海洋学研究 >

2025 , Vol. 43 >Issue 2: 19 - 29

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2025.02.003

研究论文

浙江苍南海域台风和寒潮所致极端波浪特征分析

  • 郇彩云 , 1 ,
  • 姜贞强 1 ,
  • 许坤荻 2 ,
  • 王加鑫 3
展开
  • 1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 310014
  • 2.扬州大学 土木与交通学院,江苏 扬州 225127
  • 3.中国长江三峡集团有限公司江苏分公司,江苏 南京 210019

郇彩云(1983—),女,江苏省连云港市人,正高级工程师,主要从事海上风电工程设计、海洋水文方面的研究,E-mail:。

收稿日期: 2024-04-16

  修回日期: 2024-06-21

  网络出版日期: 2025-08-05

基金资助

国家自然科学基金重点项目(52338008)

收起

Analysis of the characteristics of extreme waves caused by typhoon and cold wave in the Cangnan sea area of Zhejiang Province

  • HUAN Caiyun , 1 ,
  • JIANG Zhenqiang 1 ,
  • XU Kundi 2 ,
  • WANG Jiaxin 3
Expand
  • 1. Power China Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, China
  • 2. School of Civil Engineering and Transportation, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China
  • 3. China Three Gorges Corporation Jiangsu Branch, Nanjing 210019, China

Received date: 2024-04-16

  Revised date: 2024-06-21

  Online published: 2025-08-05

Fold

摘要

基于浙江苍南海域为期一年的波浪观测数据(包含6次台风和2次寒潮事件),本研究系统分析了极端波浪(台风浪和寒潮大浪)的参数分布特征,并重点研究了典型台风“利奇马”和“米娜”的波浪演变规律。研究结果表明:台风浪受台风路径和强度的影响显著,当台风强度等级越高且移动路径越接近研究海域时,台风浪过程越剧烈,表现为有效波高和谱峰密度显著增大。夏、秋季研究海域均会受强台风的影响而引发极端台风浪。寒潮大浪在冬、春季均会出现,其强度直接受寒潮强度的影响,总体上寒潮大浪不如台风浪强度大。台风浪的影响持续时间为2~3 d,寒潮大浪的影响持续时间约为1 d。在台风/寒潮期间,最大波高和谱峰密度均存在基本同步的先增大后减小的发展变化过程。台风“利奇马”影响期间,研究海域最大波高为10.80 m,最大谱峰密度为55.10 m2/Hz,波浪频谱发展变化过程为双峰谱—单峰谱—双峰谱,波浪类型发展变化过程为涌浪为主的混合浪—风浪—风浪为主的混合浪。台风“米娜”影响期间,研究海域最大波高为8.89 m,最大谱峰密度为36.37 m2/Hz,波浪频谱主要以单峰谱为主,偶有双峰谱,波浪类型主要为涌浪,偶有涌浪为主的混合浪。

关键词： 台风浪; 寒潮; 谱峰密度; 风浪; 涌浪; 波浪谱; 波浪参数; 单峰谱; 双峰谱

本文引用格式

郇彩云 , 姜贞强 , 许坤荻 , 王加鑫 . 浙江苍南海域台风和寒潮所致极端波浪特征分析[J]. 海洋学研究, 2025 , 43(2) : 19 -29 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2025.02.003

Abstract

Using the measured data of extreme waves causing by 6 typhoons and 2 cold waves (caused by typhoon is called typhoon wave, caused by cold wave is called cold wave)during a one-year wave observation process in the Cangnan sea area of Zhejiang Province, the distribution and variation characteristics of wave parameters for each extreme wave as well as the typical characteristics of typhoon waves during Typhoon “Lekima” and “Mitag” were analyzed. The results show that the typhoon waves in the study sea area were significantly affected by the typhoon track and intensity, the stronger the typhoon intensity and the closer its proximity to the study area, the more significant and intense the process of typhoon waves, the higher the wave height and spectral peak density of typhoon waves. Both summer and autumn could be affected by extreme typhoons and lead to extreme typhoon waves. Extreme waves caused by cold wave occured both in winter and spring, of which intensity were directly affected by the intensity of cold waves, overall, extreme waves caused by cold wave were not as severe as typhoon waves. The duration of the impact of typhoon waves was two to three days, and the duration of the impact of extreme waves caused by cold wave was about 1 day; the maximum wave height and spectral peak density during extreme waves exhibited a synchronous development process of initially increasing and then decreasing. During the impact of Typhoon “Lekima”, the maximum wave height in the studied sea area was 10.80 m, with a maximum spectral peak density of 55.10 m2/Hz, the development and change process of wave spectrum was bimodal spectrum-unimodal spectrum-bimodal spectrum, and the development and change process of wave types was mixed waves dominated by swell-wind wave-mixed waves dominated by wind wave. During the impact of Typhoon “Mitag”, the maximum wave height in the studied sea area was 8.89 m, with a maximum spectral peak density of 36.37 m2/Hz, the wave spectrum was mainly composed of unimodal spectrum, with occasional bimodal spectrum. The wave type was mainly swell, with occasional mixed waves dominated by swell.

