楊樹剛，劉鵬飛，馬 追，王付坤，周同弟

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

馬跡山島位于浙江省舟山群島北部、杭州灣外海域，舟山市嵊泗縣嵊泗本島西南，東臨外海，西南側(cè)與洋山島隔水道相望，南側(cè)為岱衢洋、相隔約20 km為黃澤洋和衢山島，東側(cè)相隔約31 km為嵊山島。馬跡山島南側(cè)、西側(cè)水域開闊，深水貼岸，具備建設(shè)大型泊位的水深條件。目前馬跡山島南側(cè)岸段自東向西建設(shè)有寶鋼一/二期卸船、一/二期裝船泊位，同時(shí)馬跡山島的西南側(cè)擬建1個(gè)礦石中轉(zhuǎn)碼頭。

波浪是一種重要的海洋動(dòng)力因素，波浪要素的觀測和分析對(duì)港口碼頭設(shè)計(jì)、航道建設(shè)、圍墾工程都尤為重要[1-3]。受有限水深的限制，近海淺水區(qū)波浪會(huì)發(fā)生折射、繞射等效應(yīng)[4]，從而導(dǎo)致波浪傳播方向發(fā)生改變、波高增大、波浪破碎等一系列現(xiàn)象[5-6]，故近海海域波浪具有一定的局地性和復(fù)雜性，單純使用數(shù)模、物模方法很難保證波浪預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，因此實(shí)測波浪數(shù)據(jù)對(duì)近岸波浪研究必不可少[7]。

本文利用2020年4月—2021年3月馬跡山海域一整年的風(fēng)和波浪觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析該海域波浪的季節(jié)變化特征，并分析不同季節(jié)風(fēng)對(duì)波浪的影響，為港口和航道建設(shè)提供必要的參考資料。

1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于擬建馬跡山礦石中轉(zhuǎn)碼頭前沿海域拋設(shè)的1個(gè)錨定式測波站(W1)以及附近開闊區(qū)域長期氣象站(W)，風(fēng)和波浪觀測站位置見圖1，其中W1測站水深25 m，W氣象站四周無遮擋。波浪觀測儀采用挪威Nortek公司生產(chǎn)的AWAC浪龍波浪觀測儀，波高和波向分辨率分別為0.01 m和1.5°，采樣頻率為1 Hz，每次采樣數(shù)1 024個(gè)，儀器每1 h給出一次統(tǒng)計(jì)特征值，觀測要素包含最大波高及其周期、有效波高及其周期、平均波高及其周期、波數(shù)及波向等。氣象觀測儀采用DZZ3新型自動(dòng)氣象站，風(fēng)速、風(fēng)向觀測時(shí)間分辨率為1 min，統(tǒng)計(jì)要素包含2和10 min平均風(fēng)速風(fēng)向、10 min最大風(fēng)速風(fēng)向和瞬時(shí)極大風(fēng)速風(fēng)向等。觀測時(shí)間為2020-04-01T00:00—2021-03-31T23:00，共一整年，觀測期間海域無臺(tái)風(fēng)直接經(jīng)過，有一次較強(qiáng)的寒潮發(fā)生(2020-12-28—2020-12-31)。由于受漁民生產(chǎn)活動(dòng)的影響，儀器于2020-06-03—2020-06-18、2020-09-01—2020-09-14、2020-01-19—2020-01-27被漁船拖動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，整體而言，觀測數(shù)據(jù)完整性良好，春夏秋冬四季數(shù)據(jù)獲取率分別為100%、78%、84%和90%，能夠反映真實(shí)波浪變化規(guī)律。本文采用整點(diǎn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)對(duì)波浪、風(fēng)的季節(jié)變化規(guī)律開展相關(guān)研究，文中風(fēng)速數(shù)據(jù)為海平面10 m風(fēng)速數(shù)據(jù)，平均速度與最大速度分別為10 min平均風(fēng)速與10 min最大風(fēng)速。

