珠江口波浪要素特征分析

珠江口波浪要素特征分析

尹毅;江丽芳;张志旭;于红兵;王海龙

【摘要】文章利用珠江口长达1年的实测海浪资料,对珠江口海浪基本要素、大浪过程以及与热带气旋活动的关系进行统计分析,选取强台风"韦森特"过程进行研究.结果表明:珠江口波浪以0~2级波高为主,出现频率达76%,3级波高次之,出现频率为22%;平均波高的月变化幅度较大,大浪多出现在夏、冬季,与热带气旋活动和冷空气过程密切相关;常浪向为SE向,出现频率为29%,强浪向为SSE向,一般由热带气旋引起;涌浪在秋、冬季出现频率较低;在春、夏两季出现频率稍高.强台风"韦森特"期间,最大浪高达3.93m,台风浪经历了涌浪—混合浪—风浪—混合浪的过程,波型变化与一般台风浪波型的演变规律较为一致.%Based on the one year wave data collected continually at the station of the Pearl River Estuary, statistical analysis of wave characteristics was conducted. The results show that the frequency of the wave height that was below 0.5 m was 76%. The month-to-month variation was quite notable. The bigger waves occurred mainly in summer and winter, which were closely related to tropical cyclones and cold air. The direction of higher frequency waves was SE, and the frequency reached 29%. The direction of strong wave was SSE, which was generally caused by tropical cyclones. During Typhoon Vicente, the wave height increased rapidly, with the maximum wave height reaching 3.93 m. The pattern of typhoon wave was in accordance with the general evolution of typhoon wave type.

【期刊名称】《热带海洋学报》

【年(卷),期】2017(036)004

【总页数】7页(P60-66)

【关键词】珠江口;波浪骑士;波浪要素;台风浪

【作者】尹毅;江丽芳;张志旭;于红兵;王海龙

【作者单位】中国科学院南海海洋研究所,广东广州 510301;中国科学院大学,北京100049;国家海洋局南海分局南海预报中心,广东广州510310;中国科学院南海海洋研究所,广东广州 510301;中国科学院南海海洋研究所,广东广州 510301;中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东广州 510663

【正文语种】中文

【中图分类】P731.22

作为我国年流量第二大河的珠江,由东江、北江、西江及其他支流构成,经由八大口门汇入南海。据统计,环珠江口湾区聚集了广东省过半的人口,是中国最发达的经济区域之一。但是,珠江口也是广东省海域灾害频发,灾情严重的重要区域。邓松等(2006)统计分析了自 20世纪 90年代以来珠江口近海海域灾害发生过程及其对沿海地区的影响,结果表明风暴潮灾害影响最大,海浪灾害位居第二。

近年来已有学者对珠江口近海海域的波浪做了一些研究。王欣睿等(2009)利用时间跨度近2年600余组波浪观测资料,基于 5种风浪经验预报模型,对珠江口近海海域波高做了后报分析; 辜俊波(2012)和张洪生等(2013)基于 CCMP卫星遥感海面风场数据,通过将WAVEWATCH Ⅲ和SWAN数学模型嵌套的方法,模拟了10个月的珠江口附近海域的风浪场,初步讨论了不同台风风场对台风浪的影响。

珠江口近岸海域风浪受区域限制及众多岛屿影响,具有其局地特征,但目前为止对其

研究相对较少。这主要是由于实测资料的缺乏,尤其是中高海况下的直接观测和研

究结果非常缺乏。一方面在于: 作为中国水上运输最为繁忙水域之一的珠江口,布放长期波浪观测站在客观上存在着一定困难,且某些常规波浪观测方法在中高海况下

较难予以实施。另一方面,遥感测波技术在高海况下的精度有待改进,且其在近岸海

域一般存在着缺测的情况。本文利用珠江口近岸海域连续一年海浪观测数据,对海

浪基本要素进行了统计分析,给出珠江口海域波浪的基本特征; 统计和分析珠江口海域大浪过程与热带气旋活动的关系,并选取其中一个台风浪过程进行分析,研究台风

过程中该海域海浪的特征和演变规律,为珠江口的海浪预报等工作提供一定的参考。南海波浪主要由热带气旋和季风引起。在东北季风期,南海出现以东北向为主的风浪; 在西南季风期,常见的西南向浪(中国海湾志编纂委员会,1998)。珠江口岛屿众多,外海波浪受到这些岛屿的屏障作用传至珠江口,发生折射与绕射等现象,同时受到水深变浅等因素的影响,波高与波向往往发生较大变化。本文采用数据的波浪观测

