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热带海洋学报 >

2018 , Vol. 37 >Issue 3: 1 - 8

DOI: https://doi.org/10.11978/2017102

海南东方近岸海域海浪观测特征研究

  • 冯兴如 1, 2, 4 ,
  • 李近元 5, 6 ,
  • 尹宝树 1, 2, 3, 4 ,
  • 杨德周 1, 2, 4 ,
  • 陈海英 1, 2, 4 ,
  • 高冠东 1, 2
展开
  • 1. 中国科学院海洋研究所, 山东 青岛 266071
  • 2. 中国科学院海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071
  • 3. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 4. 青岛海洋科学与技术国家实验室, 海洋动力过程与气候功能实验室, 山东 青岛 266237
  • 5. 国电新能源技术研究院, 海洋地质和水文研究室, 北京 102209
  • 6. 中能电力科技开发有限公司, 北京 100034
尹宝树。E-mail: bsyin@qdio.ac.cn

作者简介：冯兴如(1984—), 男, 副研究员, 博士, 主要从事风暴潮海浪相互作用及其数值模拟。E-mail:fengxingru07@qdio.ac.cn

收稿日期: 2017-09-20

  要求修回日期: 2017-11-28

  网络出版日期: 2018-05-03

基金资助

国家重点研发计划(2016YFC1402000、2016YFC1401500)

国家自然科学基金项目(41406018、41476019)

收起

Characteristics of ocean waves in coastal area of Dongfang, Hainan Island based on observations

  • FENG Xingru 1, 2, 4 ,
  • LI Jinyuan 5, 6 ,
  • YIN Baoshu 1, 2, 3, 4 ,
  • YANG Dezhou 1, 2, 4 ,
  • CHEN Haiying 1, 2, 4 ,
  • GAO Guandong 1, 2
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  • 1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
  • 2. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 4. Function Laboratory for Ocean Dynamics and Climate, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China
  • 5. Marine Geology and Hydrology Research Laboratory, Guodian New Energy Technology Research Institute, Beijing 102209, China
  • 6. Zhongneng Power-Tech Development Company Limited, Beijing 100034, China
Corresponding author: YIN Baoshu. E-mail:

Received date: 2017-09-20

  Request revised date: 2017-11-28

  Online published: 2018-05-03

Supported by

National Key Research and Development Program of China (2016YFC1402000, 2016YFC1401500)

National Natural Science Foundation of China (41406018, 41476019)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

利用海南东方近岸海域2014年至2015年间一整年的海浪观测资料, 分析了海浪的时间变化特征。观测时间段内, 有效波高最大值为4.03m, 平均值0.79m; 平均周期最大值为6.32s, 平均值为3.58s。该海域冬季波高较大, 秋季最小, 常浪向为SSW方向, 强浪向为WSW向。基于该长期观测数据, 文章亦研究了平均周期、有效波高之间的关系, 同时还确立了该海域波高与平均持续时间之间的关系。最后讨论了观测时间段内波浪能流密度的变化特征, 发现一年中能流密度大于2kW·m-1的频率为26%, 且从全年的计算结果来看, 观测位置处12月的波浪能较适宜开发, 但总体波浪能资源不够丰富。文章对于认识海南东方近岸海域波浪特征以及工程设计都具有重要的意义。

关键词： 海南东方近岸; 波浪变化特征; 波高周期联合分布; 波高持续时间; 波浪能

本文引用格式

冯兴如 , 李近元 , 尹宝树 , 杨德周 , 陈海英 , 高冠东 . 海南东方近岸海域海浪观测特征研究[J]. 热带海洋学报, 2018 , 37(3) : 1 -8 . DOI: 10.11978/2017102

Abstract

Temporal variation characteristics of ocean waves in the coastal area of Dongfang, Hainan are analyzed based on observations of ocean waves for a whole year from Aug 1, 2014 to Jul 31, 2015. During the observation period, the maximum height of the significant wave height was 4.03m, the average was 0.79m; the maximum value of the mean period was 6.32s, and the average was 3.58 seconds. In this sea area, the wave height was higher in winter, with minimum in autumn. The normal wave direction was SSW, and the strong wave direction was WSW. Based on the one-year observation data, the relation between the mean period and significant wave height was studied, and the relation between the significant wave height and its mean duration was also established. Finally, the variation characteristics of wave energy density in the observation period were discussed. We found that the frequency of wave energy density above 2kW·m-1 in one year was 26%, and the wave energy at the observation location increased faster in December, but the total wave energy resources were not rich enough. The results obtained in this study are of great significance for understanding the wave characteristics and engineering design of the coastal area of Dongfang, Hainan.

