唐山南部近海海浪特征及風(fēng)浪預(yù)報方法分析研究

龍強，王鋒，2，項青霞，孟艷靜

（1.曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北唐山063015；2.唐山市氣象局，河北唐山 063000）

唐山南部近海海浪特征及風(fēng)浪預(yù)報方法分析研究

龍強1，王鋒1，2，項青霞1，孟艷靜1

（1.曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北唐山063015；2.唐山市氣象局，河北唐山 063000）

摘要：利用唐山南部近海浮標(biāo)站的觀測資料，對該海域的海浪特征、風(fēng)浪浪高預(yù)報方法及主要海區(qū)風(fēng)浪成長時有效波高與風(fēng)速、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時之間的關(guān)系做了分析。結(jié)果表明：（1）唐山南部海域海浪類型以風(fēng)浪為主，風(fēng)速大于12.4 m/s的淺水波均為風(fēng)浪，低于12.4 m/s風(fēng)速的深水波存在30%比例的涌浪；（2）波高≥2 m的風(fēng)浪多由具有較長風(fēng)區(qū)的NE、ENE風(fēng)產(chǎn)生，二者占總數(shù)的76.9%，且多出現(xiàn)在秋冬季，所占比例高達(dá)83.4%；（3）受風(fēng)區(qū)長度限制，NE、ENE方向上風(fēng)力大于5級時，該海區(qū)內(nèi)的風(fēng)浪不能達(dá)到充分成長狀態(tài)；（4）整體而言，“蘇聯(lián)法”對唐山南部近海1.5—2.0 m的風(fēng)浪波高計算表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，“海大法”更適合2.0 m以上浪高的計算；（5）不同海區(qū)、不同波高范圍的計算方法檢驗顯示，對于有效波高≥2 m的風(fēng)浪，“海大法”對NE、ENE、E方向上的計算效果最佳，SE、SSE方向上大浪出現(xiàn)的幾率較低，對于其他方向的海區(qū)和波高范圍，“蘇聯(lián)法”仍然表現(xiàn)出了理想的適用性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)浪；浪高；預(yù)報方法；風(fēng)區(qū)；檢驗

1　　引言

隨著海上石油、天然氣、漁業(yè)等資源的開發(fā)利用和航運事業(yè)的發(fā)展，海上作業(yè)安全保障越來越得到關(guān)注。波浪作為重要的海洋動力因素之一，是一種隨機性較強的水體運動，其生成、發(fā)展、傳播等會給航運、港口、碼頭及水上建筑物等帶來安全威脅，人們對各海區(qū)海浪狀態(tài)的掌握和預(yù)報預(yù)測也越來越重視。影響海浪形成和發(fā)展的因素較為復(fù)雜，在眾多的研究方法中，風(fēng)浪關(guān)系是研究海浪應(yīng)用最為廣泛的一種［1］，也是其他相關(guān)方法的重要基礎(chǔ)。按照類型劃分，海浪可分為風(fēng)浪和涌浪，二者可單獨出現(xiàn)或同時出現(xiàn)。針對海浪規(guī)律的分析和預(yù)報模擬，相關(guān)學(xué)者做了諸多工作：劉珂等［2］早在1999年便對青島近海海浪的預(yù)報方法做了對比分析，確定了青島海域的經(jīng)驗預(yù)報公式；尹文昱等［3］利用氣象、水文綜合資料對渤海海峽的風(fēng)浪特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，指出不同季節(jié)波浪形成的延遲時間有明顯不同。在模式或模型預(yù)報方面，李燕等［4］利用SWAN模式對黃渤海海域浪高進(jìn)行了模擬試驗，應(yīng)用效果良好；謝冬梅等［5］以NCEP和WAMC4為基礎(chǔ)建立了嵌套模型，研究了東中國海波浪的時空分布特征，指出渤海、黃海和東海有效波高在不同季節(jié)差異顯著；梅嬋娟等［6］對比了WAVEATER和SWAN模式對中國黃海海域浪高的模擬能力，結(jié)果顯示SWAN模式的模擬結(jié)果更理想。

文中利用唐山南部近海浮標(biāo)站觀測資料對該海域的海浪類型作了統(tǒng)計研究，并確定了不同條件下該海域風(fēng)浪浪高的預(yù)報方法，對主要海區(qū)的風(fēng)浪成長特點也做了初步分析。

