合成風(fēng)場作用下的近海重現(xiàn)期波要素分析

沈旭偉，陳國平，嚴(yán)士常，徐耀飛,周 雅

（河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點實驗室，江蘇南京210098）

合成風(fēng)場作用下的近海重現(xiàn)期波要素分析

沈旭偉，陳國平，嚴(yán)士常，徐耀飛,周 雅

（河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點實驗室，江蘇南京210098）

運用第三代海浪模式SWAN，分別將臺風(fēng)模型風(fēng)場、美國NCEP風(fēng)場、合成風(fēng)場作為其驅(qū)動風(fēng)場，與實測值比較發(fā)現(xiàn)：合成風(fēng)場優(yōu)于另外兩種風(fēng)場，在臺風(fēng)中心和遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心地帶模擬效果都較好。故選用合成風(fēng)場作為驅(qū)動風(fēng)場，對1982—2015年間影響東南沿海的210個臺風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬推算，進(jìn)行P-Ⅲ曲線擬合分析，與測站實測資料符合良好。在此基礎(chǔ)上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖，可為近海工程環(huán)境評估和設(shè)計提供參考。

SWAN模型；合成風(fēng)場；東南沿海；重現(xiàn)期波高

1 引言

中國東南沿海受臺風(fēng)影響嚴(yán)重。一方面，臺風(fēng)引起的巨浪會對沿岸的人民產(chǎn)生巨大的影響，造成重大的海難事故和海洋工程的破壞。另一方面，中國南部沿海每一項海岸或海洋工程研究，也均需要了解所在海域的波浪狀況。在人類對海洋的開發(fā)利用進(jìn)入空前迅猛發(fā)展的時代背景下，了解東南沿海海域在臺風(fēng)期間的波浪環(huán)境，對重點海域的臺風(fēng)浪進(jìn)行正確預(yù)報，對于東南沿海地區(qū)人們的生命財產(chǎn)安全和工程的興建具有重要意義。

風(fēng)場模型千差萬別，主要分為3類：第一類是理論氣壓模型，計算簡單但不能較好反映海面真實氣壓分布[1]；第二類是經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚2]，較為靈活但受時空限制，較難確定經(jīng)驗參數(shù)；第三類是半經(jīng)驗半理論公式，發(fā)展還不夠成熟。目前海浪的長期分布仍不清楚，對于多年一遇的極大值波高的推斷，通常選擇適線法擬合，所選樣本越多，推算結(jié)果越可靠。因此，選擇一個適合東南沿海的臺風(fēng)風(fēng)場模型，進(jìn)行長時間序列的數(shù)值模擬，將獲得更準(zhǔn)確的預(yù)報結(jié)果。本文分別將臺風(fēng)模型風(fēng)場、美國NCEP風(fēng)場、合成風(fēng)場作為其驅(qū)動風(fēng)場，與測站實測波高進(jìn)行比較，選取合適的風(fēng)場對1982—2015年間共計34 a影響東南沿海的210個臺風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，P-Ⅲ曲線[3-4]推算東南沿海的重現(xiàn)期的特征波要素，與觀測資料對比，分析結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，建立東南沿海重現(xiàn)期的波高等值線波高圖，可為近海工程的環(huán)境評估和設(shè)計提供參考。

2 海浪模式

2.1 海浪模式簡介

海浪的數(shù)值預(yù)報始于20世紀(jì)50年代，1957年Gelci等基于二維波譜能量傳播方程建立的數(shù)值模式。隨著對各種物理過程描述的不斷深入和參數(shù)化形式的不同，模式經(jīng)歷了第一代到第三代的演變，其中荷蘭Delft理工大學(xué)所建立的SWAN（Simulation WAve Nearshore）模型[5]就是第三代數(shù)值海浪模式的杰出代表，并且研究成熟，應(yīng)用廣泛[6-8]。

2.2 參數(shù)設(shè)置

模式運行所選用的地形資料來自于美國國家海洋大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）公布的ETOPO1全球地形數(shù)據(jù)集，分辨率為1′×1′。模式的計算范圍為105°—120°E、12°—25°N，空間分辨率為2′×1′，網(wǎng)格點數(shù)451×781；時間步長為10 min；頻率的計算從0.04—1 Hz，以指數(shù)分布劃分為34個；方向的分段為32個，分辨率為11.25°。輸出區(qū)域與計算區(qū)域范圍相同，按1 h的時間間隔輸出模擬數(shù)值。

