東中國(guó)海大浪頻率和極值波高統(tǒng)計(jì)分析

劉成，鄭崇偉，李榮波，賈云龍

（1.91550部隊(duì)，遼寧大連 116023；2.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧大連 116041）

1 引言

惡劣海況對(duì)航、海洋工程等有著重要影響，大風(fēng)大浪能致使艦船失速、轉(zhuǎn)向、上浪和搖蕩，導(dǎo)致航行與操縱困難，嚴(yán)重時(shí)甚至造成災(zāi)害。深入研究我國(guó)近海的大浪頻率具有重要的實(shí)用價(jià)值。鄧兆青等[1]利用RAMS模式輸出的20年風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)SWAN（Simulating WAves Nearshore）模式，對(duì)渤海近20年的海浪場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)渤海極值波高的大值區(qū)位于渤海東南部海域（38°—39°N，119.5°—120.5°E），百年一遇極值波高能達(dá)到6.7 m。鄭崇偉等[2]曾利用QN（QuikSCAT/NCEP）風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3（WAVEWATCH-III）模式，對(duì)南海近10年的海浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)南海海浪場(chǎng)受季風(fēng)影響顯著，極值波高的大值區(qū)分布于南海北部海域。鄭崇偉等[3-6]還曾利用WW3模式對(duì)南海的海浪場(chǎng)進(jìn)行模擬，并統(tǒng)計(jì)了南海的浪級(jí)頻率，研究發(fā)現(xiàn)1月份南海5級(jí)以上的浪出現(xiàn)頻率較高，4月、7月、10月，大浪基本都只在南海北部、中部出現(xiàn)。本文以QN混合風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)目前國(guó)際先進(jìn)的第三代海浪數(shù)值模式SWAN，對(duì)東中國(guó)海的浪級(jí)頻率和極值波高進(jìn)行模擬研究，為防災(zāi)減災(zāi)、航海、海洋工程等提供科學(xué)依據(jù)。

2 風(fēng)場(chǎng)資料

本文以QN混合風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)SWAN模式，所謂QN混合風(fēng)場(chǎng)，就是對(duì)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星散射計(jì)（QuikSCAT）觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空混合分析的結(jié)果，其空間分辨率為0.5°×0.5°，空間范圍覆蓋全球，時(shí)間范圍從1999年8月—2009年7月，每6 h一次數(shù)據(jù)，該風(fēng)場(chǎng)具有很高時(shí)空分辨率和精度，被廣泛用作海浪模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)[7-8]。

3 模擬方法、資料驗(yàn)證

3.1 模式簡(jiǎn)介

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(lái)的。通常用于近岸、湖泊以及江河口區(qū)，對(duì)譜型不做事先假定[9]。

在笛卡爾坐標(biāo)系下，其控制方程通常采用如下形式：

式（1）中，θ為波向，cx、cy分別為 x方向和y方向上的傳播速度，cθ為波向空間的群速度，cσ為頻率空間的群速度，S為源函數(shù)，它包括風(fēng)能輸入的線性增長(zhǎng)和指數(shù)增長(zhǎng)、白冠破碎引起的能量耗散、底摩擦耗散、波浪深度誘導(dǎo)破碎、三階波-波相互作用和四階波-波相互作用。近岸海浪由于海底地形復(fù)雜多變，因此一般需要考慮三波和四波之間的相互作用。從理論上講，SWAN模式更適合于淺水區(qū)域。

3.2 模擬方法

以QN風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)SWAN模式，對(duì)近10年?yáng)|中國(guó)海的海浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。選取計(jì)算范圍為25°—41°N，117°—130°E，為了消除邊界效應(yīng)帶來(lái)的影響，根據(jù)海浪具有“失憶”的特點(diǎn)，將計(jì)算范圍在中國(guó)海的基礎(chǔ)上稍微擴(kuò)大，再?gòu)闹薪厝∷枰臇|中國(guó)海范圍。模式分辨率取0.15°×0.15°，計(jì)算時(shí)間從1999年08月01日00:00時(shí)—2009年07月31日18:00時(shí)，積分步長(zhǎng)取300 s，每1h輸出一次結(jié)果。

