再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的南海波浪模擬誤差*

王綠卿，梁丙臣，夏運(yùn)強(qiáng)，邵珠曉，高慧君

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.海軍研究院海防工程設(shè)計(jì)研究所，北京 100070)

再分析風(fēng)場(chǎng)被廣泛用于各類海浪后報(bào)及波候研究[1-3]，在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的海域，可采用再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)波浪數(shù)學(xué)模型獲得連續(xù)多年的波浪數(shù)據(jù)開(kāi)展相關(guān)研究。

研究人員對(duì)再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的波浪數(shù)值模型進(jìn)行了大量的校核及檢驗(yàn)工作[4-7]，由于風(fēng)場(chǎng)精度及模型模擬機(jī)制本身的因素，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間總會(huì)存在一定的誤差?；赪AVEWATCH III模型(下文簡(jiǎn)稱WW3)結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)，模型計(jì)算誤差在不同海域的具有不同的特征[6]，且呈現(xiàn)出一定的趨勢(shì)性[8]。在已有研究中，針對(duì)再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的中國(guó)海域波浪模型誤差研究成果不多。

本文對(duì)比了國(guó)際上應(yīng)用廣泛的3類再分析風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的波浪后報(bào)結(jié)果，對(duì)南海海域的波浪模型誤差特點(diǎn)進(jìn)行分析，得到的相關(guān)結(jié)論對(duì)指導(dǎo)合理使用后分析風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 波浪模型設(shè)置

1.1 再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

國(guó)際上一些氣象研究機(jī)構(gòu)提供了不同的再分析風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品[9]，應(yīng)用較廣泛的有歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA-40數(shù)據(jù)、美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局的CFSR數(shù)據(jù)(NOAA/NCEP)[10]和衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)(NOAA/NCDC)[11]。

表1列出上述3個(gè)再分析風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的基本信息，各風(fēng)場(chǎng)時(shí)間精度均為6 h，空間解析精度約為0.25°左右。實(shí)際應(yīng)用表明，再分析風(fēng)場(chǎng)能夠較好地后報(bào)模擬0.1～0.99分位數(shù)之間的波高數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確復(fù)演海域波高的平均、整體、長(zhǎng)期趨勢(shì)，但在此時(shí)間及空間精度下對(duì)大風(fēng)過(guò)程刻畫(huà)不足，在采用大值波高時(shí)需謹(jǐn)慎[12]，文獻(xiàn)[12]認(rèn)為CFSR風(fēng)場(chǎng)相對(duì)ERA風(fēng)場(chǎng)更適合做極值大浪分析。

表1 常用再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本信息

CFSR再分析風(fēng)場(chǎng)以微波成像儀探測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換函數(shù)得到。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的大值風(fēng)速缺失會(huì)導(dǎo)致最終再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)無(wú)大值風(fēng)速過(guò)程[13]。NCDC衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)是綜合利用不同衛(wèi)星遙測(cè)設(shè)備同化得到的數(shù)據(jù)，從后文對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，NCDC風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠較好地后報(bào)大值波浪過(guò)程。

1.2 WAVEWATCH III模型設(shè)置

第三代波浪數(shù)值模型廣泛用于海洋波浪數(shù)據(jù)的后報(bào)研究，WW3作為其中的代表模型主要用于中、大尺度海域的波浪數(shù)值研究。該模型作為NOAA的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)平臺(tái)為美國(guó)諸多研究結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)波浪數(shù)據(jù)[14]，國(guó)際上WW3也廣泛用于波浪后報(bào)及波候研究，其可靠性得到一致認(rèn)可[2, 14-16]。

本文采用WW3模型搭建中國(guó)海及附近海域波浪后報(bào)數(shù)學(xué)模型，波浪模型采用Tolman的經(jīng)典輸入耗散組合項(xiàng)，即Tolman Chalikov計(jì)算組合。模型采用ETOPO2地形數(shù)據(jù)作為水深基礎(chǔ)地形[17]，在解析島嶼(“障礙物”)及大陸岸線時(shí)采用全球高精度岸線形狀數(shù)據(jù)，既能滿足水深精度要求，又能較好模擬大陸岸線對(duì)波浪場(chǎng)的影響。在全球或中大尺度海洋波浪模型中，計(jì)算網(wǎng)格間距往往較大，地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)無(wú)法精確解析大洋島嶼，WW3模型通過(guò)加入“障礙物”數(shù)據(jù)，在數(shù)值方法上考慮了島嶼的影響[17]，表2為本文所用WW3模型的基本參數(shù)設(shè)置。

