收稿日期：2021-12-27

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（42006175；52101330）；浙江省自然科學(xué)基金（LQ20E090004）；舟山市科技計(jì)劃（2021C21025）

通信作者：潘 昀（1989—），男，博士、講師，主要從事海洋工程水動(dòng)力方面的研究。420365155@qq.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1590 文章編號：0254-0096（2023）05-0023-07

摘 要：采用現(xiàn)場測量方法分析浙江近岸海域在極端天氣條件下的大浪特征，比較分析臺風(fēng)浪和寒潮大浪的差異，對臺風(fēng)浪和寒潮大浪過程的波參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、回歸分析，結(jié)合風(fēng)資料探討波參數(shù)與譜變化特性，1年內(nèi)共觀測到5次臺風(fēng)浪過程和1次寒潮大浪過程。研究表明：涌浪作用較大時(shí)，波高和風(fēng)速幾乎無相關(guān)性；當(dāng)風(fēng)浪作用達(dá)到一定程度時(shí)，波高和風(fēng)速呈同步變化趨勢；研究海域的臺風(fēng)浪為區(qū)域內(nèi)風(fēng)浪和外海涌浪組成的混合浪，單峰譜、雙峰譜和多峰譜為其波浪譜型，雙峰譜最多；寒潮大浪過程為典型的風(fēng)浪過程，其譜型為單峰譜。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)浪；寒潮大浪；回歸分析；波浪頻譜；風(fēng)浪；涌浪

中圖分類號：TV139.2" " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

浙江沿海夏秋季節(jié)受臺風(fēng)影響顯著，每年均有較大的經(jīng)濟(jì)損失，其中臺風(fēng)浪是一大因素［1-2］。另外，浙江省每年都會受到不同程度的寒潮影響，其引起的大浪同樣對沿海設(shè)施、行船安全以及船只的系泊安全等造成威脅。隨著波浪觀測技術(shù)的不斷革新，基于現(xiàn)場測量的波浪研究也越來越多。許多學(xué)者對印度沿海的實(shí)測波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列研究分析［3-5］，探討了特征波高、特征波周期以及波浪頻譜的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)印度近岸的波浪頻譜平時(shí)以多峰譜為主，當(dāng)有效波高大于2 m時(shí)波浪頻譜才以單峰譜為主［6］；還有研究分別對孟加拉灣和阿拉伯海的實(shí)測波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行了月變化規(guī)律和年際變化規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析［7-10］，并探討了譜型的變化情況。對熱帶氣旋影響下的波峰分布情況進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，威布爾分布比較符合孟加拉灣實(shí)測的波峰高度分布［11］。Glejin等［12］研究了阿拉伯海東部的實(shí)測長周期涌浪特性，指出長周期涌浪期間研究海域呈現(xiàn)為多峰譜。Shanas等［13］采用一種基于頻率的算法將波浪頻譜分離為涌浪部分和風(fēng)浪部分，研究表明紅海北部傳來的涌浪和區(qū)域內(nèi)的風(fēng)浪形成混合浪。Kang等［14］將韓國西海岸的臺風(fēng)浪分為三類，并基于實(shí)測數(shù)據(jù)指出天文大潮遇到臺風(fēng)浪會有一定概率出現(xiàn)超高水位。楊斌等［15］基于江蘇近岸海域1年的波浪觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，研究海域的波浪譜88.6%為單峰譜，波譜參數(shù)隨地形變化明顯［16］。楊斌等［17］采用最小二乘法擬合實(shí)測的波浪數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，杭州灣的各波浪特征參數(shù)之間的線性相關(guān)性較好。祁祥禮等［18］指出渤海灣中部的大浪主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，多為東北向。楊斌等［19］對舟山島東北部海域觀測到的6次臺風(fēng)浪過程進(jìn)行比較分析，其中“燦鴻”登陸舟山時(shí)的最大波高達(dá)到5.19 m。對三門灣海域“泰利”臺風(fēng)浪的初步研究發(fā)現(xiàn)，期間該區(qū)域臺風(fēng)浪是涌浪和風(fēng)浪組成的混合浪，波能譜主要為雙峰譜［20］。吳永成等［21］對渤海灣早期的一次寒潮大浪過程分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)浪的成長與消衰受風(fēng)速影響。目前，關(guān)于臺風(fēng)浪和寒潮大浪的研究大多采用數(shù)值模擬方法［22-24］，而基于實(shí)測資料的研究分析相對較少，主要由于實(shí)測費(fèi)用較高。