Key words： typhoon wave; cold wave; spectral peak density; wind wave; swell; wave spectrum; wave parameter; unimodal spectrum; bimodal spectrum

0 引言

波浪是重要的海洋水文动力要素,是各种海洋工程的重要设计参数,关乎海上安全生产。台风和寒潮等极端天气引发的极端波浪挟带巨大能量,给各种海洋工程造成极大的安全隐患。2022年7月2日,广东阳江“福景001”风电安装船在台风“暹芭”过境期间受灾害性海浪的破坏作用,导致船舶锚链断裂、走锚,船舶碰撞风机桩基后,船体断裂沉没,造成25人死亡的重大安全生产事故。开展台风和寒潮所致极端波浪及其对海洋工程的影响研究,对于海洋工程的安全稳定和防灾减灾具有重要意义。
由于波浪现场观测成本较高,且台风/寒潮过境期间,观测设备容易发生故障甚至丢失,导致设备损毁和数据缺测,因此目前的研究大多采用数值模拟的方法[1-5]。基于实测台风浪的分析较为少见,多为仅针对一段波浪观测期间所测得的某一次台风浪特征进行的分析[6-12],涉及寒潮的研究更少见。对于浙江沿海的实测台风浪研究,杨斌等[13]利用过境舟山东北部海域的台风浪观测资料,分析了在不同台风影响下,舟山东北部海域的波浪成长与衰减特征。然而,针对浙江南部苍南沿海的台风/寒潮所致极端波浪的研究尚未见报道。
苍南海域位于浙江南部沿海,常年易受台风和寒潮影响。台风主要集中在夏、秋季(6月至10月),寒潮则多发于冬、春季(12月至次年4月)。同一海域受不同台风/寒潮的影响程度各不相同,其主要影响因素包括台风强度、台风路径、台风发生时间以及寒潮强度等。本研究基于苍南海域为期一年的波浪观测数据,选取其中6次台风过程和2次寒潮过程引发的极端波浪实测资料,系统分析了波浪参数分布特征及其变化规律。研究成果可为该海域海洋工程设计、施工、运维及防灾减灾工作提供科学依据。

1 数据获取和处理方法

波浪观测站布设于苍南近岸海域,具体位置如图1所示,站点位于南麂列岛以南约30 km,离岸距离约40 km,水深约30 m。观测站周边海域开阔、无明显遮挡,可有效观测各方向来波,具有良好的波浪观测代表性。观测采用挪威Nortek公司生产的声学多普勒波浪流速剖面仪(Acoustic Wave and Current Meter,AWAC,中文商品名为“浪龙”)进行座底观测。该仪器采用声学表面跟踪(acoustic surface tracing,AST)法测波,每小时测量一次波面,采样频率为1 Hz,每次采集1 024个波面数据。观测数据经配套的Storm软件处理后,可获得波高、周期、波浪谱等波浪参数。
图1 波浪观测站位置和台风路径

(台风路径信息来自中国气象局热带气旋资料中心http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj.html。)

Fig.1 Location of wave observation station and typhoon tracks

(Typhoon path information is quoted from http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj.html.)

