基于實(shí)測資料的畸形波發(fā)生概率研究綜述

王瑤，鄭金海，陶愛峰，陳波濤

（河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

畸形波的概念最早由Draper 于1965年提出，用來指代一種波高極大、波峰尖陡、能量集中、破壞力強(qiáng)且通常是突然發(fā)生的表面重力波。隨著近二十年來各種國際性專題學(xué)術(shù)會(huì)議的持續(xù)性舉辦，越來越多的人開始關(guān)注畸形波現(xiàn)象，圍繞畸形波開展的研究工作也逐漸經(jīng)歷著從理論到實(shí)踐逐步開展的3 個(gè)階段。第一個(gè)階段重心在探討畸形波發(fā)生機(jī)制及運(yùn)動(dòng)特性，第二個(gè)階段主要基于畸形波動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)知，開展畸形波及其與結(jié)構(gòu)物的實(shí)驗(yàn)研究，第三個(gè)階段旨在探討特定海域畸形波的發(fā)生概率及預(yù)警預(yù)測技術(shù)。Akhmediev 等人2011 首次專門提出了畸形波的預(yù)警信號(hào)問題，也標(biāo)志著與實(shí)際結(jié)合最為緊密的第三個(gè)階段工作的正式開始?；尾ǖ念A(yù)測預(yù)警研究離不開對(duì)其發(fā)生概率的認(rèn)知，而從實(shí)測資料入手探討畸形波的發(fā)生概率問題，是最直接也是目前最可信的研究手段。因此，有必要對(duì)該領(lǐng)域的現(xiàn)有研究成果做一次詳細(xì)的歸整和綜述。

本文將從以下4 個(gè)部分展開：第一部分介紹針對(duì)畸形波開展研究的實(shí)測資料概況；第二部分圍繞畸形波的發(fā)生概率問題，綜述有關(guān)研究方法及成果；第三個(gè)部分對(duì)現(xiàn)有研究思路及成果進(jìn)行對(duì)比分析；最后給出今后開展相關(guān)研究的建議和想法。

1 現(xiàn)有畸形波實(shí)測資料概況

畸形波的發(fā)生有著明顯的隨機(jī)性和偶然性，難以開展專門針對(duì)畸形波的實(shí)測工作，因此基于實(shí)測資料開展畸形波的相關(guān)研究，目前還只能是常規(guī)波浪數(shù)據(jù)分析的一個(gè)副產(chǎn)品?；尾òl(fā)生時(shí)波高可能會(huì)迅速增大且歷時(shí)較短，而常規(guī)波浪測量往往并非連續(xù)監(jiān)測，通常都是每個(gè)小時(shí)測量20 min 左右，再加之畸形波波高可能會(huì)超過常規(guī)測量儀器的測量范圍，還可能導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)一段時(shí)間內(nèi)失真，這些都使得該領(lǐng)域的研究變得非常困難。

最著名的畸形波觀測資料是Draupner 平臺(tái)“新年波”的波面記錄，圖1 中出了“新年波”的波形，由于其基本滿足現(xiàn)有畸形波所有的參數(shù)化指標(biāo)，很多學(xué)者都把新年波當(dāng)做畸形波現(xiàn)實(shí)存在的一個(gè)客觀證據(jù)，并將其作為畸形波的樣版來研究和模擬。

圖1 北海Draupner 平臺(tái)觀測到的“新年波”波形

之后，人們對(duì)畸形波的重視程度迅速提高，越來越多的研究人員開始關(guān)注對(duì)于現(xiàn)有或者歷史波浪數(shù)據(jù)中畸形波資料的捕捉和探討，有關(guān)研究成果也不斷出現(xiàn)。整理前人研究成果發(fā)現(xiàn)，目前為止圍繞實(shí)測資料中的畸形波特性及發(fā)生概率的研究主要集中在5 個(gè)海域，分別是大西洋、印度洋、北海、日本海以及中國臺(tái)灣的周邊海域，下面對(duì)五處海域的數(shù)據(jù)特點(diǎn)分別概述。