注：W氣象站(30°40′47.49″N，122°24′55.87″E)；W1波浪站(30°41′4.78″N，122°23′44.84″E)。

2 波浪的統(tǒng)計(jì)特征和季節(jié)變化

波要素特征值分布見表1。觀測年內(nèi)最大波高為4.59 m，出現(xiàn)在2020-12-30，此時(shí)正發(fā)生寒潮，最大波高時(shí)刻對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為21.5 m/s，風(fēng)向321°。平均波高在0.20～0.42 m，其中6月份最小、12月份最大。各月份平均波周期相差不大，在2.66～3.01 s，其中10月份最小、12月份最大；最大波周期為9.50 s，對(duì)應(yīng)最大波高3.03 m、最大風(fēng)速17.3 m/s。

表1 波要素特征值月分布

為更好地了解波浪的季節(jié)變化特征，本文規(guī)定3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—次年2月為冬季，并將波要素按四季統(tǒng)計(jì)，并對(duì)各向出現(xiàn)的頻率進(jìn)行計(jì)算，得到16個(gè)波向的季節(jié)分布以及四季與全年的強(qiáng)浪向、常浪向，分別見表2、3。

表2 波向季節(jié)分布

表3 全年及四季強(qiáng)浪向、常浪向

馬跡山海域全年常浪向?yàn)镹NW向，頻率為15.4%，其次為NW和S向，頻率為12.9%、12.3%；常浪向的季節(jié)變化規(guī)律為：春、夏季常浪向?yàn)镾向，頻率各占14.5%、21.8%，秋、冬季常浪向均為NNW向，頻率各占20.7%、23.1%。馬跡山海域全年強(qiáng)浪向?yàn)閃NW向，實(shí)測最大波高為4.59 m，次強(qiáng)浪向?yàn)镹NW，實(shí)測最大波高為3.62 m；強(qiáng)浪向的季節(jié)變化規(guī)律為春、秋、冬季強(qiáng)浪向均為偏N向，分別為N、NNW、WNW向，最大波高分別為3.11、2.42和4.59 m，夏季強(qiáng)浪向出現(xiàn)在S向，最大波高為2.11 m。綜上所述，觀測海域全年以偏N向浪居多，以NW向浪最大，最大浪發(fā)生在冬季，可高達(dá)4.59 m。根據(jù)實(shí)測波浪數(shù)據(jù)繪制的平均波高、波向玫瑰圖見圖2。

圖2 平均波高、波向玫瑰圖

可以發(fā)現(xiàn)：春季波向較為分散，夏、秋、冬季波向較為集中，夏季大多為偏S向浪，秋冬季多為偏N向浪，秋冬季節(jié)大浪多發(fā)生在NW向，夏季大浪多發(fā)生在SW向。全年的平均波高、波向聯(lián)合概率密度分布和全年平均波高周期聯(lián)合概率密度分布見圖3，四季的平均波高波向聯(lián)合概率密度見圖4。

圖3 全年平均概率密度

圖4 四季平均概率密度分布變化

觀測海域波浪根據(jù)波向可分為兩種，波向在170°～210°集中分布的夏季浪和320°～360°的冬季浪，冬季浪平均波高相對(duì)較大。全年平均波高在0.2～0.4 m，平均周期在2.5～4.5 s范圍內(nèi)的波浪最為常見。

3 風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特征和季節(jié)變化

將平均風(fēng)速、最大風(fēng)速按四季統(tǒng)計(jì)，并對(duì)各向出現(xiàn)的頻率進(jìn)行計(jì)算，得到了16個(gè)方向的風(fēng)向季節(jié)分布以及四季與全年的強(qiáng)風(fēng)向、常風(fēng)向，見表4、5。

表4 風(fēng)向季節(jié)分布

表5 全年及四季強(qiáng)風(fēng)向、常風(fēng)向

馬跡山海域全年常風(fēng)向?yàn)镹NW向，頻率為14.5%，其次為SSW、S向，頻率為13.1%、12.5%；常風(fēng)向的季節(jié)變化規(guī)律為：春、夏季常風(fēng)向分別為S、SSW向，頻率各占14.2%、27.2%，秋、冬季常風(fēng)向均為NNW向，頻率各占19.7%、23.5%。馬跡山海域全年強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW向，實(shí)測最大風(fēng)速為29.4 m/s，次強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹W向，實(shí)測最大風(fēng)速為28.9 m/s；強(qiáng)風(fēng)向的季節(jié)變化規(guī)律為秋、冬季強(qiáng)風(fēng)向均為偏N向，分別為NW、NNW向，春、夏季強(qiáng)風(fēng)向分別出現(xiàn)在W、S向。綜上所述，觀測海域全年以偏N向風(fēng)居多，最大風(fēng)發(fā)生在冬季，最大風(fēng)速可高達(dá)29.4 m/s。根據(jù)實(shí)測小時(shí)氣象數(shù)據(jù)繪制的平均風(fēng)速、風(fēng)向玫瑰圖見圖5。

