中國近海工程勘察作業條件區劃

閆慶勛

（中海油田服務股份有限公司，天津300459）

0 引言

海洋油氣開發需依托海底和海床進行結構基礎承載和固定，充分認識海洋水文氣象條件變化，是安全可靠、經濟合理地開發海洋油氣資源的基本保證之一[1]。作為海洋經濟發展的基礎保障，海洋工程勘察是海洋工程建設的必要環節之一，利用好水文氣象條件變化規律對于提高海洋工程勘察質量和技術管理水平、保證海洋工程質量安全和推動海洋經濟可持續發展具有重要意義[2]。

海洋工程勘察是通過測量、測試、勘探、模擬、分析等手段為海洋工程建設提供必須的、可靠的海底地形、海底巖土和海洋環境特征等成果，對應地劃分為海洋工程測量、海洋巖土勘察和海洋工程環境調查[3]。這其中涉及大量的海上調查與觀測作業，如水深調查、側掃聲吶、高分辨數字地震、鉆探取樣、原位測試、海水和沉積物取樣、驗潮測流等。海洋環境條件（如風、波浪、海流、熱帶氣旋等，又稱水文氣象條件）不僅影響調查資料質量，同時也會影響作業安全，提升對調查海區水文氣象要素變化特征的認識，有助于評估工程作業周期、優化調查方案、提升勘察質量[4~6]。

風速、有效波高和熱帶氣旋是海洋工程勘察現場作業最為關注的要素。本文通過分析中國近海海區風速和有效波高的時空變化特征，評估不同海區的作業條件，并對中國近海進行區域劃分，為項目評估、勘察設計、作業安全等提供參考。考慮到南海北部易受到熱帶氣旋的影響，本文統計了南海不同海區熱帶氣旋的發生概率，為海洋工程勘察現場作業安排等提供參考。

1 數據和方法

1.1 數據來源

1.1.1 風和有效波高

ERA5是由歐洲中尺度天氣預報中心提供的最新全球大氣再分析數據集[7,8]。本文分析中使用了該數據集中的中國近海風速和有效波高數據，數據時間分辨率為1 h，時間跨度為2009年1月—2019年12月；空間分辨率為0.5°N×0.5°E。

1.1.1 熱帶氣旋路徑及強度

RSMC Best Track Data是日本氣象廳區域特殊氣象中心提供的西太平洋（含中國南海）的熱帶氣旋路徑及強度數據集[9]。本文分析中采用了2000—2020年期間影響南海海域的熱帶氣旋路徑及強度數據。

1.2 統計方法

本文首先分析了中國近海海區的風速和有效波高的均值（年平均和月平均）分布，在此基礎上，定義在一個日歷天內同時滿足小于4級風和1.0 m有效波高作為適宜小型勘察船進行工程勘察作業的標準，計算不同區域（選取1°N×1°E作為分區標準，具體參考圖1）每年的適宜作業天數與全年天數的比值，當該比值大于0.7時，意味著全年超過70%的時間適宜小型勘察船海上作業，并將該類海區我們定義為I類海區；當該比值介于0.4~0.7之間時，定義該類海區為II類海區；當該比值小于0.4時，定義該類海區為III類海區。

除小型勘察船舶外，結合作業經驗，我們還定義了HYSY707船和NH503船或同等級別的作業船舶的適宜工程勘察作業標準，即同時滿足小于5級風和1.5 m有效波高；HYSY708船或同等級別的作業船舶的適宜工程勘察作業標準，即同時滿足小于6級風和2.0 m有效波高。

南海是熱帶氣旋活動最頻繁的海區之一，熱帶氣旋不僅帶來強風和巨浪，而且影響海區范圍廣。在南海海域進行工程勘察作業，不得不考慮熱帶氣旋的影響。為分析熱帶氣旋對南海北部海區的影響，定義熱帶氣旋中心距離作業海區不大于370 km（約200海里）時，視為影響作業海區。在此基礎上，我們基于2000—2020年期間的歷史熱帶氣旋數據統計了南海北部1°N×1°E范圍內平均每年發生的影響該區域的歷史熱帶氣旋發生頻次，以該數值作為未來一段時間內熱帶氣旋對海洋工程勘察作業周期影響的評估依據。

2 作業條件區劃

2.1 風速與有效波高分布

圖1給出了中國近海年平均風速和有效波高的空間分布。由圖可知，渤海海域年平均風速基本在6 m/s以內，有效波高基本在1 m以內，風速與有效波高表現出較好的相關性，即沿海較小，中部較大；黃海海域基本在6 m/s以內，有效波高基本在1.5 m以內，風速與有效波高分布特征均呈現從東南外海到近岸逐漸減小；東海海域年平均風速基本在8 m/s以內，有效波高基本在2 m以內，風速與有效波高從東部外海到西部沿岸逐漸減小，臺灣海峽處平均風速較大；南海北部海域年平均風速基本在8 m/s以內，有效波高小于2 m，風速和有效波高均呈現從呂宋海峽到南海中部及近岸逐漸減小的特征。

