馬跡山海域風和波浪特征分析

楊樹剛，劉鵬飛，馬 追，王付坤，周同弟

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

馬跡山島位于浙江省舟山群島北部、杭州灣外海域，舟山市嵊泗縣嵊泗本島西南，東臨外海，西南側與洋山島隔水道相望，南側為岱衢洋、相隔約20 km為黃澤洋和衢山島，東側相隔約31 km為嵊山島。馬跡山島南側、西側水域開闊，深水貼岸，具備建設大型泊位的水深條件。目前馬跡山島南側岸段自東向西建設有寶鋼一/二期卸船、一/二期裝船泊位，同時馬跡山島的西南側擬建1個礦石中轉碼頭。

波浪是一種重要的海洋動力因素，波浪要素的觀測和分析對港口碼頭設計、航道建設、圍墾工程都尤為重要[1-3]。受有限水深的限制，近海淺水區(qū)波浪會發(fā)生折射、繞射等效應[4]，從而導致波浪傳播方向發(fā)生改變、波高增大、波浪破碎等一系列現(xiàn)象[5-6]，故近海海域波浪具有一定的局地性和復雜性，單純使用數(shù)模、物模方法很難保證波浪預報準確性，因此實測波浪數(shù)據(jù)對近岸波浪研究必不可少[7]。

本文利用2020年4月—2021年3月馬跡山海域一整年的風和波浪觀測資料，統(tǒng)計分析該海域波浪的季節(jié)變化特征，并分析不同季節(jié)風對波浪的影響，為港口和航道建設提供必要的參考資料。

1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于擬建馬跡山礦石中轉碼頭前沿海域拋設的1個錨定式測波站(W1)以及附近開闊區(qū)域長期氣象站(W)，風和波浪觀測站位置見圖1，其中W1測站水深25 m，W氣象站四周無遮擋。波浪觀測儀采用挪威Nortek公司生產的AWAC浪龍波浪觀測儀，波高和波向分辨率分別為0.01 m和1.5°，采樣頻率為1 Hz，每次采樣數(shù)1 024個，儀器每1 h給出一次統(tǒng)計特征值，觀測要素包含最大波高及其周期、有效波高及其周期、平均波高及其周期、波數(shù)及波向等。氣象觀測儀采用DZZ3新型自動氣象站，風速、風向觀測時間分辨率為1 min，統(tǒng)計要素包含2和10 min平均風速風向、10 min最大風速風向和瞬時極大風速風向等。觀測時間為2020-04-01T00:00—2021-03-31T23:00，共一整年，觀測期間海域無臺風直接經過，有一次較強的寒潮發(fā)生(2020-12-28—2020-12-31)。由于受漁民生產活動的影響，儀器于2020-06-03—2020-06-18、2020-09-01—2020-09-14、2020-01-19—2020-01-27被漁船拖動導致數(shù)據(jù)缺失，整體而言，觀測數(shù)據(jù)完整性良好，春夏秋冬四季數(shù)據(jù)獲取率分別為100%、78%、84%和90%，能夠反映真實波浪變化規(guī)律。本文采用整點時刻的數(shù)據(jù)對波浪、風的季節(jié)變化規(guī)律開展相關研究，文中風速數(shù)據(jù)為海平面10 m風速數(shù)據(jù)，平均速度與最大速度分別為10 min平均風速與10 min最大風速。

注：W氣象站(30°40′47.49″N，122°24′55.87″E)；W1波浪站(30°41′4.78″N，122°23′44.84″E)。

2 波浪的統(tǒng)計特征和季節(jié)變化

波要素特征值分布見表1。觀測年內最大波高為4.59 m，出現(xiàn)在2020-12-30，此時正發(fā)生寒潮，最大波高時刻對應最大風速為21.5 m/s，風向321°。平均波高在0.20～0.42 m，其中6月份最小、12月份最大。各月份平均波周期相差不大，在2.66～3.01 s，其中10月份最小、12月份最大；最大波周期為9.50 s，對應最大波高3.03 m、最大風速17.3 m/s。

表1 波要素特征值月分布

為更好地了解波浪的季節(jié)變化特征，本文規(guī)定3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—次年2月為冬季，并將波要素按四季統(tǒng)計，并對各向出現(xiàn)的頻率進行計算，得到16個波向的季節(jié)分布以及四季與全年的強浪向、常浪向，分別見表2、3。

表2 波向季節(jié)分布

表3 全年及四季強浪向、常浪向

馬跡山海域全年常浪向為NNW向，頻率為15.4%，其次為NW和S向，頻率為12.9%、12.3%；常浪向的季節(jié)變化規(guī)律為：春、夏季常浪向為S向，頻率各占14.5%、21.8%，秋、冬季常浪向均為NNW向，頻率各占20.7%、23.1%。馬跡山海域全年強浪向為WNW向，實測最大波高為4.59 m，次強浪向為NNW，實測最大波高為3.62 m；強浪向的季節(jié)變化規(guī)律為春、秋、冬季強浪向均為偏N向，分別為N、NNW、WNW向，最大波高分別為3.11、2.42和4.59 m，夏季強浪向出現(xiàn)在S向，最大波高為2.11 m。綜上所述，觀測海域全年以偏N向浪居多，以NW向浪最大，最大浪發(fā)生在冬季，可高達4.59 m。根據(jù)實測波浪數(shù)據(jù)繪制的平均波高、波向玫瑰圖見圖2。

