南麂島重現(xiàn)期波高空間分布特征分析

郭敬，李尚魯，李婷，王勤，朱業(yè)

（浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報中心，浙江杭州310007）

1 引言

南麂列島位于浙江省東南部海面，隸屬平陽縣鰲江鎮(zhèn)。整個列島由52 個（面積大于500 m2）大小島嶼組成。其中南麂島為主島，位于列島中央，面積為7.64 km2，岸線長24.8 km；大沙岙、火焜岙和馬祖岙、國姓岙4個海灣分置于東南和西北兩個方向。南麂列島海域水深一般在15～25 m 之間，南麂島東北和西南兩側(cè)為深水通道，其水深在30 m 以上，最深處達45 m。

南麂島水質(zhì)良好，常年處于一類水質(zhì)，氣候條件適宜養(yǎng)殖大黃魚。但南麂島處于臺風多發(fā)海域。根據(jù)1949——2016年的統(tǒng)計資料顯示，每年影響該區(qū)的臺風次數(shù)平均為3.3 個。在全球氣候變化和海平面上升的背景下，臺風災(zāi)害呈現(xiàn)出發(fā)生次數(shù)增加、強度加大、影響范圍擴大的趨勢。0216 號臺風“森拉克”、0608 號臺風“桑美”、1323 號臺風“菲特”、1808號臺風“瑪莉亞”、1909號臺風“利奇馬”都嚴重影響南麂島海域，臺風引起的災(zāi)害性海浪造成養(yǎng)殖業(yè)損失慘重。因此，計算臺風過程中南麂島周圍海域波高并分析海浪空間分布，對于海水養(yǎng)殖防災(zāi)減災(zāi)和空間規(guī)劃布局尤為重要。

黃樹生[1]通過分析南麂站30 a 的實測風浪資料，分析了波高、周期和風速的主要變化周期。潘曉東等[2]通過分析南麂站25 a 的波浪觀測資料，分析了災(zāi)害性海浪的分布特征。邱桔斐[3]、徐亞男等[4]和沈旭偉等[5]分別對江蘇沿海、斯里蘭卡科倫坡港口海域和東南沿海開展了海浪數(shù)值模擬，獲得了多年海浪的波高年極值，并通過Pearson 曲線（P-Ⅲ曲線）擬合，得到不同重現(xiàn)期的波浪場特征。

之前的研究由于模型計算能力及地形資料精細程度不足，只能得到大面波浪場分布特征[6-8]，無法滿足實際生產(chǎn)需求。本文將在前人研究基礎(chǔ)上，收集平陽縣南麂島海域最新1:10 000的岸線及水深數(shù)據(jù)，運用第三代近岸海浪數(shù)值計算模式（Simulating WAves Nearshore, SWAN），建立浙江沿海精細化海浪數(shù)值模型[9-10]。對嚴重影響南麂島的臺風進行模擬，計算南麂島周圍海域年極值海浪場，并進行P-Ⅲ曲線擬合，得到不同重現(xiàn)期海浪空間分布場。本文用到的波高均為有效波高，采用平面坐標系。

圖1 南麂島地形圖

2 海浪數(shù)值模式

2.1 SWAN模式簡介

SWAN 模式是國際上非常流行的第三代淺海海浪數(shù)值模式，由荷蘭Delft 大學(xué)開發(fā)并維護。SWAN 模式采用了基于Euler 近似的作用量譜平衡方程，采用線性隨機表面重力波理論，全面考慮了風能量輸入、白浪耗散、底摩擦、水深誘導(dǎo)波破碎和非線性波-波相互作用，能夠描述在淺水區(qū)特定的風、流和水下地形條件下的波浪場演化。控制方程如下：

式中：N為波作用量，σ為波的相對頻率，θ為波向，S項為源匯項。式中左端第一項為波作用量的局地變化；第二、三項為波作用量在地理空間上的傳播，其中Cx和Cy分別為波作用量在x和y方向上的傳播速度；第四項為由于水深和水流變化造成的相對頻率變化，其中Cσ為波作用量在頻率空間中的傳播速度；第五項為水深和流產(chǎn)生的波浪折射，其中Cθ為波作用量在波向空間中的傳播速度。波作用量方程的離散基于迪卡爾坐標下的隱式差分，對于波的傳播和源項采用固定的時間步長。