2　　資料選取和方法

選取唐山南部近海海域大型氣象浮標(biāo)觀測站

1952年相關(guān)學(xué)者提出了風(fēng)浪預(yù)報理論架構(gòu)，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，目前主要有以下5種常用的經(jīng)驗、半經(jīng)驗計算方法。文中將對各方法在唐山南部近海海域的適用性進(jìn)行評估。

（1）SMB方法

SMB方法［7］是以有效波理論為基礎(chǔ)，基于實測數(shù)據(jù)修正而建立的計算方法，關(guān)系式為：

式中：g為重力加速度（m/s2），H為波高（m），U為風(fēng)速（m/s），F(xiàn)為風(fēng)區(qū)長度（m），T為海浪周期（s）。

（2）Wilson方法

為了研究移動風(fēng)區(qū)與風(fēng)浪的關(guān)系，Wilson提出了一系列經(jīng)驗公式［8］，其中風(fēng)浪要素計算公式為眾多學(xué)者所采用，關(guān)系式為：

（3）蘇聯(lián)法

早在20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)學(xué)者提出了計算風(fēng)浪的半經(jīng)驗、半理論算式［9］，本文簡稱為“蘇聯(lián)法”，在一些情況下，其較好地表征著海浪的特點，關(guān)系式為：

式中：d為水深（m）。

（4）規(guī)范法

國家科學(xué)技術(shù)委員會海洋組等有關(guān)單位根據(jù)實測資料提出了一定風(fēng)區(qū)下任何水深的風(fēng)浪要素計算公式［10］，本文簡稱為“規(guī)范法”，關(guān)系式為：

（5）海大法

該方法由原青島海洋大學(xué)提出，是港工部門普遍采用的方法［11］，本文簡稱為“海大法”，關(guān)系式為：

3　　唐山南部近海海浪特征

3.1波型分析

當(dāng)前劃分風(fēng)浪與涌浪的判據(jù)可歸納為3類：波形判據(jù)、波要素判據(jù)和譜分析判據(jù)，中科院海洋研究所的王一飛在第2種觀點的基礎(chǔ)上提出了效果更好的分離方法［12］，只要滿足所列3個條件中的2個便可定為涌浪。深水涌浪判據(jù)為：

淺水涌浪判據(jù)為：

式中：β、δ分別為波令、波陡，其中波令和波陡的計算方法采用Wilson經(jīng)驗公式

式中：C為波速（m/s），λ為波長（m）。

對于深（淺）水波的判定，文中采用d/U2＞（≤）0.2作為標(biāo)準(zhǔn)［13］。唐山南部近海主航道水深約31 m，計算可得風(fēng)速≤12.4 m/s時海浪為深水波，風(fēng)速＞12.4 m/s時海浪為淺水波。當(dāng)水域周界不規(guī)則、水域中有島嶼時，或在河道的轉(zhuǎn)彎、汊道處，風(fēng)區(qū)長度一般采用等效風(fēng)區(qū)長度Fe，計算公式為：

式中：ri為計算點到對岸的直線距離，αi為ri與主風(fēng)向之間得到夾角?？梢钥闯?，水域形狀越規(guī)則、統(tǒng)一，所得的等效風(fēng)區(qū)長度越精確，更能代表該海域風(fēng)區(qū)的實際情況，因此根據(jù)唐山南部海域周圍的地形特點，并根據(jù)風(fēng)區(qū)長度確定標(biāo)準(zhǔn)，將16個方位劃分為5部分（見圖1），其中NNE、N、NNW為第Ⅰ部分，NE、ENE、E為第Ⅱ部分，ESE為第Ⅲ部分，SE、SSE為第Ⅳ部分，S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW為第Ⅴ部分。按照式（19）計算可得各海區(qū)等效風(fēng)區(qū)長度分別為：FⅠ=8 km，F(xiàn)Ⅱ=231.5 km，F(xiàn)Ⅲ= 555.4 km，F(xiàn)Ⅳ=195.3 km，F(xiàn)Ⅴ=91.1 km。

2010—2013年浮標(biāo)觀測站共累計了968個淺水波樣本，按照式（14）—（16）的計算判斷可得所有淺水波均為風(fēng)浪，也就是說唐山南部海域大于12.4 m/s的風(fēng)速條件下的浪均為風(fēng)浪，無涌浪；深水波樣本總數(shù)為31 931（去除了2 165個無浪樣本），判斷可得其中有9 592個涌浪，約占樣本總數(shù)的30.0%；除了外海傳遞過來的涌浪，由于本海區(qū)內(nèi)風(fēng)速驟降造成的涌浪也時有產(chǎn)生，圖2為2012年2月 22日的一次過程，可以看出，風(fēng)速達(dá)到峰值后在波動中明顯下降，但波高出現(xiàn)了驟增趨勢，檢驗可得15時以后的海浪均為涌浪（圖中虛線范圍所示）。

