臺風(fēng)浪對掠海飛行安全性的影響

鄭崇偉，邵龍?zhí)叮謩偅遂o

(1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，遼寧大連116085;2.92538部隊(duì)氣象臺，遼寧大連116041;3.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029)

擊水概率是指是指飛行器在掠海飛行時撞擊海浪的概率［1-2］，隨著我國軍/地海洋建設(shè)的快速發(fā)展，低空(或超低空)飛行的直升機(jī)、偵察機(jī)、無人機(jī)、艦載機(jī)、巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈等掠海飛行器在軍事、國防、海洋探測、礦產(chǎn)勘探、防災(zāi)減災(zāi)等諸多方面得到廣泛應(yīng)用［3］。掠海飛行對海況要求非常高，飛行過高容易暴露目標(biāo)或達(dá)不到預(yù)定效果，飛行過低則容易撞擊海面，影響自身安全，如2012年3月，臺灣一架海鷗直升機(jī)救人時遭遇惡劣海況而撞擊海面墜毀，深入分析海浪對擊水概率的影響具有實(shí)用的價值。雷小龍等［1］曾利用有限的觀測數(shù)據(jù)，對反艦導(dǎo)彈的擊水概率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)飛航導(dǎo)彈在較惡劣的海況下，擊水概率值會大大增加。湛必勝等［2］根據(jù)概率論的中心極限定理，得到擊水概率計(jì)算公式，并就海洋、平原、丘陵、山地進(jìn)行對比。

本文將海浪數(shù)值模擬與擊水概率相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大范圍海域擊水概率場的數(shù)值模擬。主要以CCMP(cross-calibrated，multi-platform)風(fēng)場驅(qū)動目前國際先進(jìn)的第3代海浪模式SWAN(simulating waves nearshore)，對1109號臺風(fēng)“梅花”所致臺風(fēng)浪進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，利用來自韓國、日本的海浪觀測資料驗(yàn)證模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性，并就臺風(fēng)浪對中國海擊水概率的影響進(jìn)行分析，為提高掠海飛行器的突防能力、生存能力、航跡規(guī)劃等軍事/民用活動提供科學(xué)依據(jù)和輔助決策。

1 方法及資料簡介

1.1 模擬方法

以CCMP風(fēng)場驅(qū)動SWAN模式，對1109號臺風(fēng)“梅花”所致的擊水概率場進(jìn)行數(shù)值模擬。SWAN模式是由荷蘭Delft理工大學(xué)在WAM模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通常用于近岸、湖泊以及江河口區(qū)，對譜型不做事先假定，研究表明SWAN模式對中國海的海浪場具有較強(qiáng)的模擬能力［4-5］。為了消除邊界效應(yīng)，在需要的范圍基礎(chǔ)上適當(dāng)將模擬區(qū)域適當(dāng)擴(kuò)大，選取模擬范圍:0.125°～45.125°N，100.125°E～145.125°E，空間分辨率取 0.1°×0.1°，積分步長取為900 s，每小時輸出1次結(jié)果，計(jì)算時間為2011年6月25日00∶00時～2011年6月30日18∶00時(本文時間均為世界時間)。

1.2 風(fēng)場資料

常用風(fēng)場有ERA-40海表10 m風(fēng)場、NCEP風(fēng)場、QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場、CCMP風(fēng)場。無論時空分辨率、時間序列，還是數(shù)據(jù)精度，CCMP風(fēng)場整體優(yōu)于其他風(fēng)場［6-9］，如表1。CCMP風(fēng)場在國外得到廣泛的認(rèn)可和運(yùn)用，但國內(nèi)使用的仍非常少，本文以CCMP風(fēng)場作為SWAN模式的驅(qū)動場。

CCMP風(fēng)場［10-13］資料來自美國國家航空航天局(NASA)，它結(jié)合了 QuikSCAT，SSM/I、ADEOS-II、TRMM TMI、AMSR-E等幾種資料，利用變分方法得到，其空間分辨率為 0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h，空間范圍為:78.375°S ～ 78.375°N，0.125°～359.875°E，時間范圍從 1987 年 7 月至今。

1.3 海浪觀測資料

本文利用韓國、日本的海浪觀測資料，驗(yàn)證模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性，期望這種方法給相關(guān)的研究人員提供一種參考。通常的海浪觀測資料有:人工觀測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)觀測資料、海洋調(diào)查船觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星資料反演的有效波高(significant wave height，SWH)。目前各個國家的海浪觀測資料也非常有限，這種困境在我國顯得尤為突出，且我國數(shù)據(jù)并不開放，這就在很大程度上影響了我國海浪及相關(guān)方面的研究進(jìn)展。目前，衛(wèi)星資料反演的SWH已經(jīng)較為接近觀測數(shù)據(jù)，但在時空分辨率、時間序列等方面都有很大缺陷，如T/P高度計(jì)在中國海的軌道較為稀少，且軌道重復(fù)周期較長，為10 d，反演的數(shù)據(jù)在時空分辨率方面缺陷較大。

