臺風(fēng)影響下西沙海域與島礁內(nèi)外的波浪分布特征

臺風(fēng)影響下西沙海域與島礁內(nèi)外的波浪分布特征梁海萍;馮偉忠;梁海燕;石軍【摘要】通過利用1991-2018年西沙海洋站波浪觀測資料與SWAN模式反演計(jì)算結(jié)果,初步探究不同路徑熱帶氣旋影響下西沙海域、西沙礁盤與島嶼波浪掩護(hù)區(qū)海域的波浪分布特征?結(jié)果表明:西北型路徑是影響西沙群島的TC最大可能路徑，通常以臺風(fēng)強(qiáng)度居多,波高以大到巨浪級別為主;西行型路徑是影響西沙群島的TC第二可能路徑，通常以強(qiáng)臺風(fēng)居多，巨浪為主，海況極差；TC影響下各島嶼波浪掩護(hù)區(qū)波高基本大于2.0m,甚至接近5.0m,礁盤內(nèi)波高基本在1.0m以下?本研究結(jié)果為西沙海域漁船避風(fēng)與海洋防災(zāi)減災(zāi)工作提供基礎(chǔ)性參考.期刊名稱】《海洋預(yù)報(bào)》年(卷),期】2019(036)004【總頁數(shù)】7頁(P28-34)【關(guān)鍵詞】西沙；熱帶氣旋；波浪；不同路徑；分布特征【作者】梁海萍；馮偉忠；梁海燕；石軍【作者單位】國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站,海南海口570100；中國海洋大學(xué),山東青島2661002；國家海洋局南海預(yù)報(bào)中心,廣東廣州510000；國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站,海南?？?70100；國家海洋局海口海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,海南?？?70100【正文語種】中文中圖分類】P731.22引言西沙群島是連接太平洋與印度洋的重要通道，戰(zhàn)略位置極為重要。西沙海域有著名的西沙漁場，同時(shí)又是南下南海船只的避風(fēng)、補(bǔ)給基地。西沙群島易受熱帶氣旋(TropicalCyclone,TC)侵襲，每年受影響個(gè)數(shù)約3—4個(gè)，由于西沙群島遠(yuǎn)離大陸，避風(fēng)、補(bǔ)給基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)未滿足要求，利用天然島嶼淺灘避風(fēng)是目前的主要途徑。西沙海域特殊地理位置導(dǎo)致人們長期對西沙海域波浪分布特征缺乏全面認(rèn)識。即便2008年以來，海南省安全管理部門相繼投入大量財(cái)力物力，利用全球定位系統(tǒng)、AIS(船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)，AutomaticIdentificationSystem)基站、短波通信基站、手機(jī)等實(shí)現(xiàn)船舶位置動(dòng)態(tài)監(jiān)控，建成了全省的漁船安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)，但在獲知TC惡劣海洋環(huán)境預(yù)警信息條件下如何在廣闊的西沙海域就近選擇地點(diǎn)避險(xiǎn)，仍然是當(dāng)前面臨的難題。海浪特征分析的實(shí)際應(yīng)用比較廣泛，劉桂海等［1］利用長期波浪觀測資料，尋求合適的海岸工程波浪要素長期統(tǒng)計(jì)分布概率模式；楊憲章［2］通過對波浪和系泊船舶運(yùn)動(dòng)的研究和分析，對毛里塔尼亞友誼港修建港口碼頭提出看法與意見；耿寶磊等［3］收集了2012年13號TC“啟德”和23號TC“山神”發(fā)生期間的波浪數(shù)據(jù)，并結(jié)合波浪方向譜和頻譜的變化，分析出了瓊州海峽海域在TC發(fā)生期間的波浪特征，同時(shí)也對風(fēng)浪和涌浪的特征進(jìn)行了判別；丁千龍等［4］根據(jù)西沙海洋站實(shí)測波浪及風(fēng)要素資料，對西沙海區(qū)波浪分布特征進(jìn)行了分析，通過多元回歸計(jì)算，得出波要素的預(yù)報(bào)方程，后報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