本文采用現(xiàn)場測量的方法對浙江三門灣海域的臺風(fēng)浪和寒潮大浪進(jìn)行研究分析，比較兩者差異，共涉及5次臺風(fēng)浪過程和1次寒潮大浪過程。對各大浪過程的波參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合岸邊同步風(fēng)資料，對波浪相對于風(fēng)的滯后性進(jìn)行研究分析，同時(shí)還對波浪譜變化特性進(jìn)行探討。

1 資料選取與處理方法

本文數(shù)據(jù)來源于浙江三門灣灣口海域7.5 m水深處的測波點(diǎn)（29°01.003′N，121°42.893′E），波浪測量儀器為AWAC（浪龍），數(shù)據(jù)采集每小時(shí)進(jìn)行一次，采樣頻率為2 Hz。測風(fēng)塔位于碼頭前沿，四周開闊，與波浪站相距約200 m，測風(fēng)塔和波浪站位置見圖1。

統(tǒng)計(jì)1年的波浪觀測資料發(fā)現(xiàn)，一共有6次明顯的大浪過程，其中5次由臺風(fēng)引起，1次由寒潮引起。臺風(fēng)生成于西太平洋，可分為兩種運(yùn)動(dòng)路徑（圖2）：1）抵近浙江沿海但未登陸（“暹芭”和“泰利”）；2）運(yùn)動(dòng)路徑遠(yuǎn)離浙江沿海（“莎莉嘉”、“海馬”和“納沙”）。統(tǒng)計(jì)顯示，相比于夏秋季節(jié)的臺風(fēng)浪，研究海域的冬季大浪過程弱得多，其中2017年1月30日前后寒潮引起的波浪過程相對較大。本文根據(jù)臺風(fēng)和寒潮的持續(xù)情況以及波浪觀測結(jié)果，選取波高較大的時(shí)間段進(jìn)行研究分析，選定的大浪過程起止時(shí)間見表1。

2 臺風(fēng)浪及寒潮大浪特征分析

2.1 波參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

表2所示為5個(gè)臺風(fēng)浪過程和1個(gè)寒潮大浪過程的波浪參數(shù)變化區(qū)間與平均值。分析可知，在6個(gè)大浪過程中，“泰利”臺風(fēng)浪過程最為劇烈，其顯著波高H1/10均值為1.08 m，最大波高出現(xiàn)在2017年9月14日11：00，Hmax值為2.71 m，該大浪過程的波浪周期相對較大，其平均波周期Tmean最大為6.9 s，均值為4.4 s。研究海域的臺風(fēng)浪波高受臺風(fēng)路徑影響比較明顯，由圖2和表2可知，臺風(fēng)路徑越靠近研究海域，出現(xiàn)的最大波高越大，其中“泰利”最近，Hmax=2.71 m，“暹芭”次之，Hmax=2.17 m，“納沙”經(jīng)過臺灣海峽，Hmax=1.89 m，“海馬”和“莎莉嘉”以雙臺風(fēng)形式經(jīng)過中國南海，雖然離三門灣海域較遠(yuǎn)，但也對該海域有明顯影響，相應(yīng)的Hmax分別為1.60和1.64 m。寒潮大浪過程相對較弱，其H1/10均值為0.49 m，最大為1.08 m，Hmax最大為1.36 m。譜峰周期Tp和基于窄譜計(jì)算得到的譜寬度v在各大浪過程之間有所不同，但無明顯規(guī)律可循，其中有4個(gè)臺風(fēng)浪過程的Tp值一度達(dá)到15 s以上。