圖1唐山南部海域各部分海區(qū)劃分示意圖

圖2 2012年2月22日過程中的相關(guān)要素變化

圖3唐山南部海域有效波高≥2 m風(fēng)浪對應(yīng)的風(fēng)向分布圖

3.2波向和季節(jié)分布特征

根據(jù)本地港口實際情況，選取2010—2013年積累的577個有效波高≥2 m的風(fēng)浪樣本作為研究對象。圖3為有效波高≥2 m的風(fēng)浪對應(yīng)風(fēng)向的頻率分布圖，由圖可知：產(chǎn)生2 m以上風(fēng)浪的多為NE、ENE風(fēng)，二者所占比例為76.9%，NNE到E的4個風(fēng)向上的比例高達(dá)94.1%，而SE到N的11個風(fēng)向上的樣本所占比例僅有4.1%。此外，WNW和NW兩個方向上的平均風(fēng)速達(dá)17.0 m/s，所形成的平均波高為2.06 m，而NE、ENE和E方向上的平均風(fēng)速為13.7 m/s，平均波高卻達(dá)2.42 m。對比圖1的方位分區(qū)可初步得到如下結(jié)論：以NE、ENE、E風(fēng)向為代表的長風(fēng)區(qū)（ESE方向上的大風(fēng)頻次較低，故不以此作為典型）內(nèi)，風(fēng)浪的成長時間相對充足，容易產(chǎn)生2 m以上的風(fēng)浪，而WNW、NW方向上的風(fēng)區(qū)較短，相對不容易產(chǎn)生產(chǎn)生2 m以上的風(fēng)浪，或產(chǎn)生同樣波高的風(fēng)浪需要更大的風(fēng)速等條件。

表1為唐山南部海域有效波高≥2 m風(fēng)浪在各月出現(xiàn)的分布情況，從表中可知：大于2 m的風(fēng)浪多出現(xiàn)在秋冬季，占總數(shù)的83.4%，而春夏季所占比例明顯偏小，這多由于秋冬季節(jié)多大風(fēng)［14］，外加水-氣界面不穩(wěn)定，海面風(fēng)容易激發(fā)波浪的形成或促進(jìn)波高增大，春夏季海水溫度低于氣溫，水-氣界面上熱下冷，抑制波浪的形成或浪高增大。

表1唐山南部海域有效波高≥2 m風(fēng)浪在各月份的分布

3.3風(fēng)浪成長特征

風(fēng)浪的發(fā)展一般分為3個狀態(tài)［15］：過渡狀態(tài)、定常狀態(tài)和充分成長狀態(tài)。其中過渡狀態(tài)是指風(fēng)浪的成長取決于風(fēng)時長短，風(fēng)浪隨著時間的增長而增高；當(dāng)風(fēng)傳給浪的能量與渦動摩擦的能量平衡時，風(fēng)浪不再受風(fēng)等其他條件影響，達(dá)到極限狀態(tài)，此時即為充分成長狀態(tài)。

從風(fēng)浪計算公式（1）—（10）可以看出，風(fēng)浪的成長主要受風(fēng)速、風(fēng)時、風(fēng)區(qū)以及水深等要素的影響。對于唐山南部海域，浮標(biāo)觀測處水深為31 m，且不同風(fēng)向時，風(fēng)區(qū)長度也不同，風(fēng)速≤12.4 m/s時觀測點為深水區(qū)，風(fēng)速＞12.4 m/s時變?yōu)闇\水區(qū)。

當(dāng)風(fēng)浪受到風(fēng)速和風(fēng)時限制較大時，有如下關(guān)系

李天然等基于SMB方法，在深水區(qū)風(fēng)浪充分成長狀態(tài)時獲得了風(fēng)速U、風(fēng)時t以及最小風(fēng)區(qū)長度Fmin之間的關(guān)系［1］：

于是可得風(fēng)速和風(fēng)時、風(fēng)區(qū)之間的具體對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2風(fēng)速和風(fēng)區(qū)、風(fēng)時的對應(yīng)關(guān)系

