Ashdod港风浪特性研究

赵丽萍，冯卫兵，曹海锦

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

Ashdod港风浪特性研究

赵丽萍，冯卫兵，曹海锦

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

利用欧洲中期天气预报中心ECMWF近38 a(1979～2016年)逐6 h的ERA-Interim全球再分析资料与该港区3 a实测数据同化后的有效波高、平均周期、平均波向和海表10 m风场资料，对Ashdod港工程区风、浪特征进行了统计分析，得出该海区常浪向和常风向均为WNW向，强浪向为WNW，强风向为ESE向，进而分析了有效波高和周期的联合分布，得出有效波高1 m，周期5 s的波浪出现概率最大。通过有效波高和风速、平均波向和风向数据的相关性分析，结果表明：冬季风浪为主导，春、夏、秋三季均是涌浪为主导。不同方向不同重现期的波要素统计分析，可为Ashdod港口建设提供科学依据，研究方法也可为类似工程借鉴。

ASHDOD港；波浪玫瑰图；风玫瑰图；相关性分析；P-III型分布

位于以色列西部沿海中部的Ashdod港濒临地中海的东侧，在以色列首都特拉维夫以南40 km的Ashdod市，是以色列最大的两个港口之一，主要用于集装箱、杂货以及散货的进出口。与国内沿海极值大浪受控于台风浪的情况不同，整个Ashdod港受到源自地中海(主要在32°N，32°E附近区域)Gaza低压气旋产生的经长距离传播的西北向中长周期涌浪控制，属于中长周期涌浪作用为主的港口。由于长期受中长周期涌浪作用，面临着设计参数不精确，施工困难大，有效施工窗口短，施工船舶定位困难等一系列的技术难题，亟待解决。利用 ERA-Interim全球再分析资料与港区3 a实测数据同化后的波浪和风场数据，对Ashdod港的风、浪特性进行了研究，为合理安排该港的施工顺序提供了重要的工程应用价值，也对国内外的类似工程有着指导意义。

1 数据处理

根据Ashdod港(31°52.5′N，34°38.95′E)2011.4.1～2014.3.31的实测有效波高Hs、周期T、波向D数据，结合ERA-Interim中0.125°×0.125°空间分辨率的一日四次的再分析数据，将同地点、同时间段的再分析数据与实测数据进行了相关拟合，得出实测与下载数据之间的拟合关系式，如图1，即Hs=0.989 7HsEin，T=0.889 5×TEin+0.274 4，D=DEin(HsEin、TEin、DEin：ERA-Interim下载的有效波高、平均周期、平均波向)。据此，对该港区海域38 a(1979～2016年)ERA-Interim全球再分析数据进行数据同化，利用同化后的数据，并结合与再分析风场数据，对Ashdod港有效波高、平均周期、平均波向和海表10 m风场进行了特征分析。

2 Ashdod港港区波浪特征

2.1波浪的季节性差异

以色列Ashdod港区位于地中海东部，受地中海气候和天气系统的影响较大，如地中海南部较为活跃的热低压和阿特拉斯低压热带气旋，表现为4～10月份漫长而又炎热、少雨，11月～次年3月份副热带高压带南移，处于西风带，极锋和海洋气团活跃。

受气候变化的影响，波浪的季节性变化特征显著。有效波高的累计频率玫瑰图见图2，波浪全年集中在西北区域，夏季波浪分布最集中，春夏季过渡时NNW向波浪基本消失，秋季波浪由西向北偏转，冬季由于受盛行西风的影响，波浪显著向西偏转，且分布较分散，具体的波浪分布情况见表1。平均周期的累积频率玫瑰图见图3，周期在6 s以上的波浪在四季(春季3、4、5月；夏季6、7、8月；秋季9、10、11月；冬季12、1、2月)所占频率分别为13.24%、3.78%、9.92%、32.30%，可见中长周期波浪作用在冬季最为显著。最大波浪玫瑰图见图4，比较图2、4可以看出，秋、冬季波浪强于春、夏季，季风期最大波高达4.5 m以上，最大周期达9 s以上，波浪条件恶劣。

图1 实测与ERA-Interim下载数据拟合图Fig.1 The linear fitting chart of measured and ERA-Interim data