表2 WW3模型設(shè)置參數(shù)列表

2 實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)

研究采用浮標(biāo)實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計(jì)波高數(shù)據(jù)作為模型驗(yàn)證和誤差分析的依據(jù)。

QF301～QF303波浪浮標(biāo)位處廣東東南沿海，浮標(biāo)所處海域開(kāi)敞無(wú)島嶼，3個(gè)浮標(biāo)距離大陸海岸線在50～85 km之間，其中QF301距QF302約200 km，QF302距QF303約130 km。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中包括Hs波高，平均周期(Tr)及波向，采集時(shí)間間隔為1 h，采集時(shí)間為2009—2013年，各浮標(biāo)位置見(jiàn)圖1。

隨著衛(wèi)星遙感測(cè)量技術(shù)的不斷提高，衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)精度得到一致認(rèn)可[18]，在驗(yàn)證中、大尺度海域波浪數(shù)學(xué)模型時(shí)，常常采用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證依據(jù)[5,19-20]。本研究選用GlobWAVE項(xiàng)目發(fā)布的全球衛(wèi)星高度計(jì)波高融合數(shù)據(jù)(http://globwave.ifremer.fr/)作為驗(yàn)證及分析的依據(jù)，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品期限為1993—2016年，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠[21-22]。本文用到了3個(gè)海域的衛(wèi)星同步模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即圖1中的XS、NS和TP海域，其中XS覆蓋西沙群島海域，NS覆蓋南沙群島海域，TP海域位于菲律賓西側(cè)。

圖1 浮標(biāo)位置及衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)提取范圍

3 再分析風(fēng)場(chǎng)比較

圖2、3分別是不同再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3模型在XS、NS海域的衛(wèi)星同步波高數(shù)據(jù)對(duì)比圖，圖4、5為對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星高度計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和同步模型數(shù)據(jù)分位數(shù)對(duì)比圖。

圖2 不同再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下XS海域衛(wèi)星高度計(jì)波高與WW3模型結(jié)果對(duì)比圖(2006)

圖3 不同再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下NS海域衛(wèi)星高度計(jì)波高與WW3模型結(jié)果對(duì)比圖(2008)

圖4 不同再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下XS海域衛(wèi)星高度計(jì)波高及模型同步結(jié)果分位數(shù)對(duì)比圖(2006)

圖5 不同再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下NS海域衛(wèi)星高度計(jì)波高及模型同步結(jié)果分位數(shù)對(duì)比圖(2006)

綜合以上各圖，ERA-40風(fēng)場(chǎng)得到的模型波高整體低于衛(wèi)星高度計(jì)實(shí)測(cè)值；CFSR風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下低值波高符合程度較好，但對(duì)大值波浪過(guò)程捕捉能力相對(duì)較弱；NCDC衛(wèi)星融合風(fēng)場(chǎng)能夠很好地捕捉大浪過(guò)程，但略微高估小值波浪。

根據(jù)上述風(fēng)場(chǎng)誤差特點(diǎn)，在選用驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)時(shí)需考慮實(shí)際研究的需要，如在研究長(zhǎng)期波候變化時(shí)宜采用CFSR風(fēng)場(chǎng)，但如果為海洋(岸)工程提供波浪數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)選用能夠較好捕捉大浪過(guò)程的NCDC風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

4 基于浮標(biāo)數(shù)據(jù)的模型誤差分析

本節(jié)及第5節(jié)將依據(jù)NCDC融合風(fēng)場(chǎng)后報(bào)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行WW3模型模擬誤差分析。