對于唐山南部海域，容易產(chǎn)生2 m以上風(fēng)浪的第Ⅱ海區(qū)風(fēng)區(qū)長度為231.5 km，達(dá)到充分成長時所需風(fēng)速為約為10 m/s，相當(dāng)于5級風(fēng)，也就是說當(dāng)?shù)冖蝻L(fēng)區(qū)風(fēng)力大于5級時，風(fēng)浪將不能達(dá)到充分成長狀態(tài)。然而，第Ⅱ風(fēng)區(qū)多6級以上東北大風(fēng)，如果風(fēng)速達(dá)到10.8 m/s，風(fēng)浪充分成長所需風(fēng)時約為22 h，所需最小風(fēng)區(qū)為274.9 km，大于第Ⅱ海區(qū)風(fēng)區(qū)值，風(fēng)浪普遍難以在該海區(qū)充分成長。

4　　風(fēng)浪計算方法分析

采用文中第1部分所列的5種計算方法，結(jié)合唐山南部海洋專業(yè)氣象服務(wù)需求，以1.5 m以上浪高（分為1.5—2.0 m和＞2.0 m兩個范圍）的1 454個風(fēng)浪樣本作為檢驗對象，從統(tǒng)計分析的角度出發(fā)，對浪高計算結(jié)果的相對誤差和絕對誤差進(jìn)行分析，探討5種方法的本地適用性。檢驗方法如下：每一個樣本代入該5種方法計算可得5個相對誤差，我們認(rèn)為相對誤差最小所對應(yīng)的計算方法最優(yōu)，故以每組結(jié)果中的最小相對誤差作為統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)。

從表3的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，對于1.5—2.0 m的浪高，方法3具有明顯的優(yōu)勢，相對誤差最小次數(shù)占69.44%，遠(yuǎn)高于其他4種方法；對于高于2.0 m的波高，方法5的計算結(jié)果相對最佳，相對誤差最小次數(shù)占40.73%。

絕對誤差可以表征計算結(jié)果與實際值的偏離程度，絕對誤差越小，計算結(jié)果越精確。表3為絕對誤差的計算結(jié)果統(tǒng)計。

從表4可以看出，對于1.5—2.0 m的波高，無論是絕對誤差ΔH≤0.5 m還是ΔH≤1.0 m，方法3具仍有明顯的優(yōu)勢，所占總數(shù)的百分比分別高達(dá)83.12% 和99.32%；對于＞2.0 m的波高，ΔH≤1.0 m時，仍然是方法3的計算結(jié)果最佳，比方法5高約10%，而ΔH≤0.5 m條件下，方法5最優(yōu)，比方法3高20%。整體而言，方法5對＞2.0 m的浪高計算效果更好。

由于唐山南部港區(qū)周圍地形復(fù)雜，相關(guān)方向上的風(fēng)區(qū)長短不一，故在此對圖1所示的幾個海區(qū)進(jìn)行分類計算、統(tǒng)計，以分析各不同風(fēng)區(qū)風(fēng)浪要素的最佳計算方法。

表3計算結(jié)果相對誤差統(tǒng)計

表4計算結(jié)果絕對誤差統(tǒng)計

表5　　不同風(fēng)區(qū)計算結(jié)果相對誤差統(tǒng)計

由表5、表6可知，對于1.5—2.0 m的波高，方法3在各風(fēng)區(qū)浪高計算上具有明顯的優(yōu)勢，無論是最小相對誤差出現(xiàn)次數(shù)占總數(shù)的比例還是絕對誤差≤0.5 m或1.0 m所占的比例，均明顯高于其他4種方法；對于2.0 m以上的波高計算，方法3在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ風(fēng)區(qū)仍表現(xiàn)出最好的適用性，方法5對Ⅱ風(fēng)區(qū)的浪高計算結(jié)果最優(yōu)；風(fēng)區(qū)Ⅳ中波高＞2.0 m的樣本數(shù)較少說明該海區(qū)大浪出現(xiàn)的幾率較低。

在獲取海區(qū)不同條件下的最佳算法后，便可根據(jù)精細(xì)化數(shù)值預(yù)報的風(fēng)速值計算波高值，實現(xiàn)唐山南部近海海域定點、定量的精細(xì)化波高預(yù)報。