2.2 大浪過程分析

圖3給出了5個(gè)臺風(fēng)浪過程和1個(gè)寒潮大浪過程的顯著波高隨風(fēng)速變化情況。比較發(fā)現(xiàn)，在“泰利”影響期間顯著波高大于1 m的時(shí)間段最長，期間風(fēng)速有一個(gè)逐漸增大的過程，波高呈較一致的變化趨勢，其他4個(gè)臺風(fēng)浪過程相對較弱，其中“納沙”臺風(fēng)浪過程中波高明顯隨風(fēng)速一致變化。寒潮大浪過程最弱，期間風(fēng)速變化有一個(gè)明顯的先增大再減小過程，波高呈較一致變化。

波高隨風(fēng)速的變化可能存在滯后［25-26］，為了研究大浪過程中波高相對于風(fēng)速的滯后性，每個(gè)過程選取風(fēng)與波浪同時(shí)刻、浪比風(fēng)滯后1、2、3、4、5 h共6組數(shù)據(jù)分析風(fēng)浪關(guān)系，利用回歸分析方法擬合遵循[H110=α?Vβ]模式的關(guān)系式（式中[V]為風(fēng)速，[α、β]為擬合后確定的系數(shù)），具體結(jié)果見表3。比較發(fā)現(xiàn)，“海馬”、“納沙”、“泰利”臺風(fēng)浪過程和寒潮大浪過程的風(fēng)浪同時(shí)刻資料相關(guān)性相對較好，且隨著浪較風(fēng)滯后的時(shí)間越長相關(guān)性逐漸變差，其中“納沙”臺風(fēng)浪過程的風(fēng)浪同時(shí)刻資料相關(guān)性最高，決定系數(shù)[R2]為0.54。另外，“暹芭”和“莎莉嘉”臺風(fēng)浪過程的風(fēng)與浪幾乎無相關(guān)性。可見，研究海域受臺風(fēng)或寒潮影響時(shí)的波浪場不僅有風(fēng)浪，還有涌浪。

2.3 波浪譜變化特性

對研究海域大浪過程中的波浪頻譜進(jìn)行分析，圖4為各大浪過程的頻譜隨時(shí)間變化過程。分析可知，臺風(fēng)浪持續(xù)約3 d，臺風(fēng)浪過程中雙峰譜的情況最多，也伴有單峰譜和多峰譜等情況，“海馬”臺風(fēng)浪期間的多峰譜現(xiàn)象最明顯，期間風(fēng)向變化頻繁。此次寒潮大浪持續(xù)約1 d，期間的譜型主要是單峰譜。波浪中的風(fēng)涌浪可基于波浪頻譜進(jìn)行分離［27］，首先給出PM譜在譜峰處的譜密度計(jì)算公式：

[S（fp）=αg2（2π）-4f-5pe-54] （1）

式中：[S（fp）]——譜峰密度；[fp]——譜峰頻率；[α]——峰形系數(shù)，此處[α]=0.0081；g——重力加速度。

當(dāng)實(shí)測的譜峰密度大于PM譜對應(yīng)頻率處的譜峰密度時(shí)，該波浪成分為風(fēng)浪，否則為涌浪。

以“泰利”臺風(fēng)浪和寒潮大浪為例進(jìn)行計(jì)算。由圖4e可知，“泰利”臺風(fēng)浪以雙峰譜為主，兩處譜峰頻率分別在0.08和0.3 Hz附近，PM譜對應(yīng)的譜峰密度分別為43.64和0.06 m2/Hz，顯然，實(shí)測的低頻部分譜峰密度遠(yuǎn)小于43.64 m2/Hz，而高頻部分譜峰密度大于0.06 m2/Hz，所以0.08 Hz的低頻部分是涌浪，0.3 Hz的高頻部分是風(fēng)浪。由圖4f可知，寒潮