果良好；楊永增等［5］運(yùn)用MASNUM(KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling)海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)里的全球10a后報(bào)數(shù)據(jù)庫資料，對北印度洋區(qū)域波浪分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)了夏季的波浪高于冬季，在空間分布上，西部風(fēng)、浪比東部大；楊永增等［6］建立了球坐標(biāo)系下的全球海浪數(shù)值模式，重點(diǎn)導(dǎo)出了球坐標(biāo)系下的海浪能量譜平衡方程及其復(fù)雜特征線方程；韓淑宗等［7］運(yùn)用SWAN模式(SimulatingWavesNearshore，近岸海浪數(shù)值計(jì)算模式)計(jì)算出有效波高，采用實(shí)測資料驗(yàn)證，通過模式計(jì)算的結(jié)果分析出東中國海海域的臺風(fēng)浪有效波高分布特征；劉永玲等［8-11］參考國外學(xué)者對風(fēng)暴潮模式與波浪之間的相關(guān)關(guān)系及相關(guān)作用，建立了考慮海浪因素的三維風(fēng)暴潮模式［12］。船只避風(fēng)方面的研究比較缺乏，丁慧彥等［13］通過比較不同種類船只的不同避風(fēng)方式，設(shè)計(jì)出可以給出船只回港優(yōu)化方案的模型，可有效指導(dǎo)船只安全回港；王傳聰?shù)龋?4］從避風(fēng)錨地的底質(zhì)、防波堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與錨泊方式等3個(gè)方面分別討論了避風(fēng)型漁港的避風(fēng)因素，為建設(shè)避風(fēng)型漁港與災(zāi)害決策提供了科學(xué)依據(jù)，目前關(guān)于西沙海域波浪分布特征的研究較少，大多數(shù)學(xué)者只停留在研究大范圍波浪分布，未細(xì)化到礁盤與島嶼波浪掩護(hù)區(qū)，而關(guān)于西沙海域漁船避風(fēng)方面尚未有相關(guān)研究，本研究探討不同路徑熱帶氣旋影響下西沙海域、礁盤與島嶼波浪掩護(hù)區(qū)的波浪分布特征，旨在為西沙海域漁船避風(fēng)與海洋防災(zāi)減災(zāi)工作提供基礎(chǔ)性參考。資料來源本研究使用的資料來自于國家海洋局西沙海洋站(16°8'N,112°3'E)的實(shí)測波高、風(fēng)等，統(tǒng)計(jì)選取資料時(shí)間為1991—2018年。定義在TC活動(dòng)期間監(jiān)測到7級及7級以上風(fēng)速過程稱為受TC影響過程。年鑒資料上將西北太平洋TC共分成13種路徑，結(jié)合實(shí)際情況，本研究在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過適當(dāng)歸并，將對影響西沙群島的TC路徑分為以下6種，各類路徑定義［15］如下：西行型：TC移動(dòng)的全過程中，平均移向大致在250。~289。之間。西北型：TC移動(dòng)的全過程中，平均移向大致在290。~339。之間。右折型：TC移動(dòng)路徑中至少有一個(gè)折向點(diǎn)，并且前后12h平均移向相比較，右折角度＞45°O左折型：TC移動(dòng)路徑中至少有一個(gè)折向點(diǎn)，并且前后12h平均移向相比較，左折角度＞30°。偏北型：TC移動(dòng)的全過程中，平均移向是在340。~20。之間?；匦停篢C移動(dòng)路徑變幻多端，擺動(dòng)、打轉(zhuǎn)或停滯少動(dòng)，無法判定。1991—2018年期間影響西沙群島的TC過程共計(jì)89次［16］，其中西北型路徑占的比率最大，占比為43.8%，其次為西行型路徑，占比為22.5%（見表1）。由于其他路徑TC樣本空間少，此處不做研究。