站位于万山群岛以北、桂山岛以西的伶仃洋海域上(见图1)。该观测站以西为青洲

水道与大西水道,以北分布着虎门、蕉门、洪奇门与横门共4个口门,距虎门约

75km,距横门约45km。该观测站所选位置既可以反映外海波浪经岛屿进入珠江口后的特征,又因其北侧风区较长,使得冬季风期间波浪的特征得以体现。观测站水深

约为 10m,岸边数据接收站距其 9km,平均潮差 0.85～0.95m(黄方等,1995)。采

用观测仪器为荷兰Datawell公司出产的Waverider(波浪骑士)浮标,型号为DWR-MK Ⅲ。观测工作自2012年6月1日0时开始,至2013年5月31日23时结束。仪器设置每小时观测一次波浪,每次连续记录30分钟,采样频率为1.28Hz。热带气旋轨迹资料来源于日本气象厅 (Japan Meteorological Agency )每6h一次的热

带气旋路径数据。

对珠江口海域2012年6月—2013年5月期间一年的海浪实测资料进行统计分析。结果显示,珠江口内波浪一般较小,多以0～2级波高为主,3级波高次之,2012 年7

月、8月和12月均观测到一次5级波浪过程,期间最大波高达3.93m。0～2级、

3级以及3级以上波高的出现率分别为76%、22%和2%。下文分别从海浪要素

的月平均值、极值变化特征以及大浪统计、季节分布特征方面进行分析。

2.1 月平均值和极值变化特征

表 1列出了各月平均有效波高、平均有效波周期、最大波高及其对应波周期的统

计结果,图2为各月平均有效波高与最大波高的变化过程图。可以看出,年平均有效波高为0.41m,秋、冬两季除9月外,各月均在年平均有效波高之上; 春、夏两季总

体在年平均有效波高之下。各月最大波高的变化范围在 1.59～3.93m 之间,其中以7月、8月和 12月最大,这3个月最大波高均在3.0m以上(5级); 其他月份最大波高均为4级。最大波高的极大值出现在2012年7月,系由1208号台风“韦森特”影响所致。

2.2 大浪统计

珠江口海域内 5级以上的大浪多出现在夏、冬两季,与热带气旋活动和冷空气过程

密切相关。表2为观测期间5级以上台风期间大浪(2.5m以上波高)的统计结果。

可以看到,最大波高为 3.93m和3.21m,最大波高对应的周期为分别为4.6s和8.7s,以风浪为主。统计结果显示,大浪波高的大小与热带气旋的强度、路径和移动速度

均有关,热带气旋距离观测点越近,靠近观测点时风速越大,引起的波高就越大(姚圣康,2006),实测结果符合风浪成长理论(丁平兴等,1995)。波浪观测站北侧风区较长,在东北季风期间有较大波浪过程。2012年 12月的一次冷空气过程中,最大波高达到3.04m。

2.3 波浪要素的季节分布特征

2.3.1 波向的季节分布

图3给出了4个季节有效波高的波浪玫瑰图。春季,常浪向为SE向与ESE向,强浪

向为偏N向与偏ESE向。夏季,常浪向集中分布在SSE与SE向,强浪向为SSE向。

秋季,常浪向主要表现为SE与ESE向,强浪向分布于偏N向与偏SE向。冬季,常浪向为 SE向,ESE向与 N向次之,强浪向为偏NE向。从全年来看,观测海域的常浪向表现为 SE向,出现频率为29%; 其次为ESE向与SSE向,出现频率分别为 17%和16%; 在其他方向出现频率较少,一般不超过8%。强浪向为SSE向。总的看来,外海波浪传入珠江口,受万山群岛等众多岛屿的阻挡与屏蔽,使得波浪发生反射与绕射现象,各季波向均以 SE向为主。夏季偏向 SSE一侧,秋季与春季偏向ESE一侧,在东北季风盛行的冬季北向波浪的出现频率增多,但常浪向仍以SE向为主。全年波浪出现在E—S区间的频率为73%,其他方向波浪较少;强浪向也以偏东南向为主,多由热带气旋造成。

