韓國(guó)周邊海域的畸形波概率分析

陶愛(ài)峰，武雨晴，王　瑤，彭　冀，齊可仁（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京　10098；.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京　10098）

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韓國(guó)周邊海域的畸形波概率分析

陶愛(ài)峰1，2，武雨晴2，王瑤2，彭冀2，齊可仁2
（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098）

摘要：為了加強(qiáng)對(duì)近?；尾òl(fā)生概率的認(rèn)識(shí)，利用2009年韓國(guó)周邊海域9個(gè)測(cè)站的波浪資料，在基于波壓資料直接定義畸形波的基礎(chǔ)上，探討韓國(guó)近海畸形波的發(fā)生概率及其與有效波壓高、季節(jié)和水深等3個(gè)主要參數(shù)的關(guān)聯(lián)特性。結(jié)果表明：韓國(guó)近海畸形波發(fā)生概率與瑞利分布預(yù)測(cè)值相近，且不隨有效波壓高、水深的大小而發(fā)生變化，而畸形波頻發(fā)時(shí)節(jié)隨著測(cè)站地點(diǎn)的改變而改變。有效波壓高、水深、季節(jié)與韓國(guó)近海畸形波的發(fā)生并無(wú)明顯相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：近?；尾?；畸形波發(fā)生概率；波壓實(shí)測(cè)資料；相關(guān)因素；韓國(guó)周邊海域

1965年Draper［1］首次提出畸形波的概念，將其描述為一種具有陡峭的、極大波峰的突發(fā)性巨浪?；尾ň薮蟮哪芰靠梢栽斐珊Ｉ辖ㄖ锏膿p壞，船舶的折斷、翻沉及海上人員的傷亡。隨著對(duì)畸形波事故報(bào)道的增多，這一現(xiàn)象也越來(lái)越引起學(xué)者的關(guān)注。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是畸形波諸多研究手段中最為直接的一種，是其他研究方法的必要基礎(chǔ)，也是最難實(shí)施的一種，因?yàn)榛尾ǖ陌l(fā)生有著明顯的隨機(jī)性和偶然性［2］。目前有關(guān)畸形波的實(shí)測(cè)研究以外海居多［3-7］，但近?；尾ǖ某霈F(xiàn)概率不可忽視。Didenkulova等［8］、Nikolkina等［9］將2005—2010年的畸形波發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行分類，其中2005年的9件畸形波事件中有6件發(fā)生在近海，占總數(shù)的67%，而2006—2010年媒體報(bào)道的畸形波事件中，近?；尾ǖ陌l(fā)生占總數(shù)的50%。陶愛(ài)峰［10］發(fā)現(xiàn)2005年發(fā)生在中國(guó)近海的畸形波事件就有6件。2013年臺(tái)灣周邊海域有2件畸形波襲擊事件，并將岸邊人員卷入大浪導(dǎo)致失蹤［11］。由此可見(jiàn)，近?；尾ú蝗莺鲆?。近年來(lái)，不斷有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注近?；尾ǖ难芯浚瑢?duì)其波形類型及發(fā)生條件等均進(jìn)行了一定程度的分析［12-14］。然而，由于畸形波實(shí)測(cè)資料較為缺乏，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)近海畸形波的研究仍不夠成熟。

韓國(guó)海洋科學(xué)與技術(shù)研究所（KIOST，原KORDI）在韓國(guó)周邊海域陸續(xù)設(shè)立了多個(gè)波浪連續(xù)觀測(cè)站［15-16］，積累了大量波浪資料。這些寶貴的資料對(duì)于韓國(guó)的海洋開(kāi)發(fā)與海岸防護(hù)都起到了重要作用，然而一直未見(jiàn)基于相關(guān)資料開(kāi)展針對(duì)畸形波問(wèn)題的研究成果。在KIOST李東永教授的支持與幫助下，本研究獲得了韓國(guó)周邊9個(gè)波浪觀測(cè)站2009年的部分連續(xù)資料，并利用該資料首先開(kāi)展了有關(guān)實(shí)測(cè)畸形波發(fā)生概率的研究。

