海南岛东部海域波浪特征与热带气旋诱发波浪谱演化的观测研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Observed Wave Characteristics and Tropical-Cyclone-Induced Spectral Evolution East of Hainan Island

　　

区域波浪条件的全面理解对于结构设计、作业安全及海洋灾害防治日益重要。海南岛东部较深离岸海域的连续方向波浪观测仍然有限。本研究利用在约120 m水深处采集的九个月方向波浪观测资料，研究了海南岛东部海域的波浪特征及热带气旋诱发的波浪谱演化。月平均有效波高H1/3介于0.80至2.81 m之间，观测到的最大H1/3为4.56 m；月平均有效波周期T1/3介于5.01至8.61 s之间，以ENE向和E向波浪为主。基于ERA5的基准海况分类显示涌浪主导的混合海况占主导地位（58%），尽管±1 RMSE风速扰动显著改变了各类别比例。相比之下，纯风浪在所有敏感性情景中始终表现出最强的风浪方向一致性，68.4–75.5%的案例位于22.5°以内，95.2–97.1%位于45°以内。在影响研究区域的两个热带气旋中，热带风暴马力斯（Maliksi）产生的局地波浪响应强于强热带风暴派比安（Prapiroon），平均H1/3分别为2.06 m和1.49 m。在Maliksi期间，谱密度在0.10–0.12 Hz附近显著增强，而风暴前的双峰谱演变为更强且方向更集中的主峰成分。这些发现为海南岛东部海域的波浪变率及热带气旋诱发的波浪谱演化提供了站点尺度的观测证据，为区域波浪表征和波浪模式评估提供了参考。

海南岛东部海域波浪观测研究解读

一、研究背景与科学问题

南海北部海域具有显著的季节性和事件尺度风浪变化特征，区域波浪气候受季风强迫和热带气旋的共同影响，在波高、周期和方向上均表现出显著的时空变率。随着南海北部海上风电场、油气平台、海上运输等海洋工程活动的持续发展，对区域波浪条件的全面理解已成为结构设计、作业安全和海洋灾害防治的关键需求。特别是热带气旋生成的大浪会对海上结构物产生显著载荷，其精确表征在工程应用和波浪预报中仍是一项重大挑战。

尽管数值模拟、再分析产品和卫星观测已广泛用于波浪研究，但直接现场观测对于刻画局地波浪条件和评估波参数间的统计关系仍具有不可替代的价值。已有研究在台湾海峡、珠江口、海口湾、三门湾等海域开展了浮标观测，但海南岛东部较深离岸海域的连续方向波浪观测仍然十分有限。此外，热带气旋可迅速改变背景波浪场，仅依靠整体波参数无法完整反映风暴响应，还需通过谱分析解析波浪能量分布的变化。因此，开展海南岛东部约120 m水深海域的长历时方向波浪观测，对于补充卫星和模式产品、区分区域离岸波浪特征与短风区近岸环境具有重要的科学意义。

二、研究内容概述

研究人员利用Datawell方向波浪骑士MkIII浮标，在海南岛东部约120 m水深海域开展了自2023年12月至2024年8月共九个月的连续方向波浪观测。研究首先分析了月尺度和总体波高、周期及方向特征，描述了区域波浪环境；随后评估了特征波高与波周期参数间的统计关系，并与国内外其他海域进行了对比；在此基础上，对观测期间影响研究区域的热带风暴Maliksi和强热带风暴Prapiroon进行了对比分析，并重点对Maliksi进行了时间序列和谱演化的详细研究。研究还利用ERA5再分析风场进行了海况分类，并通过ASCAT卫星风场验证和±1 RMSE风速扰动敏感性试验评估了分类结果的稳健性。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：利用Datawell方向波浪骑士MkIII浮标（采样频率3.84 Hz，数字滤波后降采样至1.28 Hz）获取海面位移记录，基于零上跨法提取个体波浪并计算统计波参数；采用256点快速傅里叶变换（FFT）进行波浪谱分析，通过余弦窗平滑和分段平均获得半小时输出周期的波浪谱；利用Chu等提出的无量纲参数（逆波龄参数β_inv和量纲一波高参数H*）进行风浪与涌浪分类；基于ERA5再分析风场与MetOp-B和MetOp-C ASCAT Level-2海岸风观测的匹配验证，开展RMSE风速扰动敏感性试验。

