印尼爪哇岛南岸波浪双峰谱特征分析

黄美玲，陈汉宝，耿宝磊，徐亚男

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

在印度洋北岸的开阔水域，常年波涛汹涌，规则的长峰波拍击海岸，给海岸防护和近岸工程建设带来巨大困难。印度洋北岸开敞岸线长达2 000多公里，包括印度尼西亚、马来西亚、斯里兰卡等国家，在大浪影响的区域又缺乏现场实测的波浪数据。在已有的近岸工程建设中，出现了多个失败破坏的案例，如防波堤建设过程中的护面块体滚落、高强度的泥沙淤积和系泊船舶断缆移位等，这些案例多被证明与波浪周期过长有关。在对实测波浪数据的分析中，出现了一些介于5～10 s的周期，与实际观察的现象不符。通常在岛群海域，受不同风距的两组或多组波浪叠加作用，波浪周期会出现类似混合浪的特征，短于涌浪而长于风浪。这些面对几千公里的完全开阔海域尚未有相关报道或研究。

1 双峰谱的研究现状

随着人类开发海洋步伐的加快，人们对海浪的统计特征，方向谱的研究更加深入。国内学者对双峰波谱型海浪作了大量的研究[1-8]。隋世峰[1]用规则的单峰海浪频谱表示混合浪的频谱。黄培基[2]等通过分析胶州湾实测双峰海浪谱的谱型特征，提出了一个含6个参量的双峰海浪谱公式。陈雪英[3]等探讨了双峰谱型海浪的波要素概率分布及其群性特征，并与单峰谱型海浪进行了比较。管长龙[4]等对双峰海浪频谱采用分谱叠加的思想，很好地解释了以往双峰谱在高频部分过高统计的问题。陈雪英[5]等利用实测双峰谱型海浪资料，讨论了双峰谱型下波高与周期的联合分布。赵栋梁[6]等采用两种分辨力较高的方向谱估计方法对双峰方向分布做了深入的研究，探讨其物理本质。潘玉萍[7]等采用最新的随机波分析方法，研究双峰型海浪波高和周期的联合概率密度分布。这些研究多基于两组或多组不同周期波浪的叠加特性。

2 赤道无风带开敞水域波浪特性研究现状

爪哇岛南岸面对的印度洋海域面积广阔，波浪呈现长周期、大波高特征，对工程影响较大，故对印度洋开敞海域的波浪特性研究非常有意义。梅勇[8]、尹兵[9]、张弦[10]、刘金芳、梁玉清[11]、郑崇伟[12]、封有德[13]等分别研究了北印度洋-南海海域海浪场、南印度洋、北大西洋、地中海等地的风、浪、涌的特点及其变化规律，对风场、风浪、涌浪、混合浪的特征进行分析。周加杰等[14]的工程报告指出，印度洋环境的波浪则表现为周期大、波长长，而印尼沿海受印度洋波浪影响，强浪主要由2种涌浪组成，季风期外海涌浪与风成浪相互叠加，近岸水流变化剧烈，基本无法施工；非季风期波浪主要表现为外海环境变化所引起的近岸涌浪，涌浪周期一般大于10 s，平均周期大于 13 s，最大周期达21 s，波长大于180 m，波高达3.5 m，高波高、大周期、长波长波浪是破坏海洋建筑物的主因。这些针对无风带开阔海域的波浪研究没有涉及双峰谱的波浪特征。

3 印尼爪哇岛南岸双峰谱特征

将印尼爪哇岛南岸中部的实测波浪资料对比JONSWAP谱进行研究，如下

(1)

(2)

(3)

取参照JONSWAP谱的窗函数，对一年多逐日的波浪实测资料进行谱分析，再对每个月的波浪谱按周进行叠加，得到代表雨季的10月份和3月份，以及代表旱季的7月份和9月份各4周的波浪频谱，见图1～图4。

图1 十月份典型波谱图Fig.1 Typical spectrum in October

图2 三月份典型波谱图Fig.2 Typical spectrum in March

图3 七月份典型波谱图Fig.3 Typical spectrum in July

图4 九月份典型波谱图Fig.4 Typical spectrum in September

参考图1～图4典型月份波谱图，分析各月的数据，可知印尼爪哇岛南岸7、8、9等旱期月份低频涌浪和高频波浪所占能量相差无几；雨季低频涌浪所占能量很大，高频波浪部分所占能量很小。

图5 典型地区(RATU)年风玫瑰图Fig.5 Annual wind rose chart at RATU

印尼爪哇岛南岸地理位置在赤道无风带，即使在旱季，风速也很小，多年统计的短时风速大值多小于30 knots，平均风速在5 knots左右(图5)，同时风向变化很快，因此难以产生较大的风浪。

印尼爪哇岛南岸面对的印度洋海域面积广阔，跨越了南半球的所有风带；波浪在充足海域空间内、在大风的作用下，充分成长为大浪。这种大浪在由外海传至岸边时，由于弥散和角散的作用，高频的短波部分在内摩擦作用不断消耗、低频的长波部分分离出去，在达到近岸时表现为长周期的涌浪。这是雨季和旱季波浪的主要组成部分。

图6 典型地区(Adipala)预报资料波高 周期分布关系Fig.6 Distribution of wave heights and periods of forecast data at Adipala

雨季季风向与涌浪方向相反，同时降雨较多，一定程度上降低了波浪活跃程度，综合表现出波浪平均强度较弱，高频的风浪的短波部分到达近岸时消耗相对较大，因此所占谱能量很少。旱季则风向与涌浪方向相同，同时基本无降雨，远海洋流活跃，波浪平均强度较强，高频的风浪的短波部分到达近岸时消耗相对较小，因此低频和高频部分占谱能量的比例相差无几。在对大浪的分析中，进一步出现了大浪对应周期短于平常涌浪的情况，见图6。

根据上述分析可以发现，印尼爪哇岛南岸波浪具有明显的长周期波浪特征，长周期波浪对海岸工程结构有强烈冲击作用，例如长周期海域近岸水体会在斜坡胸墙前急剧破碎，强大冲击力破坏胸墙整体稳定性。因此在斜坡堤胸墙设计中，应该着重物理模型的验证结果，修正规范和经验公式造成的偏小误差。长周期双峰谱波浪中低频部分，也会对离岸式开敞码头停泊的船舶有较大影响，船舶各运动分量也会比纯风浪条件下大，对系泊安全有很大影响。因此，如何防护长周期波浪的破坏是该海域相关工程中需考虑的重要问题之一。

4 结论

(1)印度洋北岸赤道无风带开阔海域的波浪呈现出季节性的双峰谱特性，旱季高频、低频波浪能量相当，雨季以低频波浪为主；(2)赤道无风带风弱、风向变化快，难以形成较大的风浪，高频波浪也来自于南部海区较近海域风浪的传播；(3)分析的双峰谱各波浪成分与传播距离有关，不同海域会呈现较大差异，同时大浪的波高与周期联合分布特征还需要进一步的研究。