結(jié)果與討論3.1不同路徑TC波浪分布特征西北型路徑1991—2018年期間影響西沙群島的西北型TC數(shù)量為39個(gè)，占比約為43.8%（見表1），其中熱帶風(fēng)暴占10.3%，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴占25.6%，臺風(fēng)占30.8%，強(qiáng)臺風(fēng)占25.6%，超強(qiáng)臺風(fēng)所占比率最小，為7.7%，其統(tǒng)計(jì)如表2所示?；谖魃澈Ｑ笳緦?shí)測波高條件，圖1表明1991—2018年期間影響西沙群島的西北型TC波高分布主要集中在2.5~3.9m之間，占比為41%;其次是4.0~5.9m之間，占比為28%;2.5m以下波高占比為18%;波高在6.0~8.9m之間占比為13%。從表3可以看出：同一次TC過程中最大波高發(fā)生在最大風(fēng)速之前的占比為12.8%,發(fā)生在最大風(fēng)速之后的占比為61.5%，發(fā)生在最大風(fēng)速發(fā)生時(shí)的占比為25.7%，由此可見，在西北型TC過程中，最大波高一般出現(xiàn)在最大風(fēng)速之后，所以要注意提防大風(fēng)過后的大浪災(zāi)害。西行型路經(jīng)1991—2018年期間影響西沙群島的西行型TC數(shù)量為20個(gè)，占總數(shù)的22.5%,其中強(qiáng)臺風(fēng)所占比最高，為30%;其次為熱帶風(fēng)暴與強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，占比均為20%，超強(qiáng)臺風(fēng)與臺風(fēng)占比均為15%（見表4）。基于西沙海洋站實(shí)測波高條件，從圖1可以看出，1991—2018年期間影響西沙群島的TC波高分布主要集中在4.0~5.9m之間，占比為40%;其次是2.5~3.9m之間，占比為35%;2.5m以下波高占比為20%;波高分布在6.0~8.9m之間占比較小，僅為5%。從表5可以看出，同一次TC過程中最大波高發(fā)生在最大風(fēng)速之前的占比為25%，發(fā)生在最大風(fēng)速之后的占比為60%，發(fā)生在最大風(fēng)速發(fā)生時(shí)的占比為15%。由此可見，在西行型TC過程中，最大波高一般出現(xiàn)在最大風(fēng)速之后，所以要注意提防大風(fēng)過后的大浪災(zāi)害。表11991—2018西沙群島的TC路徑分布路徑西行型西北型右折型左折型偏北型回旋型編號占比/%93239508952196129718001600110123040505180615061608160916100211191321 1325 1519 1723 22.47910391069111920492059207930394199515 9520 9606 9713 9803990301030307032014151621170443.820602 0606 0623 0814 0817100310051108111712231306130913101311 1330 0516 0521 14091719931895169810060106215.62931294249621991503080312071511181329172411.25950696109710080115085.62940394229511951496189902021405080917180411.25圖1各類路徑TCH1/10波高分布表21991—2018年西北型TC各等級強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)TC強(qiáng)度等級熱帶風(fēng)暴強(qiáng)熱帶風(fēng)暴臺風(fēng)強(qiáng)臺風(fēng)超強(qiáng)臺風(fēng)37.69TC數(shù)量/個(gè)占比/%410.261025.641230.801025.64表31991—2018年西北型路徑最大波高與最大風(fēng)速關(guān)系統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)時(shí)間最大風(fēng)速之前最大風(fēng)速之后最大風(fēng)、浪同時(shí)出現(xiàn)TC數(shù)量/個(gè)占比/%512.822461.541025.65表41991—2018年西行型TC各等級強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)TC強(qiáng)度等級TC數(shù)量/個(gè)占比/%熱帶風(fēng)暴420強(qiáng)熱帶風(fēng)暴420臺風(fēng)315強(qiáng)臺風(fēng)630超強(qiáng)臺風(fēng)315表51991—2018年西行型路徑最大波高與最大風(fēng)速關(guān)系統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)時(shí)間TC數(shù)量/個(gè)占比/%最大風(fēng)速之前525最大風(fēng)速之后1260最大風(fēng)、浪同時(shí)出現(xiàn)315島礁內(nèi)外波浪特征西沙海洋站波浪觀測資料多為一天4次，且未能較好代表西沙礁盤與島嶼波浪掩護(hù)區(qū)狀況，為更全面、具體了解西沙波浪分布特征，本研究采用SWAN波浪模式做進(jìn)一步研究。3.2.1SWAN模式介紹主要對特定波浪條件下西沙海域中環(huán)礁與島嶼附近海域波浪進(jìn)行研究，主要考慮地形對波浪的影響。采用基于能量平衡方程，適用于近岸、河口、海灣、湖泊的SWAN模式對研究區(qū)域進(jìn)行了模擬。SWAN41.01版模式考慮了波浪的淺變、折射、底摩擦、破碎、白帽、風(fēng)能輸入、三波相互作用和四波相互非線性效應(yīng)，因而具有以下4個(gè)方面的功能［17］：（1）適用于海岸、河口水域風(fēng)浪、涌浪及混合浪的預(yù)報(bào)，在直角坐標(biāo)和球坐標(biāo)下以矩形網(wǎng)格進(jìn)行嵌套計(jì)算、以曲線網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，適用于大、中、小水域；（2）模擬水底地形和流場的變化引起的波浪折射、淺化，逆流時(shí)波浪的反射和破碎，波浪遇到障礙物的透射及阻礙，波浪增水；（3）能預(yù)報(bào)計(jì)算域內(nèi)波高、波周期、波長、波陡、波浪行進(jìn)方向、近底水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度、波能傳播方向、能量耗散、單位水面所受波力等海岸工程所需的重要參數(shù)。SWAN模式的基本控制方程為動(dòng)譜能量平衡方程：3.2.1模式推算范圍本研究利用SWAN模式兩重嵌套方法研究西沙海域TC過程波浪，南海區(qū)域?yàn)椋?9°~129.5°E,2.0°~30.75°N,空間分辨率為1/20°:西沙海域范圍為：111.35°~112.85°E,15.75°~17.25°N(見圖2),空間分辨率為1/400。。南海區(qū)域SWAN模式推算結(jié)果為西沙海域模式提供嵌套的波譜邊界條件，風(fēng)場為WRF模式提供的逐時(shí)風(fēng)場。波浪所需要的地形數(shù)據(jù)分別取自ETOPO1與海圖融合，西沙海域由航保部海圖(17100,1:25000)讀取，限于西沙詳細(xì)地形水深難以獲得，環(huán)礁內(nèi)與邊緣水深概化處理，環(huán)礁中部水深取4.0~10.0m，環(huán)礁邊緣水深取0.5m。在西沙群島已經(jīng)形成環(huán)礁的礁盤中、或島嶼波浪掩護(hù)區(qū)選取9個(gè)代表點(diǎn)，研究不同波向,不同波級條件下各島礁的波浪條件。SWAN模式采用SWAN41.01版，風(fēng)能輸入和白帽耗散項(xiàng)采用Komen參數(shù)化方案、底摩擦采用Hasselmann的JONSWAP實(shí)驗(yàn)常數(shù)理論，考慮Hasselmann四波相互和三相波相互作用，波浪破碎能量耗散采用Battjes和Janssen的borebased模式。利用1321號臺風(fēng)“蝴蝶”和0518號臺風(fēng)“達(dá)維”在西沙海洋站的波浪觀測資料與模式結(jié)果進(jìn)行比對,模式計(jì)算結(jié)果絕對平均誤差小于30%,因此可作為研究西沙海域的基礎(chǔ)資料。