波浪观测周期为2019年7月1日—2020年6月30日,观测期间的最大波高变化历程如图2所示。结果显示,观测海域共受到6次台风过程和数次寒潮过程的影响,期间最大波高均呈现先增大后减小的显著变化过程。本研究选取其中最大波高最为显著的2次寒潮过程(1次冬季寒潮和1次春季寒潮)和6次台风过程作为研究对象(表1),共计8次极端波浪事件,用以分析苍南海域台风和寒潮所致极端波浪的时空分布特征。基于各台风/寒潮的影响持续时间以及对应的波浪观测结果,本研究选取波高显著增大的时段(从最大波高开始增大至峰值,再回落至常规波高水平)进行分析。各极端波浪事件的起止时间如表1所示。相关台风路径如图1所示,路径数据来自中国气象局热带气旋资料中心(http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj.html)[14-15]。其中,“丹娜丝”、“玲玲”和“塔巴”台风路径中各点的时间间隔为6 h,“利奇马”、“白鹿”和“米娜”台风路径中各点的时间间隔为3 h。
图2 台风/寒潮期间最大波高随时间变化过程

Fig.2 The variation process of the maximum wave height during typhoon/cold wave periods

表1 各台风/寒潮属性表

Tab.1 Properties of each typhoon and cold wave

台风/寒潮信息 台风/寒潮影响起止时间
台风编号 台风名称 台风生命史
最高等级		 台风登陆点 台风中心距测站
最近距离/km
201905 丹娜丝 热带风暴 韩国全罗北道 279 2019-07-17T00:00:00—2019-07-26T00:00:00
201909 利奇马 超强台风 浙江温岭 93 2019-08-07T00:00:00—2019-08-14T00:00:00
201911 白鹿 强热带风暴 台湾和福建东山 486 2019-08-24T00:00:00—2019-08-28T00:00:00
201913 玲玲 超强台风 朝鲜黄海南道 389 2019-09-04T00:00:00—2019-09-08T00:00:00
201917 塔巴 台风 411 2019-09-18T00:00:00—2019-09-24T00:00:00
201918 米娜 台风 浙江舟山 120 2019-09-30T00:00:00—2019-10-03T00:00:00
冬季寒潮 2019-12-31T00:00:00—2020-01-02T00:00:00
春季寒潮 2020-03-28T00:00:00—2020-03-30T00:00:00
各台风均生成于西太平洋低纬度洋面,根据移动路径可分为3种类型:1)登陆型台风(“利奇马”和“米娜”),其路径是进入东海并登陆浙江沿海;2)近海北上型台风(“丹娜丝”、“玲玲”和“塔巴”),其路径是进入东海抵近浙江但未登陆,最终掠过东海北上至朝鲜半岛和日本海;3)南海型台风(“白鹿”),其路径是进入南海后登陆华南沿海。其中,登陆型台风“利奇马”和“米娜”的中心距观测海域最近距离约100 km;近海北上型台风“丹娜丝”、“玲玲”和“塔巴”的中心距观测海域的最近距离为279~411 km;南海型台风“白鹿”的中心距观测海域最远,最近距离约500 km。从季节分布看,“丹娜丝”、“利奇马”和“白鹿”属于夏季台风,“玲玲”、“塔巴”和“米娜”则属于秋季台风。

2 台风浪和寒潮大浪的特征值分析

5级(含)以上大浪的持续时间与海洋工程结构的动力响应和疲劳强度密切相关,根据表2所示的波浪等级划分方法[16],本研究统计了5级及以上波浪波高的单次最长持续时间以及各台风/寒潮影响期间的主要波浪参数特征值,结果如表3和图3所示。
表2 波浪等级表[16]

Tab.2 Wave level table[16]

波级 有效波高范围 名称 波级 有效波高范围 名称
0 0 无浪 5 2.5 m≤有效波高<4.0 m 大浪
1 有效波高<0.1 m 微浪 6 4.0 m≤有效波高<6.0 m 巨浪
2 0.1 m≤有效波高<0.5 m 小浪 7 6.0 m≤有效波高<9.0 m 狂浪
3 0.5 m≤有效波高<1.25 m 轻浪 8 9.0 m≤有效波高<14.0 m 狂涛
4 1.25 m≤有效波高<2.5 m 中浪 9 14.0 m≤有效波高 怒涛
表3 台风/寒潮期间波浪参数特征值