Key words： coastal area of Dongfang; Hainan Island; characteristics of wave variation; joint distribution of wave period and height; wave height persistence; wave energy

海浪是近岸重要的物理过程之一, 是海洋工程建设以及许多海上活动必须考虑的环境参数。海南岛位于南海北部, 是中国第二大岛, 位置重要, 资源丰富, 海岸线长, 是全国最大的经济特区。对海南岛海域的波浪进行研究, 将有利于认识该海域的海洋环境特征, 同时对于该海域的海洋经济发展具有重要的意义。
目前已有针对南海和海南岛部分海域的波浪特征研究。周良明等(2007)利用WAVEWATCH-Ⅲ模式研究了南海海域波浪的时空分布特征; 江丽芳 等(2011)利用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式研究了南海北部有效波高和平均波周期的空间分布特征, 指出有效波高受季风影响, 呈显著的季节变化。黄必桂等(2016)基于南海北部油气田区长达一年的海浪观测数据, 研究了南海北部油气田区的海浪和周期的关系。石海莹(2013)通过分析海南岛沿岸历史海洋灾害资料发现, 风暴潮和海浪灾害是海南岛发生最频繁、影响最严重的海洋灾害, 同时指出灾害性海浪具有明显的季节特征。李淑江等(2016)基于海南岛东南沿岸2012至2013年一整年的海浪实测资料, 分析了海南岛东南海域波浪的季节变化特征, 并研究了台风影响下观测海域的波浪发展过程及规律。由上可知, 目前虽然已有关于海南岛周边海域的部分海浪研究成果, 但由于海南岛岸线较长, 目前的研究还很不全面, 尤其是基于实测资料进行的海浪研究较少。本文将基于海南西南海域2014至2015年一整年的海浪定点观测资料, 分析该海域的波浪特征, 主要包括波浪的时间变化和方向分布特征、有效波高和平均周期的关系、有效波高及其平均持续时间的关系以及海浪能评估。

1 资料

本研究采用的波浪观测资料持续时间为2014年8月1日至2015年7月31日, 数据间隔为1h, 观测总长度为1年。波浪观测站位于海南岛西南海域(图1), 观测位置处没有岛屿遮挡, 可以充分捕捉外海传播进来海浪的影响。观测仪器为Nortek公司的声学波浪流速剖面仪(浪龙), 采用坐底式观测, 仪器的姿态参数显示仪器在海底姿态良好, 倾斜角基本保持在5°以内, 可以保证观测数据的质量。海浪观测要素主要包括波高、周期和波向等。海浪的观测资料完整, 能够反映研究海域的海浪特征。观测期间, 研究海域受到2个台风过程的影响, 分别是2014年9月的台风“海鸥”(编号1415)和2015年6月的台风“鲸鱼”(编号1508), 台风路径如图1所示。
Fig. 1 Location of the wave observation station (the red star) and the typhoon track during the observation period. The red circles represent the typhoon center at an interval of 6 hours

图1 波浪定点观测位置(红色五角星)及观测期间的台风过程(红色圆圈代表每6h间隔的台风中心位置)

2 波浪的观测特征

2.1 波高的时间变化和方向分布

2014年8月1日至2015年7月31日观测位置的有效波高和平均周期的时间变化过程曲线如图2所示。结果显示, 观测时间段内全年有效波高最大值为4.03m, 平均值0.79m; 平均周期最大值为6.32s, 平均值为3.58s。与李淑江等(2016)的观测结果相比, 该海域的波高低于海南东南海域。由图2还可以看出, 在2014年9月与2015年6月期间, 波高存在两个极值, 分别为3.48m和4.03m, 这是由于站点分别受到台风“海鸥”(1415)和“鲸鱼”(1508)的影响。对应的平均周期亦存在2个极值, 分别为5.87s和6.17s。
Fig. 2 Variation of significant wave height (a)and mean period (b)over one year

