斋堂岛东南海域波浪特征及海浪谱分析

杨忠良，叶 钦，欧阳伟，羊天柱

(国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012)

斋堂岛东南海域波浪特征及海浪谱分析

杨忠良，叶 钦*，欧阳伟，羊天柱

(国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012)

利用斋堂岛东南海域2013年至2014年的实测波浪资料，统计分析了本海域波浪特征，为波浪能资源评估提供基本波浪参数。统计结果表明，本海域年平均有效波高为0.60 m，最大波高为5.30 m，平均周期为3.3 s，最大周期为8.3 s，常浪向为E-SE向。本文亦讨论了本海域波高分布和波高与周期的关系，并基于JONSWAP谱谱型的基本结构，拟合得到适用于本海域的海浪谱谱型，可为海洋能发电装置的布设及相应的工程建设提供一定的参考。

斋堂岛；波浪特征；波高分布；波高-周期联和分布；海浪谱

0 引言

海洋可再生能源因其具有数量巨大、清洁、可预报性和利于社会可持续发展等特点备受重视，近年来关于海洋能资源评估应用和发电装置的研究发展非常迅速，取得了大量的成果[1]。山东省具有丰富的海洋可再生能源，波浪能理论平均波功率达161×104kW，潮流能理论功率达119.5×104kW[2]。2012年在青岛胶南市斋堂岛海域建成了我国北方最大的海洋能综合试验基地，重点开展多能互补智能化独立能源系统，波浪能、潮流能发电装置和低成本海洋能输变电设备等海洋可再生能源综合利用技术开发。

斋堂岛海域地处黄海北部，其东向和东南向面临开阔海域。该海域受寒潮的影响较大，平均波高冬季较大，介于0.9～1.9 m之间[3]。早期的观测资料亦测得过最大有效波高3.5 m[4]。此前缺乏针对海洋能实验基地的长期连续的波浪资料，因此本文利用斋堂岛东南海域2013年至2014年的实测波浪资料从波高分布、波高与周期的联合分布和拟合海浪谱等方面进行计算和分析，对斋堂岛东南海域的波浪特征进行探讨，为波浪研究和工程应用提供参考。

1 资料选取

波浪测点位于斋堂岛东南海域，其地理位置为35°36.2′N，119°56.15′E(图1)，水深约30 m，东向至东南向面临广阔海域。观测仪器采用Nortek公司生产的浪龙(AWAC-AST)波浪观测仪，测波采样的时间间隔为1 h，每次观测18 min，采样频率2 Hz。该波浪测点的观测日期为2013年5月至2014年4月，期间由于波浪仪器受损，2013年6月和12月资料缺失，因此本文选取了共10个月的资料。

图1 波浪观测站位置Fig.1 Location of wave observation station

2 波浪特征

2.1 统计特征

表1 Hs和分级统计出现频率

图2 全年Hs玫瑰图Fig.2 Rose chart of significant wave height in the year

2.2 波高分布

深水情况下，波高的Rayleigh分布经过大量验证，已被普遍接受和广泛应用[5]。其概率密度函数为：

(1)

对应的累计概率为：

(2)同时关于深水波高是否遵从Rayleigh分布的争议也一直存在[5]，有作者采用Weibull分布来拟合实测波高，也获得了较好的结果[6]。Weibull分布累计概率为：

(3)

(4)

图3 实测波高概率密度分布Fig.3 Probability density distribution ofmeasured wave height

(5)

2.3 波高和周期联合分布

图4 波高-周期联合分布Fig.4 Joint distribution of wave height and period

3 拟合海浪谱

海浪谱是描述海浪最有效的方式，各波要素均可通过各阶谱矩求得，还可以探索海浪的内部结构，是研究海浪预报、海岸泥沙运动及海上水工建筑物设计的重要依据。本文首先对实测谱值和频率进行无因次化处理，海浪谱的谱型通过无因次化后便仅由谱参数确定，再基于JONSWAP谱[9]进行拟合，从而求得该海域海浪谱的谱参数。

JONSWAP谱对工程问题具有实用意义，一方面由于在所提出的谱中，能量高度集中于谱峰附近，故由此谱通过传递函数计算得到的作用力谱或反映船体运动的谱必然受到这种能量集中的影响。其次如最大周期相同，由JONSWAP谱计算出的波高较大，波高的差异对工程设计是非常重要的。

JONSWAP谱包含峰升高因子γ和峰形参量σ，其最大特点是谱峰频率附近，谱值显著提高。其基本形式为:

(6)

(7)

式(7)的曲线图及相应实测值见图5，图中纵坐标中的m0为实测谱的零阶矩。由图可见，拟合谱仅在低频部分(ω/ω0<0.6)时低于实测值，在谱峰左右及高频部分一致性较好，表明拟合谱总体适用于本海域，在对低频范围的涌浪描述时需进一步加以讨论和研究。

