2019, Vol. 40
2. 中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
2. Physical Oceanography Laboratory of Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
海浪是表面重力波，表征海表重力波的主要波参数包括有效波高、平均波周期、平均波向等，这些波参数的长期变化特点称为波候[1-3]。多年平均和极端波候的研究对沿海和海洋工程来说至关重要，目前，全球波候变化的研究主要依据再分析资料、高度计卫星资料、浮标资料、海上调查船的现场观测资料等[4-9]。近年，由于数据的观测方法和研究手段不断进步，海洋事业得到了迅猛的发展。WW3和SWAN海浪模式对波浪较的好模拟能力，使其广泛应用于海浪的后报和预报[10]。再分析资料具有较高精度、时空分辨率和数据长度，常用于波候等问题的研究[11-15]。虽然模式和再分析数据对波浪长时间尺度的研究十分有利，但模拟结果仍需要实测数据的检验和验证[16-18]。
浮标数据和船舶观测数据的准确性高，早期，Carter等[19]和Draper等[20]利用走航资料和浮标数据，研究全球范围大洋的海表风速和有效波高的长期变化趋势，表明1962年后，英格兰西南岸的波高明显增加，增加率为0.034 m/a。Bouws等[21]收集并分析2万多张手绘波浪图，发现1960-1985年期间波浪没有明显的变化趋势。Munk等[22]在加利福尼亚陆架布放压力计的实验，观测印度洋的涌浪传播途径。Rangel-Buitrago等[23]使用27 a的浮标数据分析西班牙西南部沿岸冬季波侯的特点。然而，西北太平洋海域可利用的浮标数据相对较少，且浮标数据的空间分辨率较低，因此，船舶观测资料十分重要，目前现场数据的观测更加依赖科学考察船。波浪能是一种清洁的可再生能源，且在海洋中蕴藏丰富, 本文将使用东方红2号科考船获得的数据资料，分析秋季西北太平洋风场、混合浪、涌浪、风浪的特点，以及平均周期和波能密度的变化特征。并以ST0303站位为例，研究赤道海域波参数随时间的变化规律，分析赤道海域风浪和涌浪对浪场的作用。
1 数据获取方法及数据特征利用船舶观测风场和浪场资料，对研究海域的浪场特征进行分析。数据是跟随中国海洋大学东方红2号海洋综合调查船随船采集，使用美国EC150型自动气象站采集风速、风向等气象数据，自动气象站为连续观测，风场的时间分辨率为10 s，每个气象参数采集342 055个有效数据。使用X波段雷达观测波高、平均波向、平均波周期等波参数，并且可获得波浪的二维方向谱，X波段雷达为OceanWaveS GmbH的WinWaMoS-Version 3.14.0.0系统，每个波参数采集26 536个有效数据。
数据的时间范围是2017-11-01T22：58~2017-12-11T13：34，所观测的海区是西北太平洋，空间范围为0.998°S~28.228°N，126.863°E~161.992°E。观测方式为定点和走航相间进行，在观测的空间范围内，每遇到经度和纬度的整数值时定点观测，定点观测时间超过1.5 h。自动气象站和X波段雷达是连续观测，因此本文使用的数据为全时段数据，大大增加数据量，降低偶然性。
现场观测的数据最为真实准确，且该次观测空间覆盖范围大，时间超过40 d，该数据可弥补西北太平洋海域海浪数据的匮乏，对西北太平洋海域浪场的研究和波浪能资源的开发利用具有重要的意义。东方红2号科考船的基本航行轨迹为：在161.992 °E附近沿赤道向西航行，到达142.98 °E后开始向北航行，然后在21.98 °N附近开始沿西北方向向中国近海航行，同时采集气象和浪场相关参数数据，具体参见图 1(a)的风速空间分布图。
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| 图 1 西北太平洋11月风场 Fig. 1 Wind field in northwestern Pacific in November | |
使用美国EC150型自动气象站获取风速、风向、气温、湿度、气压等数据，图 1是风速风向分布图。从图 1(a)可以看出，风速的变化范围是0.01~21.6 m/s，统计时间内，风速的平均值为7.2 m/s。11月份赤道海域的风速较小，大部分小于7.0 m/s，约在6°N以北，风速开始变大，观测到的最大风速高达21.6 m/s。
按照风速的分级方法，11月份西北太平洋在观测空间范围内以4级风(风速为5.5~7.9 m/s)和5级风(风速为8.0~10.7 m/s)为主，分别占比29.3%和39.5%。其次是2级风(风速为1.6~3.3 m/s)、3级风(风速为3.4~5.4 m/s)和6级风(风速为10.8~13.8 m/s)，分别占比16.6%、24.5%和18.6%。大于13.9 m/s和小于1.5 m/s的风较少，其中，0级风(风速为0~0.2 m/s)占0.2%，1级风(风速为0.3~1.5 m/s)占4.0%。7级风(风速为13.9~17.1 m/s)占2.3%，8级风(风速为17.2~20.7 m/s)占0.2%，9级风(风速为20.8~24.4 m/s)仅占0.002%。
图 1(b)显示，受东亚冬季风的影响作用，11月份，在西北太平洋海域以东北风为主。风向是指风的来向，本次观测风向以ENE、NE和E为主，其中主风向ENE比例约为33.0%。
2.2 浪场分布X波段雷达可获得波高、波向、周期、海浪方向谱等信息，3 min形成一个数据文件。本文使用的风浪和涌浪数据直接从X波段雷达获取，通过波周期进行风涌浪的划分，大于9 s的波浪认为是涌浪，小于9 s的波浪认为是风浪。
