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阳江位于我国广东省西南沿海，海洋资源丰富，航运繁忙。为了推动粤港澳大湾区的建设，阳江近岸海洋资源开发利用的进程加快，其中，海上风电的发展尤为迅速。波浪是海洋环境中重要的动力要素，在台风过境等极端天气影响下，往往具有极大的破坏作用，甚至形成灾害性海浪，影响海上建筑物的安全。因此，开展阳江近海海域的波浪现场观测，研究区域的波浪特性，对于涉海工程的建设、海洋资源的开发利用和海洋灾害的预防都具有重要的意义。
随着海浪观测技术和数值模拟技术的进步，卫星遥感[1-3]、数值模拟[4-5]和现场观测[6-14]等方法在波浪特性研究中得到了大量应用。在广东阳江和相邻地区近岸海域，学者们使用上述手段和资料对不同时期的波浪情况进行了研究。周水华等[8]利用广东省沿岸海洋站的波浪观测资料，并以SWAN波浪数值模型模拟结果作为辅助，对2006年“0601”号强台风“珍珠”登陆广东期间的广东近岸海浪特征进行了研究，阳江所在的粤西海域在此次台风过程中主要以涌浪为主。束芳芳等[9]通过分析阳西近岸波浪观测站为期1年的波浪观测资料，总结了阳西近岸海域波浪特征值、波高和周期分布及相关关系等特征。同年，束芳芳等[10]利用同一观测资料进一步分析了波浪频谱特征，给出了谱峰频率、特征频率、谱宽度和谱峰升高因子等特征参数。肖辉[11]对茂名附近海域不同测波站短期的波浪资料进行统计分析，研究了该海域波浪方向特性和平均波高周期等特征值。赵中阔等[12]基于汕尾和茂名海域连续1年的风、浪实测数据，对有效波高月统计特征进行了分析，检验了多种风−浪经验关系，研究表明，该海域波浪表现出明显的冬、夏半年特征，风−浪关系与5种常用的经验关系出入较大，具有独特的风−浪关系特征。梁广建等[13]利用2007－2008年西南季风期茂名站海浪等海洋环境要素的观测资料，对该地区的拍岸浪进行了统计分析，结果表明，拍岸浪浪高的分布基本服从瑞利分布，低频部分偏差大。宋积文等[14]使用波浪浮标数据分析了茂名站波浪特性，波浪主要是以风浪和涌浪为主的混合浪，常浪向为SSE向，次常浪向为ESE向。综上所述，在研究手段和数据来源方面，相对于卫星遥感和数值模拟方法，学者们更倾向于使用现场观测数据进行局部海域波浪特性分析。对于包括阳江在内的粤西及其附近海域，学者们对茂名和汕尾海域的近岸波浪特性研究较多。茂名和汕尾海域距阳江海域较远，波浪特性存在较大区别。文献[9-10]中，阳西波浪测站的位置较为靠近海岸，受岸线影响较大，水深较浅，较难表征阳江近海海域的波浪特性。
本文在阳江近海海域布置观测站进行现场波浪观测，对采集到的周年波浪观测资料进行统计分析，总结了观测海域的波浪统计特性，研究了波高和周期的相关关系，为涉海工程建设、海洋资源利用和海洋防灾减灾等理论和应用研究提供基础资料。
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波浪观测站位于广东省阳江市阳西县近海海域(21°21.96′N，111°36.48′E)，水深约28 m，离岸约15 km，海面开阔，无岛屿遮挡。测站位置观测的波浪特征可以表征阳江近海海域30 m水深处的波浪特征。波浪采用挪威NORTEK公司的声学多普勒波浪海流剖面仪进行底座式观测，每小时观测一次，采样频率1 Hz，每次采集1200 个数据。观测时间为2016年5月20日14时至2017年5月31日23时，历时376 天。观测期间共获得9034 组实测数据，数据获取率100%，观测数据完整。
观测数据经Storm软件处理后得到波浪参数，包括最大波高Hmax及其对应周期Tmax、1/10大波波高H1/10及其对应周期T1/10、有效波高H1/3及周期T1/3、平均波高Hmean和平均周期Tz、波向Mdir等。
本文选取2016年6月1日至2017年5月31日为周年观测期，对此期间的8760 组波浪数据进行特性分析。
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2016年8月和2016年10月，观测海域遭遇了4次极端天气，并以2016年第21号台风“莎莉嘉”对该海域的影响最为显著。“莎莉嘉”于10月13日在菲律宾以东洋面上生成，以超强台风登陆菲律宾吕宋岛东部沿海后向西偏北方向移动，进入南海中北部海面，10月18日10时在海南省万宁市和乐镇沿海登陆。图1显示了“莎莉嘉”登陆时观测站测得的波面过程，可以看出此时波面变化剧烈，波幅也很大。受“莎莉嘉”影响，观测海域波浪于2016年10月18日12时发生周年极值，Hmax达7.95 m，对应周期为17.3 s，浪向ESE。
图 1 台风“莎莉嘉”登陆时实测波面过程
Figure 1. Wave surface process diagram measured by observation station at Typhoon Sarika landfalling