图5 斋堂岛东南海域推荐海浪谱Fig.5 Wave spectrum recommended off the southeastern coast of Zhaitang Island

4 小结

利用斋堂岛东南海域2013—2014年的实测波浪资料从波高分布、波高与周期的联合分布和拟合海浪谱等方面进行计算和分析，对斋堂岛东南海域的波浪特征进行了探讨，结论如下：

(3)将实测谱值无因次化后进行拟合，得出了适合观测海域的谱型，但在描述涌浪时并不准确，需要进一步研究。

[1] National Ocean Technology Center. The proceedings for the third annual conference of the China marine renewable energy development[C]. Beijing: China Ocean Press,2014. 国家海洋技术中心.第三届中国可再生能源发展年会暨论坛论文集[C].北京:海洋出版社,2014.

[2] WANG Chuan-kun, LU Wei. Analysis methods and reserves evaluation of ocean energy resources[M]. Beijing: China Ocean Press,2009:52-129. 王传崑,卢苇.海洋能资源分析方法及储量评估[M].北京:海洋出版社,2009:52-129.

[3] SUN Xiang-ping. China seas near the mainland[M]. Beijing: China Ocean Press,2006:130-196. 孙湘平.中国近海区域海洋[M].北京:海洋出版社,2006:130-196.

[4] XU Fu-xiang, WEI Feng-yu, XING Chuang. Cause analysis and rethinking after the disaster of surge process in Bohai and north Yellow Sea on 090415[J]. Marine Forecasts,2009,26(3):38-44. 许福祥,韦锋余,刑闯.090415渤海黄海北部灾害性海浪风暴潮过程灾情成因分析及灾后反思[J].海洋预报,2009,26(3):38-44.

[5] WEN Sheng-chang, YU Zhou-wen. Wave theory and calculation principle[M]. Beijing: Science Press,1985:169-177. 文圣常,余宙文.海浪理论与计算原理[M].北京:科学出版社,1985:169-177.

[6] HUANG Pei-ji, CHEN Xue-ying, HU Ze-jian. The statistical characteristics of sea waves with double-peaked spectra[J]. Acta Oceanologica Sinica,1995,17(6):1-8. 黄培基,陈雪英,胡泽建.双峰谱型海浪的统计性质[J].海洋学报,1995,17(6):1-8.

[7] XU De-lun, LIU Xue-hai, ZHANG Jun. Conditional characteristic periods of sea wavas[J]. Acta Oceanologica Sinica,2001,23(3):1-7. 徐德伦,刘学海,张军.海浪的条件特征值[J].海洋学报,2001,23(3):1-7.

[8] GE Ming-da. Distributions of wave heights and periods in Lianyun Harbor[J]. Ocean Engineering,1984(1):40-50. 葛明达.连云港波高波周期统计分布[J].海洋工程,1984(1):40-50.

[9] HASSELMANN K, BARNETT T, BOUWS E, et al. Measurements of wind wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP)[J].Dtsch Hydrogr Z,1973(12):1-95.

The wave characteristics and the analysis of wave spectrum off the southeastern coast of Zhaitang Island

YANG Zhong-liang, YE Qin*, OU-YANG Wei, YANG Tian-zhu

(KeyLaboratoryofEngineeringOceanography,SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

With the wave observation off the southeastern coast of Zhaitang Island from 2013 to 2014, the wave characteristics were analyzed. The statistical results show that annual average of significant wave height is 0.60 m, the maximum wave height is 5.30 m, the average period is 3.3 s, the maximum period is 8.3 s and the dominant wave direction is E-SE. The wave height distribution and the joint distribution of wave height and period were also discussed. Based on the basic spectrum structure of JONSWAP, the spectrum applied to this sea area is presented using fitting method. All the work would provide reference for wave research and engineering application in this sea area.

Zhaitang Island；wave character；wave height distribution；the joint distribution of wave height and period；wave spectrum

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.010.

2016-06-21

2016-09-17

国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目资助(2012AA0526)

杨忠良(1981-)，男，山东烟台市人，工程师,主要从事工程波浪方面的研究。E-mail：aliang2033300@163.com

*通讯作者：叶钦(1979-)，男，高级工程师,主要从事工程波浪方面的研究。E-mail：leaflet_yq@163.com

P731.22

A

1001-909X(2017)02-091-05

10.3969/j.issn.J1001-909X.2017.02.010

杨忠良，叶钦，欧阳伟，等.斋堂岛东南海域波浪特征及海浪谱分析[J].海洋学研究,2017,35(2):91-95,

YANG Zhong-liang, YE Qin, OU-YANG Wei, et al. The wave characteristics and the analysis of wave spectrum off the southeastern coast of Zhaitang Island[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(2):91-95, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.010.