图2 整年有效波高(a)和平均周期(b)的时间变化曲线

从春夏秋冬4个季节的波浪玫瑰图(图3)可以看出, 冬季的浪向主要为N和NNE向, 而夏季的浪向主要为SSW和S向。这是由于该海域季风特性明显, 冬季盛行北风和东北风, 夏季盛行西风和西南风。 受此影响, 波高在波向上的分布也呈现出了相似的季节特征。综合全年来看, 海南西南海域的冬季波高最大, 平均有效波高为0.89m, 秋季最小, 平均有效波高为0.55m。
观测位置处的常浪向为SSW方向, 出现频率为15.47%, 有效波高主要分布在0.1~1.5m; 次常浪向为NNW方向, 出现频率为14.18%, 有效波高主要分布在0.5~1.5m。此外, 该处S向的波浪出现频率也较高, 为13.94%。强浪向为WSW向, 观测到的最大有效波高为4.03m, 次强浪向为SW向,最大有效波高为3.36m。与周毅(2014)在海南清水湾地区的模拟结果相比, 两个海区都在冬季出现最大平均有效波高, 但清水湾地区在冬季的有效波高普遍可达2m以上, 高于本文的观测结果。两地相距不远, 冬季都盛行东北季风, 清水湾地区波高更高, 差异可能主要是由岸线分布走向不同所致。
Fig. 3 Rose diagrams of significant wave height (m)in the four seasons of spring, summer, autumn, and winter

图3 春夏秋冬4个季节的有效波高(m)玫瑰图

2.2 台风期间海浪的观测结果

波浪观测期间共受到两次台风过程的影响, 分别为1415号和1508号台风(图1)。1508号台风过程观测得到的海浪较强, 因此本文单独对1508号台风期间的观测特征进行介绍。
1508号台风于2015年6月20日下午在南海中南部海域生成, 21日23时加强为强热带风暴, 并于6月22日18时50分登陆海南万宁; 之后在万宁境内减弱为热带风暴, 并向西北方向移动; 6月23日9时, 该台风从海南儋州进入北部湾, 最终1508号台风在6月24日11时登陆越南海防市。受此台风影响, 研究海域观测到了2014年8月1日至2015年7月31日一整年期间的最大有效波高4.03m, 对应的最大波高为6.73m。
1508号台风过程期间观测到的海浪谱在频率和波向上的分布及时间变化见图4, 图5为对应时间段的有效波高和波向。可以看出, 台风影响期间波浪谱密度在频率和波向上均有明显增加, 台风过境后波浪谱密度缓慢减小; 同时, 波浪谱极值在台风期间出现在较低频率, 之后恢复。与海南岛东南海域观测到的台风期间频谱在波向上有两个极值不同(李淑江 等, 2016), 整个台风期间该观测位置处的频谱在波向上一直只有一个极值。图5的结果显示, 台风期间波向的变化过程为由W转WSW最后变为SW, 这与台风期间的风向变化基本一致。
Fig. 4 Distribution and temporal evolution of wave spectrum in frequency (a) and wave direction (b) during Typhoon Kujira (1508)

图4 1508号台风过程期间海浪谱在频率(a)和波向(b)上的分布及时间变化

Fig. 5 Observations of significant wave height and wave direction during Typhoon Kujira (1508)