高度計(jì)受衛(wèi)星繞軌周期影響，無(wú)法采集到定點(diǎn)海域的逐時(shí)數(shù)據(jù)，為提高衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的使用效率，從1990年代開(kāi)始有學(xué)者嘗試采用“平均海域”的方法基于高度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算重現(xiàn)期波高及風(fēng)速[23]，之后，不同學(xué)者對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)在不同范圍海域的均質(zhì)性進(jìn)行了研究[24-26]，認(rèn)為在經(jīng)緯度2°×2°范圍海域內(nèi)的波浪與同海域中心處浮標(biāo)數(shù)據(jù)具有一致的隨機(jī)特性[24]，即某處海域波浪數(shù)據(jù)樣本，可由該點(diǎn)周邊2°×2°海域內(nèi)的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)組建，如以QF301浮標(biāo)為中心2°×2°海域的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)與QF301浮標(biāo)數(shù)據(jù)具有較高一致性。該方法得到的樣本數(shù)據(jù)雖然無(wú)法完全取代浮標(biāo)逐時(shí)數(shù)據(jù)，但在沒(méi)有浮標(biāo)數(shù)據(jù)的條件下，不失為一個(gè)替代方法，下文將該取樣方法簡(jiǎn)稱為“2度法”。本節(jié)采用“2度法”提取了三個(gè)3標(biāo)附近2°范圍海域的波高數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

圖6～8為浮標(biāo)QF301在2010、2012和2013年浮標(biāo)波高、周期及2°范圍高度計(jì)波高模擬結(jié)果分位數(shù)對(duì)比圖，QF302、QF303浮標(biāo)模擬結(jié)果與此基本類似，表3～5為各浮標(biāo)模擬結(jié)果及附近海域衛(wèi)星高度計(jì)模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 浮標(biāo)QF301及周邊海域波浪模擬結(jié)果對(duì)比表(2010、2012、2013)

圖6 浮標(biāo)QF301波高(左)、周期(中)及附近2°海域衛(wèi)星高度計(jì)模擬波高(右)分位數(shù)對(duì)比圖(2010)

綜合上述圖表，WW3模型能夠較好地復(fù)演研究海域的主要波浪特征，但WW3模型整體低估波浪周期，該類問(wèn)題在第三代波浪數(shù)值模型中普遍存在。波高則在不同的年份出現(xiàn)不同的差異，如2010年浮標(biāo)實(shí)測(cè)波高數(shù)據(jù)及高度計(jì)實(shí)測(cè)波高數(shù)據(jù)均整體大于對(duì)應(yīng)的模型值，而2012和2013年則與之不同，波高誤差的年際性差異主要與不同年份的風(fēng)場(chǎng)精度有關(guān)。

對(duì)比同一年份的浮標(biāo)波高數(shù)據(jù)和周邊海域衛(wèi)星高度計(jì)波高數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，浮標(biāo)周邊海域波高模型值與浮標(biāo)同步模型值具有近似一致的誤差趨勢(shì)。

基于“2度法”的衛(wèi)星高度計(jì)波高統(tǒng)計(jì)特征值與浮標(biāo)波高統(tǒng)計(jì)特征值整體接近，分位數(shù)0.999以下的波高數(shù)據(jù)兩者基本一致。若以研究波高整體平均趨勢(shì)為目的，則浮標(biāo)數(shù)據(jù)與“2度法”提取的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)論相差不大，但若以研究大值波高為目的(如推算重現(xiàn)期波浪要素)，“2度法”數(shù)據(jù)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

圖7 浮標(biāo)QF301波高(左)、周期(中)及附近2°海域衛(wèi)星高度計(jì)模擬波高(右)分位數(shù)對(duì)比圖(2012)

圖8 浮標(biāo)QF301波高(左)、周期(中)及附近2°海域衛(wèi)星高度計(jì)模擬波高(右)分位數(shù)對(duì)比圖(2013)

表4 浮標(biāo)QF302及周邊海域波浪模擬結(jié)果對(duì)比表(2010、2012、2013)

表5 浮標(biāo)QF303及周邊海域波浪模擬結(jié)果對(duì)比表(2010、2012、2013)