大浪的譜峰頻率在0.25 Hz附近，PM譜對應(yīng)的譜峰密度為0.15 m2/Hz。比較可知，此次寒潮大浪基本為風(fēng)浪?？傮w而言，可以0.2 Hz為界，各大浪過程的頻譜低于0.2 Hz部分為涌浪，高于0.2 Hz部分為風(fēng)浪。

3 結(jié) 論

通過對研究海域受臺風(fēng)和寒潮影響時(shí)的實(shí)測波浪資料進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

1）三門灣海域的臺風(fēng)浪波高受臺風(fēng)路徑影響比較明顯，臺風(fēng)路徑越靠近該海域，出現(xiàn)的最大波高越大，經(jīng)過東海的臺風(fēng)會對三門灣海域產(chǎn)生顯著影響，期間該海域的最大波高達(dá)到2 m以上。寒潮大浪相對于臺風(fēng)浪弱得多，期間該海域觀測到的寒潮大浪過程最大波高僅為1.36 m。

2）臺風(fēng)浪的持續(xù)時(shí)間較長，約為3 d，而此次寒潮大浪的持續(xù)時(shí)間約為1 d。涌浪作用較大時(shí)，波高和風(fēng)速幾乎無相關(guān)性（“暹芭”和“莎莉嘉”），當(dāng)風(fēng)浪作用達(dá)到一定程度時(shí)，波高和風(fēng)速呈同步變化趨勢，其中“納沙”臺風(fēng)浪過程的風(fēng)浪同時(shí)刻資料相關(guān)性最高，決定系數(shù)R2為0.54。

3）研究海域的臺風(fēng)浪為區(qū)域內(nèi)風(fēng)浪和外海涌浪組成的混合浪，單峰譜、雙峰譜和多峰譜為其波浪譜型，雙峰譜最多。寒潮大浪過程為典型的風(fēng)浪過程，其譜型為單峰譜。采用風(fēng)涌浪分離分析發(fā)現(xiàn)，涌浪譜峰頻率小于0.2 Hz，風(fēng)浪譜峰頻率大于0.2 Hz。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 周陽， 葉欽， 楊斌， 等. 海灣臺風(fēng)浪特性及其對船舶的影響［J］. 中國造船， 2020， 61（3）： 216-227.

ZHOU Y， YE Q， YANG B， et al. Wave characteristics in the bay during typhoons and its effect on mooring ships［J］. Shipbuilding of China， 2020， 61（3）： 216-227.

［2］ 孫佳， 王燕妮， 左軍成. 江浙沿海臺風(fēng)特征分析［J］. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2015， 43（3）： 215-221.

SUN J， WANG Y N， ZUO J C. Characteristic analysis of typhoon along coastal areas of Jiangsu and Zhejiang provinces［J］." " Journal" " of" " Hohai" " University（natural sciences）， 2015， 43（3）： 215-221.

［3］ KUMAR V S， ANOOP T R. Spatial and temporal variations of wave height in shelf seas around India［J］. Natural hazards， 2015， 78： 1693-1706.

［4］ AMRUTHA M M， KUMAR V S， GEORGE J. Observations of long-period waves in the nearshore waters of central west coast of India during the fall inter-monsoon period［J］. Ocean engineering， 2017， 131： 244-262.

［5］ NAIR M A， KUMAR V S， AMRUTHA M M. Spectral wave characteristics in the nearshore waters of northwestern" "Bay" "of" "Bengal［J］." "Pure" "and" "applied geophysics， 2018， 175： 3111-3136.

［6］ KUMAR V S， ANAND N M， KUMAR K A， et al. Multipeakedness and groupiness of shallow water waves along Indian coast［J］. Journal of coastal research， 2003， 19： 1052-1065.