图5 1508号台风过程期间的有效波高和波向观测结果

为了对观测到的海浪谱做进一步的分析, 我们对6月23日11时, 台风过境时最大波高出现时刻的海浪谱进行了拟合。具体为采用JONSWAP谱(Hasselmann et al, 1973)的形式进行拟合:
$S(\omega)=2παg^{2}exp[-\frac{5}{4}(\frac{\omega_0}{\omega})]\gamma^{exp[-\frac{(\omega-\omega_0)^2}{2\sigma^2\omega_0}]} $
其中S(ω)为海浪能谱, γ为峰升高因子, σ为峰形参量, α为无因次风区的函数, ω为谱频率, ω0为实测谱的谱峰频率。ω≤ω0时σ=0.07; ω>ω0时σ=0.09。把(1)式中的α和γ设为要拟合的参数, 采用最小二乘法拟合, 迭代达到局部最优, 最终拟合得到α=2.57×10-6, γ=3.255。拟合结果如图6所示。图中纵坐标m0为实测谱的零阶矩。
Fig. 6 Wave spectrum during the typhoon

图6 观测位置台风过程中海浪谱

可以看出, 拟合谱和实测谱基本一致, 说明拟合谱基本上适合该海域台风过程。

2.3 波高与周期的联合分布

Toba(1972)提出, 无因次的有效波高和有效周期满足3/2指数律, 管长龙 等(2001)的研究也进一步对该规律进行了证实。已有研究显示(葛明达, 1984; 范顺庭 等, 1999), 平均波高(\(\overline{H}\))与平均周期(\(\overline{T}\))不完全独立, 并且存在如下的关系式:
$\overline{H}=a\overline{H}^2$
且不同海域可以计算得到不同的a值。同样, 有效波高(Hs)和平均周期(\(\overline{T}\))之间也存在类似的关系。陶尧森(1985)通过分析中国各海区资料得出\(\overline{T}=4.7\sqrt{H_s}\) (等同于: $H_s=0.045\overline{T}^2$), 王云天 等(1997)在统计东海和黄海的波浪资料后也给出$\overline{T}=3.66\sqrt{H_s}$ (等同于$H_s=0.075\overline{T}^2$)。本文根据一整年的波浪观测资料, 计算了有效波高和平均周期的相关性, 得出两者的相关系数为0.41, 并且通过了99%的置信度检验, 说明有效波高和平均周期相关性还是比较明显。
基于本次一整年的观测资料, 本文拟合出了有效波高和平均周期的关系如下:
$\overline{T}=4.47\sqrt{H_s}$ (等同于$\overline{H}_s=0.044\overline{T}^2)$
该结果与陶尧森(1985)基于中国各海区资料得出的关系式基本一样。
利用本次观测资料, 得出的波高与周期的联合分布如图7所示。可以看出, 有效波高主要分布在0.4~1.1m, 平均周期主要分布在3.2~4.2s。类似于李淑江等(2016)在海南东南海域的分析方法, 图7中还给出了平均周期与对应的最大有效波高的拟合曲线以及平均周期与对应平均有效波高的拟合曲线。利用该拟合曲线, 可求得设定平均周期下的最大有效波高和平均有效波高。
Fig. 7 Joint distribution of wave height and period (%). Hs is significant wave height, and $\overline{T}$ is mean period

图7 波高与周期联合分布(%)
Hs为有效波高, $\overline{T}$为平均周期

2.4 平均持续时间与波高

波浪的持续时间也是反映波浪能量的一个重要参量。波浪的持续时间是指大于等于某个特定波高的连续时间, 波浪的平均持续时间是指特定波高对应的各次持续时间的平均值(潘锦嫦 等, 1994)。为了研究波浪的平均持续时间与波高的关系, 本文采用Lawson等(1975)提出的平均持续时间(D)和波高(H)的关系式:
$D=αH^β$
其中α和β为拟合参数。该关系式被广泛应用在不同海域的波浪研究中(Lawson et al, 1975; Graham, 1982; 潘锦嫦 等, 1994; 李淑江 等, 2016)。本文基于海南西南海域一年的有效波高观测数据, 拟合出了该海域的有效波高与平均持续时间的关系(图8)。可以看出, 有效波高除了在1.58~2.7m之间的范围外, 其他区间都是表现为平均持续时间随着波高的增大而减小。在有效波高小于1.58m时, 拟合得到α=0.35, β=-1.83, 有效波高大于2.7时拟合得到α=27.66, β=-4.71。但是当有效波高大于1.58m小于2.7m时, 出现了平均持续时间随着波高增大而增大的趋势。进一步分析图2可以发现, 1.58m和2.7m之间的有效波高大都出现在春季和冬季, 一般为寒潮等大风天气所致。这也就是说明, 寒潮天气下的大浪过程, 平均持续时间随波高变化的趋势与其他海况下不同, 这与李淑江 等(2016)在海南东南海域的观测结果类似。
Fig. 8 Variation of the average wave height persistence duration with wave height

