第36卷第1期海洋工程V o l.36N o.l 2018 年1月THE OCEAN ENGINEERING Jan. 2018文章编号：1005-9865 (2018) 01-0062-12
冯曦1，易风、曹海锦、杨斌2
(1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098; 2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012)
摘要：利用江苏省南黄海辐射沙洲两翼的实测波浪资料，研究南黄海辐射沙洲地区的波参数分布特征和波谱特性，得出了特征波要数、波谱参数及波要素之间的转换关系式。研究结果表明南黄海辐射沙洲近岸海域的波浪特性受天气、水深和地形 因素的多重影响。总体而言，江苏辐射沙洲海域波浪变化范围及其均值差异不大，特别是位于近岸的蛎蚜山测站由于受到水 深的制约和沙脊的庇护，该区域波参数、谱参数的变化范围和均值均小于水深相对较深的大丰测站和冷加沙测站。在台风期 和寒潮期内，除了波向以外，各个测站的波要素季节性差异均较小。波向在辐射沙洲北翼海域以偏北向为主，在南翼海域则 以东南向和西北向为主。大浪过程主要与台风期和寒潮期的极端天气相关。波面特性及其波谱分析表明，波谱参数与水深、离岸距离相关性强。分析发现本海域南翼以单峰谱为主，北翼沿海海域波浪在寒潮期主要为涌浪和风浪组成的混合浪，在波谱形式上表现为双峰谱。
关键词：辐射沙洲；波浪特性；波参数；波浪谱
中图分类号：P731.22; TV139.2 文献标志码：A D0I:10.16483/j.iwn.1005-9865.2018.01.008
An observational study on wave characteristics at the Jiangsu Radial Sand Ridges
in the South Yellow Sea of China
FENG Xi1,YI Feng1,CAO Haijin1,YANG Bin2
(1. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China)
Abstract：By using long-term "w ave field observations, this study analyzes the wave characteristics and wave spectra, as well as the conversion relationship between the characteristic wave parameters and wave group parameters in the Jiangsu Radial Sand Ridges (JR SR) in the South Yellow Sea of China. The results show that the wave characteristics are influenced by multiple factors including atmosphere, water-depth and topography and their interactions. The main findings are specified as follows：1) With the shielding effect from sand ridges, the wave height, the wave pe
riod and their variations in the sea of the JRSR are characterized by spatial difference, while the wave direction differs in each station. 2) No apparent variation is found in the wave characteristics among seasons and the variation decays as the water depth goes more shallower；big waves can be stimulated by either a typhoon or a winter storm, yet they cast little effect on the annual wave climate. 3) The south area of the JRSR is dominated by one-mode wave spectra, while the north area of JRSR encompasses occasional two-mode wave spectra during winter storms; the wave energy transfers to both ends in the shallow water in the south of the JR SR, due to the effect of the topography, the water depth and the tidal energy. 4) Strong correlations between wave spectral parameters and the water depth or the offshore distance are found. Besides, the significant wave height, wave period and spectral width are all well correlated. The above conclusions for the wave characteristics of the JRSR hold theoretical significance and application values.