图2 Ashdod港波浪玫瑰图 图3 Ashdod港周期玫瑰图Fig.2 The wave rose of Israeli port of Ashdod Fig.3 The period rose of Israeli port of Ashdod

2.2波高、周期的联合分布

在海洋工程环境建设、海上平台建设、输运及航行中，研究波高和周期的联合分布是非常必要的。图5为Ashdod港有效波高和平均周期季节性联合分布等值线图，从图中能够看出，Ashdod港一年四季有效波高和平均周期最大概率值出现在平均有效波高与平均周期附近，有效波高在1 m左右，平均周期在5 s左右，大波高大周期的波与小波高小周期的波出现概率较小。从季节上看，春、夏、秋三季有效波高与平均周期联合分布相近，有效波高一般都在3 m以下，平均周期都在3～8 s之间变化；冬季有效波高与平均周期都明显增大，这与上文波浪的统计分析一致。

表1 Ashdod港波浪季节统计分布表Tab.1 The wave seasonal statistic of Israeli port of Ashdod

图4 Ashdod港最大波浪玫瑰图Fig.4 The maximum wave rose of Israeli port of Ashdod

图5 有效波高和周期的联合分布等值线图Fig.5 The joint probability distribution of significant wave height and wave period

3 Ashdod港港区风要素统计

3.1风场的季节性差异

为了更深入地探讨港区附近波浪场的特征，对局部的风场进行了分析。图6、7分别为风频率玫瑰图和最大风速玫瑰图。对比图6和图2可以看出，风速和有效波高分布特征及各个方向出现的频率都是一致的，常风向、次常风向、强风向、次强风向各自的频率分布见表2。各向大于或等于6级风(风速大于10 ms)在一年四季中出现的频率分别为4.15%、0.09%、2.32%、12.56%，即夏季风速小，冬季风速大。

在实际的工程应用中，往往更为关注极值的季节性差异，以便在不同季节采取合理的应对措施，避免不同季节的险情给人身、财产安全造成严重威胁。因此作出了港区及其附近海域风速极大值的季节分布图，如图8。从整体来看，风速有明显的季节变化特征，在夏季普遍偏小，极大风速在11 ms(六级强风)左右，这主要受到来自塞浦路斯东北低压的控制，冬春两季受西风带的影响，极锋和海洋气团活跃，出现气旋、飓风等恶劣天气，极大风速达20 ms以上(八级大风)，可能会掀起6 m以上的极大波浪，波浪条件恶劣。

图6 Ashdod港风玫瑰图 图7 Ashdod港最大风速玫瑰图

Fig.6 The wind rose of Israeli port of Ashdod Fig.7 The maximum wind rose of Israeli port of Ashdod

表2 Ashdod港常、次常风向、强、次强风向频率统计表Tab.2 Statistics of dominated and strongest wave directions and their frequencies

图8 风速极大值分布图Fig.8 Distribution of the maximum mean wind speed

3.2波高与风速的相关性分析

风浪是指某一海域海表风场作用于海洋表面产生的波浪，且一直受到这一风力的影响，涌浪则指海面上由其他地区传来的或是风向改变等因素引起的海面波动。通常我们认为在没有涌浪的情况下，强风条件对应的波高大，弱风对应的波高小。因此，当风和浪的相关性较大(γ0.05>0.320 6)的时候风浪为主导，而相关性较小(γ0.05≤0.320 6)的时候涌浪为主导。

图9 有效波高和风速的季节区域平均变化幅度曲线图Fig.9Theseasonalaveragevariationofsignificantwaveheightandwindspeed图10 波向和风向的季节变化图Fig.10Theseasonalaveragevariationofwaveandwinddirections

