青島近岸海域波浪要素特征研究

王志勇，王煒荔，胡 偉，呂富良，王立鵬，王 磊，馮立達，于 博

（1. 山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266033；2. 國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266033）

海浪是海洋環境基本要素之一，災害性海浪對沿海經濟生產、海上船舶和油氣平臺等具有巨大的破壞作用。近年來，有學者對我國近海區域波浪要素特征進行了研究，張薇等[1]利用渤海周邊10個觀測站40余年的海浪觀測資料，對渤海災害性海浪的時空變化和分布特征等進行了分析；尹毅等[2]利用1年的實測海浪資料，對珠江口波浪要素及與熱帶氣旋活動的關系進行了統計分析；李淑江等[3]利用波浪騎士觀測資料和數值模式數據對海南島東南近岸的海浪季節變化和統計特征進行了分析；國內外對于海浪譜的分析與應用也逐步增多[4-5]。青島作為我國北方重要的沿海城市，受地理環境及季風氣候的影響，沿海夏季平均浪高大于冬季，市區部分岸段受臺風、溫帶氣旋等天氣過程影響時極易上浪，幾乎每年都有巨浪災害發生，對社會經濟造成巨大損失[6-7]。但目前，對于青島市近岸海域的波浪觀測與分析，特別是高精度波浪譜的長期觀測，尚缺乏系統的分析研究。

小麥島海洋環境監測站（以下簡稱“小麥島站”）位于青島市嶗山區小麥島上（圖1）。小麥島位于浮山南麓海濱，面積為0.2 km2，距海岸約200 m，周邊海域開闊。小麥島站自1953年開始波浪觀測，是新中國建設的第一個海洋波浪觀測站，現該站點觀測設備先進，設有標準的驗潮井和氣象觀測場，獲取了青島沿海海域大量具有代表性的水文、氣象觀測數據[8]。本文擬通過小麥島站布放的波浪騎士浮標獲取的2014年的波浪統計和波浪譜數據，分析青島市近岸海域波浪要素特征，這對于青島市沿海區域的海洋防災減災、海上交通、海洋工程建設、漁業生產等都具有重要的指導意義。

圖1 小麥島海洋環境監測站位置示意圖

1 觀測儀器及數據介紹

波浪騎士浮標（Waverider buoy）由荷蘭Datawell公司生產，是全世界公認的測量海浪波高和波向的標準儀器，其觀測數據還包含海浪方向譜信息，能夠全面反映附近海域的海浪要素特征[9]，目前在國內長期連續的海浪譜觀測數據極為缺乏。小麥島站布放浮標為DWR-MARKIII型波浪騎士，自2011年開始布放在離小麥島站850 m左右的南側海面，布放位置水深25 m左右，數據實時通過高頻電臺傳輸至小麥島站值班室。波浪騎士的波高測量通過內置的重力加速度傳感器實現，波向測量通過內置水平加速度傳感器、姿態傳感器以及磁羅盤實現，浮標采樣頻率為3.84 Hz，觀測數據時間分辨率為30 min，波高測量分辨率為0.01 m，準確度達到小于測量值的0.5%，周期測量范圍為1.6～30 s，波向分辨率為1.4°。

其海浪觀測結果主要包括兩種：一是上跨零法統計數據，對垂向加速度進行二次積分得到波面位移后利用上跨零法統計分析，得到最大波高、十分之一大波波高、有效波高、平均波高及對應周期數據；二是海浪譜數據，對水平加速度二次積分后得到水平方向位移，通過3個方向位移序列的交叉譜得到海浪方向譜，并計算譜峰周期、平均波向、有效波陡等譜參數[10-12]。

本文主要選用了波浪騎士2014年的波浪觀測數據，同時，為加強對海浪生成機制的研究，還選用了小麥島站2014年逐時的10 min平均風速、風向數據，觀測儀器安裝在小麥島氣象觀測場內，型號為國家海洋技術中心研發的XFY3-1型風速風向傳感器，儀器離地高度10.7 m。

2 數據質量控制

波浪騎士由于數據傳輸故障、儀器回收維護等原因造成了部分觀測數據缺測。依據《海洋觀測延時資料質量控制審核技術規范》（HY/T 0315-2021）等[13-14]，對觀測原始數據進行檢驗和質量控制，主要進行范圍檢驗、相關性檢驗、連續性檢驗、尖峰檢驗、異常值檢驗等。對于上跨零法統計數據，經過檢驗發現，存在部分異常值（周期超過30 s）和尖峰異常值（前后3小時內觀測周期差值超過20 s），經過質控去掉59個異常值，全年共缺測796個時刻，約16.6 d；對于海浪譜數據，經過檢驗未發現異常值，但由于儀器數據傳輸等原因，全年共計缺測1 864個時刻，約38.83 d。整體來看（圖2），波浪騎士浮標觀測資料質量及連續性較好，上跨零法統計數據每月最大缺測天數為4 d（7月），海浪譜數據每月最大缺測天數為8 d（9月）。