1.1 大西洋

1995年，英國游輪Queen Elizabeth II 在北大西洋的一場風(fēng)暴中經(jīng)歷了30 m 高的異常浪。2000年，在北大西洋中部，兩艘大型挪威散裝船M/S“Norse Variant”和M/S“Anita”一起消失了。Kjeldsen（2001） 根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣象資料對(duì)這兩起海難進(jìn)行了研究，指出Anita 很可能是被異常浪擊沉的。而在幾乎沒有海流經(jīng)過的南大西洋，曾經(jīng)連續(xù)發(fā)生兩次險(xiǎn)情，兩艘遇險(xiǎn)船Bremen 和Caledonian Star 分別于2001年2-3月的同一星期內(nèi)遭遇了30 m高的海浪襲擊。

在南大西洋巴西里約熱內(nèi)盧州的東北海岸的Campos 海灣，運(yùn)用傳統(tǒng)浮標(biāo)技術(shù)采集到一批波浪數(shù)據(jù)。浮標(biāo)置于Campos 海灣的兩處相近的深水點(diǎn)（1 000 m 深），1991年3月至1993年3月浮標(biāo)置于第一點(diǎn)，1994年1月至1995年6月置于第二點(diǎn)。可供分析的數(shù)據(jù)共有7 457 個(gè)時(shí)間序列，采樣頻率為1 Hz，每3 小時(shí)測量17.067 min。Pinho 等人（2004） 對(duì)這一批實(shí)測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了處理和分析。

1.2 印度洋

南非的東南海域有西南方向的Agulhas 海流經(jīng)過，并經(jīng)受來自東北方向的強(qiáng)風(fēng)影響。1968年，利比里亞油輪World Glory 在經(jīng)過南非近岸海域時(shí)遭遇了突發(fā)巨浪。1980年，油輪Esso Languedoc在德班海域附近遭遇了30 m 高甚至更高的突發(fā)海浪。據(jù)海洋學(xué)家統(tǒng)計(jì)，這一海區(qū)10 m 多高的海浪屢見不鮮，6～7 m 高的海浪每年大約有110 天，其余時(shí)間的浪高一般也在2 m 以上。Lavrenov（1998） 收集了這里關(guān)于畸形波的記錄，并初步分析了畸形波的成因。

在南非Mossel 海灣離岸的一處位于南印度洋中的天然氣采集平臺(tái)，運(yùn)用Marex 雷達(dá)波浪觀測儀獲取了一批波浪測量的數(shù)據(jù)。測點(diǎn)置于水下100 m，且與Agulhas 海流同向。采樣頻率為2 Hz，每小時(shí)20 min 一組進(jìn)行觀測。Liu 等（2008） 對(duì)這一批波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，研究該海域畸形波發(fā)生的概率。

1.3 北海

北海是畸形波出現(xiàn)較為頻繁的海區(qū)之一。這里沒有明顯的海流經(jīng)過，Sand 等人在1969-1985年觀測到9 個(gè)畸形波的記錄，發(fā)現(xiàn)這里畸形波波高和有效波高的最大比值為3。1995年1月1日15 時(shí)20 分在北海Draupner 石油平臺(tái)記錄到波高為25.6 m的“新年波”，時(shí)長1 200 s 的觀測記錄顯示當(dāng)時(shí)的有效波高是11.92 m，波峰高度高達(dá)18.4 m。

在北海地區(qū)的14 個(gè)劇烈風(fēng)暴期間曾經(jīng)采集到長達(dá)約793 h 的極值波的波面高程數(shù)據(jù)，共有約354 000 個(gè)單獨(dú)的波浪。原始數(shù)據(jù)是從3 個(gè)采樣頻率為5 hz 的Thorn 電磁干擾紅外激光高度計(jì)采集得來，儀器分別安裝在北Alwyn 的一處固定的鋼結(jié)構(gòu)石油天然氣平臺(tái)的三個(gè)角上。原始數(shù)據(jù)每組波面高程歷時(shí)20 min，一共有2 381 組。Stansell（2004）對(duì)這批數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，分析了北海實(shí)測極端波浪的分布及其波峰、波谷高度的情況。

1.4 日本海

日本東部的西太平洋和日本海是傳統(tǒng)的天然漁場，海底地形復(fù)雜，暗礁島嶼密布。1980年，英國輪船MVDerbyshire（船長295 m） 在日本海岸失蹤，船上44 人無一人生還。各種跡象表明，這艘輪船MVDerbyshire 喪生于巨浪之中的可能性很大。

