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基于原位中水波测量和NCEP/CFSR风数据的海岛保护近海区域观测
摘要：在这一研究中，研究了风浪、涌浪和海岸风的模式，以解释在印度西海岸的岛屿附近的岛屿附近海岸地区的海洋状态的时间多样性。根据海浪能量比(SSER)标准和逆波龄(IWA)标准对海洋状态进行了分析。SSER的估计遵循通过部署一个方向性波浪浮标测量的原位中间水波的一维光谱分裂。根据测量的海浪和国家环境预测中心(NCEP)的气候预测系统(CFSR)风数据，然后通过对自动气象站(AWS)风数据的验证，对IWA进行了估计。此外，使用风浪模型SWAN（模拟海浪近岸）来检查近海岛屿内及周围的波浪变换。 NCEP / CFSR风资料展示了海风和陆风，并且也表明了海风期间与AWS风资料的良好相关性。观测结果显示，SSER标准比IWA标准在解释近岸海域的海洋状态方面更为实用，海岸带的多样性显着依赖于共存海浪和涌浪比例的变化。 SWAN模型表明，岛屿避风港近岸区域的波浪传播和转换受到海浪向相关岛屿方向的显着影响，SWAN模型中的模拟波浪特征被发现在参数边界条件下更加可靠。此外，研究表明除了单点观测以外，模拟是一个必要的任务，以便了解岛屿避风港近岸区域的表面波传播和变换。
关键词：地表重力波·风海·浪 ·逆波龄·海水膨胀能量比·SWAN
- 介绍
毫无疑问，由于沿海环境上的广泛和开放的相互作用，对近海区海洋状态的解释至关重要。因此，将海面波浪参数化为风海和涌浪是规划海岸保护的必要条件。蒙克（1951）将海面波称为重力波，周期范围从1〜30 s，其中风和海浪通常在〜9 s（Pond and Pickard 1983）或约10 s （Portilla等2009），但分离期可能因海洋 - 大气相互作用而异。基于在30分钟间隔期间记录的数据，已经在波谱中对海面重力波（以下称为“波浪”或“合成波”）中的风海和隆起进行了数值分析。但是，间隔可以根据观察者的选择而变化。 Soukissian（2014）将有效波高计算为在20分钟间隔内测量的三分之一最大波高的平均值，并将海态测量的间隔记录为1 h。通常，根据相对于特定频带的能带，可以将波谱识别为单峰或双峰谱。当海面在记录间隔期间受到海风或海浪能量的支配时，可以在波谱中观察到单峰谱。当海风和海浪的能量都很大时，可以观察到一个双峰谱，并且可以将相应的峰值频率与彼此进行可测量的分离。此外，根据海洋 - 大气相互作用和/或风浪和涌浪的相对强度，海洋状态可以分类为波浪驱动的风力状态（涌浪），风力驱动的波浪状态（风浪） ，或混合制度（混合浪）（哈里斯1966年）。
针对这些现象，Donelan等人（1985）和Hanley等人（2010）通过计算反波龄（IWA）对海况进行分类，而Rodriguez和Guedes Soares（1999）通过计算海浪能比（SSER）对海况进行了分类。这两个概念都很好地衍生于开阔的海洋，开阔海洋的风风和风浪通常在短时间内是单向的，并且在季节性的范围内它们逐渐变化。然而，在沿海地区，由于海风和陆风的成功存在，时空风场以及随后的风浪会频繁变化（Pattiaratchi等人1997）。此外，虽然风和海浪因此传播到一个岛屿避难的海岸环境，但是由于没有风力或在存在无效风的情况下，在岛屿的背风区可以观察到显着的波浪衍射，那里的一些海浪将直接传播到海岸而不受岛屿的阻碍。与岛屿相距一定距离，在被称为波浪相互作用的衍射波，折射波和非遮挡波之间可以观测到波浪干扰。当风从陆地吹向海洋（称为陆风）时，它可以在近岸区域产生海浪，浪的高度取决于可用的取道。与此同时，传播到海岸的涌浪将被陆风阻挡。根据风的强度，可以观察到以风浪为主或以涌浪为主的海况。这些现象表明，沿海地区海面的表现与风海和膨胀系统都有很大关系。因此，有关风浪和涌浪的信息以及由此产生的波对于海岸保护措施至关重要。此外，这些物理过程在岛屿避难的海岸环境中无疑是复杂的，其结果是非均匀的测深结构。