Tab.3 Characteristic values of wave parameters during typhoon/cold wave periods

台风/
寒潮		 最大
波高/m		 最大波高
均值/m		 大浪及以上波浪
最长持续时间/h		 大浪及以上波浪最长持续
期间最大波高均值/m		 台风距离观测站最近时
中心最大风速/(m·s-1)		 台风距离观测站
最近时等级		 最大谱峰密度
/ (m2·Hz-1)
白鹿 3.54 1.98 30 强热带风暴 5.83
丹娜丝 3.93 2.07 23 热带风暴 5.88
塔巴 5.63 3.06 6 4.84 33 台风 19.90
玲玲 5.98 3.10 7 5.04 55 超强台风 25.29
米娜 8.89 3.56 13 5.96 40 台风 36.37
利奇马 10.80 4.38 72 6.62 52 超强台风 55.10
冬季寒潮 5.29 2.31 5 4.72 15.43
春季寒潮 4.92 2.26 3 4.45 14.73
图3 各台风浪、寒潮大浪的最大波高、持续时间和最大谱峰密度

Fig.3 The maximum wave height, duration and maximum spectral peak density of each typhoon and cold wave

如表3和图3所示,各波浪特征值很好地表征了不同台风/寒潮对观测海域的影响程度差异。当波高越大、大浪持续时间越长、谱峰密度值越大时,台风/寒潮的影响越显著。
在6次台风浪事件中,登陆型台风“利奇马”和“米娜”所引发的台风浪强度最大,其波浪参数特征值均显著大于其他台风浪。特别是台风“利奇马”,期间的最大波高和最大波高均值分别为10.80 m和4.38 m,大浪持续时间长达72 h,最大谱峰密度达55.10 m2/Hz。相比之下,近海北上型台风“塔巴”和“玲玲”所引发的台风浪强度次之,最大波高分别为5.63 m和5.98 m,最大波高均值分别为3.06 m和3.10 m,大浪持续时间显著缩短,仅为6~7 h,最大谱峰密度分别为19.90 m2/Hz和25.29 m2/Hz。而南海型台风“白鹿”和近海北上型台风“丹娜丝”所引发的台风浪强度最弱,其各波浪参数特征值均明显低于其他台风浪,最大波高分别为3.54 m和3.93 m,最大波高均值分别为1.98 m和2.07 m,最大谱峰密度分别为5.83 m2/Hz和5.88 m2/Hz,且未观测到大浪持续现象。
综合分析表明,台风浪特征主要受台风路径和强度两大因素影响。具体表现为:台风路径与研究海域的距离越近,且台风强度等级越高,则产生的台风浪波高越大、大浪持续时间越长、谱峰密度越大。以登陆型台风“利奇马”(超强台风级)和“米娜”(台风级)为例,由于其路径最接近波浪观测站,且维持较高强度等级,因此引发的台风浪表现出明显更大的波高和谱峰密度特征,其各项波浪参数明显高于其他4次台风事件。尽管近海北上型台风“塔巴”(台风级)和“玲玲”(超强台风级)同样达到较高强度,但因其路径距研究海域较远,导致台风浪能量在长距离传播过程中逐渐衰减,故波高和谱峰密度显著低于登陆型台风。值得注意的是,同为近海北上型的“丹娜丝”(热带风暴级),虽然路径距离波浪观测站相对较近,但受限于其较低的强度等级,所携带能量较少,致使波高和谱峰密度均不及“塔巴”和“玲玲”。这一现象进一步证实台风强度同样是影响台风浪特征的关键因素。最后,从季节分布来看,引发最显著台风浪的“利奇马”(夏季)和“米娜”(秋季)表明,研究海域在夏、秋两季均可能遭遇极端台风浪事件,因此该海域台风浪的季节性差异并不显著。
在寒潮影响方面,2019年12月26日(冬季寒潮前)和2020年3月25日(春季寒潮前),中央气象台均发布了寒潮蓝色预警,两次寒潮的预警级别相同,且最大波高(5.29 m和4.92 m)和最大谱峰密度(15.43 m2/Hz和14.73 m2/Hz)也较为接近,表明两次寒潮大浪的强度差异不显著,冬季寒潮略强于春季寒潮。与台风浪相比,寒潮大浪的波高和谱峰密度整体上显著偏低,其强度仅略高于路径较远、强度较低的台风“丹娜丝”和“白鹿”所引发的台风浪。
综上所述,研究海域的台风浪特征主要受台风路径和强度(基于风力、风速指标)的共同影响。台风强度等级越高、移动路径距研究海域越近,则台风浪的波高和谱峰密度参数越大,其影响过程也越显著。观测数据证实,该海域在夏、秋季均可能遭受极端台风引发的极端风浪影响。就寒潮影响而言,寒潮大浪在冬、春季节均可出现,其强度直接受寒潮强度的影响。就本次观测而言,冬季和春季的寒潮大浪强度差异较小(冬季略强于春季)。和台风浪相比,寒潮大浪的波高和谱峰密度等波浪参数整体上显著偏低。

