涠洲岛海域风侯和波侯特征分析

黄子眉，张春华，申友利，姜绍材

（国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西北海536000）

1 引言

广西北海市涠洲岛是中国著名的旅游岛。随着北部湾经济区的开发和发展，涠洲岛周边海岸工程建设越来越多，海岸工程结构物的建设必须考虑防御风和波浪的能力，因此涠洲岛海域风侯和波侯的特征研究具有十分重要的意义。我国科学工作者在风速和波高极值计算方面有过许多的研究。郑崇伟等[1-2]利用WW3（WAVEWATCH-Ⅲ）模式和实测波高数据，对中国海进行了概率数值预报以及大浪频率和长期变化趋势分析。丰鉴章[3]利用中国沿海14个台站的年极值资料，对年极值波高的分布特点及其频率曲线开展选配研究，得出选配两个对数正太曲线推算重现期波高和周期是一种新的途径。按照规定[4]，对于年极值波高及其对应周期的理论频率曲线，一般采用Pearson-Ⅲ型曲线。曹兵等[5]在设计波高分布函数比较分析中，认为Pearson-Ⅲ型曲线与波高和周期的经验频率点一般都拟合良好。邓兆青等[6]利用Gumbel极值推算方法和Pearson-Ⅲ型方法计算出了渤海湾4个点的多年一遇有效波高。董胜等[7]将涠洲岛海洋站1961—1989年极值波高与风速的长期观测资料作为统计样本，基于二维Pearson-Ⅲ型联合分布，估计了年极值有效波高与风速的联合出现概率。夏华永等[8]在分析广西沿海多年一遇波高时，针对涠洲岛海洋站3个常浪向的极值分布情况进行了初步研究。本文将根据涠洲海洋监测站1973—2018年风和波浪实时观测资料，先分析风和波浪的分布特征，再分别选出具有代表性的4个方向角的风速的年最大值和十分之一波高（H1/10）的年最大值，并采用Pearson-Ⅲ型曲线进行风速和波高的重现期计算，为涠洲岛海域海洋工程设计提供相关理论依据。

2 数据与方法

涠洲海洋监测站波浪观测手段不统一，1973—2002年是自动观测，2003—2018年是人工观测。为了风和波浪资料年限的统一，本文对风和波浪的分布特征研究采用的资料年限为1973—1995年，对风和波浪的年极值计算采用的资料年限为1973—2018年。

本文主要研究方法是统计方法和Pearson-Ⅲ型分布曲线绘制方法。Pearson-Ⅲ型分布曲线绘制方法为[9]：

式中：hˉ为年平均最大风速或波高；cv为变差系数；hp为不同重现期设计风速或设计波高。

3 涠洲岛海域风的分布特征

本文根据1973—1995年涠洲海洋监测站逐日每小时风速风向观测资料统计分析得出：涠洲岛地处季风气候区[10]，强风向为N和NNE，其平均风速分别为5.9 m/s和5.3 m/s；常风向为NNE和ENE，其频率分别为18.2%和12.4%；常年最少风向为NW，其频率为1.1%；其余各风向累年出现频率分布在1.5%～10.9%之间（见表1和图1）。

根据累年各月出现最多风向和次多风向进行统计，结果如表2所示和图2所示。涠洲岛海域风向和风速随季节变化明显，1—4月盛行风向为NNE，5月盛行风向为SSE，6—8月盛行风向为SSW，9—12月盛行风向为NNE；夏季（6—8月）月平均风速最大，春季（3—5月）月平均风速最小，累年月平均风速在3.7～4.8 m/s之间，这与涠洲岛地理位置有关。

图1 涠洲岛海域累年风玫瑰图

图2 涠洲岛海域月平均风速变化图

表1涠洲岛海域风要素累年统计（1973—1995年）

表2涠洲岛海域风要素逐月统计（1973—1995年）

4 涠洲岛海域风速年极值计算

为了进一步研究涠洲岛海域风向风速的季节变化规律，本文统计了1973—2018年涠洲海洋监测站共46 a 16个方位角的年极值风速资料，并根据强风向、常风向和月出现最多风向选出4个风向角（N、NNE、ENE和SSW）的年最大风速进行重现期计算。根据Pearson-Ⅲ型分布曲线绘制方法，当n=46时，算出xˉ和cv，假设cs=2cv，再算出kp和xp，最后根据p、xp值绘制出Pearson-Ⅲ型分布曲线（见图3）。根据不同重现期计算方法[11]，算出多年一遇的计算结果（见表3）。

