/10）的平均值≥0．7 m的波浪頻率為9.2%，如表4和圖4所示。

根據累年各月出現最多波向和次多波向進行統計，結果見表5和圖5。潿洲島海域波向和波速隨季節變化明顯：1—4月盛行浪向為NNE，5—9月盛行浪向為SSW，10—12月盛行浪向為NE～NNE；夏季（6—8月）波高（H1/10）的月平均值最大，其余季節月平均值稍小于夏季，累年月平均值在0.5～0.8 m/s之間。

圖4 潿洲島海域累年波浪玫瑰圖

圖5 潿洲島海域波高（H1/10）的月平均值逐月變化圖

表4 潿洲島海域波浪要素統計（1973—1995年）

表5潿洲島海域波浪要素逐月統計（1973—1995年）

圖6 不同波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布曲線圖

表6 潿洲島海域各向波高（H1/10）的重現期計算結果（單位：m）

6 潿洲島海域波高年極值計算

為了進一步掌握潿洲島海域波高變化規律，本文根據強浪向、常浪向和月出現最多浪向選出4個波向（NNE、NE、ENE和SSW）波高（H1/10）的年最大值進行重現期計算。根據1973—2018年潿洲海洋監測站波高年極值資料，n=46，選取cs=2cv的適線，繪制出Pearson-Ⅲ型分布曲線（見圖6），然后根據重現期計算方法，得出多年一遇的計算結果（見表6）。

根據計算結果：潿洲島海域4個波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布與極值波高（H1/10）樣本的實測分布均擬合得很好。其中SSW向波高（H1/10）多年一遇值最大，2年一遇值為2.4 m，25年一遇值最大為3.5 m，50年一遇值為3.7 m，100年一遇值為4.0 m。反之，NNE向波高（H1/10）多年一遇值最小，2年一遇值為1.4 m，25年一遇值最大為2.2 m，50年一遇值為2.4 m，100年一遇值為2.6 m。

7 結論

本文通過對潿洲海洋監測站多年風和波浪資料的統計分析，得出潿洲島海域風和波浪的分布特征。根據連續46 a的年極值資料，采用Pearson-Ⅲ型分布曲線分別對風速和波高（H1/10）的年最大值進行重現期計算，得出年極值分布情況。結論如下：

（1）潿洲島地處季風氣候區，強風向為N和NNE，其平均風速分別為5.9 m/s和5.3 m/s；常風向為NNE和ENE，其頻率分別為18.2%和12.4%；其余各風向累年出現頻率分布在1.5%～10.9%之間。

（2）潿洲島海域風向和風速隨季節變化明顯：1—4月盛行風向為NNE，5月盛行風向為SSE，6—8月盛行風向為SSW，9—12月盛行風向為NNE；夏季（6—8月）月平均風速最大，春季（3—5月）月平均風速最小，累年月平均風速在3.7～4.8 m/s之間，這與潿洲島地理位置有關。

（3）潿洲島海域4個風向角風速的Pearson-Ⅲ型分布與極值風速樣本的實測分布均擬合得很好，其中ENE向風速多年一遇值最大，10年一遇值為19.8 m/s，100年一遇值為32.1 m/s。

（4）潿洲島海域強浪向為SSW，其波高（H1/10）的平均值為0.8m，頻率為16.2%；常浪向為NNE、SSW、NE和ENE，其頻率分別為16.5%、16.2%、14.4%和10.5%。

（5）潿洲島海域波向和波速隨季節變化明顯：1—4月盛行浪向為NNE，5—9月盛行浪向為SSW，10—12月盛行浪向為NE～NNE；夏季（6—8月）波高（H1/10）的月平均值最大，其余季節月平均值稍小于夏季，累年月平均值在0.5～0.8 m/s之間。

（6）潿洲島海域4個波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布與極值波高（H1/10）樣本的實測分布均擬合得很好，其中SSW向波高（H1/10）多年一遇值最大，10年一遇值為3.2 m，100年一遇值為4.0 m。