［7］ KUMAR V S， SINGH J， PEDNEKAR P， et al. Waves in the nearshore waters of northern Arabian Sea during the summer" monsoon［J］." Ocean" engineering，" 2011， 38（2/3）： 382-388.

［8］ KUMAR V S， DUBHASHI K K， NAIR T M B. Spectral wave characteristics off Gangavaram， Bay of Bengal［J］. Journal of oceanography， 2014， 70（3）： 307-321.

［9］ GLEJIN" J，" KUMAR" V" S，" SINGH" J." Inter-annual variations in wave characteristics off Ratnagiri， northeast Arabian Sea［J］. Aquatic procedia， 2015， 4： 25-31.

［10］ PATRA S K， MISHRA P， MOHANTY P K， et al. Cyclone and monsoonal wave characteristics of northwestern Bay of Bengal： long-term observations and modeling［J］. Natural hazards， 2016， 82： 1051-1073.

［11］ KUMAR V S， HARIKRISHNAN S， MANDAL S. Wave crest height distribution during the tropical cyclone period［J］. Ocean engineering， 2020， 197： 106899.

［12］ GLEGIN J， KUMAR V S， AMRUTHA M M， et al. Characteristics of long-period swells measured in the near shore" regions" of" eastern" Arabian" Sea［J］." International journal of naval architecture and ocean engineering， 2016， 8： 312-319.

［13］ SHANAS P R， ABOOBACKER V M， ZUBIER K M， et al. Spectral wave characteristics along the central coast of eastern" Red" Sea［J］." Arabian" journal" of" geosciences， 2018， 11： 90.

［14］ KANG J W， KIM Y S. Typhoon-surge characteristics and the" highest" high" water" levels" at" the" western" "coast［J］. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers， 2019， 31（2）： 50-61.

［15］ YANG B， FENG W B， ZHANG Y. Wave characteristics at the south part of radial sand ridges of Southem Yellow Sea［J］. China ocean engineering， 2014， 28（3）： 317-330.

［16］ 馮曦， 易風(fēng)， 曹海錦， 等. 南黃海輻射沙洲近岸海域波浪特性研究［J］. 海洋工程， 2018， 36（1）： 62-73.

FENG X， YI F， CAO H J， et al. An observational study on wave characteristics at the Jiangsu Radial Sand Ridges in" "the" "South" "Yellow" "Sea" "of" " China［J］." The" "ocean engineering， 2018， 36（1）： 62-73.

［17］ 楊斌， 楊忠良， 葉欽， 等. 杭州灣中部實(shí)測波浪特性分析［J］. 海洋工程， 2018， 36（3）： 96-103.

YANG B， YANG Z L， YE Q， et al. Analysis on wave characteristics" of" central" Hangzhou" Bay［J］." The" "ocean engineering， 2018， 36（3）： 96-103.

［18］ 祁祥禮， 鄭向陽. 諶業(yè)良. 渤海灣中部波浪特征分析［J］. 水道港口， 2018， 39（3）： 288-293.

QI X L， ZHENG X Y， SHEN Y L. Analysis of wave characteristic" in" the" middle" part" of" the" Bohai" Bay［J］. Journal of waterway and harbor， 2018， 39（3）： 288-293.

［19］ 楊斌， 施偉勇， 葉欽， 等. 舟山島東北部沿海實(shí)測臺風(fēng)浪特性［J］. 水科學(xué)進(jìn)展， 2017， 28（1）： 106-115.

YANG B， SHI W Y， YE Q， et al. Characteristics of waves in coastal waters of northeast Zhoushan Island during typhoons［J］. Advances in water science， 2017， 28（1）： 106-115.

［20］ ZHOU Y， YE Q， SHI W Y， et al. Wave characteristics in the nearshore waters of Sanmen Bay［J］. Applied ocean research， 2020， 101： 102236.