Yasuda（1997） 曾利用日本氣象局（JMS） 測量的環(huán)日本海的波浪數(shù)據(jù)，對(duì)該海域畸形波發(fā)生的概率進(jìn)行了研究。該次測量一共設(shè)有9 個(gè)測站，海面高程是由安置在距海底50 m、距海岸1-2 km 的超聲波浪測量儀所觀測得到的。

1986-1990年期間，日本運(yùn)輸部船舶運(yùn)輸研究協(xié)會(huì)在距Yura 漁港3 km 處，利用超聲波儀器對(duì)海浪進(jìn)行了測量。測量水深為43 m，采樣頻率為1 Hz，共得到5 組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含20-40 個(gè)波浪以上的連續(xù)記錄。Mori 等人（2002） 研究了這一批波浪數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)畸形波。

1.5 中國臺(tái)灣周邊海域

臺(tái)灣四周海岸幾乎每年都有畸形波發(fā)生的記錄，冬季以臺(tái)灣東北角海岸發(fā)生的次數(shù)最多，夏季時(shí)西南海岸發(fā)生較頻繁，當(dāng)?shù)爻７Q此種突發(fā)性傷人怪浪為“瘋狗浪”。許明光（1993）、莊姿君（1995）、陳正宏（1999） 等曾收集1954年至1998年間共140 筆有關(guān)異常浪事件的報(bào)道，因異常浪事件而被摧毀的船只達(dá)35 艘，死亡人數(shù)343 人以上。1996年，臺(tái)灣對(duì)其周邊海域設(shè)定了海洋監(jiān)測系統(tǒng)，CHIEN 等人（2002） 從當(dāng)時(shí)整年的現(xiàn)場實(shí)測波浪數(shù)據(jù)庫中的4 565 個(gè)波記錄中獲得了175 個(gè)畸形波。

1997-2009 年，臺(tái)灣中央氣象局設(shè)立的浮標(biāo)站獲取了一批波浪數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的形式是加速度，應(yīng)用小波轉(zhuǎn)換可以反算出水位變化時(shí)序列。Tseng（2011） 對(duì)龍洞及臺(tái)東外洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了具體的分析，從海洋實(shí)測資料中研究畸形波發(fā)生的概率。

2 畸形波特點(diǎn)及發(fā)生概率

對(duì)于不同地區(qū)所采集到的波浪數(shù)據(jù)，研究者采用的分析手段也不盡相同。首先，由于畸形波的定義還不統(tǒng)一，因此沒有完全確定的判定標(biāo)準(zhǔn)，目前常以超過畸形波發(fā)生海域有效波高的兩倍作為其定義。最大波高與有效波高的比值仍是一個(gè)具有爭議的參數(shù)，有學(xué)者指出應(yīng)該使用2.2 作為兩者的比值，更有研究者認(rèn)為這個(gè)參數(shù)應(yīng)該更大。

2.1 畸形波定義

Klinting 和Sand（1987） 認(rèn)為畸形波的判定條件有3 點(diǎn)：1、波高大于有效波高的2 倍；2、波高大于其相鄰波浪波高的2 倍；3、波峰高度大于0.65 倍的有效波高。Kjeldsen（1990） 認(rèn)為波高大于2 倍有效波高的單波為畸形波，即：H＞2Hs，其中H 為畸形波波高，Hs為有效波高。Kharif（2003） 認(rèn)為，在一般情況下，只要波浪的波高與有效波高的比值超過一定的范圍（2-2.2） 就可認(rèn)為該波浪為畸形波，在高斯假定的條件下，H＞2Hs可作為畸形波的判定標(biāo)準(zhǔn)。各國研究者所使用的判定依據(jù)見表1。

表1 各海域波浪數(shù)據(jù)研究方法統(tǒng)計(jì)

有關(guān)波浪的統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)研究者采用了上（下） 跨零點(diǎn)法，由于這兩種方法的誤差，有部分研究者對(duì)兩者都分布進(jìn)行了計(jì)算及討論。

2.2 畸形波發(fā)生概率

根據(jù)經(jīng)典波浪理論，在線性高斯波面的假定下，波高分布具有瑞利分布的形式。按照瑞利分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，H≥2Hs的情形大約在3 000 個(gè)波浪中才會(huì)出現(xiàn)一次。各海域畸形波發(fā)生概率及與瑞利分布的比較見表2。