圖2小區(qū)推算范圍和島礁代表點(diǎn)3.2.3模式計(jì)算結(jié)果TC影響下西沙海域波浪方向隨TC風(fēng)向改變，本研究按TC期西沙海域各代表點(diǎn)累年各向波浪分布頻率將主要波浪方向確定為NE、S、E、N、W5個(gè)方向，每個(gè)方向設(shè)定兩種情景，其中Hs是按照3.1節(jié)中西北型及西行型路徑均在2.5~3.9m與4.0~5.9m波高范圍出現(xiàn)頻率最高結(jié)論確定，每個(gè)波高范圍取平均值，分別確定為3.0m、5.0m，以研究10種情景下礁盤與島嶼的波浪特征，其中H1/10=1.18Hs轉(zhuǎn)換。各情景小區(qū)邊界條件設(shè)置見表6,計(jì)算結(jié)果見表7。表7表明，在NE方向波浪作用下，無論情景1還是情景2，礁盤內(nèi)H1/10都小于1.0m，其中北礁、羚羊礁、盤石嶼海況好，島嶼波浪掩護(hù)區(qū)內(nèi)H1/10都大于1.0m，情景2時(shí)深航島口門H1/10有2.45m，永興島西南區(qū)域H1/10高達(dá)2.76m；S波浪方向影響下，礁盤內(nèi)與島嶼波浪掩護(hù)區(qū)的H1/10都比NE向波浪高，其中七連嶼西南區(qū)域與永興島西南區(qū)域波浪較大，情景4時(shí)永興島西南區(qū)域波浪高達(dá)3.32m；在E或N方向波浪作用下，除了情景6時(shí)華光礁H1/10略大于1.0m外，其他的礁盤內(nèi)H1/10都小于1.0m，海況較好，E方向波浪作用時(shí)各島嶼掩護(hù)區(qū)H1/10相差小于0.5m，而N方向波浪作用時(shí)七連嶼西南區(qū)域H1/10明顯小于其他兩個(gè)島嶼波浪掩護(hù)區(qū)；在W方向的情景10中，除了羚羊礁、玉琢礁與琛航島口門外，礁盤內(nèi)與島嶼掩護(hù)區(qū)H1/10相對其他海況都明顯偏高，其中永興島西南向高達(dá)4.7m，位居第一。表6各情景小區(qū)邊界條件情景波浪方向Hs/mTz/s風(fēng)速/(m/s)NENE12345678910SSEENNWW35353535356.98.96.98.96.98.96.98.96.98.912161216121612161216西沙波浪分布特征成因分析TC大多數(shù)發(fā)生在南、北緯度的5。~20。，其中10。~20。居多［18］。影響到西沙群島的TC基本都是在菲律賓以東洋面生成后進(jìn)入南海的，少部分TC是在南海內(nèi)形成。西沙群島位于南海的西北部海域，所以主要受西北行路徑與西行型路徑影響。圖3顯示臺風(fēng)主要分布在7—10月份，強(qiáng)臺風(fēng)主要分布在9—11月份；圖4顯示西北型路徑主要分布在7—8月份，西行型路徑主要分布在8、9、11月份，所以影響西沙的西北型路徑的TC多數(shù)以臺風(fēng)等級出現(xiàn)，而西行型路徑的TC多數(shù)以強(qiáng)臺風(fēng)等級出現(xiàn)，另外在菲律賓以東洋面生成的TC強(qiáng)度一般較大，以臺風(fēng)與強(qiáng)臺風(fēng)為主。風(fēng)浪的成長取決于風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)，在傳播過程中風(fēng)浪不斷從風(fēng)中獲得能量和上游風(fēng)浪傳播能量而發(fā)展［18］，所以最大波高一般出現(xiàn)在最大風(fēng)速之后。根據(jù)風(fēng)浪原理，大風(fēng)浪的產(chǎn)生需同時(shí)具備風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)3個(gè)良好條件，而西沙礁盤基本四面都有礁石遮擋且區(qū)域較小，風(fēng)區(qū)條件較差，所以無法形成大浪，礁盤內(nèi)海況較好；而島嶼波浪掩護(hù)區(qū)內(nèi)，一般具備風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)3個(gè)良好條件，所以H1/10基本都在2m以上，甚至高達(dá)4.7m。