［21］ 吳永成， 王以謀， 李磊. 渤海灣寒潮風(fēng)浪譜的探討［J］. 海洋與湖沼， 1985， 16（2）： 147-155.

WU Y C， WANG Y M， LI L. The characteristics of wind wave in the Gulf of Bohai under the influence of cold wave［J］. Oceanologia et limnologia sinica， 1985， 16（2）： 147-155.

［22］ 鄭橋， 張繼才， 車助鎂， 等. 浙江近海典型寒潮浪的數(shù)值模擬： 以2015年3月和2016年1月為例［J］. 海洋科學(xué)， 2019， 43（10）： 75-87.

ZHENG Q， ZHANG J C， CHE Z M， et al. Numerical simulation of typical cold waves in seas adjacent to Zhejiang Province with examples from March 2015 and January 2016［J］. Marine sciences， 2019， 43（10）： 75-87.

［23］ WANG N， HOU Y J， LI S Q， et al. Numerical simulation and preliminary analysis of typhoon waves during three typhoons in the Yellow Sea and East China Sea［J］. Journal of oceanology and limnology， 2019， 37（6）： 1805-1816.

［24］ INAGAKI N， SHIBAYAMA T， ESTEBAN M， et al. Effect of translate speed of typhoon on wind waves［J］. Natural hazards， 2021， 105： 841-858.

［25］ 束芳芳， 葉小紅， 廖康明， 等. 廣東陽西近岸海域波浪的分布特征［J］. 應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 31（3）： 324-331.

SHU F F， YE X H， LIAO K M， et al. Distribution characteristics of wave in the Guangdong Yangxi offshore［J］. Journal of applied oceanography， 2012， 31（3）： 324-331.

［26］ 魏曉琳， 李江南， 姚才， 等. 臺風(fēng)Krovanh（0312）及其臺風(fēng)浪的數(shù)值模擬［J］. 熱帶氣象學(xué)報(bào)， 2007， 23（6）： 673-678.

WEI X L， LI J N， YAO C， et al. Numerical simulation of typhoon" Krovanh" and" typhoon-induced" ocean" waves［J］. Journal of tropical meteorology， 2007， 23（6）： 673-678.

［27］ PORTILLA J， OCAMPO-TORRES F J， MONBALIU J. Spectral partitioning and identification of wind sea and swell［J］. Journal of atmospheric and oceanic technology， 2009， 26： 107-122.

ANALYSIS ON CHARACTERISTICS OF MEASURED LARGE WAVES IN SEAS ADJACENT TO ZHEJIANG

Zhou Yang1，Chen Jiachao1，Zhang Junbiao2，Song Zekun2，Pan Yun1，Yan Donghao3

（1. School of Marine Engineering Equipment， Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316000， China；

2. Second Institute of Oceanography， MNR， Hangzhou 310012， China；

3. Zhejiang Zheneng Taizhou Second Electric Power Generation Co.， LtD.， Taizhou 318000， China）

Abstract：The wave characteristics under extreme weather conditions in the nearshore waters of Sanmen Bay in Zhejiang Province are presented based on field observation， and the differences between typhoon wave and cold wave are investigated. The observed wave parameters during typhoon and cold snap are analyzed by statistical analysis and regression analysis， and the variations of wave parameters and wave spectra during large wave processes are discussed. 5 typhoon wave processes and 1 cold wave process are observed during the whole year. The results show that when the low frequency swells are in a dominant position， the wave height has little correlation with the wind speed. However， when the high frequency wind seas are relatively large， the wave height and wind speed change synchronously. The sea waves during typhoons are mixed waves consisting of swells and wind seas. The wave spectra are mainly double-peaked， and there are also single-peaked spectra and multi-peaked spectra. The large waves during the cold snap are wind seas， and the wave spectra are mainly single-peaked.

Keywords：typhoon wave； cold wave； regression analysis； wave spectrum； wind sea； swell