Keywords：radial sand ridges；wave characteristics；wave parameter；wave spectrum
收稿日期：2017-05-01
基金项目：江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室基金（JSCE506)；卫星海洋环境动力学国家重点实验室开放课题基金(SOED1609)；国家自然科学基金青年基金（51709091)；江苏省自然科
学基金青年基金（BK20170874)作者简介：冯曦（ 1987-)，女，江苏南京人，博士，主要从事海岸带水动力和海岸带灾害研究的研究。E-mail:xifeng@hhu.edu
第1期冯曦，等：南黄海辐射沙洲近岸海域波浪特性研究63
近海海洋波浪动力特征与区域的气候及地貌特征有着密切的联系，以南黄海辐射沙洲海域为对象，通过野外观测的方法，研究了辐射沙脊附近海域的波浪特征。张长宽[1]、何小燕等[2]发现该海域冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，对海岸建筑物起破坏作用的气象主要是冬春季的寒潮大风浪和夏秋季节的台风浪，并且该海岸有着独一无二的特殊地形特征，即水下沙脊呈明显的扇形辐射式形态。尽管从直观来看，X u 等[3]认为该复杂地形的形成主要是由于当地的潮流场和泥沙输移条件，而波浪辐射应力作用亦可能存在一定的作用。由此，复杂地形和季风气候导致该海域的波候复杂多变。目前，对于该海域的浮标观测资料非常有限，因此，该海域的实测波浪资料分析对于了解该海域波浪特性十分必要，并且对确定科学合理的海岸工程设计参数也具有重要的意义。
近年来，随着海洋波浪观测技术的进步和设备改善，有关实测波浪统计特性和谱特性的研究报道也日趋多见，例如Kum ar等[4-6]、Suh等[7]、Vandeve等[8]都发表过相关论文。高正荣[9]分析了在南黄海海域南侧吕泗地区波浪的风浪分布以及谱模式。冯卫兵等[HM2]通过分析辐射沙洲中部海域的波浪特性发现风速和波高有良好的曲线关系，波高分布符合Gluhovski分布。杨斌等[13]利用与文中测站1的
早期（2009~2010年）且谱形为单峰的波浪资料，通过谱分析得出江苏沿海南部海域波浪的频率谱的高频部分以-4次方指数衰减
(广24，其中，是波的圆频率），由此提出以实验谱模式(适用条件乂>〇.7m)拟合实测波浪谱，结果吻合良好。
尽管前人的研究提供了分析波浪谱、统计特性的有效方法，但由于南黄海辐射沙洲近岸区域的波浪资料缺乏，对于本区域的波浪特性，特别是对辐射沙洲两翼的差异性等还缺少较全面的了解，因此有必要开展野外观测研究。基于三个测波浮球(分别位于研究海域的北侧、南侧外海、南侧近海）一年以上获得的波浪数据，着重分析了波浪的参数变化特性、波浪统计特性、谱特性，并对比了不同气候条件下各测站的波浪特性变化情况，探讨了该海域的波浪条件及其波谱特性等。相关成果将有助于该海域的海岸工程建筑物的设计、施工和运行，也可为波浪模型提供科学合理的有效参数。
1波浪数据介绍和处理方法
1.1波浪资料的测站介绍
江苏南黄海辐射沙脊区以蒋家沙的滩脊线为界，分为南北两翼如图1所示。三个测站分别分布在辐射沙洲近岸海域的南北两翼，其中，测站1在北翼，靠近大丰港，离岸8km，测波位置（33°17.08 ’N，
120。48.61’E)，水深为25.5m(以平均海平面为基准）；测站2落点在南翼，靠近蛎蚜山，离岸4 km，测波位置(32°09.13’N，121°28.94’E)，测站水深为10m；测站3，位于2测站的东部偏东北方向的外海，地处冷加沙，离岸15^，测波位置（32。15.60，，121。58.54’瓦），测站水深为20.9爪。从地理位置分布上说，测站1靠近辐射沙洲北部西洋潮流通道，处于稳定的深槽区，潮流流速快，东边受东沙庇护，水深大风浪相对小，水动力状况稳定。测站2则位处潮汐水道，或受东北部腰沙的掩护，水深较浅，岸滩基本稳定。测站3处于外海，舭邻烂沙洋，由于在潮滩外，水深较深；烂沙洋周边海域风浪不大，但容易受到台风、风暴潮及寒潮等极端天气事件的影响[14_15]。文中的重点在于波浪分布特征分
析，因此潮流通道的水动力和冲淤稳定情况暂不在讨论
范畴内。
测站1和测站2的波面数据每1小时采集一次，采
集时长17分钟左右，采样间隔0.25s；测站3的波面数
据每3小时采集一次，采集时长17分钟左右，采样间隔
0.5s。三个测站的观测时间均达到1年及以上。测站
1观测时间2013年3月至2014年8月，测站2观测时
间从2012年2月至2013年12月，测站3观测时间从
2008年9月至2009年8月。为了防止瞬变波的影图 1 响[16]，数据经过异常值的筛查，三个测站分别保留了Fig. 1 8709组、6263组和3313组数据。在此基础上，考虑到
工程运用的实际价值，选取波高1m以上的大浪进行进
一步波要素总结，并对其相应的波面资料进行波谱分析。辐射沙洲海域主体部分水深范围及测点位置示意 The coastal area of the Radial Sand Ridges of Jiangsu
Province
ungelivable
64
海 洋工程第36卷
1.2波浪参数计算方法
运用上跨零点法和谱分析的统计方法来计算特征波参数。所考虑的波要素主要包括有效波高仏,3(或 者坟）及其对应周期7^，平均波高凡_及其周期，最大波高凡m 和均方根波高。采用快速傅里叶方 法（F F T 法）计算实测波能谱，并在频率域内平滑粗谱，平滑时自由度为34，谱的高频截断为1 H z ，分辨率为 0.016 6 H z 。据此进一步计算了包括有效波高凡,。，平均周期7m 。,、7…,。2，谱
矩，谱尖度因子^[|7]，谱宽度
e [IS]，窄谱的谱宽度v [l 9]，平均波陡5 [2Q]等在内的部分谱参数。最大谱密度是指谱密度的最大值，而谱峰
周期7p 是指最大谱密度对应的周期。部分波参数的计算公式如下：
扎。:
-4 V m 0(1)7m …,-m 0
m 1(2)7m (2)
-m 0m 2
(3)-/0/^(/)d /;
- 0,1,2,...