图1 研究区地形特征，包括波浪浮标和自主气象站的位置。
陈等人（2005）报道说，从开阔海洋到浅水区域的波浪通过变浅，折射，衍射以及局部产生的风浪进行改变。因此，在这项研究中，波浪参数是在频谱分析后进行的，其中IWA和SSER用于评估印度西海岸卡尔瓦尔附近的一个岛屿避风港近岸海域的海况（图1） 。此外，印度西海岸的海洋 - 大气过程的季节变化丰富，在季风前期（2月至5月），夏季风期间（以下简称“季风”，6月至9月）以及季风后季（10月至1月）。在季风期间，波浪主要受到涌浪的影响（Aboobacker等人2011a; Chempalayil等人2012; Glejin等人2013; Kumar等人2012），局地风在近岸波浪的产生中起着重要作用季风期前后（Aboobackek等人2011a; Vethamony等人2011）。此外，据观察，在季风期间西南部的涌浪很活跃（Kumar等人2012），并且在后季风期间西北部的夏马涌浪到达印度西海岸（Aboobacker等人2011b）。然而，在印度西海岸近岸区的季风前期，涌浪和风海都有相同的贡献（Aboobacker等人2011a）。因此，这项研究进一步扩展，以研究卡瓦尔附近海岛附近海域的海洋状态的季节多样性和日变化，其中波浪传播和在海上岛屿周围的变换用风浪模型分析。
- 材料和方法
卡尔瓦尔是印度西海岸潜在捕鱼区之一，也是一个受欢迎的旅游景点，它被六个离岸岛屿庇护：（1）Kurmagadgudda，（2）Shimisgudda（Sungniri），（3）Devgadgudda，（4） ）Mandalgudda，（5）Karkaigudda和（6）东岛。这些岛屿显示在海军（国家）水文局图表2008号图表（见图1）。这片沿海地区的东侧受西高止山脉山脉的限制，而阿拉伯海则沿西侧延伸。卡利河起源于西部的高止山脉，从卡尔瓦尔流入阿拉伯海，海岸线宽约0.8公里。卡尔瓦尔的平均潮差在大潮期间为1.58米，在小潮期间为0.72米，潮汐主要是半日潮和混合潮（ITT 2008）。 Kumar和Kumar（2008）报道该研究区域的有效波高（Hm0）高达5.7米。根据Davies的分类（Davies1964）和Short的标准（Short 2006，2012），波浪和潮汐共同表明研究区位于微潮（潮差lt;2 m）波浪控制的海岸。
在本研究中分析的海浪在2008年至2010年连续三年在74°0604“E和14°4956”N（水深，d = 7m）（图1）的近岸Datawell定向波浪浮标（NWB）。该波浪浮标是一个0.9米直径的球形浮标，包含三个取向（一个垂直和两个水平）的加速计，从中获得垂直（向上和向下）和水平（东西向和南北向）位移（Barstow和Kollstad 1991）。位移数据在1.28Hz的频率下连续记录，每30分钟记录一次。每隔200 s收集大约256个沉浮样本，应用快速傅立叶变换（FFT）获得0.025至0.58 Hz频率范围内的频谱。对连续1600秒的连续八个频谱进行平均，以获得平滑的半小时波谱。波特性是从光谱矩中获得的，而n阶谱矩（mn）如式1。
（1）
其中E（f）是频率f处的频谱能量密度，df是频率间隔，并且n = 0,1,2（Cartwright和Longuet-Higgins 1956）。 有效波高（Hm0）和平均波周期（Tm02）用方程 2和3估算。
（2）
（3）
其中m0和m2分别是零阶和二阶谱矩。 光谱峰值周期（Tp）在波谱中定义为对应于最大光谱能量密度[E（fp）]的周期。 用峰值频率（fp）对应的倾向波动方向（Dp）和方向波传播（DSPR）其中m0和m2分别是零阶和二阶谱矩。 光谱峰值周期（Tp）在波谱中定义为对应于最大光谱能量密度[E（fp）]的周期，峰值频率（fp）对应的倾向波动方向（Dp）和方向波传播（DSPR）基于圆形模型（Kuik等，1988）用方程 4和5估算。
