基于衛星觀測資料的近海有效波高研究

張秀芝+孔亞文

摘 要：使用中國近海28個浮標觀測數據對1991—2015年多源衛星高度計校準的波高數據集進行了驗證，并用于中國近海海浪氣候研究。結果表明：浮標波高與衛星波高的相關系數為0.91～0.99，均方根誤差絕大部分為0.09～0.34m，浮標減衛星的波高差平均值絕大多數為-0.06～-0.29m；各海區驗證結果略有差異，其中相關系數在東海至南海北部最大達0.97，黃渤海和長江口外海區略小，分別為0.947和0.948；均方根誤差在東海至南海北部最小為0.281m，長江口外最大為0.325m，黃渤海居中為0.286m。利用該多源波高數據集進行了中國近海多年平均有效波高和多年一遇波高極值分析。結果表明，中國近海多年平均有效波高為0.6～2.2m，東海東南部、臺灣海峽以及南海東北部平均波高較大。大部分海域的有效波高都具有明顯的季節變化特征：冬季和秋季的波高明顯高于春季和夏季。100年一遇大浪最大的區域位于琉球群島東南的西北太平洋海域，約9～12m；其次是南海東北部海域和東海海域，約7～11m；中國近岸最大的海域為廣東東部和浙江南部，約7～8m；長江口至渤海最小4～6m。

關鍵詞：多源衛星波浪數據；浮標觀測；中國近海；波浪分布

1 衛星波高數據驗證

海上自然破壞力的90%來自海浪，大浪對航船、海洋工程具有很強的破壞性。了解中國近海海域的海浪狀況，不僅有利于海洋防災減災，還可以為海洋開發和海上軍事活動提供可靠的保障。

目前海浪區域氣候研究主要基于海浪模式輸出資料、大氣模式再分析資料以及衛星高度計的波高數據等。本文比較了多個國際機構校準的沿軌數據集，發現歐洲空間局（ESA）GlobWave項目下法國海洋開發所Queffeulou等建立的數據集[1]，時間跨度長（1991-2015年），衛星數量多（9顆星，見圖1a），時空覆蓋上都優于以往的數據集。

由于衛星反演模式參數確定過程中沒有中國海上的實測數據，因此使用該數據集之前需要將該數據集與中國近海實測數據進行對比分析。收集到中國近海28個浮標（見圖1b）每30分鐘平均波高數據，篩選與浮標所在位置的距離小于20km的同期衛星30分鐘平均波高，對比分析結果表明：浮標波高與衛星波高的相關系數為0.91～0.99，均方根誤差絕大部分為0.09～0.34m，浮標減衛星的波高差平均值絕大多數為-0.06m～-0.29m；各海區驗證結果略有差異，其中相關系數在東海至南海北部最大達0.97，黃渤海和長江口外海區略小，分別為0.947和0.948，表明多源高度計波高數據集與中國近海浮標觀測有較高的一致性，可用于中國近海波浪研究。

2 中國近海海浪氣候特征

使用法國海洋開發所建立的多源高度計波高數據分析了中國近海平均有效波高和100年一遇有效波高。

2.1 中國近海平均有效波高的時空分布特征

圖2為多年平均有效波高分布圖，中國近海有效波高為0.6～2.2m，高值區主要分布在東海東南部、臺灣海峽以及南海東北部，年平均值達2～2.4m。南海西部和南部、東海西北部平均有效波高為1.4～1.8m，黃海和渤海有效波高較小，在0.6～1.2m之間。

大部分海域的有效波高都具有明顯的季節變化特征，冬季和秋季的波高明顯高于春季和夏季，冬季的平均波高最大達2.6m，而春夏季平均波高基本在1.8m以下。臺灣島-呂宋島以東和南海東北部的大浪區域的位置隨著季節而變化：夏季和秋季的高值區北移至15°N以北，與臺風活動有關；冬季有效波高的高值區南移至20°N以南，春季則表現出過渡季節的特征。

2.2 100年一遇波浪極值分布特征

在海洋工程設計過程中需要100年、50年一遇波浪極值，評估未來若干年內工程所在區域可能遇到的極端波浪荷載。在多年一遇極值計算過程中，通常應至少由30年以上的年最大值組成樣本序列，采用Gumbel或Weibull等常規概率分布模型進行計算。由于多源衛星波浪資料只有23年，采用常規方法會因觀測年代短而使得計算結果不穩定或失真，為此本文使用適應風暴隨機事件的Poisson-Gumbel[2，3]聯合概率分布進行計算，得到了1°×1°網格點100年一遇波浪值。

中國近海及毗鄰海域100年一遇有效波高最大的區域位于琉球群島東南的西北太平洋海域，約9～12m；其次是東海海域至南海東北部海域，約7～11m（見圖3）；長江口至渤海最小4～6m。；中國近岸最大的海域為廣東東部和浙江南部，約7～8m，其原因是這兩個海域受臺風影響最嚴重。

基金項目：本論文由2010DFA62830課題資助

參考文獻

[1] Queffeulou P， Croizé-Fillon D. Global altimeter SWH data set-June 2014[J].

Laboratoired'Ocèanograp-hieSpatiale， IFREMER，ftp：//ftp.ifremer.fr/ifremer/cersat/products/

swath/altimeters/waves/documentat-ion/altimeter_wave_merge__11.pdf， 2014.

[2] 天津大學水文水力學教研室編.海洋石油工程環境水文分析計算[M].石油工業出版社.1983.P522.

[3] 張容焱， 張秀芝， 蔡連娃. 沿海風工程設計風速中泊松-耿貝爾法的應用[J]. 應用氣象學報， 2010，

21（2）： 237-242.