選用的小麥島站風速、風向數據，已嚴格按照相關規范要求，經過了初審、預審和報審三級審核程序，進行了嚴格的質量控制。

圖2 波浪騎士每月數據缺測天數統計圖

3 主要波浪要素變化特征

3.1 波浪統計要素特征

波浪騎士利用上跨零法統計得到最大波高（Hmax）、1/10大波波高（H1/10）、有效波高（H1/3）、平均波高（Hmean）及對應周期數據（圖3）。觀測海域以2至3級波浪（小浪、輕浪）為主，春、夏季大浪過程相對較多（本文為了研究和處理數據方便，采用海洋學研究中四季的定義，即各季節時間比陸地晚1個月，春季為4—6月，夏季為7—9月，秋季為10—12月，冬季為1—3月），Hmax年度觀測最大值為5.18 m，出現時間為5月11日。計算得到年平均最大波高為0.89 m，年平均有效波高為0.51 m，年平均波周期為4.4 s（表1），波高和波周期變化波動較大。考慮到近岸海洋站觀測波浪通常小于海上實況，選取H1/10＞3 m的作為判斷災害性海浪的標準[1,15]，全年波浪騎士觀測的H1/10＞3 m出現次數為27次，主要集中在5月10—11日、6月1—2日期間，與東南向大風過程有關。

圖3 2014年波浪騎士觀測各波高、周期時間序列圖

表1 波高、周期年平均值和均方差

結合風速數據進行分析發現（圖4），附近區域以2至3級風（輕風、微風）為主，全年平均風速為3.41 m/s，最大風速為16.2 m/s，出現時間為6月2日，對應的有效波高也達到最大值2.84 m。整體來看，風速與波高觀測分布趨勢較為一致，有效波高較大的時刻往往對應風速也較大，說明該時間附近海域可能以風浪占主，也存在部分有效波高較大的時刻對應風速較小，說明該時間附近海域可能以涌浪占主，后面將結合海浪譜數據進一步分析。

圖4 小麥島站2014年觀測風速與有效波高時間序列圖

3.2 海浪譜要素特征

波浪騎士能夠觀測得到波浪方向譜，并計算有效波高（Hm0）、平均波向（Mdir）、譜峰周期（Tp）、平均上跨零周期（Tz）等海浪譜要素特征值（圖5），Hm0，Tz分布與上跨零法得到波高、周期分布基本一致，Hm0年平均值為0.56 m，Tp年平均值為6.1 s，Tz年平均值為4.0 s。Tp全年超過8 s的觀測共出現3 106次，占總觀測比例為19.8%，長周期波浪主要出現在夏、秋季節。

圖5 海浪譜數據得到Hm0，Mdir，Tp，Tz時間序列圖

分別利用全年的Hm0和Mdir、風速和風向數據，得到全年十六向波浪玫瑰圖和風玫瑰圖（圖6）。研究海域常浪向為SE，次常浪向為ESE、SSE和S，浪向分布比較集中，其他方向出現概率均小于10%，強浪向為SE；常風向為NNW、N和E，強風向為E。

風、浪玫瑰圖分布存在一定的差異，平均浪向主要分布在90°～270°偏南向范圍內，這主要是受浮標布放位置地形和岸線分布等因素影響。波浪騎士布放位置水深25 m左右，北側距離小麥島站約1 km，南側離岸越遠水深逐漸增大，造成北側風區較短，偏北風形成的北向浪在浮標觀測位置仍未完全成長，因此波浪騎士觀測的北向浪較少，而以局地生成或外部開闊水域傳播過來的南向浪為主。青島市區南部海岸線以東西走向為主，沿海區域的災害性海浪威脅主要來自偏南向，偏北向浪造成災害威脅較小，因此波浪騎士雖然對偏北向波浪觀測不足，但對于青島市區沿海范圍的海浪觀測與分析仍有重要的意義。

圖6 全年波浪玫瑰圖（左）和風玫瑰圖（右）

從2014年十六個波向波級頻率分布可以看出（詳見表2，注意觀測Hm0最小值為0.11 m，因而表中忽略了波級為0級和1級的情況），2級（小浪）占比55.6%，3級（輕浪）占比38.9%，合計占比94.5%；波向SE占比35.9%，ESE到S范圍波向合計占比76.1%，其他方向波浪較少；5級（大浪）情況占比為0.2%，波向為SE和SSE，說明大浪主要為東南向浪。

表2 2014年十六個波向波級頻率分布（有效波高/m）

3.3 波浪要素的季節分布特征

青島市地處山東半島東南部沿海，屬典型的溫帶季風性氣候，風、浪分布具有明顯的季節變化特征。圖7給出了冬、春、夏、秋四季的浪玫瑰圖和風玫瑰圖，可以看出，觀測海域四季均以東南向浪為主，但是相比春、夏季，在秋、冬季南向和西南向波浪出現頻率也有增加。大浪過程主要集中春、夏季，這兩個季節風向以東風和偏南風為主，有利于東南向波浪的生成和發展，而秋、冬季以偏北風為主，有利于北向浪發展，但如3.2節中分析，波浪騎士北側風區較短，觀測的北向浪波高均較小。

圖7 冬、春、夏、秋四季波浪玫瑰圖（左）和風玫瑰圖（右）

利用海浪譜數據計算得到的有效波陡（Significant Steepness，由Hm0/Lz計算得出，Hm0為有效波高，Lz為由波浪譜零階矩與二階矩計算得到跨零周期后得出的波長）各季節分布圖（圖8），夏季有效波陡分布更為集中，冬季分布則較為平均。根據Thompson W C等[16]、Wang D W等[17]提出的波型判據：有效波陡≥0.025為風浪，0.025＞有效波陡≥0.01 為未成熟涌浪，有效波陡＜0.01為成熟涌浪。統計得到冬、春、夏、秋風浪出現頻率分別為38.6%，34.2%，31.6%，43.3%；未成熟涌浪出現頻率分別為53.6%，55.6%，61.4%，48.6%；成熟涌浪出現頻率分別為7.8%，10.2%，7.0%，8.2%。依此判據可知，觀測海域以風浪、未成熟涌浪占主，全年平均占比91.7%，成熟涌浪占比較低，全年平均占比8.3%，僅在春季達到了10%左右。

4 結 論

當前國內高精度、長期、連續的波浪譜觀測數據較為缺乏，青島市近岸海域的波浪觀測也缺乏長期資料的系統分析。本文研究基于小麥島站2014年波浪騎士浮標觀測數據以及風速、風向數據，對青島近岸海域波浪要素特征進行了綜合分析。通過上跨零法統計的波高和周期數據分析得知，觀測海域以2至3級波浪（小浪、輕浪）為主，春、夏季大浪過程相對較多，年平均最大波高、有效波高、平均波周期分別為0.89 m、0.51 m和4.4 s，風速與波高觀測分布趨勢較為一致，反映了該海域波浪主要受到局地風影響；通過海浪方向譜數據分析得知，研究海域常浪向為SE，次常浪向為ESE、SSE和S，合計占比76.1%，強浪向為SE；常風向為NNW、N和E，強風向為E，浪玫瑰圖顯示，觀測海域平均浪向主要分布在90°～270°的南向半圓范圍內，與風玫瑰圖的分布有所不同，這主要是由于波浪騎士布放位置北側風區較短，偏北風形成的北向浪尚未完全成長導致。

圖8 各季節有效波陡分布圖

進一步分析了波浪要素的季節分布特征，觀測海域四季均以東南向浪為主，但是相比春、夏季，在秋、冬季南向和西南向波浪出現頻率也有增加，大浪過程主要集中在春、夏季，這兩個季節風向以東風和偏南風為主，有利于東向、南向的波浪生成和發展。通過有效波陡數據分析判斷，觀測海域以風浪、未成熟涌浪占主，全年平均占比91.7%，成熟涌浪占比較低，進一步驗證了觀測海域波浪主要受到局地風的影響，受外來涌浪影響相對較小。

雖然波浪騎士浮標受布放位置、岸線分布影響，對偏北向波浪觀測不足，但是青島市區南部海岸線以東西走向為主，沿海區域的災害性海浪威脅主要來自偏南向浪，偏北向浪造成災害威脅較小。因此，本文對于青島市區沿海范圍的海浪觀測與分析仍具有重要意義，特別是結合了1年連續觀測的波浪方向譜數據進行分析，對于青島市區近岸海域的海浪預警監測、防災減災、海洋工程建設、海上運輸等具有重要的參考價值。值得注意的是，2014年無臺風直接登陸影響青島市近岸海域，因而本文未涉及臺風影響下的海浪特征，下一步將搜集相關數據，對臺風影響下的海浪要素特征進一步分析研究。