1　數(shù)據(jù)介紹

韓國(guó)位于東北亞朝鮮半島南部，三面環(huán)海，西南部瀕臨黃海，東南部緊鄰朝鮮海峽，東邊則是日本海。韓國(guó)海洋科學(xué)與技術(shù)研究所在韓國(guó)周邊海域陸續(xù)設(shè)立了多個(gè)波浪觀測(cè)站，本文所用數(shù)據(jù)來(lái)源于這9個(gè)波浪觀測(cè)站2009年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)站位置坐標(biāo)見(jiàn)表1。測(cè)量?jī)x器采用水下波壓計(jì)（WTG-128M），埋設(shè)在距海底50cm處，設(shè)置采樣頻率為2 Hz。每個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度見(jiàn)表1最右側(cè)一列所示。由于原始波壓數(shù)據(jù)是每0.5s一個(gè)信號(hào)的連續(xù)性資料，平均每組數(shù)據(jù)達(dá)到2000萬(wàn)～3000萬(wàn)個(gè)，為了方便計(jì)算及以后的分析比較，將數(shù)據(jù)按30d為一個(gè)單位進(jìn)行分組，為了保證數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量及海浪的平穩(wěn)性，選擇30 min一組來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分組，并以0.0033 Hz（5min）為截止頻率，運(yùn)用FIR高通濾波器濾除潮波等長(zhǎng)周期波，只保留短周期表面重力波信息。

表1　韓國(guó)周邊海域9個(gè)波浪觀測(cè)站經(jīng)緯度及數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間Table 1 Latitudes and longitudes and measurement times at nine wave stations in sea area around Korea

目前關(guān)于畸形波的定義尚未統(tǒng)一，本文沿用畸形波最常用的判定方法，即當(dāng)一個(gè)單波的波高H大于同組資料有效波高Hs的2倍時(shí)，將該單波定義為畸形波［17］。本文分析的基礎(chǔ)資料是原始的波浪壓力信號(hào)，波浪壓力信號(hào)雖然可以轉(zhuǎn)為波面信號(hào)，但轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)存在混淆誤差等諸多問(wèn)題［18-19］?？紤]到本文只是關(guān)注畸形波的發(fā)生概率，而波高與一個(gè)周期內(nèi)波壓的變化是成正比的，若將一個(gè)周期內(nèi)波壓最大值與最小值的波壓差定義為波壓高Hp，同時(shí)定義與Hs類似的有效波壓高Hps，則有H/Hs＝Hp/Hps。由此可見(jiàn)，可由波壓數(shù)據(jù)直接定義畸形波，并進(jìn)一步開(kāi)展畸形波概率分析工作。該做法不僅大幅度簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜程度，還提高了對(duì)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的保持性。

2　畸形波發(fā)生概率分析

根據(jù)以上定義，以Hp/Hps≥2為判定依據(jù)，搜索遍歷本文掌握的所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各站進(jìn)行獨(dú)立統(tǒng)計(jì)，得到各站的畸形波發(fā)生概率（畸形波個(gè)數(shù)與波浪總個(gè)數(shù)的比值），結(jié)果如下：Anmado測(cè)站畸形波發(fā)生概率為0.023%；Baerueongdo測(cè)站畸形波發(fā)生概率最大，約為0.042 3%；Biyangdo測(cè)站、Hongdo測(cè)站畸形波發(fā)生概率分別為0.021 5%、0.022 3%；Ilhyangcho測(cè)站畸形波發(fā)生概率最小，約為0.019 6%；Kangrung測(cè)站、Malipo測(cè)站、Sorido測(cè)站、Wandolcho測(cè)站畸形波發(fā)生概率值相差不大，分別為0.024 6%、0.022 8%、0.022 2%、0.0208%。從這9個(gè)測(cè)站的畸形波發(fā)生概率計(jì)算結(jié)果可以看出，除Baerueongdo測(cè)站畸形波發(fā)生概率達(dá)到了0.0423%外，其余各測(cè)站概率均低于瑞利分布預(yù)測(cè)值（0.0333%）［20］。

對(duì)比前人的研究成果，韓國(guó)周邊海域的畸形波發(fā)生概率遠(yuǎn)小于南大西洋坎普斯海灣（3.7%）［21］和印度洋莫塞爾貝（3.1%）［22］的畸形波發(fā)生概率，與北海區(qū)域（0.029 0%）［23］的畸形波發(fā)生概率較為接近，大于我國(guó)臺(tái)灣周邊海域（龍洞0.0060%，臺(tái)東0.0109%）［2］和江蘇海域［24］的畸形波發(fā)生概率。