表7各礁盤和島嶼代表點(diǎn)H1/10計(jì)算結(jié)果（單位：m）情景北礁華光礁浪花礁羚羊礁盤石嶼七連嶼西南深航島口門永興島西南玉琢礁0.060.130.640.710.170.250.130.240.591.23123456789100.750.980.860.880.741.010.490.820.711.030.640.830.570.70.550.810.190.410.761.070.150.180.750.850.130.20.150.260.30.430.080.140.860.870.050.280.110.150.480.921.211.762.182.771.642.221.231.62.323.871.622.451.071.371.632.451.732.571.622.491.462.762.493.321.472.661.752.852.824.70.570.770.670.780.540.740.210.330.590.66圖3影響西沙群島的TC強(qiáng)度分布特征（1991—2018年，TS熱帶風(fēng)暴、STS強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、TY臺風(fēng)、STY強(qiáng)臺風(fēng)、SuperTY超強(qiáng)臺風(fēng)）圖4影響西沙群島的TC路徑月分布特征（1991—2018年）影響西沙海域波浪分布特征的因素還有很多，特別是西沙群島不利于海水輻聚、輻散的海岸線，四面環(huán)海同時(shí)島嶼之間相互遮擋，與中沙群島毗鄰的特殊且復(fù)雜的地理位置產(chǎn)生的局部海水震蕩［15］。結(jié)論（1）西北型路徑是影響西沙群島的TC的最大可能路徑，該路徑TC最大可能等級是臺風(fēng)，引起的波高主要集中在2.5~5.9m之間；西行型路徑是影響西沙群島的TC第二可能路徑，該路徑TC最可能等級是強(qiáng)臺風(fēng)，引起的波高主要集中在4.0~5.9m之間；（2）西沙礁盤內(nèi)風(fēng)浪較小，基本小于1.0m，而西沙島嶼波浪掩護(hù)區(qū)內(nèi)風(fēng)浪較大，基本大于2.0m，甚至接近5m，一般永興島西南向掩護(hù)區(qū)波浪高于其他島嶼波浪掩護(hù)區(qū)；(3)無論西北型路徑還是西行型TC路徑，最大波高一般出現(xiàn)在最大風(fēng)速之后，所以要注意提防大風(fēng)過后的大浪災(zāi)害。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】劉桂海，劉松?我國近海波浪要素的長期分布[幾港口工程,1989,(6):25-37.楊憲章?長周期波的特性及對系泊船舶動(dòng)態(tài)特性的影響[J]?港口工程,1989,(6):37-43.耿寶磊，文先華?臺風(fēng)作用下瓊州海峽海域波浪特征分析[J].海洋工程,2013,31(6):59-67.丁千龍，曾永明,王江偉?西沙海區(qū)波浪特征分析與預(yù)報(bào)[J].海洋通報(bào),2000,19(3):19-23.楊永增，孫玉娟,王關(guān)鎖，等?基于MASNUM海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)的北印度洋波浪特征模擬與預(yù)報(bào)分析[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2011,29(1):1-9.楊永增，喬方利，趙偉，等?球坐標(biāo)系下MASNUM海浪數(shù)值模式的建立及其應(yīng)用[J].海洋學(xué)報(bào),2005,27(2):1-7.韓淑宗，史玉姣?東中國海臺風(fēng)浪分布特征研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2013,43(10):1-7.BooijN,RisRC,HolthuijsenLH.Athird-generationwavemodelforcoastalregions:1.Modeldescriptionandvalidation[J].JournalofGeophysicalResearch:Oceans,1999,104(C4):7649-7666.Tolman