南海近10年的波候及波浪能特征分析

南海近10年的波候及波浪能特征分析

0南海海洋资源的开发将成为关注的焦点作为“第二波斯湾”的名字，存储不足且无法利用的能源资源（如波能、潮汐能量、温差能量、海流能量、盐差能量等）。海洋资源的开发利用将成为重点。南海属于台风多发海域,并处于季风变换带,岛屿和暗礁众多,海浪特征复杂。深入研究南海的波浪及波浪能特征,对海洋能开发、航海、海洋工程、军事、国防都具有极为重要的意义。1数据收集1.1发挥氧化尔雅-iii采用具有较高时空分辨率的QuikSCAT/NCEP(简称QN)混合风场来驱动WAVEWATCH-III(简称WW3)。所谓QN混合风场,即对卫星散射计(QuikSCAT)观测数据和全球天气中心(NCEP)分析数据的时空混合分析结果,其空间分辨率为0.5°×0.5°,每6h一次数据。1.2浮标与卫星高度计对比将TOPEX/Poseidon(简称T/P)高度计的海浪观测资料视为实测资料。已有研究表明,卫星高度计的有效波高观测值基本接近浮标观测值,有效波高的误差小于10%。由于我国浮标观测资料不足,而卫星高度计具有较高精度。因此,本文将模式计算出的有效波高结果与卫星高度计的风浪观测资料作对比分析。2模式2.2回归系数计算时间模式所选取计算范围为0°~30°N,95°~125°E,分辨率取0.2°×0.2°,计算时间从1999年8月1日00∶00~2009年7月31日18∶00。模式计算时间步长取为900s,每10800s输出一次结果。为提高运行效率,采用并行计算。3数据筛选和结果分析3.1模拟能力的培养研究表明WW3模式对南海的海浪场具有较好的模拟能力。将本文的模拟结果与T/P高度计观测的有效波高进行比较,发现模式结果具有较高精度,在此省略具体验证过程。3.2季节和季节动态为了便于观察风向和波向,将风向和波向均取单位矢量,以背景色的深浅表示风速和波高的大小,如图1、图2。春季:大部分区域的风向以东-东北风为主,泰国湾除外,该区域以南-东南风为主;南海北部的波向以东-东南向为主,南部以偏东为主,泰国湾以偏西为主。风速与波高的大值中心的分布较一致,基本集中在东沙群岛附近海域,该区域春季的平均风速在3.0~5.0m/s,平均波高在1.2~1.3m。夏季:受西南季风的影响,20°N以北,以南-东南风为主,20°N以南,以南-西南风为主;整个南海的波向均以西南向为主,波向与风向大体吻合较好。风速大值中心位于西卫滩(约110°E,10°N)附近海域,约为7.0m/s,波高大值中心位于郑和礁(约114°E,12°N)附近海域,约为1.6m,波高大值中心比风速大值中心偏北。秋季:该季节和春季同属季风变换季节,由图1c可看出,此时,南海中部和北部已转东北风,南海南部的西南季风并未完全消失;波向与风向则出现较大差异,该季节的波向以偏西向为主。风速大值中心位于台湾海峡,约为9.0m/s;波高大值中心位于东沙群岛附近海域,约为2.2m。冬季:受东北信风的影响,南海大部分海域均以东北风和东北向的浪为主,泰国湾除外,泰国湾以偏东风和偏西的浪为主。风速和波高的大值中心吻合较好,大致呈东北-西南走向,主要有两个大值中心:东沙群岛附近海域和西卫滩附近海域,东沙群岛附近海域的风速在10.0~11.0m/s,波高约为2.7m,西卫滩附近海域的风速在9.0~10.0m/s,波高在2.4~2.7m。3.3海表风场、浪场与nino3指数的相关性分析厄尔尼诺现象导致的风暴潮、海浪、海啸、赤潮、海冰等海洋灾害对我国沿海的影响极大。不仅如此,厄尔尼诺现象与灾害、疫病的发生和人群死亡率增加有密切关系,其带来的干旱常引发粮食危机,还会增加疾病传播的风险,对人类的影响非常大。本文将南海1999年8月~2009年7月的海表风速、有效波高进行逐月平均,分别得到各要素132个时次的月平均值,分析海表风场、浪场与nino3指数之间的相关性。关注厄尔尼诺与海表风速、海浪的关系,对防灾减灾极为重要。nino3指数:nino3区(150°W~90°W,5°N~5°S)SST(海表温度,SeaSurfaceTemperature)的区域平均值。由图3可见,整个南海的海表风场、浪场与nino3指数有非常密切的关系。整个南海的海表风场与nino3指数均呈负相关,北部海域的相关性比南部好,中部海域的相关性比近岸好,相关性最好的区域在中沙附近海域,相关系数约为0.5,南部海域基本在0.3~0.4,低值区位于北部湾、泰国湾、曾母暗沙附近海域;整个南海的浪场与nino3指数均呈负相关,基本在0.3~0.5,其中东部海域的相关性好于西部海域。