3　畸形波發(fā)生概率與各因素的關(guān)系

為了進(jìn)一步探討畸形波特性、發(fā)生機(jī)制及預(yù)防問(wèn)題，有必要先對(duì)畸形波發(fā)生概率與各因素之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，在此選擇了3個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行分析。一是有效波壓高，由于該參數(shù)能基本代表波場(chǎng)全域信息，基于該參數(shù)與畸形波發(fā)生概率的分析，可以獲知畸形波發(fā)生與波浪場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系；二是季節(jié)，該參數(shù)與畸形波發(fā)生概率的關(guān)系，可以為畸形波防災(zāi)減災(zāi)提供最直接的依據(jù)；三是水深，該參數(shù)與畸形波的關(guān)系是后續(xù)繼續(xù)探討畸形波發(fā)生機(jī)制的關(guān)鍵，因?yàn)橄鄬?duì)水深是各種水波非線性機(jī)制發(fā)生與否的關(guān)鍵條件。

3.1與有效波壓高的關(guān)系

以Anmado測(cè)站為例，圖1是該測(cè)站30 d內(nèi)每30min畸形波發(fā)生個(gè)數(shù)與有效波壓高的關(guān)系。圖中豎直線表示的是30d內(nèi)每30 min的畸形波個(gè)數(shù)，而虛線則代表的是每30min內(nèi)有效波壓高的大小。

圖1結(jié)果表明：在韓國(guó)周邊海域畸形波發(fā)生的概率與有效波壓高的關(guān)系不顯著；無(wú)論某時(shí)段內(nèi)波浪的有效波壓高是大還是小，都有可能發(fā)生畸形波。

圖1　Anmado測(cè)站畸形波個(gè)數(shù)與有效波壓高的關(guān)系Fig.1 Relationship between number of freak waves and effective wave pressure height at Anmado Station

3.2與季節(jié)的關(guān)系

圖2　韓國(guó)周邊海域8個(gè)測(cè)站畸形波發(fā)生概率與月份的關(guān)系Fig.2 Relationship between occurrence probability of freak waves and month at eight stations in sea area around Korea

由于Biyangdo測(cè)站只有近1個(gè)月的波壓資料，數(shù)據(jù)較少，故沒(méi)有考慮該測(cè)站，在后文中討論畸形波與水深的關(guān)系時(shí)也未把該測(cè)站統(tǒng)計(jì)進(jìn)來(lái)，其余8個(gè)測(cè)站畸形波發(fā)生概率與月份的關(guān)系見(jiàn)圖2。由于各測(cè)站的測(cè)量起止時(shí)間及總時(shí)間長(zhǎng)短不同，所以圖中橫坐標(biāo)的標(biāo)注也不盡相同。從圖2可以看出：畸形波發(fā)生概率與季節(jié)的關(guān)系沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的變化規(guī)律。Anmado測(cè)站4月、6月、9月畸形波發(fā)生概率較大，12月發(fā)生的概率最低；Kangrung測(cè)站在2月畸形波發(fā)生的概率最大；Baerueongdo測(cè)站1月份畸形波概率最大，其他月份相對(duì)來(lái)說(shuō)比較平均；Hongdo測(cè)站在4月最容易發(fā)生畸形波；Ilhyangcho測(cè)站與Anmado測(cè)站類似，也是12月發(fā)生畸形波的概率最低；Sorido測(cè)站在8月最容易發(fā)生畸形波；Malipo測(cè)站與Ilhyangcho測(cè)站、Anmado測(cè)站一樣，12月發(fā)生畸形波的概率最低；Wandolcho測(cè)站在1月和4月相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易發(fā)生畸形波。由圖2可見(jiàn)，幾乎每個(gè)測(cè)站冬季（12月）都是畸形波發(fā)生概率最低的季節(jié)。然而，在我國(guó)臺(tái)灣的東北海岸，冬季卻為畸形波的多發(fā)季節(jié)。通過(guò)對(duì)韓國(guó)周邊海域8個(gè)測(cè)站畸形波發(fā)生概率的研究，發(fā)現(xiàn)在韓國(guó)鄰近黃海的近海測(cè)站，包括Anmado測(cè)站、Ilhyangcho測(cè)站和Malipo測(cè)站，畸形波在9月發(fā)生的概率最大，而12月則是畸形波發(fā)生最少的月份。在鄰近日本海的近海測(cè)站，包括Hongdo測(cè)站和Wandolcho測(cè)站等，畸形波在4月份發(fā)生的概率最大，而在12月、1月、2月（即冬季）畸形波卻不易發(fā)生。所用韓國(guó)波浪觀測(cè)資料表明，畸形波的發(fā)生概率與季節(jié)雖存在一定的聯(lián)系，但這種聯(lián)系并不明顯，且隨著地點(diǎn)的改變而發(fā)生變化。