图3 不同风向的风速Pearson-Ⅲ型分布曲线图

表3涠洲岛海域各向风速重现期计算结果（单位：m/s）

根据计算结果得出：涠洲岛海域4个风向角风速的Pearson-Ⅲ型分布与极值风速样本的实测分布均拟合得很好。其中ENE向风速多年一遇值最大，10年一遇值为19.8 m/s，25年一遇值为26.9 m/s，50年一遇值为29.5 m/s，100年一遇值为32.1 m/s。反之，N向风速多年一遇值最小，10年一遇值为18.9 m/s，25年一遇值为20.8 m/s，50年一遇值为22.2 m/s，100年一遇值为23.4 m/s。

5 涠洲岛海域波高分布特征

本文根据1973—1995年涠洲海洋监测站波浪观测资料统计分析得出：涠洲岛海域波高（H1/10）的年平均值为0.6 m；强浪向为SSW，其波高（H1/10）的平均值为0.8 m，频率为16.2%；常浪向为NNE、SSW、NE和ENE，其频率分别为16.5%、16.2%、14.4%和10.5%；波高（H1/10）的平均值≤0．4 m的波浪频率为11.2%，波高（H1/10）的平均值≥0．7 m的波浪频率为9.2%，如表4和图4所示。

根据累年各月出现最多波向和次多波向进行统计，结果见表5和图5。涠洲岛海域波向和波速随季节变化明显：1—4月盛行浪向为NNE，5—9月盛行浪向为SSW，10—12月盛行浪向为NE～NNE；夏季（6—8月）波高（H1/10）的月平均值最大，其余季节月平均值稍小于夏季，累年月平均值在0.5～0.8 m/s之间。

图4 涠洲岛海域累年波浪玫瑰图

图5 涠洲岛海域波高（H1/10）的月平均值逐月变化图

表4 涠洲岛海域波浪要素统计（1973—1995年）

表5涠洲岛海域波浪要素逐月统计（1973—1995年）

图6 不同波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布曲线图

表6 涠洲岛海域各向波高（H1/10）的重现期计算结果（单位：m）

6 涠洲岛海域波高年极值计算

为了进一步掌握涠洲岛海域波高变化规律，本文根据强浪向、常浪向和月出现最多浪向选出4个波向（NNE、NE、ENE和SSW）波高（H1/10）的年最大值进行重现期计算。根据1973—2018年涠洲海洋监测站波高年极值资料，n=46，选取cs=2cv的适线，绘制出Pearson-Ⅲ型分布曲线（见图6），然后根据重现期计算方法，得出多年一遇的计算结果（见表6）。

根据计算结果：涠洲岛海域4个波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布与极值波高（H1/10）样本的实测分布均拟合得很好。其中SSW向波高（H1/10）多年一遇值最大，2年一遇值为2.4 m，25年一遇值最大为3.5 m，50年一遇值为3.7 m，100年一遇值为4.0 m。反之，NNE向波高（H1/10）多年一遇值最小，2年一遇值为1.4 m，25年一遇值最大为2.2 m，50年一遇值为2.4 m，100年一遇值为2.6 m。

7 结论

本文通过对涠洲海洋监测站多年风和波浪资料的统计分析，得出涠洲岛海域风和波浪的分布特征。根据连续46 a的年极值资料，采用Pearson-Ⅲ型分布曲线分别对风速和波高（H1/10）的年最大值进行重现期计算，得出年极值分布情况。结论如下：

（1）涠洲岛地处季风气候区，强风向为N和NNE，其平均风速分别为5.9 m/s和5.3 m/s；常风向为NNE和ENE，其频率分别为18.2%和12.4%；其余各风向累年出现频率分布在1.5%～10.9%之间。

（2）涠洲岛海域风向和风速随季节变化明显：1—4月盛行风向为NNE，5月盛行风向为SSE，6—8月盛行风向为SSW，9—12月盛行风向为NNE；夏季（6—8月）月平均风速最大，春季（3—5月）月平均风速最小，累年月平均风速在3.7～4.8 m/s之间，这与涠洲岛地理位置有关。

（3）涠洲岛海域4个风向角风速的Pearson-Ⅲ型分布与极值风速样本的实测分布均拟合得很好，其中ENE向风速多年一遇值最大，10年一遇值为19.8 m/s，100年一遇值为32.1 m/s。

（4）涠洲岛海域强浪向为SSW，其波高（H1/10）的平均值为0.8m，频率为16.2%；常浪向为NNE、SSW、NE和ENE，其频率分别为16.5%、16.2%、14.4%和10.5%。

（5）涠洲岛海域波向和波速随季节变化明显：1—4月盛行浪向为NNE，5—9月盛行浪向为SSW，10—12月盛行浪向为NE～NNE；夏季（6—8月）波高（H1/10）的月平均值最大，其余季节月平均值稍小于夏季，累年月平均值在0.5～0.8 m/s之间。

（6）涠洲岛海域4个波向波高（H1/10）的Pearson-Ⅲ型分布与极值波高（H1/10）样本的实测分布均拟合得很好，其中SSW向波高（H1/10）多年一遇值最大，10年一遇值为3.2 m，100年一遇值为4.0 m。