根据周年观测期内的波浪数据，统计年、月波浪特征值，结果如表1所示。从表1中可以看出，H1/10和H1/3年平均值分别为1.18 m和0.94 m，H1/10和H1/3年最大值分别是6.54 m和5.31 m，均发生在“莎莉嘉”过境期间，Tz年平均值为4.3 s。
波浪特征值 2016年 2017年 周年 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 Hmax月最大/m 2.92 3.88 4.55 2.73 7.95 3.87 3.93 3.89 3.56 3.04 3.77 2.79 7.95 对应周期/s 5.3 8.0 8.7 7.3 17.3 4.7 8.0 7.3 7.3 6.0 8.7 5.3 17.3 对应波向/° 153 159 172 156 123 87 125 112 122 109 137 111 123 H1/10月最大/m 2.26 2.80 3.51 1.84 6.54 2.75 2.93 2.71 2.44 2.28 2.81 2.19 6.54 H1/10月平均/m 1.07 0.97 0.89 0.86 1.36 1.43 1.65 1.51 1.35 1.19 1.06 0.79 1.18 H1/3月最大/m 1.76 2.24 2.81 1.50 5.31 2.20 2.30 2.20 2.04 1.83 2.20 1.75 5.31 H1/3月平均/m 0.79 0.78 0.71 0.69 1.09 1.14 1.32 1.21 1.08 0.95 0.84 0.63 0.94 Tz月最大/s 5.3 6.1 6.7 8.8 9.6 6.5 6.6 6.6 6.3 7.0 6.9 5.38 9.61 Tz月平均/s 3.6 3.8 4.2 4.2 4.5 4.6 5.0 4.9 4.7 4.4 4.2 3.61 4.3 表 1 观测站波浪特征统计
Table 1. Statistic table of wave characteristics of the observation station
图2显示了H1/10和 H1/3月变化过程，图中黑实线和灰虚线分别为H1/10和H1/3年平均值。从图2可以看出，观测海域波浪存在一定的季节变化，秋、冬两季（2016年9月至2017年2月）特征波高月平均值较春、夏两季略大，并以冬季最大、夏季最小，冬、夏两季平均有效波高分别为1.21 m和0.76 m。受极端天气影响，特征波高月最大值在2016年8月至11月有两次比较明显的爬升－回落过程，“莎莉嘉”过境期间更加显著。据统计，无极端天气影响月份，观测海域Hmax的变化为0.27～3.93 m，H1/10的变化为0.19～2.93 m，H1/3的变化为0.16～2.3 m。
图 2 波高特征值月变化过程曲线
Figure 2. Monthly variation process of characteristic value of wave height
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波高和周期是反映波浪大小的重要波要素，特征波高及其对应周期的特征分析在实际工程中具有重要价值。波列中的Hmax是理论研究和实际应用中最关心的量[15]。表2统计了周年观测期内逐月最大波高和对应周期。从表2可以看出，各月Hmax变化为2.73～7.95 m，说明各月均有中浪发生，台风过境期间还有大浪、巨浪发生；Tmax变化为4.7～17.3 s，并随波高的增大而变大。
年月 最大波高/m 对应波向/（°） 对应周期/s 出现日期时刻 2016-06 2.92 SSE 5.3 2016-06-30 07：00 2016-07 3.88 SSE 8.0 2016-07-27 01：00 2016-08 4.55 S 8.7 2016-08-19 00：00 2016-09 2.73 SSE 7.3 2016-09-13 14：00 2016-10 7.95 ESE 17.3 2016-10-18 12：00 2016-11 3.87 E 4.7 2016-11-23 21：00 2016-12 3.93 SE 8.0 2016-12-24 15：00 2017-01 3.89 ESE 7.3 2017-01-12 13：00 2017-02 3.56 ESE 7.3 2017-02-03 11：00 2017-03 3.04 ESE 6.0 2017-03-15 14：00 2017-04 3.77 SE 8.7 2017-04-04 02：00 2017-05 2.79 ESE 5.3 2017-05-21 02：00 表 2 观测站逐月最大波高及对应波向、周期统计
Table 2. Statistic table of the monthly maximum wave height of the observation station and the corresponding wave direction and period