上述相关系数均通过了95%的信度检验。3.4极值波高区域分布由于波浪能的开发与利用、海洋工程设计、航海等都非常关注极值风速和极值波高,本文利用1999~2009年共10年的Q/N风场资料和模拟的有效波高,采用Gumbel曲线法推算南海50年一遇和100年一遇的极值风速、极值波高。从图4可看出,极值风速与极值波高的分布较一致,无论极值风速还是极值波高,南海北部均远大于南海南部。50年一遇和100年一遇极值风速、极值波高的大值区都出现在西沙群岛附近海域(海南岛东南部海域)、东沙群岛附近海域(海南岛东部、台湾西南部海域)、台湾以东海域。这些海域50年一遇极值风速约为40m/s,100年一遇极值风速约为45m/s;50年一遇极值波高约为12m,100年一遇极值波高约为14m。南海中部50年一遇极值风速在25~30m/s,100年一遇极值风速约为35m/s;50年一遇极值波高约为10m,100年一遇极值波高在10~12m。南海南部海域的极值风速和极值波高均较小,50年一遇极值风速约为20m/s,100年一遇极值风速在20~25m/s;50年一遇和100年一遇极值波高在4~8m。结论与文献的结果相近,只是大值中心的分布不完全相同。3.5不同岛试验研究本文按照Kinsman(1965年)的公式,一个严格正弦波单位波峰宽度的波浪功率为:式中,H1/3———1/3有效波高;Tp———谱峰周期;将南海近10年的波浪能流密度做季平均,得到四季分布特征。我国的波能开发较晚,始于1975年在浙江省嵊山岛试验。传统观点认为我国沿海波浪能流密度为2~7kW/m,这只是大概估计,本文经过精确计算发现我国南海的波浪能被低估,如图5所示,我国南海具有丰富的波能。春季,波浪能流密度的大值中心位于东沙群岛东南部海域,在9~11kW/m,南部海域在3~6kW/m,曾母暗沙附近海域较低,在1~2kW/m。夏季,呈东北-西南走向,从台湾南部海域延伸到永暑礁附近,约为9~13kW/m,曾母暗沙附近海域仍在1~2kW/m。秋季,南海大部分海域的波浪能流密度在9~27kW/m,大值中心位于东沙群岛附近海域,为21~27kW/m,曾母暗沙附近海域较低,约为3kW/m。冬季,南海的波浪能流密度为四季中最大,基本在15~35kW/m。3.6波浪能流密度特征在波浪能的评估中,能流密度不同能级出现的频率是衡量能量丰富程度的一个重要标准,通常认为能流密度大于2kW/m时为可用。本文对模式输出的1999~2009年逐3h的海浪资料进行统计,发现南海波浪能流密度大于2kW/m出现的频率较高,大部分海域在70%以上,南部海域在40%~60%。大部分海域波浪能流密度大于4kW/m和大于6kW/m出现的频率也较高,基本在50%以上,如图6所示。由此也可见南海蕴藏着丰富的波浪能。3.7浮波能流密度的季节动态在波浪能的评估中,不仅关注一定等级能流密度出现的频率,也非常关注能流密度的稳定性,越稳定,越有利于波浪能的采集与转换。本文通过计算变异系数Cv(Coefficientofvariation)来判断波浪能流密度的稳定性。由图7可看出,一年中南海大部分海域的变异系数基本均在0.40以内,也就是说,南海的波浪能流密度具有较好的稳定性,大部分海域均极有利于波浪能的开发与利用。1月份,稳定性为四季中最好,在0.30以内;4月份,稳定性较其他月份稍差,大部分海域在0.30~0.40,海南岛东南部海域的稳定性稍差,在0.40~0.60;7月份,大部分海域的稳定性较好,变异系数为0.20~0.40,台湾附近海域的稳定性稍差,在0.50~0.60;10月份,大部分海域的变异系数在0.20~0.40,稳定性较好,泰国湾的变异系数在0.50~0.60,稳定性稍差。总体来说,南海波浪能流密度的稳定性较好。4南海的表风场、海藻场与nino3指数的关系1)从风向和波向都可看出,南海为明显的季风变换带,春季、夏季、冬季的波向和风向对应较好,秋季次之;风速和波高的分布四季都较接近;南海的浪场与海表风场的相关性较好,南海南部的浪场对风场的响应比南海北部更为显著;2)南海海表风场、海浪场与nino3指数存在显著的负相关;3)南海北部的极值风速和极值波高远大于南海南部,大值区的50年一遇极值风速约为40m/s,100年一遇极值风速约为45m/s;50年一遇极值波高约为12m,100年一遇极值波高约为14m;4