2.3.2 有效波陡的分布

图4给出了各季节有效波陡(由 Hs/Lz计算得出,Hs为有效波高,Lz为由波浪谱零阶矩与二阶矩计算得到跨零周期,进而计算得出的波长)的分布情况。春季,有效波陡出现频率超过5%的分布区间主要为 0.0093～0.0223,合计为 50%。夏季,有效波陡出现频率超过 5%的分布区间为 0.0114～0.0370,合计为80%。秋季,有效波陡出现频率超过5%的分布区间主要为0.0176～0.0395,合计为59%。冬季,有效波陡在 0.01～0.05区间分布较为均匀,间或有个别波陡出现频率低于5%,分布区间出现频率超过5%的合计值为71%。全年统计,有效波陡出现频率超过5%的分布区间为0.0086～0.0282与0.0310～0.0394,合计为72%。依据波型判据: 有效波陡≥0.025为风浪; 0.025>有效波陡≥0.01为未成熟涌浪; 有效波陡<0.01为成熟涌浪(Thompson et al,1984)。可以知道,夏、秋、冬、春四季以及全年涌浪出现的频率分别为 48%、37%、36%、53%和44%。依此判据可知,涌浪在秋、冬季出现频率较低; 在春、夏两季出现频率稍高。

2012年 7月 1208号强台风“韦森特”(Vicente)活动期间,观测站观测到最大浪高达 3.93m,本文选取该台风浪过程进行分析,以了解此过程中珠江口灾害性海浪的

特征和演变规律。

3.1 台风概况

2012年 7月 20日晚,美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center)将18日形成于菲律宾东海面的低压区升级为热带低气压。21日该低压掠过菲律宾北部进入南海向西移动,并于夜间升级为热带风暴。22日,在引导气流缺乏的情况下,移动明显减速,但强度仍有所增强。23日,“韦森特”开始向北面的珠江口海域缓慢移动并爆发增强,上午升级为台风,晚间进一步增强为强台风。24日凌晨,“韦森特”在台山市赤溪镇沿海附近登陆,登陆时中心附近最大风力 13级(40m·s–1),中心最低气压为 955hPa; 登陆后向西北偏西方向移动,当日晚间降为热带低气压; 25日,进入越南北部,逐渐消散。该台风给广东省带来持续多日的暴雨天气,并造成巨大人员与经济损失。

3.2 台风过程的波浪分析

图5和图6分别为2012年7月最大波高和有效波高变化过程曲线。根据王蓉等(2013)给出的关于位于万山群岛的大万山海洋站的实测风速、风向变化过程图,7月20日至23日夜间,风速较小,一般不超过5m·s–1,风向以偏南风为主。7月 24日零时前后,风速开始急剧增大至25m·s–1以上,6时以后迅速减弱至10m·s–1左右,至 25日一直波动维持在此风速大小附近,风向为东南风。从波高周期过程曲线上可以看到,7月份多数时间最大波高和有效波高均较小,最大波高普遍分布在1m 以下,有效波高在0.5m以下。7月23日 0时强台风“韦森特”距离较远时,最大波高和有效波高分别为 0.58m 和0.32m; 逐渐靠近观测点时,波高开始急剧增大; 18时,强台风“韦森特”距离观测点位置最近时,最大波高为2.11m,有效波高迅速增大到1.21m; 受此台风持续影响,风速开始明显增大,波高随之继续增大,至23时达到峰值(24日0时至24日13时由于海况及仪器原因,数据缺测),此时最大波高为3.93m,最大波高对应的周期为 4.6s,有效波高为2.09m,对应的有效波周期为5.9s,

以风浪为主。

随着强台风“韦森特”风场远去,波高迅速回落,7月25日0时,最大波高仅为

1.41m,有效波高降至0.86m。风浪减弱,但外海传来的涌浪继续影响珠江口,7月25日以后,观测到波浪的最大波高维持在1m左右,最大波高对应的周期约为6～7s,有效波高在0.5m以上,对应的有效波周期约为5s,此时是以涌浪为主的混合浪。

波浪变化过程与强台风“韦森特”风场变化密切相关,强台风“韦森特”靠近观测点时中心附近最大风速约为40m·s–1,台风中心距离观测点约 90km,在强风作用下,波高急剧增大,仅 1h,最大波高就从 2.21m增大到 3.93m。由于强台风“韦森特”的移动速度较快(约15km·h–1),随着观测点所在海域远离大风区,风浪波高迅速回落,但外海传来的涌浪继续影响珠江口海域,使得台风过后海区波浪最大波高还维持在约1m左右,持续时间将近1d。