3 資料與方法

3.1 風(fēng)場簡介

3.1.1 臺風(fēng)模型風(fēng)場

臺風(fēng)的模型風(fēng)場表達(dá)式如下：

式中：Vg是梯度風(fēng)速，采用Myers圓對稱模型公式[9]；Vt是移行風(fēng)速，采用宮崎正衛(wèi)公式[10]；c1和c2為訂正系數(shù)，根據(jù)大量資料，c1取0.8，c2取0.5；θ是計算點與臺風(fēng)中心的連線與x軸的夾角；β是梯度風(fēng)與海面風(fēng)的夾角。

圖1 臺風(fēng)路徑及測站位置示意圖

3.1.2 美國NCEP風(fēng)場

該項數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)由NOAA美國環(huán)境預(yù)報中心（NationalCentersforEnvironmentalPrediction，NCEP)研制，由NOAA氣候資料中心（National Climatic Data Center，NCDC）負(fù)責(zé)維護(hù)。資料屬全球大氣、海洋、陸面再分析數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為3 h，時間起自1979年。

3.1.3 合成風(fēng)場

合成方法如下：

式中：VM為臺風(fēng)風(fēng)場，VQ為NCEP風(fēng)場，e為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)Carr III[11]的研究成果，權(quán)重系數(shù)的表達(dá)形式為e=c4(1+c4)，c是考慮臺風(fēng)影響范圍的系數(shù)，c=r nR1。r是計算點至臺風(fēng)中心的距離；R1是根據(jù)經(jīng)驗公式推得的最大風(fēng)速半徑[12]。n為風(fēng)速半徑影響系數(shù)，本文n取5[13]。

3.2 資料簡介

氣壓模型風(fēng)場數(shù)據(jù)是由日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）發(fā)布臺風(fēng)最佳路徑資料獲取（http://www.jma.go.jp/jma/index.html），臺風(fēng)過程的波要素資料由廣東沿海的平海灣站、惠來溝疏站提供，重現(xiàn)期波要素由北部灣內(nèi)的潿洲島站、東方站、鶯歌海站提供。

圖2 0601號臺風(fēng)“珍珠”在不同風(fēng)場模型下的波高過程圖

3.3 模型驗證

分別選取廣東平海灣站（114.73°E、22.57°N）的0601號臺風(fēng)“珍珠”、廣東外海的惠來溝疏站（116.40°E、22.80°N）的0814號臺風(fēng)“黑格比”、0903號臺風(fēng)“蓮花”，位置如圖1所示。將不同風(fēng)場的模擬值與測站實測資料進(jìn)行對比。圖2—4表明，當(dāng)臺風(fēng)中心靠近測站時，即波高最大處，臺風(fēng)風(fēng)場模型和合成風(fēng)場模型對波高的模擬效果較好，NCEP風(fēng)場的模擬值偏小較多。在臺風(fēng)中心遠(yuǎn)離測站時，即遠(yuǎn)離最大波高的兩側(cè)，NCEP風(fēng)場模型和合成風(fēng)場模型對波高的模擬效果較好，而臺風(fēng)風(fēng)場的模擬值偏小較多。

本文引入相關(guān)系數(shù)平均偏差、相關(guān)系數(shù)、均反復(fù)跟誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差這4個統(tǒng)計指標(biāo)用以驗證模型的準(zhǔn)確性和合理性[14-15]。表1—4表明，合成風(fēng)場的偏差平均值為-0.14 m，相關(guān)系數(shù)平均值為0.933；NCEP風(fēng)場的偏差平均值為-0.31m，相關(guān)系數(shù)平均值為0.904；臺風(fēng)風(fēng)場偏差平均值為-0.26 m，相關(guān)系數(shù)平均值為0.854。整體而言，合成風(fēng)場的模擬值與實測值相關(guān)系數(shù)最高，偏差也最小，均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差也最小。

圖3 0814號臺風(fēng)“黑格比”在不同風(fēng)場模型下的波高過程圖

圖4 0903號臺風(fēng)“蓮花”在不同風(fēng)場模型下的波高過程圖

總體上，合成風(fēng)場的數(shù)值模擬結(jié)果與測站的實測資料符合更好，基于合成風(fēng)場的SWAN海浪模式能較好反映出臺風(fēng)過程中北部灣的波要素變化情況。故本文采用美國NCEP風(fēng)場為背景風(fēng)場，將臺風(fēng)模型風(fēng)場與它合成的的風(fēng)場作為驅(qū)動風(fēng)場。