3.3與水深的關(guān)系

由每個(gè)測(cè)站的波壓平均值可以換算得到各測(cè)站的平均水深，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2（表中同時(shí)給出了對(duì)應(yīng)各測(cè)站畸形波的發(fā)生概率）。

表2　韓國(guó)周邊海域8個(gè)測(cè)站的平均水深Table 2 Average wave depths of eight stations in sea area around Korea

在水深最淺的Malipo測(cè)站，畸形波的發(fā)生概率為0.0228%；在水深最深的Hongdo測(cè)站，畸形波的發(fā)生概率為0.0223%。由此可見(jiàn)畸形波發(fā)生概率相差不大，但由于各站水深在7～22 m之間變化，水深相差不大，并不像臺(tái)灣周邊海域的實(shí)測(cè)資料分析中［2］，龍洞（30 m水深）和臺(tái)東外洋（5000 m水深）2處海域的水深之間存在明顯差異，所以從僅有的8個(gè)韓國(guó)周邊海域波浪觀測(cè)站測(cè)得的畸形波發(fā)生概率與水深數(shù)據(jù)，還不能充分說(shuō)明該海域畸形波發(fā)生概率是否與水深之間存在一定的相關(guān)性。

4　結(jié)　　論

基于韓國(guó)周邊海域9個(gè)波浪觀測(cè)站2009年的連續(xù)波壓實(shí)測(cè)資料，對(duì)近海實(shí)測(cè)畸形波發(fā)生概率及相關(guān)特性開(kāi)展研究?？紤]到波壓數(shù)據(jù)特點(diǎn)及研究對(duì)象的特殊性，提出通過(guò)實(shí)測(cè)波壓值直接定義畸形波現(xiàn)象的方法。分析結(jié)果表明，韓國(guó)近?；尾òl(fā)生概率與瑞利分布預(yù)測(cè)值相近，且畸形波發(fā)生與否和有效波壓高及水深之間的關(guān)系不明顯。從現(xiàn)有實(shí)測(cè)結(jié)果看，韓國(guó)周邊靠近黃海的海域在9月最容易發(fā)生畸形波，在12月相對(duì)來(lái)講不容易發(fā)生畸形波；在靠近日本海的近海海域，冬季不容易發(fā)生畸形波，春季的4月則是畸形波頻發(fā)時(shí)節(jié)。以上結(jié)果表明該海域畸形波的發(fā)生似乎與季節(jié)無(wú)明顯的相關(guān)性。

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Analysis of occurrence probability of freak waves in sea area around Korea

TAO Aifeng1，2，WU Yuqing2，WANG Yao2，PENG Ji2，QI Keren2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：In order to enhance the underslanding of the occurrence probability of offshore freak waves，using wave data from nine stations in the sea area around Korea in 2009，the occurrence probability of freak waves in Korean coastal areas and the relations between the occurrence probability and three parameters，the effective wave pressure height，season，and water depth，were examined based on the definition of freak waves using wave pressure data.The results show that the occurrence probability of freak waves in Korean coastal areas is close to the predicted value of the Rayleigh distribution and does not vary with the effective wave pressure height and water depth，while the time of frequent occurrence of freak waves changes with the station location.There is no obvious correlation between the occurrence of freak waves in Korean coastal areas and the effective wave pressure height，water depth，and season.

Key words：freak wave in coastal areas；occurrence probability of freak wave；measured data of wave pressure；related factors；sea area around Korea

作者簡(jiǎn)介：陶愛(ài)峰（1978—），男，山東茌平人，副教授，主要從事水波動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：aftao@hhu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51579091，41106001）；水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)（20145028412）

收稿日期：2015-04-07

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.006

中圖分類號(hào)：P731.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1980（2016）01-0034-05