圖5 四季平均風(fēng)速、風(fēng)向玫瑰圖

4 風(fēng)與波浪的關(guān)系

馬跡山海域風(fēng)速與波高、風(fēng)向與波向有很大的相似性。為此本文繪制四季平均風(fēng)速與平均波高日平均時(shí)間序列、最大風(fēng)速與最大波高的日平均時(shí)間序列分別見圖6、7。

圖6 平均波高與平均風(fēng)速時(shí)間序列

圖7 最大波高與最大風(fēng)速時(shí)間序列

風(fēng)速與波高規(guī)律具有一致性，在日平均的時(shí)間尺度下相位差基本為0，此規(guī)律在秋、冬季尤為明顯。平均波高-平均風(fēng)速散點(diǎn)圖、最大波高-最大風(fēng)速散點(diǎn)圖分別見圖8、9，并計(jì)算出四季兩者的相關(guān)系數(shù)見表6。

圖8 平均波高-平均風(fēng)速散點(diǎn)圖

圖9 最大波高-最大風(fēng)速散點(diǎn)圖

表6 風(fēng)速-波高相關(guān)系數(shù)

由圖8、9可看出，春夏兩季波高與風(fēng)速的線性相關(guān)性一般，秋、冬季兩者的線性關(guān)系明顯。秋冬季平均波高、平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.95，置信度超過99%，最大波高、最大風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.88、0.82，置信度超過99%。

分析認(rèn)為：春、夏季東南風(fēng)多發(fā)(圖5)，馬跡山工程海域東南側(cè)有陸地遮擋，風(fēng)對(duì)波浪的影響減弱；冬季盛行北風(fēng)、西北風(fēng)，風(fēng)從海洋吹向陸地，此時(shí)波向和風(fēng)向基本一致，波高與風(fēng)速呈線性相關(guān)。

5 結(jié)論

1)馬跡山海域波浪類型為以風(fēng)浪為主的混合浪。最大波高為4.59 m，出現(xiàn)在12月；平均波高在0.20～0.42 m，6月份最小、12月份最大。平均波周期在2.66～3.01 s，10月份最小、12月份最大，最大波周期為9.50 s。全年平均波高集中分布在0.2～0.4 m、平均周期2.5～4.5 s。

2)馬跡山海域波浪可根據(jù)波向分為兩種：波向在170°～210°集中分布的夏季浪和320°～360°集中分布的冬季浪。全年常浪向?yàn)镹NW向，強(qiáng)浪向?yàn)閃NW向，春季波向較為分散，夏、秋、冬季波向較為集中，夏季大多為偏S向浪，秋、冬季多為偏N向浪，秋、冬季大浪多發(fā)生在偏N向，夏季大浪多發(fā)生在偏S向。

3)馬跡山海域全年常風(fēng)向?yàn)?NNW向，最大風(fēng)發(fā)生在冬季，最大風(fēng)速可高達(dá)29.4 m/s。春、夏季常風(fēng)向分別為S、SSW向，秋、冬季常風(fēng)向均為 NNW 向，馬跡山海域全年強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW向，強(qiáng)風(fēng)向的季節(jié)變化規(guī)律為秋、冬季強(qiáng)風(fēng)向均為偏 N 向，分別為NW、NNW向，春夏季強(qiáng)風(fēng)向分別出現(xiàn)在W、S向。

4)馬跡山海域春、夏季波高與風(fēng)速的相關(guān)性一般，秋、冬季兩者的線性關(guān)系極為明顯，秋冬季平均波高平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.95；秋、冬季最大波高最大風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.88、0.82。

5)根據(jù)本文中提出的秋、冬季波高與風(fēng)速的線性關(guān)系，利用天氣預(yù)報(bào)的風(fēng)速資料可預(yù)測馬跡山碼頭附近海域的波高情況。