圖2 平均波高、波向玫瑰圖

可以發(fā)現(xiàn)：春季波向較為分散，夏、秋、冬季波向較為集中，夏季大多為偏S向浪，秋冬季多為偏N向浪，秋冬季節(jié)大浪多發(fā)生在NW向，夏季大浪多發(fā)生在SW向。全年的平均波高、波向聯(lián)合概率密度分布和全年平均波高周期聯(lián)合概率密度分布見圖3，四季的平均波高波向聯(lián)合概率密度見圖4。

圖3 全年平均概率密度

圖4 四季平均概率密度分布變化

觀測海域波浪根據(jù)波向可分為兩種，波向在170°～210°集中分布的夏季浪和320°～360°的冬季浪，冬季浪平均波高相對較大。全年平均波高在0.2～0.4 m，平均周期在2.5～4.5 s范圍內的波浪最為常見。

3 風的統(tǒng)計特征和季節(jié)變化

將平均風速、最大風速按四季統(tǒng)計，并對各向出現(xiàn)的頻率進行計算，得到了16個方向的風向季節(jié)分布以及四季與全年的強風向、常風向，見表4、5。

表4 風向季節(jié)分布

表5 全年及四季強風向、常風向

馬跡山海域全年常風向為NNW向，頻率為14.5%，其次為SSW、S向，頻率為13.1%、12.5%；常風向的季節(jié)變化規(guī)律為：春、夏季常風向分別為S、SSW向，頻率各占14.2%、27.2%，秋、冬季常風向均為NNW向，頻率各占19.7%、23.5%。馬跡山海域全年強風向為NNW向，實測最大風速為29.4 m/s，次強風向為NW向，實測最大風速為28.9 m/s；強風向的季節(jié)變化規(guī)律為秋、冬季強風向均為偏N向，分別為NW、NNW向，春、夏季強風向分別出現(xiàn)在W、S向。綜上所述，觀測海域全年以偏N向風居多，最大風發(fā)生在冬季，最大風速可高達29.4 m/s。根據(jù)實測小時氣象數(shù)據(jù)繪制的平均風速、風向玫瑰圖見圖5。

圖5 四季平均風速、風向玫瑰圖

4 風與波浪的關系

馬跡山海域風速與波高、風向與波向有很大的相似性。為此本文繪制四季平均風速與平均波高日平均時間序列、最大風速與最大波高的日平均時間序列分別見圖6、7。

圖6 平均波高與平均風速時間序列

圖7 最大波高與最大風速時間序列

風速與波高規(guī)律具有一致性，在日平均的時間尺度下相位差基本為0，此規(guī)律在秋、冬季尤為明顯。平均波高-平均風速散點圖、最大波高-最大風速散點圖分別見圖8、9，并計算出四季兩者的相關系數(shù)見表6。

圖8 平均波高-平均風速散點圖

圖9 最大波高-最大風速散點圖

表6 風速-波高相關系數(shù)

由圖8、9可看出，春夏兩季波高與風速的線性相關性一般，秋、冬季兩者的線性關系明顯。秋冬季平均波高、平均風速的相關系數(shù)分別為0.86、0.95，置信度超過99%，最大波高、最大風速的相關系數(shù)分別為0.88、0.82，置信度超過99%。

分析認為：春、夏季東南風多發(fā)(圖5)，馬跡山工程海域東南側有陸地遮擋，風對波浪的影響減弱；冬季盛行北風、西北風，風從海洋吹向陸地，此時波向和風向基本一致，波高與風速呈線性相關。

5 結論

1)馬跡山海域波浪類型為以風浪為主的混合浪。最大波高為4.59 m，出現(xiàn)在12月；平均波高在0.20～0.42 m，6月份最小、12月份最大。平均波周期在2.66～3.01 s，10月份最小、12月份最大，最大波周期為9.50 s。全年平均波高集中分布在0.2～0.4 m、平均周期2.5～4.5 s。

2)馬跡山海域波浪可根據(jù)波向分為兩種：波向在170°～210°集中分布的夏季浪和320°～360°集中分布的冬季浪。全年常浪向為NNW向，強浪向為WNW向，春季波向較為分散，夏、秋、冬季波向較為集中，夏季大多為偏S向浪，秋、冬季多為偏N向浪，秋、冬季大浪多發(fā)生在偏N向，夏季大浪多發(fā)生在偏S向。

3)馬跡山海域全年常風向為 NNW向，最大風發(fā)生在冬季，最大風速可高達29.4 m/s。春、夏季常風向分別為S、SSW向，秋、冬季常風向均為 NNW 向，馬跡山海域全年強風向為NNW向，強風向的季節(jié)變化規(guī)律為秋、冬季強風向均為偏 N 向，分別為NW、NNW向，春夏季強風向分別出現(xiàn)在W、S向。

4)馬跡山海域春、夏季波高與風速的相關性一般，秋、冬季兩者的線性關系極為明顯，秋冬季平均波高平均風速的相關系數(shù)分別為0.86、0.95；秋、冬季最大波高最大風速的相關系數(shù)分別為0.88、0.82。

5)根據(jù)本文中提出的秋、冬季波高與風速的線性關系，利用天氣預報的風速資料可預測馬跡山碼頭附近海域的波高情況。