基于再分析數據的印尼西加里曼丹海域風速研究

頓昊天，張銀苗

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

目前，境外工程項目前期調研、投標設計階段水文氣象資料極度缺乏，多數項目完全沒有實測風浪資料。如果前期風速、風向的分析評判與實際情況相差較大，將直接影響前期設計方案的輸入參數，從而影響總平面布置、工程規模，甚至影響整個項目的工程量、工程進度及工程造價及項目可行性，對投標產生不利的影響。因此，工程前期階段在工程地點獲取較準確的當地風浪特征資料是前期設計咨詢的關鍵所在。

再分析資料為融合多種衛星數據、散射計數據等的數值預報產品，能夠提供時空分辨率高、資料時間長的氣象水文數據，為工程前期設計基礎參數的確定提供了相對合理的取值范圍。本文以ECMWF(European Centre for Medium-range Weather Forecasts歐洲中期天氣預報中心)及OWI(Oceanweather Inc海洋氣象公司)再分析資料集為切入點，通過對比不同服務商提供的再分析資料，對ECMWF在印尼西加里曼丹海域風速特征進行分析以及對其整體后報表現作出相應評價，為未來在西加里曼丹海域開展項目以及應用ECMWF風速作為設計參數提供判斷依據。

1 ECMWF資料集

目前，國際上主要的幾家再分析中心有NCEP(美國氣象環境預報中心)、ECMWF、JMA(日本氣象廳)、NASA(美國國家航空航天局)等。然而，各中心的再分析資料都具有各自的優缺點，任何一種再分析資料在針對不同地區和時間段時的表現并不一致。

ECMWF全稱為歐洲中期天氣預報中心，提供全球范圍內的大氣數值預報再分析資料。趙天保等[1]就ERA-40與NCEP-2兩種再分析資料各自與觀測資料進行比較與分析后發現，ERA-40可信度要高于NCEP-2；黃剛[2]則利用中國探空資料與這兩種再分析資料對比研究后指出，20世紀70年代以前，在研究東亞氣候的年代際變化時，應用ERA-40資料更為準確，在20世紀70年代后，對于我國內蒙古和華北地區的溫度研究上，NCEP資料比ERA-40更為準確。

2 OWI再分析資料

OWI是一家為海洋工程提供數值模擬等專業相關產品的咨詢公司。根據其描述，OWI的后報技術與歐洲ECMWF與美國NCEP資料集不同，其著重于風速和壓力場對海洋模型的驅動細節。同時，相比于ECMWF及NCEP資料，OWI資料的時距更短。

目前關于OWI資料集的相關研究較少，主要原因為OWI資料需有償取得，區別于ECMWF和NCEP的無償提供。Zhou等[3]基于臺灣海峽沿岸漳浦縣的實測波浪資料，對OWI臺灣海峽內的后報點波浪數據做了對比分析，結果表明OWI與實測波浪數據具有良好的擬合度。在OWI數據的應用層面，張軍等[4]利用OWI后報深水波浪，結合MIKE模型，計算了喀麥隆克里比項目波浪引起的不可作業時間；王科華等[5]利用OWI于西非幾內亞灣內的后報點數據，推算了以長周期涌浪影響為主的海域近岸極值波浪。由此可以看出，OWI數據雖然相對ECMWF數據較難獲取，在科研領域研究較少，但其時距精度更高，因此在實際工程的咨詢、設計領域使用得更加廣泛。

3 目標海域

本研究獲取的OWI后報點位于西加里曼丹近岸海域，地理位置坐標為東經108.5°，北緯1.0°，距離海岸線約40 km。ECMWF數據選用ERA-Interim數據集細網格10 m風速。印尼加里曼丹及OWI后報點地理位置見圖1。

圖1 地理位置及OWI后報點

4 分析結果

4.1 風速轉換

由于不同資料集提供風速資料的時距不同，則應對ECMWF及OWI的風速數據進行相關轉換。ECMWF月均風速資料為日平均風速的月平均(monthly mean of daily means)，而OWI資料提供的風速資料時距為1 h，則基于OWI資料計算得出的月平均風速勢必會與ECMWF資料提供的月平均風速有較大出入。對于風速的降維度研究，多數學者采用實測與分析數據對比的方法得出經驗公式或采用統計方法擬合得出概率密度函數[6-7]。Guo等[8]通過擬合9年實測小時平均風速，提出了簡易的日平均風速與小時平均風速的經驗計算公式。

在記錄有日最大風速的情況下，可采用：

(1)

式中：Wn為任意小時的小時平均風速；Wave為日平均風速；Wmax為日最大風速；n為時刻，取值范圍0～23。若記錄只有日平均風速，則式(1)為：

(2)

可同樣得出小時平均風速值。

4.2 ECMWF與OWI風速對比

圖2為通過式(2)修正后的近10年ECMWF小時平均風速的月均值與OWI資料集的對比。OWI資料集提供的小時平均風速進行月平均后在近10年表現非常平穩，風速在4～5 ms變化幅度基本可以忽略，而ECMWF資料集趨勢與OWI資料集近乎相同，但波動明顯。從當地實測風速資料來看，西加里曼丹近岸海域風速有明顯的季節變化：受印度尼西亞-北澳大利亞季風季候的影響，全年分為雨季和旱季，旱季為5—10月。并且有1999—2009年相關衛星散射計探測的風場數據[9]表明，西加里曼丹海域的風速季節性變化與南海一致，都體現為半年周期變化。因此，ECMWF風場資料雖然相較于OWI資料時距較長，但其波動幅度與實測數據及衛星探測數據的變化一致，其后報表現更接近實際情況。

圖2 ECMWF與OWI資料近10年月均風速變化

4.3 ECMWF月均風場

圖3為西加里曼丹海域ECMWF各月月均風速分布。從圖3可以看出，西加里曼丹海域月均風速在5—10月相較其他月較低，在2月達到最大。此變化趨勢與當地實際降雨統計一致，能體現風速與降雨的相關性。

圖3 西加里曼丹海域ECMWF的風場月平均分布(單位：ms)

整體來看，西加里曼丹海域風速在海域中央及海域西側為較大值區域，近岸海域風速減小明顯。月平均風速最大出現在2月，約為6 ms。月平均風速最小出現在5月，近岸海域小于2 ms。這種變化趨勢與南海風場的衛星散射計探測結果一致[10]。海域內全年的風速變化特征主要體現在6—8月增大、12—2月增大，與南海風場風速的變化趨勢一致。

5 結語

1)本文基于相關不同周期的風速轉換關系，對ECMWF風數據進行了修正。通過對比ECMWF與OWI后報數據以及將兩者與實測資料和衛星散射計結果對比發現，ECMWF于印尼西加里曼丹海域的后報表現更接近實際情況，能體現季節性變化。

2)對ECMWF于西加里曼丹海域各月風場進行可視化分析可以看出，海域內5—10月為風浪條件良好的月份，2月為最不利月份。因此，當地在進行工程的勘察作業以及高難度海上施工作業在5—10月進行更為合理，可供未來項目參考。