(4)
其中，是指第阶矩,/为频率，S(/)为/对应的谱密度。
QP 二 22 m 0
J :
/s 2(/)d /(5)
s =21 _ m 2
m 〇m 4
(6)v =m 0 m ^
2 - 1m 1
(7)2nH
s -
(8)
2数据的分析和讨论
2.1波要素的基本特征
利用上述方法，对各个测站经过异常值筛查的实测波浪资料进行统计分析，得到了各测站波参数，波高、 波周期特征值及其变化范围。表1显示就波高和波周期而言，南北两翼差异不明显，在布点测站离岸最远的 15 km 内，南北两翼的有效波高均值差异不超过7%。北翼的测站1与南翼的测站3相比，波高和波周期都 非常接近；水深较深的测站1和测站3较水深较浅的测站2波高偏大将近25% ，波周期也偏大。
表1各个测站的有效波高的均值与平均波周期
Tab . 1 Wave parameter ranges and m eans at each station
测站
H 1/3/m
台风期
寒潮期全年台风期寒潮期全年10.560.560.56 3.80 3.91 3.862
0.400.380.39 3.26 3.11 3.173
0.57
0.61
0.59
3.72
3.71
3.72
在总结
1.0 m 以上有效波高的波浪资料基础上，将各测站波参数，波高、波周期、波向的特征值及其变化
范围如表2所示。由表2可见，大于1.0 m 的有效波高北翼（测站1)全年变化范围为1.01〜2.31 m ，南翼外 侧（测站3)变化范围为1.00〜2.22 m ，均值分别为1.42 m 和1.29 m ；对应的平均周期变化范围分别为3.59~ 6.33 8和3.07〜5.89 s，均值分别为5.19 s 和4.49 s。而位于近岸的测站2无论是变化范围还是均值均小于测 站1和3，有效波高的变化范围为1.01〜1.48 m ，均值1.18 m ；对应的平均周期变化范围为3.12〜4.71 s，均值 为 3.98 s。
第1期冯曦，等：南黄海辐射沙洲近岸海域波浪特性研究65
表2针对有效波高大于1m的波浪参数的统计
Tab.2 Wave parameter ranges and m eans for H1/3^1m at each station
统计时间
观测站
蝙蝠侠前传2黑暗骑士在线观看
统计内容
统计内仓
123
有效波高变化范围 1.01〜2.10 1.01 〜1.48 1.00 〜1.97
6〜10月H1/3/m均值 1.40 1.19 1.22
(台风期）平均周期变化范围 3.59 〜6.33 3.41 〜4.61 3.07〜5.89
均值 5.18 3.97 4.43 11〜12月
有效波高变化范围 1.02 〜2.31 1.01〜1.63 1.00〜2.22及来年H1/3/m均值 1.44 1.18 1.31
1〜5月平均周期变化范围 4.15 〜6.30 3.12 〜4.71 3.14 〜5.81
(寒潮期）均值 5.21 3.99 4.52
有效波高变化范围 1.01 〜2.31 1.01〜1.63 1.00〜2.22全年
H1 3/m均值 1.42 1.18 1.29
平均周期变化范围 2.59 〜6.33 3.12 〜4.71 3.07〜5.89
均值 5.19 3.98 4.49各测站各个方向全年波浪以及好i/3^1m大波浪的出现频率，如图2所示。就所有统计范围内的波浪而言，测站1波向多从北方而来，发生频率最大的浪向为W NW，频率为20.1%，其次为N、NNE和N NW，频率分别为15.5%、12.61%和12.99%，也有少部分波波向为SWS和E，但所占频率皆不超过6%。而为处南翼的测站2、测站3的波向则与测站1相反。其中，测站2波向频率发生最高的为EES，频率为19.60%，其次为E，频率为18.77%，其余多从南或偏南方向而来，约占8%~10%左右。在靠外海的测站3，波向则更为复杂，频率最大的发生为SE，占11.5%，其次SE，频率为9.9%，另有从WNW向而来的波浪也较高频出现，占总量的9.7%。
对于有效波高大于1m的波浪，北翼海域测站1发生频率最大的大浪从正北N方向过来，发生频率占29.8%，其次是北偏西NNW方向，占16.8%；南翼海域的大浪方向则较之复杂，其中，在测站2则以偏东南向和西北向为主，最大频率发生浪向为S向，占20.8%，其次为SSW向，占14.0%，南翼冷加沙地区，即测站3发生频率最大为WNW向，频率占13%，其次是W、ESE向，各占11.3%和10.9%。