表2 各海域畸形波發(fā)生概率及與瑞利分布比較統(tǒng)計(jì)表

大西洋的波浪數(shù)據(jù)，運(yùn)用下跨零點(diǎn)法，發(fā)現(xiàn)有108 個(gè)波浪滿足H/Hs≥2 的條件，上跨零點(diǎn)法則有197 個(gè)滿足該條件，其中，有28 個(gè)波浪具有相同的最大波高。因此綜合考慮這兩種方法的結(jié)果，從這7 457 組波浪數(shù)據(jù)中，一共獲得276 組畸形波的個(gè)案。畸形波發(fā)生的概率為3.7%，大于瑞利分布。

而通過對(duì)印度洋波浪數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在1998-2003 的這6年中的50 359 個(gè)波浪中，滿足H/Hs＞2 的波浪共有1 563 個(gè)，發(fā)生概率約為3.1%，比南大西洋的3.7%的概率略低。但研究發(fā)現(xiàn)存在兩者比率位于4.5 至21.3 之間的波浪，因此研究者將畸形波的定義進(jìn)行重新修改。將兩者比率滿足2＜H/Hs＜4 的波浪稱之為“典型畸形波”，而將比率大于4 或者更高的波浪稱為“非尋常畸形波”。

在北海的波浪數(shù)據(jù)中，于354 000 個(gè)波浪中發(fā)現(xiàn)有104 個(gè)畸形波。極端波峰高度發(fā)生的概率比瑞利分布大，而極端波谷高度發(fā)生的概率則高于瑞利分布。結(jié)論指出，常用的瑞利分布對(duì)畸形波現(xiàn)象的預(yù)測值較實(shí)際偏低，建議使用廣義帕累托分布研究，包括畸形波在內(nèi)的極端波浪特征值分布。

日本海9 個(gè)觀測點(diǎn)的波浪數(shù)據(jù)顯示，太平洋一側(cè)畸形波的發(fā)生概率基本符合瑞利分布，而近日本海一側(cè)的畸形波發(fā)生概率則低于瑞利分布。

通過對(duì)日本海第二組觀測數(shù)據(jù)的分析，得到了至少有14 次波高超過10 m 的畸形波事件，畸形波波高和有效波高的比值最大可達(dá)2.67。數(shù)據(jù)還顯示畸形波的波峰、波峰振幅的分布異于瑞利分布，而波高分布則傾向于和瑞利分布一致。

對(duì)臺(tái)灣周邊海域的波浪數(shù)據(jù)分析表明，龍洞地區(qū)符合式①的畸形波共有603 個(gè)，臺(tái)東則有67 個(gè)，其概率皆約為1.4×10-4。而危害性畸形波，即同時(shí)符合式①及式②的異常波浪，于龍洞共找到262個(gè)，發(fā)生概率為0.6×10-4；臺(tái)東外洋共找到51 個(gè)，發(fā)生概率為1.09×10-4，比龍洞高出了80%。兩者發(fā)生的概率都低于瑞利分布的預(yù)測值。

3 基于實(shí)測資料的畸形波研究成果對(duì)比分析

對(duì)比上述5 個(gè)海域的實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出的畸形波發(fā)生概率，發(fā)現(xiàn)結(jié)果大相徑庭。大西洋、印度洋，計(jì)算表明畸形波發(fā)生概率較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瑞利分布的預(yù)測概率。而北海、日本海及臺(tái)灣海峽的波浪數(shù)據(jù)則顯示，當(dāng)?shù)鼗尾òl(fā)生的概率較小，小于瑞利分布。導(dǎo)致各國學(xué)者結(jié)論差異性的原因分析如下：

首先，由于實(shí)測資料是從不同的海域采集得來，各地的氣象、地形等因素均存在較大差別，比如臺(tái)灣的數(shù)據(jù)龍洞水深30 m，水深較淺，而臺(tái)東外洋浮標(biāo)水深5 000 m，是深水海域，而且臺(tái)東外洋海域大波浪較多，當(dāng)?shù)鼗尾ǖ陌l(fā)生概率較高的原因可能與大波浪有關(guān)，亦有可能和水深有關(guān)。且有部分?jǐn)?shù)據(jù)是采集自風(fēng)暴期間（如北海區(qū)域），而其他地區(qū)并不是單獨(dú)采集風(fēng)暴期間數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)本身就具有一定的差異性。