四、主要研究结果

整体波浪环境特征。 观测期间月平均有效波高H_1/3介于约0.80至2.81 m，九个月均值约为1.40 m；月平均有效波周期T_1/3介于约5.01至8.61 s，月均值平均为6.29 s。较高波浪主要出现在观测期前期（12月和1月），春夏季节波高相对较低，8月月均H_1/3最低。波浪方向以ENE向（约25.6%）和E向（约18.8%）为主。ERA5有效波高与浮标H_1/3的对比显示相关系数R=0.941，偏差0.062 m，RMSE为0.257 m；ERA5平均波周期与浮标T_1/3的对比显示R=0.820，偏差?0.188 s。H_1/3与T_1/3的联合出现分布显示，最频海况对应H_1/3约1.12 m、T_1/3约5.75 s，主要分布区间为H_1/3=0.5–2.0 m和T_1/3=4.5–7.0 s。

海况分类与风浪方向一致性。 基于ERA5基准风速，涌浪主导的混合海况占比最大（58.0%），其次为纯风浪（23.4%）和风浪主导的混合海况（16.8%）。ASCAT–ERA5风速验证显示R=0.924，偏差?0.191 m s^?1，RMSE为1.066 m s^?1。±1 RMSE风速扰动敏感性试验表明，分类比例对风速扰动高度敏感：U₁₀?RMSE情景下涌浪主导混合海况增至77.7%，而U₁₀+RMSE情景下纯风浪成为最频类别（39.6%）。然而，纯风浪在所有敏感性情景中均表现出最强的风浪方向一致性，68.4–75.5%的案例位于22.5°以内，95.2–97.1%位于45°以内，这一相对特征保持稳健。

波参数统计关系。 通过线性回归拟合，H_1/3与H_mean、H_1/10与H_1/3、H_max与H_1/3的回归斜率分别为1.586、1.249和1.695；T_1/3与T_mean、T_1/10与T_1/3、T_max与T_1/3的回归斜率分别为1.252、1.016和1.011，相关系数分别为0.954、0.981和0.803。这些系数与Longuet-Higgins、Gao等及Liu等报道的数值总体一致，处于已有研究范围之内。

热带气旋波浪响应与谱演化。 热带风暴Maliksi距离观测站更近（51.7 km vs 238.2 km），产生了比强热带风暴Prapiroon更强的局地波浪响应：平均H_1/3分别为2.06 m和1.49 m，最大个体波高分别为6.62 m和5.19 m。在Maliksi期间，谱密度在约0.10–0.12 Hz频段显著增强，最大谱密度达约20.3 m² Hz^?1，较风暴前增大约十倍。风暴前呈现明显的双峰谱结构（次峰与主峰谱密度比约65–90%），风暴最强影响期间主峰显著增强且次峰大幅减弱（S₂/S_p＜0.17），主峰对应平均波向从约67.5–83.0°显著转向约188.4–201.1°，方向扩展度从24.2–47.9°减小至17.9–29.8°，表明波浪场演变为更强且方向更集中的主峰成分。风暴过后谱密度回落，次峰成分重新显现，多峰结构部分恢复。

五、讨论与结论

讨论部分指出，海南岛东部海域的风浪方向关系与粤东离岸海域存在差异，本站位涌浪主导混合海况比例（58%）高于Liu等报道的粤东海域（37.8%），但敏感性试验表明精确的类别比例依赖于分类所用风速，区域间定量差异需谨慎解读。研究结论可概括为：（1）观测海域波浪环境具有明显的时空和方向变率，月均H_1/3介于0.80–2.81 m，T_1/3介于5.01–8.61 s，ENE和E向波浪占主导；基准ERA5分类显示涌浪主导混合海况占优，但类别比例对±1 RMSE风速扰动敏感，纯风浪的风浪方向一致性在所有情景中保持最强。（2）建立了海南岛东部离岸观测点特征波参数间的经验线性关系，波高回归斜率分别为1.586、1.249和1.695，波周期回归斜率分别为1.252、1.016和1.011。（3）热带风暴Maliksi产生的波浪响应强于Prapiroon，Maliksi期间谱密度在0.10–0.12 Hz显著增强，风暴前多峰谱结构演变为方向更集中的主峰系统，主峰平均波向发生显著转向且方向扩展度在风暴最强影响期间减小、风暴过后重新增大。研究同时指出，观测仅覆盖九个月、单一站点等局限性，建议通过多站长历时观测进一步评估区域代表性。