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采用最小二乘法拟合观测海域几种特征波高之间的关系，同时给出LH推导的瑞利分布[16]结果，如图3所示。从图3可以看出，实测特征波高之间具有很好的线性关系，H1/3/Hmean、H1/10/H1/3和Hmax/H1/3分别为1.587、1.257和1.663。实测特征波高之间与瑞利分布具有一致的线性关系，斜率略有不同。这主要是因为观测海域离岸不远，受当地风场作用和外海涌浪影响，波浪以混合浪为主，谱形较宽，与瑞利分布的线性波形和窄谱波浪假定不符导致的。
表3将本文得到的几种特征波高的比值系数与瑞利分布[16]、日本沿海[17-18]、杭州湾海域[7]、响水近海[18]特征波高的比值系数进行对比，可以看出，本文结果与日本沿海的最为接近，说明与国内海域相比，阳江海域的波浪特性与日本沿海相似。
图 3 几种特征波高线性关系拟合图
Figure 3. Regression relation between different characteristic wave heights
系数 瑞利分布 日本沿海 杭州湾海域 响水近海 阳江海域（本文） H1/3/Hmean 1.598 1.588 1.58 1.530 1.587 H1/10/H1/3 1.271 1.274 1.26 1.229 1.257 Hmax/H1/3 1.628 1.653 1.70 1.655 1.663 表 3 几种特征波高的比值系数
Table 3. Ratio coefficients between different characteristic wave heights
采用同样方法，对特征周期进行线性拟合和分析。从特征周期线性关系拟合（图4）可以看出，观测海域T1/3与Tz、T1/10与T1/3之间存在较强的线性关系，Tmax与T1/3之间的相关关系不显著。从几种特征周期的比值系数（表4）可以看出，与特征波高比值的结果一致，阳江海域波浪特征周期比值结果与日本沿海的最为接近。
图 4 几种特征周期线性关系拟合
Figure 4. Regression relation between different characteristic wave periods
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有研究表明，Hmean和Tz的平方之间存在良好的线性关系，不同海域二者的比值不同[11,15]。通过分析周年观测期内的波浪数据得出Hmean和Tz之间关系：
H1/3和Tz也存在类似的线性关系：
上述结果与俞聿修等[15]、陶尧森等[20]得到的线性关系相似。
H1/3和T1/3之间的关系也是实际应用中被普遍关注的[18-19]。美国《海岸防护手册》[18]（SPM）采用
${T_{1/3}} = 3.85H_{1/3}^{0.5}$ 描述H1/3和T1/3之间的转换关系，Goda[21]认为${T_{1/3}} = 3.30H_{1/3}^{0.63}$ 。也有学者采用线性关系描述二者之间的关系，徐啸等[19]得出台湾海峡中部${T_{1/3}} = 0.73{H_{1/3}} + 5.43$ 。鉴于在实际应用中更多关注较大波浪的波高和周期关系，本文对实测波浪数据中${H_{1/3}} \geqslant 1.0{\kern 1pt} {\kern 1pt} m$ 部分进行拟合分析，得到：
图5显示了H1/3和T1/3的实测散点分布和拟合关系。从图5可以看出，实测数据均位于SPM曲线和Goda曲线上方，在相同波高条件下本文实测数据对应着更大的周期。本文观测海域海浪是风浪和涌浪迭加形成的混合浪，且受外海长周期涌浪影响较大。SPM曲线和Goda曲线基于深水波浪数据统计得到[18]，其所表征的海浪特征与本海域的波浪特征有明显区别，有效波高和对应周期之间为非线性关系，本文拟合得到的公式（3）能更好地表征阳江近海海域波浪特性。
图 5 H1/3和T1/3的相关关系
Figure 5. Relationship chart between H1/3 and T1/3
从H1/3—T1/3联合概率分布（图6）可以看出，联合分布重心偏下，H1/3主要分布在0.3～1.2 m，T1/3主要分布在4.0～6.0 s，这一范围内的波浪出现率达49.75%。联合概率分布中，最大概率对应H1/3和T1/3范围分别是0～0.6 m和3.9～4.9 s。
图 6 H1/3—T1/3联合概率分布
Figure 6. Joint probability distribution of H1/3 and T1/3
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按照波级表[22]对周年观测期的H1/3进行分级统计，结果显示，观测海域波浪以轻浪为主，1.25 m以下H1/3所占频率达78.66%；受极端天气的影响仅在2016年8月和10月有大浪和巨浪发生，2.5 m以上H1/3所占频率达0.68%。