图8 波高平均持续时间随波高的变化

3 波浪能

海浪发电无污染, 可再生, 具有其独特的优势。郑崇伟等(2011)基于SWAN海浪模式的研究发现, 中国南海北部海浪资源丰富。宗芳伊等(2014)也基于SWAN海浪模式研究了中国南海的波浪能分布。但目前基于实测资料研究南海海浪能的研究较少。本文基于海南西南海域一年的海浪观测资料, 计算了研究海域海浪能的特征。计算方法采用美国EPRI(Electric Power Research Institute)(Hagerman et al, 2003)的波浪能资源评估方法, 具体如下:
$P_w=0.5\times H_s^{2}\times \overline{T}$
其中, Pw为波浪能流密度, 单位为kW·m-1, Hs为有效波高, \(\overline{T}\)为平均周期, 0.5的单位为kg·s-4。该公式同样应用在郑崇伟等(2011)和宗芳伊等(2014)的研究中。经计算得到整年逐时和月平均的波浪能流密度变化曲线分别如图9a和图9b所示。由图9a可以看出, 2014年9月与2015年6月存在两个能流密度的极值, 这分别是由于台风Kalmaegi(“海鸥”)和 Kujira(“鲸鱼”)的影响导致的有效波高偏大、平均周期偏长, 进而能流密度偏大。由图9b可以看出, 12月平均能流密度最大。通常认为能流密度大于2kW·m-1时, 波浪能资源可以开发(任建莉 等, 2009)。统计显示, 该观测位置一年中能流密度大于2kW·m-1的频率为26%, 该观测结果同郑崇伟等(2011)的模拟结果基本一致。因此, 从计算结果来看, 观测位置处12月的波浪能较适宜开发, 但总体波浪能资源不够丰富。
Fig. 9 Variation of wave energy over one year (a)and variation of monthly averages wave energy over one year (b)

图9 整年海浪能流密度变化曲线(a)与月平均的能流密度变化曲线(b)

4 结论

本文根据海南西南海域2014年至2015年间一整年的海浪观测资料, 分析了该海域海浪的时间变化特征、波高周期联合分布、波高的平均持续时间以及海浪能, 主要得出以下结论。
1) 观测时间段内, 有效波高最大值为4.03m, 平均值0.79m; 平均周期最大值为6.32s, 平均值为3.58s。台风“海鸥”(1415号)和“鲸鱼”(1508号)期间分别观测到3.48m和4.03m的有效波高极值。该海域冬季波高较大, 秋季最小, 常浪向为SSW方向, 强浪向为WSW向。
2) 有效波高主要分布在0.4~1.1m, 平均周期主要分布在3.2~4.2s。基于本次一整年的观测资料, 拟合出了有效波高和平均周期的关系为\(\overline{T}=4.47\sqrt{H_s}\), 该结果与陶尧森(1985)基于中国各海区资料得出的关系式基本一样。
3) 除了寒潮条件下的波浪, 波浪的平均持续时间与波高的关系符合Lawson等(1975)提出的平均持续时间和波高的关系式, 且平均持续时间随着波高的增大而减小。
4) 统计显示, 该观测位置一年中能流密度大于2kW·m-1的频率为26%, 且从全年的计算结果来看, 观测位置处12月的波浪能较适宜开发, 但总体波浪能资源不够丰富。
海浪受岸线和水深等影响较大, 因此本文观测特征代表海域有限, 但对海南东方近海的波浪研究具有重要的参考价值。该文对于该海域波浪特征, 波浪能开发, 工程设计以及相关模型计算结果验证, 都具有重要的意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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