表1 不同風(fēng)場下模擬值與實測值的平均偏差/m

表2 不同風(fēng)場下模擬值與實測值的相關(guān)系數(shù)

表3 不同風(fēng)場下模擬值與實測值的均方根誤差/m

表4 不同風(fēng)場下模擬值與實測值的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差

4 近海重現(xiàn)期波浪要素分析

4.1 P-Ш曲線簡介

P-III型分布的二參數(shù)概率密度函數(shù)形式：

在進(jìn)行P-III曲線求解時，可以通過公式算出樣本的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)，進(jìn)行適量調(diào)整，就可以確定P-Ш曲線。

4.2 資料驗證與分析

在搜集了JMA發(fā)布的臺風(fēng)最佳路徑資料，對1982—2015年北部灣附近的熱帶氣旋進(jìn)行統(tǒng)計分析，共選取210場臺風(fēng)進(jìn)行風(fēng)場推算，臺風(fēng)走向以E-W向居多，得到每場臺風(fēng)在計算區(qū)域內(nèi)的波浪場?！逗８鬯囊?guī)范》[16]作了規(guī)定，當(dāng)選取年極值作為數(shù)據(jù)樣本時，一般采用至少連續(xù)20 a的實測資料。本文選取1982—2015年共計34 a的數(shù)值模擬結(jié)果以及1960—1982年共計23 a北部灣附近的潿洲島站(109.12°E,21.02°N)、東方站（108.62°E,19.10° N)、鶯歌海站（108.68°E,18.50°N）3個測站實測資料，位置如圖1所示。采用P-Ⅲ曲線擬合，分方向進(jìn)行重現(xiàn)期統(tǒng)計分析（見圖5）。重現(xiàn)期波浪驗證采用主波向驗證。重現(xiàn)期統(tǒng)計結(jié)果見表5。

個別模擬結(jié)果的重現(xiàn)期波高與實測資料差距略大，大部分模擬結(jié)果與實測資料差距較小，能夠較好反映出重現(xiàn)期波高特征。從數(shù)據(jù)上，可以發(fā)現(xiàn)潿洲島重現(xiàn)期波高明顯小于東方站和鶯歌海，這是由于在E-W向，臺風(fēng)穿過雷州半島時，會遭到削弱，而在S-N向，臺風(fēng)穿過海南島也會遭到削弱，且潿洲島周圍地形復(fù)雜，對風(fēng)的削弱也明顯，所以潿洲島的主波向SE向、S向、SW向都會受到影響，重現(xiàn)期波高明顯小于其它兩個測站。東方站與鶯歌海在主波向SW向的重現(xiàn)期波高接近，主要是兩個測站接近，在SW向風(fēng)力條件、地形條件類似。但是鶯歌海主波向SE向、S向的重現(xiàn)期波高明顯大與其他數(shù)值。這是由于經(jīng)過鶯歌海在N向和NS向的臺風(fēng)并未收到大的阻礙，臺風(fēng)作用強烈。

圖5 鶯歌海S向數(shù)值模擬結(jié)果的有效波高年極大值P-Ⅲ曲線擬合圖

表5 海洋測站有效波高(m)長期分布實測值與模擬值的結(jié)果比較

圖6 E向百年一遇波高（m）

圖7 SE向百年一遇波高（m）

圖8 S向百年一遇波高（m）

圖9 SW向百年一遇波高（m）

圖10 W向百年一遇波高（m）

總體上，模擬結(jié)果的重現(xiàn)期波高與實測資料較為接近，也與理論分析較為吻合，符合良好。

4.3 東南沿海重現(xiàn)期的波高

在上述資料良好驗證的基礎(chǔ)上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖。圖6—13表明：東南沿海的百年一遇波高都在12 m內(nèi)。廣東沿海E向、SE向波高較大，這是由于臺風(fēng)基本從東南往西北方向經(jīng)過廣東沿海。海南島E向、SE向、NE向的波高比較大，也是受臺風(fēng)經(jīng)過的影響。北部灣內(nèi)E向、NE向的波高較大，波高小于海南島東南側(cè)，這是由于海南島和雷州半島對臺風(fēng)的削弱作用。

4 結(jié)論

（1）臺風(fēng)模型風(fēng)場在臺風(fēng)中心地帶具有較好的模擬效果，美國NCEP風(fēng)場在遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心地具有較好的模擬效果，合成風(fēng)場結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，在臺風(fēng)中心和遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心地帶都有較好的模擬效果?；诤铣娠L(fēng)場的SWAN海浪模式能更好地反映出臺風(fēng)過程中北部灣的波要素變化情況；