对周年观测期的H1/10进行分向分级频率统计，绘制周年和四季H1/10玫瑰图（图7和图8）。从图7中可以看出，观测海域波浪集中在东南方向，常浪向为ESE，次常浪向为SE，所占频率分别为37.56%和25.13%；强浪向为ESE，次强浪向为SE，H1/10最大值分别达6.54 m和6.0 m。从图8中可以看出，观测海域浪向的季节性变化不显著，夏季的浪向主要为SSE和S向，秋、冬、春3季的浪向主要为ESE和SE向，并以冬季ESE向出现频率最高，达60%。本文观测到的阳江海域波浪方向特性与阳西常浪向和强浪向均为SE向[9]的浪向特性相近，其原因是阳西测站与本文测站外海均面向E－SW方向，常年受外海涌浪作用，在台风活跃的夏、秋两季受到较大的夏季风作用，此外岸线朝向SSE向，SW－NE向的离岸风对观测海域影响很小。
图 7 周年H1/10玫瑰图
Figure 7. Wave height rose chart of the one-tenth of larger waves
图 8 四季H1/10玫瑰图
Figure 8. Wave height rose chart of the one-tenth of larger waves in the four seasons
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（1）周年观测期间，H1/10和H1/3年平均值分别为1.18 m和0.94 m，H1/10和H1/3年最大值分别是6.54 m和5.31 m，均发生在“莎莉嘉”过境期间，Tz年平均值为4.3 s。
（2）波浪以轻浪为主，1.25 m以下H1/3所占频率达78.66%；各月Hmax变化为2.73～7.95 m，均有中、大浪发生。
（3）特征波高之间和特征周期之间大多存在良好的线性关系，但Tmax和T1/3之间的相关性不显著，特征波高和特征周期之间存在一定的转换关系。
（4）常浪向和次常浪向分别为ESE和SE向，所占比例分别为37.56%和25.13%；强浪向和次强浪向分别为ESE和SE向，H1/10最大值分别达6.54 m和6.0 m。
阳江近海海域波浪特征分析
Analysis on wave characteristics of Yangjiang offshore area
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摘要: 在阳江近海海域布置测站进行波浪现场观测，对采集到的2016年6月至2017年5月的实测波浪数据进行特性分析研究。结果表明，周年观测期间，观测海域波浪1/10大波波高平均值和最大值分别为1.18 m和6.54 m，有效波高平均值和最大值分别为0.94 m和5.31 m，平均周期为4.3 s，最大一次波浪过程发生在台风“莎莉嘉”过境期间；波浪以轻浪为主，各月均有中、大浪发生；常浪向和强浪向均为ESE向；特征波高之间、特征周期之间、特征波高和特征周期之间存在一定的转换关系。Abstract: An observation station was set up in the offshore area of Yangjiang for wave field observation, and the collected measured wave data from June 2016 to May 2017 were analyzed and studied. The results show that during the annual observation period, the average and maximum wave height of 1/10 large waves are 1.18 m and 6.54 m, the average and maximum significant wave height are 0.94 m and 5.31 m, and the average period is 4.3 s. The largest wave process was caused by Typhoon Sarika. In this study area, the slight sea appeared the most frequently, and the moderate sea and rough sea occasionally presented monthly. Both the constant wave direction and the strong wave direction were ESE. Moreover, the transformations among characteristic wave heights and characteristic wave periods were obtained.