Fig. 2
SW SW
烯烃复分解
信息化建设图2全年各测站有效波高好1/3的波浪和大于1 m的波浪分布玫瑰图
Annual wave rose graph of wave directions for the whole sample，and the waves with significant wave height (H1/3) larger than 1.0 m at different stations
2.2有效波高的特性
针对波高的短周期分布特征，在这里主要探究了有效波高H^和最大波高的关系，如图3所示。可以看出辐射沙洲海域的H1/3和H m a x之间有很好的相关性，相关系数r为0.90以上。Lon guet-H igin s[21]提出H m a/H^的值在深水区为1.53，该比值在浅水区将变小;G oda[22]在直立式防波堤设计中提出的比值由于受
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海 洋 工 程第36卷
到波浪的折射的作用会变大而达到1.8，而这里的统计分析显示该比值各测站分别为1.68(测站1)、1.87(测 站2)和1.64(测站3)，较Longuet-Higgins 的推出的深水区的理论值偏大，与K u m a r 等[5]在印度北阿拉伯海沿 海观测到的比值较为接近。也就是说，在测站1和测站3波浪的时间序列较为稳定，而在测站2波高普遍较 小的情况下，确实偶尔有极端值的出现。
有效波高好m 。是工程设计中重要参数，理论上定义为4.0 %1/2。G o d a [23]通过分析现场数据发现对于深 水区域风浪为主的情形下这个比例为3.8，而不是窄带情况下的4.0。K u m a r 等[5]的计算发现这个比例为 3.72。图4展示了本文统计分析的各测站有效波高心3与零阶矩％的关系，好1/3与％1/2的比值分别为3.75 (测站1)、3.73(测站2)和3.77(测站3)。因为^3与r n 〇1/2的比值都略小于3.8，推测在这三个测站均存在波 浪浅水效应，而在测站2浅水效应尤为较显著，且最为接近K u m a r 等学者提出的比例系数。
0.8
x Measured
—Fitting://1/=3.75m〇,/2 —-LH(1952)://1/3=4.0^/2
1.8x Measured —Fitting://ir=3.52m〇l/2 --LH(1952)://1/3=4.0mf
:z ； 2.6x Measured
—Fitting://1/=3.77m〇,/2
—LH(1952)://1/3=4.0^/2，
少：
^ 1.5. 严 0.98 . 2.0—严0.99■
1.2
^1.4
0.90.8■ ^
0.25
0.40 0.55
m ^2(a)测站1世界温州人大会
0.25
0.35 0.45
m '〇/2(b)测站2
0.20
0.35 0.50
m]〇/2(c)测站3
0.65
贺知章
Fig. 4
图4
有效波高心3与零阶矩rn 。变化
Regression relation between the significant wave height H1/3and the zero momentum 肌。
图5为各测站有效波高H ^与最大能谱密度的相关关系。各测站分析得到关系式依次为E m a X =
0.92H 1/32。5、五m a ^O ^Hw 1.37和五m a ^O ^Hm2.41。由此可见，江苏辐射沙洲海域的外围水域（测站1和测站 3)最大能谱密度与有效波高的相关性较好(相关系数均在0.80以上），只是在拟合的系数上有一定的差异。
Hm /m
(c)测站3
(b)测站2
x Measured
Fitting:^ =0.88//
主1.6
^0.84
x Measured
x Measured
Fittmg:^ma=0.92//
Fittmg:i?0.
86
//
HJ m
图5
有效波高H ^与最大能谱密度的关系
Fig. 5 Regression relation between the maximum wave energy ^m a x and the significant wave height H1
/3
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