3.3 波高和周期联合分布

观测站水深约为 10m,浅水因子 H＝h/d 的范围在0.009～0.132之间,其中h为平均波高(单位: m),d为水深(单位: m),该区域波浪属于浅水波。作为随机量的波高与周期,遵从一定的联合概率分布,按实测波高以0.5m、周期以1.0s 为间隔,统计波浪在每一间隔内出现的频率,2012年7月最大波高与周期的联合分布如图 7所示。7月最大波高的变化范围在0.22～3.93m之间,最大波高对应的周期变化范围在

1.7～11.2s之间。最大波高在1m以下的出现频率为 86.5%,其中以周期在 3～7s 的波浪为主,说明该区域以风浪为主。1.5m以上的波浪对应的周期在3～10s之间,其中波高极大值对应的周期为5s,是由风浪和涌浪构成的混合浪。

3.4 波型演变

台风浪的波型是港口和海岸工程设计中需考虑的重要因素,波陡是判别波型的基本依据,通过对波陡变化的分析可以了解台风期间波浪波型的演变过程。Wang 等(2001)提出了一个波陡函数:

式中 f为频率(单位: s–1); S(f)为波谱(单位: m2·s); fmax为波谱频率上限(单位: s–1); f*为函数自变量,取值范围为 0～fmax(单位: s–1); g为重力加速度(单位:m·s–2)。首先利用实测频谱根据该公式得到波陡函数,确定其谱峰频率,进而得到划分风浪与

涌浪的分割频率,最终可以得出风浪与涌浪各自引起的有效波高成分。图8给出了

台风“韦森特”在7月23日至25日期间有效波高及风浪与涌浪成分的变化过程

情况。23日12时前,首先影响观测点的波浪一般是按频散关系经过长距离传播而

衰减了的涌浪,随着台风的移动逐步转换为风浪与涌浪的比重相当,有效波高一般在

1m以下,主波向主要位于170°附近。12时以后随着台风逐渐靠近观测站,风浪逐

渐成长增强,有效波高逐渐增大至2m以上,风浪占据主要成分,主波向表现较为复杂,主要为 SE向与SW向,间或有NE向强浪出现。24日以后,随着台风逐渐远离,观测站波型由风浪为主向混合浪演变,有效波高逐渐降至 1m以下,主波向主要分布于150°附近。珠江口海域在台风影响过程中的波型变化与一般台风浪波型的演变规

律(张经汉,1988)较为一致。

本文利用珠江口近岸海域 2012年 6月—2013年5月长达 1年的海浪实测资料,

对海浪基本要素及大浪过程与热带气旋活动的关系进行统计分析,并选取一个典型

台风过程的波浪进行研究。研究结果总结如下。

1)波高以0～2级为主,出现频率达76%; 3级波高次之,出现频率为22%; 在2012

年7 月、8月和12月观测到一次 5级波浪过程,期间最大波高达3.93m。

2) 珠江口海域波浪月平均波高相差较大,12月平均波高比 5月份高 0.23m; 各月最大波高的变化范围在 1.59～3.93m 之间,其中以 7月、8月和 12月最大,这三个月最大波高均在3.0m以上。

3) 大浪多出现在夏、冬季,与热带气旋活动和冷空气过程密切相关,大浪波高大小与热带气旋的强度、路径和移动速度有关,热带气旋距离观测点越近,风速越大,引起的浪高越大。波浪观测点位于万山列岛以北,众多岛屿的存在起着一定的消浪作用。

北侧风区较长,在东北季风期间有较大波浪过程。

4) 观测海域的常浪向为 SE向,出现频率为29%,强浪向为SSE向,一般由热带气旋引起。涌浪在秋、冬季出现频率较低; 在春、夏两季出现频率稍高。

5) 强台风“韦森特”活动期间,观测站观测到最大浪高达3.93m。台风靠近观测点时,在强风作用下波高急剧增大,随着台风走远,波高迅速回落,但涌浪继续从外海传入,波高仍维持在约1m左右,持续近1天。珠江口台风浪波型先是由涌浪发展为风浪与涌浪比重相当的混合浪,当台风中心接近观测站时出现风浪波型,随后向混合浪演变。波型变化与一般台风浪波型的演变规律较为一致。

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