2.2 模式建立

海浪模型計算域西至廣東汕尾、東至日本東部海域、南至臺灣島南端、北至渤海海域，計算區(qū)域涵蓋了渤黃東海。計算范圍為115°～134°E，18°～41°N（見圖2a），采用三角網(wǎng)格，由215 407個單元和111 422個節(jié)點組成（見圖2b），外部海域網(wǎng)格較疏，近岸逐漸加密，最密處南麂島周邊網(wǎng)格邊長約15 m，可以較好地刻畫南麂列島岸線特征，滿足項目計算需求。

3 資料與方法

3.1 臺風風場模型

圖2 海浪數(shù)值模型計算范圍及網(wǎng)格

臺風模型能快速、較準確地給出臺風周圍的氣壓和風場分布，模型氣壓場有眾多模型供使用。臺風場和氣壓場的計算是海浪模式計算中的重要環(huán)節(jié)，本次選用Jelesnianski 模型的風場和氣壓場。其風場公式和氣壓公式如下：

式中：R為最大風速半徑；r為計算點到臺風中心的距離；V0為臺風移動速度；WR為臺風最大風速；A=-［（x-xc）sinθ+（y-yc）cosθ］；B=（x-xc）cosθ-（y-yc）sinθ；（x，y）、（xc，yc）分別為計算點坐標和臺風中心坐標；θ為流入角（計算中當r≤R時θ取10°，當r＞1．2R時θ取25°，其他情況下θ在10°～25°之間線性內(nèi)插）；P0為臺風中心氣壓，P∞為無窮遠處的大氣壓（計算中取1 010 hPa）。

一般來說，在實際觀測中，中心低壓與最大風速相比后者的觀測更加困難，誤差也較大，因此模型使用Atkinson-Hollidy 提出的風-壓關(guān)系式來計算最大風速：

另外一個待確定的臺風參數(shù)為最大風速半徑R。模型中采用黃冠鑫1994年利用美國西北太平洋上15 a的高空航測資料統(tǒng)計建立的一個適用于東海臺風的經(jīng)驗公式：

式中：Rk為經(jīng)驗常數(shù)，模型中取40 km。

3.2 資料簡介

浙江附近海域島嶼眾多，岸線復(fù)雜。普通的岸線數(shù)據(jù)難以滿足精細化模型的需求，因此本文所用的岸線為浙江近海調(diào)查測量數(shù)據(jù)。模式運行選用的外海地形資料來自于美國國家海洋和大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）公布的ETOPO2全球地形數(shù)據(jù)集，分辨率為2′×2′；南麂島附近水深資料為溫州市自然資源部門近2 a的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)；模型驗證所需海浪資料來自于南麂島波浪浮標觀測；臺風相關(guān)資料來自于中央氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。

3.3 模式驗證

模型驗證選取有海浪觀測資料的、在浙江南部、福建北部登陸或近岸轉(zhuǎn)向等對南麂島影響較大的6場臺風進行檢驗，臺風組次見表1。

運用SWAN 模式對6 場臺風進行計算，并利用南麂島波浪浮標實測數(shù)據(jù)進行驗證，實測數(shù)據(jù)及計算結(jié)果均為有效波高。通過圖3 和表2 的驗證結(jié)果可以看出，SWAN 模式對各組次臺風的檢驗結(jié)果良好，模擬值與實測值符合較好，基本能反映南麂島附近的臺風浪分布特征。

4 海浪重現(xiàn)期分析

4.1 臺風選擇

根據(jù)2006——2016 年南麂島浮標海浪觀測年極值數(shù)據(jù)（見表3），南麂島海浪年極值均發(fā)生在臺風期間，所以在本文中只考慮臺風過程，不再考慮冷空氣和溫帶氣旋。

表1 臺風驗證組次（登陸時間均為北京時，下同）

圖3 海浪數(shù)值模型驗證結(jié)果

表2 南麂島臺風海浪驗證誤差統(tǒng)計

選取1949——2016 年以南麂島為中心、半徑400 km（普通臺風7 級風圈半徑）內(nèi)包含的所有臺風，共篩選出201條臺風路徑。若同一年有若干場臺風，則去掉強度明顯偏弱的臺風，或者去掉同等強度下距離南麂島更遠的臺風；若不能明顯判斷孰強孰弱，則予以保留。最終選取68 a共118場臺風進行模式計算，詳細結(jié)果見表4。

影響南麂島的臺風過程，依照路徑大致可分為4 類：一是在浙江沿海登陸；二是在福建北部登陸；三是在閩南至廣東之間登陸；四是海上掠過，從近海北上或轉(zhuǎn)向東北。