圖12 N向百年一遇波高（m）

圖13 NW向百年一遇波高（m）

（2）根據(jù)多年數(shù)值模擬結(jié)果與實測資料，分別采用P-Ⅲ曲線分方向進(jìn)行重現(xiàn)期統(tǒng)計，模擬結(jié)果的重現(xiàn)期波高與實測資料較為接近，符合良好。在此基礎(chǔ)上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖，可為近海工程環(huán)境評估和設(shè)計提供參考。

[1]Fujita T.Pressure distribution within typhoon[J].Geophysical Magazine,1952,23(4):437-452.

[2]林偉,方偉華.西北太平洋臺風(fēng)風(fēng)場模型中Holland B系數(shù)區(qū)域特征研究[J].熱帶地理,2013,33(2):124-132.

[3]任伯幟,許仕榮,王濤.皮爾遜-Ⅲ型分布統(tǒng)計參數(shù)的確定[J].中國給水排水,2001,17(1):40-42.

[4]邱大洪.工程水文學(xué)[M].第3版.北京:人民交通出版社,1999: 44-48.

[5]Booij N,Haagsma J,Holthuijsen L H,et al.SWAN user manual, SWAN Cycle III Version 40.41[R].Delft:Delft University of Technology,2004.

[6]李燕,薄兆海.SWAN模式對黃渤海海域浪高的模擬能力試驗[J].海洋預(yù)報,2005,22(3):75-82.

[7]鄭崇偉,邵龍?zhí)?林剛,等.臺風(fēng)浪對掠海飛行安全性的影響[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2014,35(3):301-306.

[8]鄭崇偉,鄭宇艷,陳洪春.基于SWAN模式的近10年南海北部波浪能資源研究[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報,2011,6(2):54-59.

[9]Myers V A.Characteristics of United States hurricanes pertinent to levee design for Lake Okeechobee,Florida[R].Hydrometeorological Report No.32,1954.

[10]宮崎正衛(wèi).海洋物理Ⅲ[M].臺中:東南大學(xué)出版社,1977: 311-312.

[11]Carr III L E,Elsberry R L.Models of tropical cyclone wind distribution and beta-effect propagation for application to tropical cyclone track forecasting[J].Monthly Weather Review,1997,125 (12):3190-3209.

[12]Liu K S,Chan J C Y.Size of tropical cyclones as inferred from ERS-1 and ERS-2 data[J].Monthly Weather Review,1999,127 (12):2922-3001.

[13]金羅斌,陳國平,趙紅軍,等.合成風(fēng)場在南海臺風(fēng)浪數(shù)值模擬中的研究[J].水道港口,2015,36(1):12-20.

[14]Zheng C W,Li C Y.Variation of the wave energy and significant wave height in the China Sea and adjacent waters[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015,43:381-387.

[15]Mirzaei A,Tangang F,Juneng L,et al.Wave Climate simulation for southern region of the South China Sea[J].Ocean Dynamics, 2013,63(8):961-977.

[16]中華人民共和國交通部.JTJ 213-1998海港水文[S].北京:人民交通出版社,1999.

Offshore wave parameter analysis of different return periods under the effect of combined wind field

SHEN Xu-wei，CHEN Guo-ping，YAN Shi-chang，XU Yao-fei，ZHOU Ya

（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering, Hohai University,Nanjing 210098 China）

Driven by typhoon model wind field,American NCEP(National Centers for Environmental Prediction) wind field and combined wind field,respectively,the wave simulation results based on the third-generation wave model SWAN(Simulating Waves Nearshore)are compared with field data.The results show that combined wind field is better than the other two wind fields,which has good simulation both in and away from the typhoon center.The combined wind field is chosen to drive the model,which stimulates 210 typhoons in southeast coast from 1982 to 2015.The numerical simulation results are used to plot P-Ⅲcurves,and they are in good agreement with field data.On this basis,once-in-100-year wave height distribution maps are plotted in different directions,which could provide a reference for offshore project environmental assessment and design.

the SWAN model;combined wind field;southeast coast;wave heights for different return periods

P731.22

A

1003-0239（2016）05-0041-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.05.005

2016-01-07

沈旭偉（1991-），男，碩士在讀，主要從事港口、海岸與近海工程研究。E-mail:740687374@qq.com