5 基于衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的誤差分析

圖9給出了TP、XS和NS海域在1991—2008年波高模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的分位數(shù)對(duì)比圖，表6給出了相應(yīng)的分位數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表6 1991—2008年衛(wèi)星高度計(jì)波高數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證結(jié)果分位數(shù)對(duì)比表

圖9 衛(wèi)星高度計(jì)波高模擬結(jié)果分位數(shù)對(duì)比圖(1991—2008)

綜合圖表，WW3波浪模型整體較好地再現(xiàn)了各個(gè)海域的波浪特征，但在同一個(gè)NCDC再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，南海不同海域的波高誤差特點(diǎn)有明顯不同。

在TP海域，模型值和高度計(jì)實(shí)測(cè)值整體符合較好，模型略高估一些低值波浪，模型高估的波浪集中分布在2～5 m之間。由于受到西側(cè)菲律賓半島的遮護(hù)，臺(tái)風(fēng)過(guò)程未在該海域產(chǎn)生極端大浪，低值波高和大值波高均在模型中得到良好復(fù)演。

在XS海域，WW3模型高估低值波高，高估程度略大于TP海域，但由于受到風(fēng)場(chǎng)時(shí)間精度(相鄰風(fēng)場(chǎng)時(shí)間間隔為6 h)影響，再分析風(fēng)場(chǎng)低估臺(tái)風(fēng)大浪過(guò)程，導(dǎo)致模型結(jié)果丟失大浪數(shù)據(jù)。

在NS海域，冬季受東北季風(fēng)影響較大，在自然界中，實(shí)際風(fēng)速過(guò)程通常具有一定波動(dòng)性，不會(huì)保持恒定風(fēng)速的持續(xù)作用，而由時(shí)間精度為6 h的再分析風(fēng)場(chǎng)插值得到風(fēng)速過(guò)程比較光滑，不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速的波動(dòng)過(guò)程，容易導(dǎo)致波高持續(xù)增大，致使WW3模型高估波高。

6 結(jié)論

本文依據(jù)我國(guó)沿海浮標(biāo)數(shù)據(jù)和全球衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)ERA-40、CFSR、NCDC融合風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的WW3模型結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，并基于NCDC融合風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的WW3模型結(jié)果分析了模型模擬誤差分析，結(jié)論如下：

(1)WW3模型結(jié)果受風(fēng)場(chǎng)影響明顯，不同的再分析風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品誤差特點(diǎn)各異，其中ERA-40風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速整體偏小，CFSR風(fēng)場(chǎng)適合平常天氣的波浪模擬，能夠較好地模擬波浪過(guò)程的長(zhǎng)期趨勢(shì)，而NCDC風(fēng)場(chǎng)能夠較好地捕捉大浪過(guò)程，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)研究目的確定采用合適的再分析風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，如CFSR風(fēng)場(chǎng)適合研究波候的平均趨勢(shì)，而NCDC風(fēng)場(chǎng)更適合研究大值波浪。

(2)誤差分析表明各浮標(biāo)在不同年份的波浪周期模擬結(jié)果整體偏低，而波高在不同年份、不同海域的誤差趨勢(shì)各異。通過(guò)分析可認(rèn)為由再分析風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的WW3模型波高誤差具有“海域性、年際性和趨勢(shì)性”特點(diǎn)，WW3模型整體低估波浪周期。

(3)浮標(biāo)周邊2°范圍海域內(nèi)的衛(wèi)星高度計(jì)波高模擬誤差趨勢(shì)與浮標(biāo)波高模擬誤差趨勢(shì)具有一定相似性，浮標(biāo)波高數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征值與“2度法”提取的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征值具有較高的一致性，兩者分位數(shù)0.999以下的統(tǒng)計(jì)值符合良好。

(4)6 h間隔的后分析風(fēng)場(chǎng)較難準(zhǔn)確復(fù)演高分位數(shù)波高，尤其在臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的南海北部海域，易造成大值波浪缺失，低估大值波浪，而在季風(fēng)影響明顯的南海南部海域，同樣受輸入風(fēng)場(chǎng)時(shí)間精度影響，易高估波高。