3 台风浪和寒潮大浪的过程分析

图4所示为各台风/寒潮期间最大波高和谱峰密度的变化过程,从中可以看出,研究海域台风浪的影响持续时间为2~3 d,而寒潮大浪的影响持续时间较短,仅约为1 d。观测结果显示,极端波浪事件中,最大波高与谱峰密度呈现高度一致的先升后降变化过程,其时序变化曲线呈单峰型分布。值得注意的是,各台风/寒潮大浪的最大波高与谱峰密度具有显著的同步性,通常最大波高出现时刻与谱峰密度峰值时刻的时间差在数小时以内。
图4 台风/寒潮期间的波浪参数变化过程

Fig.4 Variation process of wave parameters during typhoon/cold wave periods

对于台风,当距离较远、尚未影响研究海域时,海域的最大波高通常维持在1.0~2.0 m之间。随着台风引发的外海低频涌浪传播至研究海域,最大波高、谱峰密度开始增大,随着台风的持续增强和靠近,最大波高和谱峰密度继续增大。其中,距离近、强度大的台风“利奇马”和“米娜”,其引发的极端波浪强度更大,最大波高和谱峰密度呈现快速增大过程;而其他距离较远、强度较低的台风,其台风浪的最大波高和谱峰密度的增大过程则相对平缓。当台风的风圈到达研究海域,产生的高频风浪与低频涌浪共同作用,促使最大波高和谱峰密度达到峰值。此后,随着台风逐渐远去,风力减弱,风浪的影响降低并逐渐消散,最大波高和谱峰密度开始减小,但由台风引发的涌浪仍持续影响,使得最大波高仍维持在略高于台风前的水平。最终随着台风影响的完全结束,海面波高恢复至台风前水平。各台风浪的发展变化过程中,“利奇马”和“米娜”的过程线较为窄而尖,“丹娜丝”、“白鹿”、“玲玲”和“塔巴”的过程线相对宽而平,这一特征反映出各台风浪的强度差异。对于寒潮大浪,和台风浪过程略有不同的是,由于寒潮的影响持续时间相对较短,寒潮大浪的最大波高和谱峰密度的变化过程呈现陡然上升和陡然下降的特点,因此其过程线的斜率较台风浪更为陡峭。

4 典型台风浪特征分析

台风“利奇马”在观测期间引发了研究海域的最大波高和最大谱峰密度,紧随其后的是“米娜”。本节选取这两个台风作为典型案例,进一步分析研究海域的台风浪特征。

4.1 波浪频谱和波浪类型分析

波浪频谱能够表征波浪能量在不同频率的分布特征,是研究波浪成长与耗散过程的重要工具。根据生成机制,波浪类型可分为风浪、涌浪和混合浪三种基本类型。在风力较大的风场作用下,海面产生风浪,其具有周期短、频率高、波峰尖削的特性;当风力减弱时,海面会产生涌浪,表现出周期长、频率低、波峰相对平缓的特征;当风浪和涌浪共存时为混合浪,其频谱呈现明显的双峰或多峰结构。
图5和图6分别展示了台风“利奇马”和“米娜”影响期间的频谱时变特征。为了更细致地了解频谱变化,本研究选取了台风“利奇马”和“米娜”影响最显著阶段(即出现最大谱峰密度时)及其前后若干特征时刻,绘制了对应的波浪频谱曲线,分别如图7和图8所示。
图5 台风“利奇马”期间波浪频谱随时间变化过程

Fig.5 The temporal variation process of wave spectrum during Typhoon “Lekima”

图6 台风“米娜”期间波浪频谱随时间变化过程

Fig.6 The temporal variation process of wave spectrum during Typhoon “Mitag”

图7 台风“利奇马”影响前(a)、后(c)和影响最显著期间(b)的波浪谱型

Fig.7 Wave spectral pattern before (a), after (c)affected by Typhoon “Lekima” and during the most significant impact period of Typhoon “Lekima” (b)