3.3 資料驗(yàn)證

本文將模擬結(jié)果與T/P高度計(jì)觀測(cè)的有效波高（SWH——Significant Wave Height）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬的SWH具有很高的精度，這種方法也被前人廣泛運(yùn)用，證明是可行的[10-11]，本文通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)模擬的海浪數(shù)據(jù)與觀測(cè)資料較為接近，在此不再贅述具體驗(yàn)證過(guò)程。

4 大浪頻率

利用模擬的近10年逐3h的SWH數(shù)據(jù)，對(duì)東中國(guó)海2、5、8、11月及全年的波浪等級(jí)頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，主要列出了2.5 m以上大浪出現(xiàn)的頻率，見(jiàn)圖1、圖2。波浪等級(jí)為國(guó)家海洋局公布的劃分標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。

2月（見(jiàn)圖1a）：由低緯向高緯，大浪頻率逐漸遞減，長(zhǎng)江口以北的等值線大致呈南北向分布，長(zhǎng)江口以南的低緯度海域的等值線大致呈東北-西南向帶狀分布。渤海、黃海北部，以及我國(guó)近岸的大浪頻率基本在3%以內(nèi)，黃海中南部的大浪頻率在3%—12%，到了東海，大浪頻率迅速增加，并在琉球群島附近海域達(dá)到最大，基本在21%以上，高值中心可達(dá)24%以上。

表1 波浪等級(jí)表

5月（見(jiàn)圖1b）：各個(gè)海域的大浪頻率在4個(gè)代表月中最低，基本在2.4%以內(nèi)，這應(yīng)該是由于該月冷空氣已經(jīng)明顯變少，且強(qiáng)度很小，而偏南向的季風(fēng)尚未盛行，導(dǎo)致該月的風(fēng)速整體偏小。渤海和黃海大范圍海域的大浪頻率在0.3%以內(nèi)，琉球群島附近海域?yàn)橄鄬?duì)高值中心。

8月（見(jiàn)圖1c）：大浪頻率較5月明顯增加，但低于2月和11月，黃渤海的大浪頻率較低，基本在2%以內(nèi)，在東海，大浪頻率的等值線大致呈圓形分布，高值中心分布于琉球群島附近海域，中心可達(dá)14%以上。

11月（見(jiàn)圖1d）：該月的大浪頻率為4個(gè)代表月中最大，渤海、黃海北部，以及我國(guó)近海的大浪頻率基本在5%以內(nèi)，黃海中南部海域的大浪頻率在5%—10%；等值線在東海大致呈東北-西南走向，大值區(qū)仍分布于琉球群島附近海域，在20%以上，高值中心分布于臺(tái)灣島以東和東北部近海，可達(dá)35%以上。

從全年的大浪頻率來(lái)看：高緯的大浪頻率小于低緯，近岸的大浪頻率小于離岸，西部海域的大浪頻率小于東部海域。渤海、黃海北部、我國(guó)近海的全年大浪頻率基本在2%以內(nèi)，黃海中南部的全南大浪頻率在2%—6%；東海的全年大浪頻率在6%—20%，等值線呈東北-西南走向，大值區(qū)分布于琉球群島附近海域，高值中心分布于臺(tái)灣島以東及東北部近海，達(dá)到16%以上。

5 最大波高、極值波高

圖1 東中國(guó)海2、5、8、11月的大浪頻率（單位/%）

在海洋開(kāi)發(fā)、航海等活動(dòng)中對(duì)極值風(fēng)速、極值波高都較為關(guān)注，鄭崇偉等[12]曾利用CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）風(fēng)場(chǎng)，采用Gumbel曲線法，推算了中國(guó)海的極值波高，發(fā)現(xiàn)五十年一遇和百年一遇極值風(fēng)速的大值中心主要分布于琉球群島附近海域、臺(tái)灣以東洋面、南海北部海域；張德天等[13]曾利用QN混合風(fēng)場(chǎng)資料，推算了中國(guó)海的極值波高，發(fā)現(xiàn)極值風(fēng)速的大值中心都主要集中在臺(tái)灣以東洋面、琉球群島附近海域、海南島以東和東沙群島附近海域。