图 2是基于X波段雷达实测数据的西北太平洋11月混合浪有效波高的空间分布和混合浪、涌浪、风浪波高-波向概率分布图，从图 2(a)可知，赤道和低纬度海域的波高较小，波高较大值主要分布在高纬度海域。混合浪、涌浪和风浪的波高变化范围分别为0.7~5.7、0.3~5.7和0.6~4.1 m，其中，本次观测得到的最大波高的范围是1.0~8.2 m，最大值位于24 °N附近。
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| 图 2 西北太平洋11月浪场分布图 Fig. 2 Wave field in northwestern Pacific in November | |
按照海况和波级的分类方法，观测海域以4级海况为主，占68.4%，对应波高为1.25~2.5 m，属于大浪；其次为5级海况，占24.6%，对应波高为2.5~4.0 m，属于巨浪；3级海况占6.2%，对应波高为0.5~1.25 m，属于中浪；6级海况较少，仅占0.9%，对应波高为4.0~6.0 m，属于狂浪。
波向是指波的来向，本次观测的平均波向以东北向为主。图 2(b)~(d)结果显示，混合浪的主浪向为NE，约占31.0%，其次为ENE、NNE和E向。涌浪的浪向较分散，以NNE、NE、E、ENE和N为主，其中主浪向NNE约占18.0%。风浪的方向也较分散，主浪向为NE向，约占17.0%，其次为E、NNE、ENE和N向。
2.3 涌浪指数11月份，西北太平洋海域的混合浪、涌浪和风浪的波高变化范围分别为0.7~5.7、0.3~5.7和0.6~4.1 m。统计时间内，对应的平均波高分别为2.1、1.5和1.1 m。由此可知，涌浪波高比风浪波高大，混合浪波高主要受涌浪影响，通过计算，混合浪波高和涌浪波高的相关系数为0.8，但是混合浪与风浪波高则呈很弱的负相关关系，相关系数为-0.1。为进一步探究涌浪和风浪对西北太平洋海域浪场的作用，本文计算了涌浪指数。涌浪指数是指涌浪能在混合浪能中所占的比例[24-25]。根据定义和观测数据，涌浪指数的计算结果见图 3。
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| 图 3 西北太平洋11月涌浪指数分布 Fig. 3 Distribution of the swell index in the northwestern Pacific in November | |
从涌浪指数的空间分布可以看出，在所观测的大部分海域，涌浪能量明显占优。11月份，北半球波浪系统加强，所观测海域的涌浪主要受北太平洋高纬度海域浪场的影响，如一年中受北太平洋西风带浪场的影响可达240~300 d[26]。但11月份，东亚季风逐渐加强，因此，在所观测区域的部分高纬度海域，风浪能量占优。此外，在东北信风带上，部分海域风浪能量占优。
由于赤道海域常年风速较小，风浪浪高相对较低，且赤道海域常年受南北半球涌浪的影响[27-28]，因此，赤道大部分海域属于涌浪能量占优。
2.4 波能分布波能主要取决于波高和周期2个波要素[29-30]，图 4是西北太平洋11月平均周期和波能密度空间分布图。结果显示，周期的变化范围是5.2~9.5 s，在统计时间内，平均周期约为7.2 s。将平均周期值按1 s间隔分成多个等级，周期为7~8 s的波浪概率最大，达到74.8%；其次是6~7 s，为21.7%；其他周期范围的波浪较少，周期为5~6、8~9和9~10 s的波浪分别仅占1.7%、1.9%和0.004%。
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| 图 4 西北太平洋11月混合浪平均周期和波能密度空间分布 Fig. 4 Distribution of mean wave period and wave energy density for mixed wave in the northwestern Pacific in November | |
计算波能密度为：
| $ {P_{\rm{w}}} = \frac{1}{2}H_{\rm{s}}^{\rm{2}}T $ | (1) |
式中：Pw是波能密度；Hs代表混合浪有效波高；T代表平均波周期。通过计算，得到波能密度的范围是1.3~143.1 kW/m，统计时间内，波能的平均值为18.0 kW/m。在波浪能资源的开发与利用中, 通常认为波浪能密度大于2 kW/m时为可利用能源, 而波浪能密度大于20 kW/m时认为波能资源富集[31]。对西北太平洋海域11月份波浪能密度大于2 kW/m和大于20 kW/m出现的频率进行了统计，图 4(b)结果显示，西北太平洋海域11月份波能十分丰富，99.4%的观测结果波浪能密度大于2 kW/m，31.62%的数据结果大于20 kW/m。12°N以南的海域波浪能相对较低，主要集中在20 kW/m以下，而波浪能富集的海域主要分布在12°N~25°N，最大波能位于24°N附近海域。
3 赤道海域波浪历时特点 3.1 风速历时图 3的结果显示，赤道海域的涌浪指数相对较高，以ST0303站位(000°0.089’ S，159°9.938’ E)为例，分析赤道海域的波浪随时间的变化特点。本次观测为定点观测，观测时段为2017-11-02T15:40~17:25，共105 min，630个数据。图 5(a)为风速历时曲线，从结果可以看出，赤道海域ST0303站位的风速随时间变化较小，风速主要在2.2~3.9 m/s，为2级风和3级风，以2级风为主，占79.1%。图 5(b)结果显示，风向主要分布在38°~88°，以ENE方向为主，约占53.0%，其次为NE方向。