表6不同風(fēng)區(qū)計算結(jié)果絕對誤差統(tǒng)計

5　　結(jié)論

（1）唐山南部近海海域海浪以風(fēng)浪為主，風(fēng)速大于12.4 m/s的淺水波均為風(fēng)浪，低于12.4m/s風(fēng)速的深水波存在30%比例的涌浪，包含由外海傳遞過來的涌浪和本地由于風(fēng)速驟降等原因所形成的涌浪；

（2）有效波高≥2 m的風(fēng)浪多由具有較長風(fēng)區(qū)的NE、ENE風(fēng)產(chǎn)生，二者占總數(shù)的76.9%；受海上大風(fēng)和海面不穩(wěn)定水-氣層結(jié)等因素影響，2 m以上風(fēng)浪多出現(xiàn)在秋冬季，比例高達(dá)83.4%；

（3）受風(fēng)區(qū)長度限制，容易產(chǎn)生2 m以上風(fēng)浪的NE、ENE方向上風(fēng)力大于5級時，該海區(qū)內(nèi)的風(fēng)浪不能達(dá)到充分成長狀態(tài)；

（4）整體而言，蘇聯(lián)法對唐山南部海域1.5—2.0 m的風(fēng)浪計算體現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，海大法更適合2.0 m以上波高的計算；不同海區(qū)和波高范圍下的檢驗結(jié)果表明：海大法對NE、ENE、E方向上的2.0 m以上浪高計算效果最佳，SE、SSE方向上出現(xiàn)大浪的幾率較低，而對于其他海區(qū)和浪高范圍，蘇聯(lián)法仍然表現(xiàn)出了理想的適用性。

與華東的青島海域［1］、華南的南海北部海域［2］相比，位于華北渤海灣的唐山南部海域由于地理、氣候、環(huán)境等原因，在海浪特征及不同海域風(fēng)浪預(yù)報方法方面具有不同的特點。文中評估了不同風(fēng)浪要素計算方法在不同海區(qū)的適用情況，定量計算了不同風(fēng)速下的浪高，所得結(jié)論的業(yè)務(wù)應(yīng)用將提高唐山南部海域風(fēng)浪預(yù)報的準(zhǔn)確性，為本地開展港口安全運營調(diào)度精細(xì)化預(yù)報提供了可能。

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中圖分類號：P731.22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0027-07

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.004

收稿日期：2015-08-09

基金項目：中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項目（CMAGJ2015M05）。

作者簡介：龍強（1987-），男，工程師，碩士，主要從事海洋氣象預(yù)報工作。E-mail:q_loong@126.com（118.55°E，38.86°N）積累的35 064組整點樣本（包括風(fēng)速、風(fēng)向、波高、波向、周期等）作為分析研究資料，根據(jù)本海域氣候特點，對其進(jìn)行分類分析，探討海浪的特征，并基于相關(guān)計算公式，對比檢驗適合本海域的浪高預(yù)報方法。

Research about wave features and wind wave height forecasting methods of Tangshan southern coastal area

LONG Qiang1，WANG Feng1，2，XIANG Qing-xia1，MENG Yan-jing1
（1.Caofeidian Meteorological Bureau，Tangshan 063015 China 2.Tangshan Bureau，Tangshan，063000 China）

Abstract：Based on the buoy station observation data in the coastal waters of the south region of Tangshan，the wave features，wind wave height forecasting methods and the relationships among effective wave height，wind speed，wind fetch length and wind duration under the growth of wind wave in the main sea zones are statistically analyzed.The results are as following：（1）the wave type is given priority to wind-wave，and all of the shallow water waves formed by wind speed greater than 12.4m/s are sea waves，but there are 30%swell waves in deep water waves formed by wind speed less than 12.4m/s.（2）Rough sea wave height bigger than 2m is mostly formed by NE and ENE wind possessing longer wave fetch length，76.9%of the total，and mostly appears in autumn and winter，with the 83.4%proportion.（3）Restricted by the wind fetch length，when the wind-force level is bigger than 5 at the NE and ENE direction，the wind wave will not reach the fully growing state.（4）“Sulian Method”shows obvious superiority in the calculation of the wave height between 1.5m and 2.0m.“Haida Method”is more suitable for the calculation of wave height bigger than 2.0m.（5）Computing methods about different sea zones and wave height ranges show that for the rough wave height that may causing disaster，“Haida Method”works best at NE、ENE、E direction.There is a low appearance probability at SE and SSE direction，but for the other directions and wave height ranges，“Sulian Method”still shows the ideal applicability.

Key words：sea wave；wave height；forecasting method；wind fetch；test