本文利用模擬的逐3h的SWH統(tǒng)計(jì)了近10年?yáng)|中國(guó)海的最大波高分布特征，見(jiàn)圖3；此外還參考鄭崇偉、張德天等的計(jì)算方法，推算了東中國(guó)海30年一遇、50年一遇的極值波高，見(jiàn)圖4。

5.1 最大波高

近10年期間，東中國(guó)海的最大波高整體表現(xiàn)出南大北小、離岸大近岸小的分布特征。沿岸的最大波高基本在3 m以內(nèi)，渤海的最大波高在5 m以內(nèi)，黃海北部的最大波高在6 m以內(nèi)，在南黃海的西部近岸存在一相對(duì)大值區(qū)，最大波高在5—7 m，到了東海，最大波高明顯增大，基本在5 m以上，琉球群島附近海域基本在7 m以上，高值中心可達(dá)11 m，詳見(jiàn)圖3。琉球群島附近海域的大浪應(yīng)該是由于臺(tái)風(fēng)和冷空氣的影響所致，該海域在夏季經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)襲擊，冬季冷空氣在海域相對(duì)開(kāi)闊的海域，海浪也更容易充分成長(zhǎng)，形成大浪。

圖2 東中國(guó)海全年的大浪頻率（單位/%）

圖3 近10年中國(guó)海的最大波高分布特征（單位/m）

5.2 極值波高

采用Gumbel曲線法[14-18]計(jì)算了東中國(guó)海的30年一遇、50年一遇極值波高，具體計(jì)算方法如下：

式（2）中，xp為所求多年一遇的極值，xˉ為均值，φ為離均系數(shù)，表2中P′為設(shè)計(jì)頻率。

表2 耿貝爾曲線的離均系數(shù)

30年一遇極值波高（見(jiàn)圖4a）：渤海的極值波高在5 m左右，等值線大致呈東北-西南走向；黃海的極值波高在4—8 m，等值線呈南北向帶狀分布，近岸小，離岸大；東海的極值波高明顯大于黃渤海，該海域基本在9 m以上，大值區(qū)分布于琉球群島附近海域，基本在11 m以上，高值中心可達(dá)13—15 m。

50年一遇極值波高（見(jiàn)圖4b）：渤海中部的極值波高在5—7 m左右，近岸在3—5 m，等值線大致呈東北-西南走向；黃海北部的極值波高在5—7 m，等值線呈東西向帶狀分布，黃海中南部海域的極值波高在5—9 m，等值線呈南北向帶狀分布，近岸小，離岸大；東海的50年一遇極值波高等值線大致呈東北-西南向分布，基本在11m以上，大值區(qū)分布于琉球群島附近海域，基本在13 m以上，高值中心可達(dá)15—17 m。

6 結(jié)論

（1）東中國(guó)海的大浪頻率具有較為明顯的季節(jié)特征和區(qū)域性差異：11月出現(xiàn)頻率最高，基本在35%以內(nèi)，2月稍次之，基本在34%以內(nèi)，5月出現(xiàn)頻率最低，在2%以內(nèi)。高緯的大浪頻率小于低緯，近岸的大浪頻率小于離岸，西部海域的大浪頻率小于東部海域；

圖4 中國(guó)海30年一遇、50年一遇極值波高（單位/m）

（2）近10年期間，沿岸的最大波高基本在3 m以內(nèi)，渤海的最大波高在5 m以內(nèi)，黃海北部的最大波高在6 m以內(nèi)，在南黃海的西部近岸存在一相對(duì)大值區(qū)，最大波高在5—7 m，到了東海，最大波高明顯增大，基本在5 m以上，琉球群島附近海域基本在7 m以上，高值中心可達(dá)11 m；

（3）渤海的30年一遇極值波高在5 m左右，等值線大致呈東北-西南走向；黃海的極值波高在4—8 m，等值線呈南北向帶狀分布；東海的極值波高明顯大于黃渤海，該海域基本在9 m以上，大值區(qū)分布于琉球群島附近海域，基本在11 m以上，高值中心可達(dá)13—15 m。50年一遇極值波高的分布特征與30年一遇極值波高的分布特征較為相似，在數(shù)值上偏大。

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