图8 台风“米娜”影响前(a)、后(c)和影响最显著期间(b)的波浪谱型

Fig.8 Wave spectral pattern before (a), after (c)affected by Typhoon “Mitag” and during the most significant impact period of Typhoon “Mitag” (b)

由图可以看出,台风“利奇马”和“米娜”影响期间,台风浪主要呈现单峰谱特征。不同的是,在台风“利奇马”显著影响前、后,均存在明显的双峰谱特征:在显著影响前,主峰频率趋于低频,在显著影响后,主峰频率趋于高频(图7);而台风“米娜”从显著影响前至显著影响后的全过程始终以单峰谱为主,在显著影响前偶有主峰趋于低频的双峰谱出现(图8)。这种谱特征差异可能与台风移动速度密切相关。观测数据显示,台风“利奇马”的移动速度为15~22 km/h,台风“米娜”的移动速度为22~28 km/h。相对较低的移动速度使台风“利奇马”具有更充足的时间吸收和释放能量,这种能量变化过程在波浪谱的演化中得到明显体现。
为了对台风“利奇马”和“米娜”期间的波浪类型进行划分,根据PORTILLA等[17]提出的风浪/涌浪判别方法,即计算实测谱峰与对应谱峰频率的PM谱峰比值λ,λ大于1时为风浪,λ小于等于1时为涌浪。上述两个台风影响期间的几个典型时刻的波浪类型判据λ的计算结果列于表4中。
表4 波浪类型计算结果

Tab.4 Calculation results of wave types

台风 时期 时刻 单/双峰谱 谱峰频率/Hz 谱峰值/(m2·Hz-1) PM谱峰值/(m2·Hz-1) λ 波浪类型
利奇马 显著
影响前		 8月8日00:00 双峰谱 0.11 1.77 8.88 <1 涌浪
0.16 1.47 1.36 >1 风浪
8月8日14:00 双峰谱 0.11 7.44 8.88 <1 涌浪
0.16 4.77 1.36 >1 风浪
8月8日16:00 双峰谱 0.11 8.40 8.88 <1 涌浪
0.15 5.24 1.88 >1 风浪
显著影响
期间		 8月9日12:00 单峰谱 0.08 54.84 43.64 >1 风浪
8月9日13:00 单峰谱 0.08 45.62 43.64 >1 风浪
8月9日14:00 单峰谱 0.08 55.10 43.64 >1 风浪
显著
影响后		 8月10日09:00 双峰谱 0.09 9.04 24.21 <1 涌浪
0.13 11.29 3.85 >1 风浪
8月10日10:00 双峰谱 0.09 10.39 24.21 <1 涌浪
0.13 13.58 3.85 >1 风浪
8月10日11:00 双峰谱 0.08 8.66 43.64 <1 涌浪
0.13 18.81 3.85 >1 风浪
米娜 显著
影响前		 9月30日03:00 单峰谱 0.09 9.09 24.21 <1 涌浪
9月30日13:00 双峰谱 0.10 9.46 14.30 <1 涌浪
0.20 3.14 0.45 >1 风浪
9月30日16:00 单峰谱 0.10 11.55 14.30 <1 涌浪
显著影响
期间		 10月1日02:00 单峰谱 0.08 26.50 43.64 <1 涌浪
10月1日03:00 单峰谱 0.08 36.37 43.64 <1 涌浪
10月1日04:00 单峰谱 0.08 21.74 43.64 <1 涌浪
显著
影响后		 10月1日16:00 单峰谱 0.08 20.50 43.64 <1 涌浪
10月1日21:00 单峰谱 0.10 8.23 14.30 <1 涌浪
10月2日03:00 单峰谱 0.10 4.77 14.30 <1 涌浪
对于台风“利奇马”引起的台风浪来说,在显著影响前,波浪频谱呈现为主峰趋于低频的双峰谱,其中低频峰对应涌浪,高频峰对应风浪,波浪类型为以涌浪为主的混合浪。在显著影响期间,波浪频谱呈现为单峰谱,谱峰频率为0.08 Hz,对应谱峰值大于PM谱峰值,波浪类型为风浪。在显著影响后,波浪频谱呈现为主峰趋于高频的双峰谱,其中低频峰对应涌浪,高频峰对应风浪,波浪类型为以风浪为主的混合浪。
对于台风“米娜”引起的台风浪来说,在显著影响前,波浪频谱偶尔呈现主峰趋于低频的双峰谱,低频谱峰频率为0.10 Hz,对应谱峰值小于PM谱峰值,为涌浪;高频谱峰频率为0.20 Hz,对应谱峰值大于PM谱峰值,为风浪;由于低频谱峰高于高频谱峰,波浪类型为以涌浪为主的混合浪。在其余时段(包括显著影响前其他时刻、显著影响期间及显著影响后),波浪频谱均呈现为单峰谱,谱峰频率介于0.08~0.10 Hz,谱峰值始终小于PM谱峰值,波浪类型均为涌浪。
综上所述,台风“利奇马”期间,波浪频谱变化过程为:主峰趋于低频的双峰谱—单峰谱—主峰趋于高频的双峰谱,波浪类型变化过程为:涌浪为主的混合浪—风浪—风浪为主的混合浪。台风“米娜”期间,波浪频谱以单峰谱为主,显著影响前偶有主峰趋于低频的双峰谱,波浪类型主要为涌浪,显著影响前偶有以涌浪为主的混合浪。