1.4 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

本文選取韓國22101、22102、22108號浮標(biāo)站，以及日本福江島站的海浪觀測資料［14-15］，驗(yàn)證SWAN模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性。由圖1可見，4個站點(diǎn)的模擬SWH與觀測SWH在曲線走勢上表現(xiàn)出很好的一致性，模擬數(shù)據(jù)對臺風(fēng)“梅花”帶來的大浪刻畫的較為明顯;觀測SWH的跳躍現(xiàn)象比較突出，而模擬SWH的走勢則較為光滑。

圖1 觀測有效波高與SWAN模式模擬的有效波高Fig.1 Observation wave height and simulation wave height

為了精確地分析模擬SWH的精度，本文還計(jì)算了相關(guān)系數(shù)、偏差、均方根誤差以及平均絕對誤差，見表2。4個站點(diǎn)的模擬SWH與觀測SWH均表現(xiàn)出很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.96以上，通過了99.99%的信度檢驗(yàn);從偏差來看，4個站點(diǎn)的偏差均為負(fù)值，但數(shù)值都很小，表明模擬SWH略大于觀測SWH;從均方根誤差、平均絕對誤差來看，模擬數(shù)據(jù)的精度也都比較高。整體來看，模擬的海浪數(shù)據(jù)具有較高精度，已有的研究也表明SWAN模式對中國海的海浪場具有較強(qiáng)的模擬能力［3-4，16-17］，綜上，本文模擬的中國海海浪數(shù)據(jù)具有較高精度。

表2 SWAN模式模擬有效波高的精度Table 2 Precision of the simulation wave height

2 海浪場、擊水概率場特征

2.1 擊水概率的計(jì)算方法

擊水概率是指飛行器在掠海飛行時撞擊海浪的概率，是掠海飛行器生存能力的重要指標(biāo)之一［18］，具體計(jì)算方法為

式中:h為飛行高度;σ為與擊水概率有關(guān)的高度標(biāo)準(zhǔn)差;σ1為飛行高度探測的標(biāo)準(zhǔn)差，主要包括數(shù)字高程圖誤差、控制誤差、雷達(dá)高程表探測誤差。固定飛行器對應(yīng)固定誤差;σ2為海浪浪高的標(biāo)準(zhǔn)差。利用模擬的海浪數(shù)據(jù)，結(jié)合式(1)、(2)，計(jì)算得到2011年8月4日00∶00時～2011年8月8日18∶00時逐小時的擊水概率場，分別計(jì)算了當(dāng)飛行器的飛行高度為5 m時的擊水概率(簡稱5 m高度擊水概率)、飛行高度為10 m時的擊水概率(簡稱10 m高度擊水概率)，為掠海飛行的航跡規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 海浪場、擊水概率場分布特征

整體來看，SWAN模式較好地刻畫了“梅花”所形成的臺風(fēng)浪場，主要體現(xiàn)在:臺風(fēng)尾跡、臺風(fēng)的大浪區(qū)、近臺風(fēng)中心逆時針旋轉(zhuǎn)的波向等方面，見圖2。

圖2 臺風(fēng)“梅花”期間的海浪場、5 m和10 m高度擊水概率場Fig.2 Wave field，5 m and 10 m height ditching probability during typhoon"Muifa"

5日12時:此時臺風(fēng)正在穿越琉球群島，沿西北方向行進(jìn)，大浪區(qū)主要分布于危險半圓(臺風(fēng)行進(jìn)方向的右側(cè)——第一、第四象限)，與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)吻合，尤其是第四象限，大浪區(qū)的SWH在9 m以上。擊水概率場與海浪場的分布特征表現(xiàn)出較好的一致性，受臺風(fēng)浪的影響，整個琉球群島附近大范圍海域的5 m高度擊水概率在65%以上，其余大部分海域也都在60%以上，危險半圓的高值中心可達(dá)85%以上，可航半圓的5 m高度擊水概率明顯低于危險半圓;10 m高度擊水概率明顯低于5 m高度擊水概率，普遍低30%左右。