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| 图 5 西北太平洋11月2日ST0303站位风场特点 Fig. 5 Characteristics of wind field at station ST0303 in November 2 in the northwestern Pacific | |
波高的观测时段为2017-11-02T15:40~17:25，共105 min，48个数据。图 6是ST0303站位波高随时间变化特点和波高-波向的联合概率分布。图 6(a)可以看出，最大波高、混合浪波高、涌浪波高和风浪波高的变化范围分别为1.4~6.0、1.0~4.1、0.6~4.1和0~2.1 m，在观测时间范围内，对应的平均波高分别为3.3、2.3、2.1、和0.5 m。按照海况和波级的分类方法，ST0303站位以5级海况为主，占39.6%，属于巨浪；其次为4级海况，占33.3%，属于大浪；3级海况占20.8%，属于中浪；6级海况仅占6.3%，属于狂浪。
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| 图 6 西北太平洋11月2日ST0303站位浪场特点 Fig. 6 Characteristics of wave field at station ST0303 in November 2 in the northwestern Pacific | |
最大波高、混合浪波高和涌浪波高随时间变化具有相似的趋势，混合浪波高和最大波高、涌浪波高、风浪波高的相关系数分别为0.99、0.99和-0.55。与图 5(a)对比可知，只有风浪波高的变化趋势依赖于风速，混合浪波高和涌浪波高相近。
赤道海域的主风向为ENE，与风向相比，混合浪浪向更为集中，主波向为NNE方向，约占92.0%。涌浪的主浪向为NNE向，约占55.0%，其次为N向，约占41.0%。混合浪主浪向与主风向具有很大的偏差，但是与涌浪的主浪向一致。因此，不管是波高随时间的变化趋势，还是波向的概率分布，均说明赤道海域浪场特点主要取决于涌浪场。
3.3 周期、波能历时图 7是ST0303站位平均周期和波能密度随时间变化特点，周期的变化范围较小，为6.5~8.5 s，在统计时间内，ST0303站位水域的平均周期约为7.5 s。将平均周期按1 s间隔分成多个等级，周期为7~8 s的波浪概率最大，达到41.7%；其次是6~7 s和8~9 s这2个等级，均为29.2%。
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| 图 7 西北太平洋11月2日ST0303站位混合浪平均周期和波能密度时间序列 Fig. 7 Time series of mean wave period and wave energy density for mixed wave at station ST0303 in November 2 in the northwestern Pacific | |
通过计算得到波能密度的变化范围是3.2~69.9 kW/m，在统计时间内，ST0303站位波能密度的平均值为25.3 kW/m。波能密度的历时曲线中，虚线值分别为2 kW/m和20 kW/m，100%的观测结果波浪能密度大于2 kW/m，其中，47.9%的数据结果大于20 kW/m。
图 8是ST0303站位11-02T15:40~17:20期间海浪二维方向谱随时间变化特点。从结果可以看出，海浪较稳定，能量较集中，海浪频率集中在0.06~0.13 Hz，主方向为NNE。在观测的时间段内，出现了能量的分散和聚合，15:58开始出现频散，主要是由于方向的分散引起的，16:26波浪向各个方向传播，之后开始逐渐聚合，17:02后，海浪频率和方向又达到稳定的状态。
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| 图 8 西北太平洋11月2日ST0303站位二维方向谱随时间变化特点 Fig. 8 Characteristics of two-dimensional wave spectrum at station ST0303 in November 2 in the northwestern Pacific | |
1) 通过现场观测获得11月份西北太平洋海域波浪分布特点，结果显示，所观测海域的平均风速为7.2 m/s，风向以ENE为主。混合浪、涌浪和风浪波高的平均值分别为2.1、1.5和1.2 m，波向以东北向为主。平均周期和波能密度分别为7.2 s和18.0 kW/m。最大风速高达21.6 m/s，最大波高为8.2 m，对应波能为143.1 kW/m，位于24 °N附近。
2) ST0303站风速为2.2~3.9 m/s，混合浪、涌浪和风浪波高的平均值分别为2.3、2.1和0.5 m。周期和波能的变化范围分别为6.5~8.5 s和3.17~69.93 kW/m，海浪频率集中在0.06~0.13 Hz。
3) ST0303站位混合浪和涌浪、风浪波高变化的相关系数分别为0.99和-0.55。且风向以ENE向为主，混合浪以NNE向为主，均说明赤道海域浪场特点主要取决于涌浪场。
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