上文分析得出海表风速和有效波高都具有较强的季节性变化，由此可以推测风速和波浪之间存在一定的相关关系，图9给出了有效波高和风速的季节区域平均变化幅度曲线图。从图中得出春季区域季节平均有效波高的变幅在-0.16～0.16 m的范围内，平均风速的变幅在-0.5～0.5 ms的范围内；夏季区域季节平均有效波高的变幅在-0.1～0.1 m的范围内，平均风速的变幅在-0.5～0.5 ms的范围内；秋季区域季节平均有效波高的变幅在-0.15～0.15 m的范围内，平均风速的变幅在-0.7～0.7 ms的范围内；冬季区域季节平均有效波高的变幅在-0.5～0.5 m的范围内，平均风速的变幅在-1.0～1.0 ms的范围内。有效波高和风速的季节相关系数分别为0.048、0.329、0.225和0.753，冬季通过了95%的显著性检验，有效波高和风速有很好的相关性，随着风速的增大而增大，随着风速的衰减而衰减，风浪为主导，春、夏、秋季涌浪为主导，由此得出Ashdod港是中长周期涌浪作用为主的港口。

上面分析了有效波高和风速数值上的相关性，得出冬季风浪相关性比较好，为了更好地验证这个结论，我们从平均波向、风向来进一步分析。考虑到局部区域风、浪的分布会出现延迟现象，将一天每隔6 h记录的4个数据进行了平均，用日平均数据进行二者的相关性分析，见图10。我们可以看出，冬季波向跟风向变化趋势比较一致，只是波向有一定的延迟性，这可能是因为实际风场总是在不断变更，而波浪还没有完成成长，风向已经发生了改变，这也很好地解释了风浪形成的过程。春、夏、秋季三季波向跟风向趋势比较混乱，这也就验证了上文得出的涌浪的结论。

表3 Ashdod港不同重现期不同方向的有效波高和平均周期Tab.3 Wave elements in different directions and return periods

4 多年一遇重现期极限值

在海洋工程建筑物的设计中，通常会考虑特大海浪的情况，因为它会破坏海上建筑物并且能危及航行及人类的生命安全，因此对极值的出现进行了统计分析。由于目前缺乏该港口海浪长期实测资料，本文利用同化后的ECMWF数据将Ashdod港1979 ～2016年的有效波高和周期年极值分十六个方向取出，采用P-Ⅲ型分布来推算极值波高、周期的概率分布，见表3。从表3中很容易看出，随着重现期的增大，有效波高和周期的极值都在不同幅度的增大。Ashdod港有效波高的极值从南向北，从西向东逐渐减小，周期极值分布趋势与有效波高相似，南方向上的有效波高极值达2 m以上，周期达6 s以上，中长周期波作用强烈，北方向上的波浪相对较小。

5 结论

(1)利用欧洲中期天气预报中心近38 a(1979～2016 年)全球再分析资料与3 a实测数据同化后的资料，对Ashdod港工程区风、浪特征进行了统计分析，并绘制了风、浪玫瑰图，得出该海区常浪向和常风向均为WNW向，强浪向和强风向均为ESE向。

(2)将波浪场与风场数据进行了相关性分析，得出冬季风浪为主导，春、夏、秋三季涌浪为主导，Ashdod港属于中长周期涌浪作用为主的港口。

(3)基于连续38 a的波浪数据，采用P-Ⅲ型方法进行了工程海域不同方向不同重现期的波要素推算，为Ashdod港口设计提供了科学依据。

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Analysis on wind-wave relationship of Israeli port of Ashdod

ZHAOLi-ping,FENGWei-bing,CAOHai-jin

(CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Based on the global wind and wave field datasets of the European Center for Medium Range Weather Forecasting Reanalysis Interim(ERA-Interim)recorded from 1979 to 2016, the wind and wave characteristics of Israeli port of Ashdod were implemented.In this paper, the characteristics of the joint probability distribution of theHsandTwere analyzed.Research results show that: (1) Most frequently occurring wave and wind direction are WNW ,the strongest wave direction is WNW and the strongest wind direction is ESE.(2) The wind wave plays a leading role in the winter and swell plays a leading role in other seasons.(3) P-Ⅲ distribution curve has a good ability to estimate the return period of extreme value ofHsandT. It can provide scientific basis for the construction of Israeli port of Ashdod, and the research method can be used for similar projects.

Israeli port of Ashdod；wave rose；wind rose；correlation analysis；P-III distribution curve

2017-04-26；

2017-06-21

赵丽萍(1992-)，女，江苏南通人，硕士研究生，主要从事河口海岸及近海工程水动力环境的研究工作。

Biography：ZHAO Li-ping(1992-),female,master student.

TV 142

A

1005-8443(2017)05-0470-07