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图 1 台风“莎莉嘉”登陆时实测波面过程
Figure 1. Wave surface process diagram measured by observation station at Typhoon Sarika landfalling
图 2 波高特征值月变化过程曲线
Figure 2. Monthly variation process of characteristic value of wave height
图 3 几种特征波高线性关系拟合图
Figure 3. Regression relation between different characteristic wave heights
图 4 几种特征周期线性关系拟合
Figure 4. Regression relation between different characteristic wave periods
图 8 四季H1/10玫瑰图
Figure 8. Wave height rose chart of the one-tenth of larger waves in the four seasons
表 1 观测站波浪特征统计
Table 1. Statistic table of wave characteristics of the observation station
波浪特征值 2016年 2017年 周年 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 Hmax月最大/m 2.92 3.88 4.55 2.73 7.95 3.87 3.93 3.89 3.56 3.04 3.77 2.79 7.95 对应周期/s 5.3 8.0 8.7 7.3 17.3 4.7 8.0 7.3 7.3 6.0 8.7 5.3 17.3 对应波向/° 153 159 172 156 123 87 125 112 122 109 137 111 123 H1/10月最大/m 2.26 2.80 3.51 1.84 6.54 2.75 2.93 2.71 2.44 2.28 2.81 2.19 6.54 H1/10月平均/m 1.07 0.97 0.89 0.86 1.36 1.43 1.65 1.51 1.35 1.19 1.06 0.79 1.18 H1/3月最大/m 1.76 2.24 2.81 1.50 5.31 2.20 2.30 2.20 2.04 1.83 2.20 1.75 5.31 H1/3月平均/m 0.79 0.78 0.71 0.69 1.09 1.14 1.32 1.21 1.08 0.95 0.84 0.63 0.94 Tz月最大/s 5.3 6.1 6.7 8.8 9.6 6.5 6.6 6.6 6.3 7.0 6.9 5.38 9.61 Tz月平均/s 3.6 3.8 4.2 4.2 4.5 4.6 5.0 4.9 4.7 4.4 4.2 3.61 4.3 
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表 2 观测站逐月最大波高及对应波向、周期统计
Table 2. Statistic table of the monthly maximum wave height of the observation station and the corresponding wave direction and period
年月 最大波高/m 对应波向/（°） 对应周期/s 出现日期时刻 2016-06 2.92 SSE 5.3 2016-06-30 07：00 2016-07 3.88 SSE 8.0 2016-07-27 01：00 2016-08 4.55 S 8.7 2016-08-19 00：00 2016-09 2.73 SSE 7.3 2016-09-13 14：00 2016-10 7.95 ESE 17.3 2016-10-18 12：00 2016-11 3.87 E 4.7 2016-11-23 21：00 2016-12 3.93 SE 8.0 2016-12-24 15：00 2017-01 3.89 ESE 7.3 2017-01-12 13：00 2017-02 3.56 ESE 7.3 2017-02-03 11：00 2017-03 3.04 ESE 6.0 2017-03-15 14：00 2017-04 3.77 SE 8.7 2017-04-04 02：00 2017-05 2.79 ESE 5.3 2017-05-21 02：00
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表 3 几种特征波高的比值系数
Table 3. Ratio coefficients between different characteristic wave heights
系数 瑞利分布 日本沿海 杭州湾海域 响水近海 阳江海域（本文） H1/3/Hmean 1.598 1.588 1.58 1.530 1.587 H1/10/H1/3 1.271 1.274 1.26 1.229 1.257 Hmax/H1/3 1.628 1.653 1.70 1.655 1.663
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