其次，研究結(jié)果與波浪測量的方法，包括使用的儀器、所放置的位置、測量時(shí)間等等都與最終的計(jì)算結(jié)果有著密切的關(guān)系。上述5 個(gè)海域，有些海域使用浮標(biāo)進(jìn)行波浪測量，有些使用雷達(dá)、紅外激光、超聲波等高科技產(chǎn)品進(jìn)行觀測。因此數(shù)據(jù)的可靠性也互不相同。

再則，如表1 中所列出的，各研究者所使用的畸形波判定依據(jù)也不一致，分析數(shù)據(jù)時(shí)并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在今后的研究中，應(yīng)該制定一個(gè)規(guī)范化的畸形波判定準(zhǔn)則，使得各國研究者都可以依照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析研究。

除上述原因之外，研究者所使用的統(tǒng)計(jì)分析方法也從很大程度上決定了波浪數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。波浪數(shù)據(jù)分析前，須先將波浪時(shí)序列分割成許多個(gè)別的波浪，目前各學(xué)者常常采用上（下） 跨零點(diǎn)法來定義一個(gè)波浪時(shí)間序列的最大波高及有效波高。但由于這兩種方法切割出來的波浪并不相同，因此要考慮上跨零點(diǎn)法（波高是波峰到波谷） 及下跨零點(diǎn)法（波高是波谷到波峰） 處理數(shù)據(jù)的差異。

4 結(jié)語

雖然目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)畸形波廣泛存在于很多海域，但由于畸形波存在時(shí)間短及發(fā)生的不確定性，大多文獻(xiàn)中的記錄均是對(duì)某一點(diǎn)的時(shí)域觀測，缺少完整的畸形波發(fā)生記錄，因此畸形波的發(fā)生概率高或低仍尚不明確?？紤]到畸形波可能帶來工程事故和海上船舶災(zāi)難，人們對(duì)這種威脅性極大的波浪的認(rèn)識(shí)必須有很大的提高，從而可以準(zhǔn)確地預(yù)測和減少這種自然災(zāi)害的發(fā)生和造成的損失。因此，要想分析各海域畸形波發(fā)生的概率，還需要更多、更詳細(xì)的觀測數(shù)據(jù)。

目前在國際上，針對(duì)畸形波現(xiàn)象，主要是通過布置各種波浪測量儀器來對(duì)畸形波進(jìn)行觀測。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)用性很強(qiáng)，如“MaxWave”所做，為海洋工作人員先做一份畸形波易發(fā)區(qū)域圖集，再根據(jù)所測水位、波高、地形、水溫、洋流等參數(shù)對(duì)畸形波產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行探討，針對(duì)性強(qiáng)。缺點(diǎn)是耗時(shí)耗力，沒有強(qiáng)大的資金支持很難完成，而且畸形波的到來會(huì)帶來很大的損害，無論是對(duì)測量儀器還是實(shí)測人員。

由于畸形波現(xiàn)象的特殊性，測量儀器所得是否能夠反映畸形波的本質(zhì)，或者說所測數(shù)據(jù)的真實(shí)性也一直是一個(gè)討論的重點(diǎn)，特別是隨著各種衛(wèi)星資料的綜合應(yīng)用，數(shù)據(jù)真實(shí)性問題更加突出。Janssen（2006） 曾就兩顆常用衛(wèi)星ERS 和Envisat的工作機(jī)理，對(duì)合成孔徑雷達(dá)（SAR） 影像數(shù)據(jù)的真實(shí)性進(jìn)行分析，指出SAR 目前無法獲取能夠反映真實(shí)海面非線性的數(shù)據(jù)，因此通過SAR 數(shù)據(jù)得出的畸形波發(fā)生概率不足以令人信服，因此在本文中也未列舉出衛(wèi)星數(shù)據(jù)，仍只對(duì)傳統(tǒng)測量手法得出的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了綜述。

總而言之，設(shè)法獲取能夠反映畸形波現(xiàn)象本質(zhì)的第一手資料，已經(jīng)為越來越多的研究人員或組織所重視。和畸形波有關(guān)的各種數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果也在逐漸增多，但畸形波的定義還未統(tǒng)一，各種數(shù)據(jù)及結(jié)果的出現(xiàn)同時(shí)伴隨著各種不同的觀點(diǎn)。

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