（4）
（5）
其中，a1（fp）和b1（fp）是方向分布函数的傅立叶系数，它们与光谱的关系可以由方程 6和7得出。
（6）
（7）
其中C和Q分别表示共谱和四谱，n，w和v分别为北，西和垂直位移。合成波中的风浪和涌浪比例根据Portilla等人（2009）的方法分离。该方法基于一维分离算法，其假定涌浪系统的峰值频率的能量不能高于具有相同峰值频率的Pierson-Moskowitz谱（PM）的值。它计算波系统的峰值能量与相同频率下PM谱的能量之间的比率（gamma;*）。如果gamma;*高于阈值1，则认为该系统代表风浪;否则，它被认为是一个涌浪。通过对各个光谱部分进行积分来计算风浪和涌浪的参数。遵循这些规范流程，基于IWA和SSER对海况进行了检验。由Donelan等人（1985）推导的IWA被称为“无向IWA”（以下简称IWAnd），而独立于风与波之间的相对角度的概念被Hanley等人（2010）称为“定向IWA”（以下称为IWAd），并由方程8和9给出。
（8）
（9）
其中U10是距离海面10米高度处的风速，Cp（= gTp /2pi;）是峰值相位快速性，theta;是风和波之间的相对角度（度）。 当风向和波浪方向完全同相时，cos（theta;）变为1，两个公式的IWA值相同。 当风和波的方向完全不同相时，cos（theta;）变为-1。
一个任意的例子被认为展示了基于IWAnd和IWAd的海洋活动的一个特殊的案例研究，其中Cp等于U10并且相对角度（theta;）在0到180°之间以1 °为间隔（图2）。 在这种情况下，IWAnd仅通过风浪显示海洋状态，而IWAd显示了风浪，涌浪和混合浪的海洋状态。 因此，在卡尔瓦尔岛外的岛屿避风港近岸区域检查了两种估算沿海海况的公式的可靠性。
表1给出了基于IWAnd和IWAd（分别由Donelan等（1985）和Hanley等（2010）导出）的海况分类。高时空分辨率风资料（每小时0.5°times; 0.5°），国家环境预测/气候预测系统再分析中心（NCEP / CFSR）数据（Saha等人2010）用于估算IWAd。 NCEP / CFSR（以下简称CFSR）风资料是用自2009年2月至2010年1月的1年期间自动气象站（AWS）在74°0755“E和14°5048”N处测得的数据进行验证的。根据CFSR风资料的纬向（x坐标）和经向（y坐标）分量计算风速和风向。气象学习惯用于呈现风和波浪数据的方向（对于北方的风/波来说是0°和360°，东方的是90°，南方是180°，西方是270°） 。本文报道的测量结果是在协调世界时（UTC）中进行的。当地印度标准时间（IST）比UTC时间早5.5小时。在IWA之后，根据Rodriguez和Guedes Soares（1999）推导的SSER估算海洋状况，该估算方法在公式10给出。
（10）
其中m0，wi和m0，ws是波谱中光谱能量风浪和涌浪比例的。
基于在SWAN（模拟海岸近岸）模型41.01版（Booij等，1999）中模拟的海浪，在岛屿避风港近岸区内及其周围进行了波传播和变换的典型观测。 SWAN运行是在位于印度果阿的CSIR国家海洋学研究所的高性能计算（HPC）系统中执行的，它提供了在74°0311“E和14°4917“N（水深，d = 15米）（图1）的海上Datawell定向波浪浮标（OWB）测量的边界波条件。 CFSR风资料与AWS风资料的比较，以及SWAN模拟的资料用相关系数（R）和BIAS检验了测量的NWB数据的波动参数。
- 结果及讨论
3.1风模式
AWS数据中风向的时间变化表明，在季风前和季风后期，陆风和海风都是连续存在的，而季风期间没有这种海岸
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