4.2 最大波高和台风中心距离的关系分析

根据前述分析可知,台风影响期间,研究海域的最大波高(Hmax)通常随台风中心与观测站距离(D)的减小而增大。为定量分析台风“利奇马”和“米娜”影响期间Hmax和D之间的关系,采用指数函数进行拟合。结果表明,在台风“利奇马”维持超强台风级别期间和“米娜”维持台风级别期间,Hmax和D之间呈现显著的指数相关性,最大波高随着台风中心与观测站距离的缩短而增大,拟合结果如图9所示。其中,台风“利奇马”期间的相关系数为0.97,台风“米娜”期间的相关系数为0.91,“利奇马”期间的相关性更佳。
图9 最大波高和台风中心距离的关系

Fig.9 The relationship between maximum wave height and distance from typhoon center

5 结论

基于浙江苍南海域为期一年的波浪观测数据(包含6次台风和2次寒潮事件),本研究系统分析了极端波浪的波浪参数分布特征,并重点分析了典型台风“利奇马”和“米娜”期间的台风浪演变规律,得到以下主要结论。
1)研究海域的台风浪特征与台风路径和强度(以风力、风速表征)密切相关。当台风强度等级越高且移动路径越接近研究海域时,台风浪过程越剧烈,具体表现为有效波高和谱峰密度显著增大。研究海域在夏、秋季节均可受强台风影响而产生极端台风浪。寒潮大浪在冬、春季均会出现,其强度直接受寒潮强度的影响。本次观测到的冬季和春季寒潮大浪的强度相近,但与台风浪相比,寒潮大浪的波高和谱峰密度等波浪参数整体上显著偏低。
2)台风浪的影响持续时间通常为2~3 d,而寒潮大浪的持续时间较短,约为1 d。台风/寒潮大浪期间的最大波高和谱峰密度存在基本同步的先增大后减小的发展变化过程,其过程线呈“波峰”形态。由于寒潮大浪的持续时间较台风浪短,寒潮大浪过程线较台风浪更为陡峭(上升和下降速率更快),表现出峰型更窄、更尖的特征。
3)观测数据显示,台风“利奇马”在研究海域产生了观测期间的最大极端波浪,其次是台风“米娜”。台风“利奇马”期间最大波高为10.80 m,最大谱峰密度为55.10 m2/Hz;台风“米娜”期间最大波高为8.89 m,最大谱峰密度为36.37 m2/Hz。
4)台风“利奇马”期间,波浪频谱变化过程为:主峰趋于低频的双峰谱—单峰谱—主峰趋于高频的双峰谱,波浪类型变化过程为:涌浪为主的混合浪—风浪—风浪为主的混合浪。台风“米娜”期间,波浪频谱以单峰谱为主,显著影响前偶有主峰趋于低频的双峰谱,波浪类型则主要为涌浪,显著影响前偶有涌浪为主的混合浪。
5)台风“利奇马”维持超强台风级别期间和“米娜”维持台风级别期间,研究海域的最大波高和台风中心与观测站距离之间呈现相关性较好的指数关系,最大波高随着台风中心与观测站距离的缩短而增大,“利奇马”期间的相关性更佳。

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