表3 南麂浮標海浪觀測年極值及出現(xiàn)時間

由表5 的統(tǒng)計結(jié)果來看，登陸浙江、福建北部和近海北上的臺風過程更容易對南麂島產(chǎn)生影響。 其中登陸浙江的臺風有36 個，占總數(shù)的30.5%；登陸福建北部的臺風有37 個，占總數(shù)的31.4%，近海北上的臺風有41個，占總數(shù)的34.7%。

表4 選擇計算臺風編號

表5 影響南麂島的臺風路徑類型統(tǒng)計

4.2 重現(xiàn)期分析

將1949——2016 年118 場臺風全部進行計算，輸出每場臺風過程的最大海浪場（每個網(wǎng)格點數(shù)據(jù)均取本次臺風過程中最大波高），并將1 a 內(nèi)包含2 個以上臺風的進行再次計算，選出南麂島周圍海域1萬余個網(wǎng)格點的當年海浪年極值，得到1949——2016年共68 a的年極值海浪場。

在南麂島東、南、西、北、東南、東北、西南、西北共8 個方向挑選8 個代表點（位置見圖4）采用P-Ⅲ曲線擬合，并進行重現(xiàn)期進行分析，結(jié)果見圖5和表6。

圖4 南麂島周圍代表點分布圖

根據(jù)表6 結(jié)果可見：在各個重現(xiàn)期，南麂島西向、北向和西北向3 個點的重現(xiàn)期波高值均明顯低于其他代表點的波高值，其中西向d點波高最小，東向e 點波高最大。這說明在臺風期間，南麂島的海浪通常以東向和東南向的涌浪為主；南麂島對海浪和風的削弱作用比較明顯，并且隨著臺風強度的增強，南麂島對海浪的削弱作用愈強。重現(xiàn)期為2 a一遇時，南麂島東部海域波高可達4～5 m，西部海域波高為2～3 m。重現(xiàn)期為100 a 一遇時，南麂島東部海域波高可達11～13 m，西部海域波高為4.5～5.5 m。

利用以上方法對南麂島周圍海域1萬余個網(wǎng)格點全部采用P-Ⅲ曲線擬合，并進行重現(xiàn)期統(tǒng)計分析，得出2 a、5 a、10 a、20 a、50 a 和100 a 一遇的有效波高空間分布場，結(jié)果詳見圖6。

在各個重現(xiàn)期下，馬祖岙、國姓岙海域的波高均明顯小于其他海域的波高。重現(xiàn)期為2 a一遇時，南麂島東南側(cè)海域波高為4～5 m，馬祖岙和國姓岙波高在2 m 以下；重現(xiàn)期為100 a 一遇，南麂島東南側(cè)海域波高為12 m 以上，馬祖岙和國姓岙波高僅為3～5 m。

圖5 各代表點P-Ⅲ曲線擬合

圖5 （續(xù)）

表6 各代表點不同重現(xiàn)期波高值

當臺風從南麂島南部沿海登陸或近海轉(zhuǎn)向時，馬祖岙和國姓岙海域在南麂島阻擋下波高明顯偏??；當臺風從南麂島北部沿海登陸時，馬祖岙、國姓岙受W-NW 向風時間較短，且風區(qū)較短，較難形成災(zāi)害性海浪。

馬祖岙、國姓岙水深在5～15 m 之間，符合漁業(yè)養(yǎng)殖條件；而南麂島東北和西南兩側(cè)為深水通道，其水深在30 m 以上，最深處達45 m，且海流速度偏大，不適宜開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖。綜上所述，馬祖岙、國姓岙是南麂島開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖的最佳地點。

圖6 南麂島重現(xiàn)期有效波高空間分布場

5 結(jié)論

（1）基于臺風模型風場和氣壓場的SWAN 海浪模式能很好地反映南麂島海浪變化情況。根據(jù)多年數(shù)值模擬結(jié)果，采用P-Ⅲ曲線進行重現(xiàn)期統(tǒng)計，得到南麂島海域不同重現(xiàn)期的海浪空間分布場，可為南麂島當?shù)貪O業(yè)養(yǎng)殖空間規(guī)劃布局提供參考。

（2）登陸浙江、福建北部和近海北上的臺風過程容易對南麂島產(chǎn)生影響。臺風期間，由于南麂島阻擋作用以及風時、風區(qū)不利，南麂島馬祖岙、國姓岙海域的波高明顯小于其他海域的波高，在各個重現(xiàn)期其波高僅為南麂島東南側(cè)海域波高的1/2 以下。從海浪減災(zāi)角度考慮，馬祖岙、國姓岙是南麂島開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖的最佳地點。