圖1 中國近海海域年平均風速和有效波高分布

中國近海受亞洲季風影響，風速呈現較強的季節變化特征，限于篇幅，本文主要以南海為例給出了南海北部逐月平均的風速變化（見圖2a），整體看來，冬季風強于夏季風，冬季風速較大的海區位于南海深水海盆區，到沿岸逐漸減小；有效波高分布（見圖2b）與風速分布基本一致。

圖2 南海北部逐月月平均風速和有效波高分布

2.2 作業條件區劃

根據2.2節定義的適宜小型勘察船進行工程勘察作業標準，對中國近海1°N×1°E網格逐一進行統計，分別計算每一網格內全年適宜小型勘察船作業天數占比，具體如圖3所示。由圖3（a）易知，渤海海域水文氣象條件較好，在西北部沿岸可以達到I類海區標準，即意味著全年大部分時間適宜小型勘察船作業，其他海區作業條件稍差，可以達到II類海區標準，基本有全年超過50%的時間可以滿足作業條件；黃海和東海海域沿岸海區以二類海區為主，在長江口附近滿足I類海區，向東隨著水深增加，基本為III類海區[見圖3（b）]；南海北部海區也呈現在近岸海區以I類和II類海區為主，50 m以深海區一般為III類海區[見圖3（c）]。

對于I類海區，由于全年內作業條件較好，考慮作業成本，在不影響調查資料質量和安全作業的前提下，可優先考慮小型勘察船進行作業；III類海區，一般作業水深較大，水文氣象條件較為惡劣，小型勘察船因作業能力有限（抗風浪能力差），作業時窗有限，建議采用大型勘察船進行作業；II類海區因全年適宜作業天數占比約在50%，這時需要具體分析不同月份的適宜作業天數分布情況。下文將以南海區塊1（110°~111°E，17°~18°N）和區塊2（115°~116°E，20°~21°N）海區為例進行說明。

由圖3（c）可知，區塊1屬于II類海區，圖4（a）展示了該海區不同月份分別適宜不同級別勘察船的作業天數。區塊1內4—9月期間較為適宜作業，其中小型勘察船舶月平均適宜作業天數在17d以上，HYSY707船或該級別以上勘察船基本在全月范圍內適宜作業（未考慮熱帶氣旋影響，熱帶氣旋影響參考2.3節）；除12月以外，其它月份內HYSY708船適宜作業天數也可達到12天以上。

由圖3（c）可知，區塊2屬于III類海區，圖4（b）展示了該海區不同月份分別適宜不同性能勘察船舶的作業天數。區塊2對不同性能勘察船舶較為敏感，小型勘察船舶月平均適宜作業天數僅在4月和5月可達半個月，HYSY708船或該級別以上勘察船在4—9月期間適宜作業天數可達20天以上（未考慮熱帶氣旋影響，熱帶氣旋影響參考2.3節）。

圖4 區塊1和區塊2逐月適宜作業天數統計

因此，結合中國近海不同海區的作業條件區劃（見圖3），可以對不同海區勘察作業條件進行初步評估，再結合具體海區不同月份適宜作業天數統計情況，就可以為項目評估、勘察設計、作業安全等提供指導和支持。

圖3 中國近海海域工程勘察作業條件區劃

統計標準分別為適宜小型勘察船、HYSY707或NH503同等級別勘察船、以及HYSY708同等級別勘察船。

2.3 熱帶氣旋影響

根據2.2節定義的熱帶氣旋影響勘察作業標準，我們統計了南海北部近岸海區不同區塊平均每年發生的熱帶氣旋頻次（見圖5）。由圖可知，區塊1平均每年發生熱帶氣旋3.81次，區塊2為4.90次。根據每年熱帶氣旋發生的頻次，對調查海區內的大型勘察項目工期估計、作業安排等具有重要的參考意義。

圖5 南海北部近岸海區平均每年發生熱帶氣旋次數統計

3 結語

本文基于多年的歷史水文氣象資料，結合海洋工程勘察作業特點，評估了不同海域作業條件優劣，并對中國近海海區的作業條件進行區域劃分。根據劃分結果，中國近海可以分為三類海區（I類、II類和III類），I類海區適宜小型勘察船舶作業，III類海區建議優選大型勘察船舶，II類海區則需根據不同月份的水文氣象條件變化特征進行權衡。本文提供的作業條件區劃可以為海洋工程項目評估、勘察設計、作業安全等提供科學指導和決策依據。

由于南海容易受熱帶氣旋影響，本文同時分析了南海北部海區熱帶氣旋的發生頻次，對于大型勘察項目工期估計、作業安排等具有重要的參考意義。