6日12時:臺風(fēng)進(jìn)入東海中部，大浪區(qū)的范圍明顯大于臺風(fēng)穿越琉球群島時造成的大浪范圍，這應(yīng)該是由于臺風(fēng)穿越琉球群島海域時受到地形阻擋，進(jìn)入東海后下墊面更為光滑所致。大浪區(qū)主要分布于危險半圓，尤其是第四象限，大值區(qū)的SWH在11 m以上，波高明顯大于5日12時的大浪區(qū)波高，見圖2(a)、(d)。與臺風(fēng)浪的變化相似，擊水概率也相應(yīng)增大，東海大部分海域的5 m高度擊水概率在70%以上，危險半圓的高值中心可達(dá)90%以上;10 m高度擊水概率明顯低于5 m高度擊水概率，普遍低30%左右。值得注意的是，當(dāng)飛行高度為10 m時，臺風(fēng)影響區(qū)域以外海域的擊水概率都在20%以內(nèi)。

7日12時:臺風(fēng)北上進(jìn)入黃海中部，由于海域變得狹小，受地形因素的巨大影響，臺風(fēng)所造成的波高明顯減小，大浪區(qū)的波高在8 m左右。擊水概率場與臺風(fēng)浪場的分布特征保持了很好的一致性。大浪區(qū)的5 m高度擊水概率在80%左右，臺風(fēng)影響區(qū)域以外海域的5 m高度擊水概率也都在60%以上;大浪區(qū)的10 m高度擊水概率在50%左右，臺風(fēng)影響區(qū)域以外海域的10 m高度擊水概率在20%以內(nèi)。

值得注意的是:臺風(fēng)中心并不位于SWH的大值中心，但也不位于低值中心，而是位于高值中心與低值中心交界的地方，這應(yīng)該是由于臺風(fēng)中心存在一小范圍的無風(fēng)區(qū)和涌浪效應(yīng)所致。臺風(fēng)中心位于無風(fēng)區(qū)，這就決定了臺風(fēng)中心的波高不會超過臺風(fēng)浪的高值中心，但臺風(fēng)中心也不位于SWH的低值中心，這應(yīng)該是由于臺風(fēng)浪大值區(qū)的涌浪傳播至臺風(fēng)中心所致。

4 結(jié)論

以CCMP風(fēng)場驅(qū)動海浪模式SWAN，對1109號臺風(fēng)“梅花”所致臺風(fēng)浪進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了大范圍海域的擊水概率研究，得到如下結(jié)論:

1)以CCMP風(fēng)場驅(qū)動海浪模式SWAN，對中國海的臺風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的。通過與來自韓國、日本的海浪觀測資料比較，模擬的海浪數(shù)據(jù)具有較高精度:模擬SWH略大于觀測SWH，二者在曲線的走勢上表現(xiàn)出很好的一致性;觀測SWH的跳躍現(xiàn)象比較明顯，而模擬SWH的走勢則較為光滑。

2)SWAN模式較好地刻畫了臺風(fēng)“梅花”所形成的臺風(fēng)浪場，主要體現(xiàn)在:臺風(fēng)尾跡、臺風(fēng)的大浪區(qū)、近臺風(fēng)中心逆時針旋轉(zhuǎn)的波向等方面。臺風(fēng)中心并不位于SWH的大值中心，但也不位于低值中心，而是位于高值中心與低值中心交界的地方，這應(yīng)該是由于臺風(fēng)中心存在一小范圍的無風(fēng)區(qū)和涌浪效應(yīng)所致，需要在以后的研究中，借助涌浪指標(biāo)對臺風(fēng)中心的風(fēng)浪、涌浪所占的比例進(jìn)行定量研究，對本文在此處的推斷做出定量的科學(xué)研究。

3)臺風(fēng)“梅花”行進(jìn)過程中，大浪區(qū)主要分布于危險半圓(臺風(fēng)行進(jìn)方向的右側(cè)——第一、第四象限)，尤其是第四象限。臺風(fēng)穿越琉球群島時，大浪區(qū)的SWH在9 m以上，進(jìn)入東海后，由于下墊面變得更加光滑，大浪區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，大值中心的SWH可達(dá)11 m以上。臺風(fēng)進(jìn)入黃海后，海域變得狹小，受地形因素的巨大影響，臺風(fēng)所造成的波高明顯減小，大浪區(qū)的波高在8 m左右。

4)臺風(fēng)“梅花”給中國海的擊水概率場造成了很大影響，當(dāng)飛行高度為5 m時，中國海大部分海域的擊水概率在60%以上，危險半圓的高值中心可達(dá)85%以上，甚至90%以上，可航半圓的5 m高度擊水概率明顯低于危險半圓;10 m高度擊水概率明顯低于5 m高度擊水概率，普遍低30%左右。飛行高度為10 m時，臺風(fēng)影響區(qū)域以外海域的擊水概率都在20%以內(nèi)。

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