海上工程施工期波浪（涌浪）預(yù)報系統(tǒng)

楊振勇，呂迎雪，孔叢穎，李茂元

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

海上工程施工期波浪（涌浪）預(yù)報系統(tǒng)

楊振勇1，呂迎雪2，孔叢穎2，李茂元1

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

針對海上施工涌浪問題開發(fā)了波浪（涌浪）預(yù)報系統(tǒng)GWFS。首先針對涌浪的特點(diǎn)，包括涌浪的形成與傳播、涌浪周期的特點(diǎn)以及涌浪在全球的分布進(jìn)行了分析。然后，對涌浪預(yù)報程序、風(fēng)場數(shù)據(jù)、外海及近岸波浪模型和模型的驗證進(jìn)行了詳細(xì)說明。模型對太平洋兩個實測數(shù)據(jù)點(diǎn)的波高和周期進(jìn)行了詳細(xì)對比驗證，結(jié)果表明預(yù)報結(jié)果可靠。該系統(tǒng)的應(yīng)用可有效提高海上工程可作業(yè)時間的利用率，避免或減少突變海況造成的損失。

海上工程；涌浪；波浪預(yù)報系統(tǒng)

0 引言

對于海上工程，包括海洋工程、海岸及港口工程，可靠的波浪數(shù)據(jù)是工程設(shè)計、施工以及項目運(yùn)營的重要技術(shù)保障。波浪的推算可分為后報與預(yù)報，其中，波浪后報首先復(fù)演以往多年的波浪數(shù)據(jù)，對波浪各種分布進(jìn)行分析，推算不同重現(xiàn)期極值波高等，其結(jié)果多用于設(shè)計階段，基于可靠的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行的設(shè)計可保證工程抵御設(shè)計年限內(nèi)可能出現(xiàn)的各種極端海況。而波浪預(yù)報，則可使海上工程在施工期或運(yùn)營期間事先預(yù)知未來幾天的海況變化，據(jù)此可合理地安排作業(yè)。對于海上項目施工，波浪預(yù)報使得船舶作業(yè)的安排可有效地利用小波高海況窗口期，避免可能出現(xiàn)較大波浪或長周期波浪對海上作業(yè)的影響。因此，波浪預(yù)報可提高海上有限可作業(yè)時間的利用率，并可避免或減少突變海況造成的損失。

對于風(fēng)暴天氣產(chǎn)生的波浪，比如臺風(fēng)波浪，由于目前的氣象預(yù)報對此可以預(yù)報，海上作業(yè)隊伍很容易事先獲知，因此這類風(fēng)暴波浪不是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。本文所介紹的波浪預(yù)報系統(tǒng)可預(yù)報各類波浪變化，但最突出的是對施工隊伍比較關(guān)注的施工期涌浪海況的預(yù)報。該系統(tǒng)是在作者多年波浪后報研究工作基礎(chǔ)上開發(fā)的，所采用的波浪數(shù)學(xué)模型WAVEWATCHIII[1]已在國際海洋波浪研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于波浪預(yù)報系統(tǒng)的驗證經(jīng)常借用后報研究中的一些內(nèi)容，本預(yù)報系統(tǒng)在世界各地的應(yīng)用借鑒了不同海區(qū)波浪后報的許多經(jīng)驗。

由于涌浪具有和風(fēng)浪顯著不同的特點(diǎn)，對其特點(diǎn)的理解非常有助于預(yù)報模型的建立和結(jié)果分析。因此，在介紹波浪預(yù)報系統(tǒng)之前首先對涌浪的特點(diǎn)做簡單分析。

1 涌浪的特性

1.1 涌浪的起源與傳播

涌浪是指離開風(fēng)暴中心區(qū)域繼續(xù)傳播的波浪。在風(fēng)暴中心區(qū)域波浪具有典型的風(fēng)浪特征，其波高大小、周期及方向的分布相當(dāng)分散。當(dāng)波浪傳播離開風(fēng)暴中心之后，波浪將不再從風(fēng)中接受能量，不同的波浪成分將依據(jù)自身的特性傳播。周期較長者，傳播速度較快，在大洋環(huán)境中衰減相當(dāng)緩慢。而周期較小者，傳播速度較慢。隨著距離的不斷增加，長波與短波逐漸分離，波浪傳播變化的這一過程即為頻率分散。具體表現(xiàn)為在某一海岸地區(qū)，某一時段內(nèi)所出現(xiàn)的涌浪周期相差不多。相似地，波浪傳播也存在方向分散過程，即在海岸地區(qū)觀察到某一時段的涌浪基本來自一個方向。由于涌浪的上述特點(diǎn)，當(dāng)采用數(shù)學(xué)模型模擬涌浪的產(chǎn)生和傳播變形時，模型的范圍需要充分考慮原始風(fēng)暴的區(qū)域，比如，涌浪可能是3 000 km之外的風(fēng)暴產(chǎn)生的，那么模型范圍只考慮了工程附近1 000 km范圍的區(qū)域就不可能得到可靠的計算結(jié)果，這就是為什么涌浪研究一般要考慮一個大洋的范圍。

1.2 涌浪的周期分布

對于影響某一工程地點(diǎn)的涌浪，其特性很大程度上取決于原始風(fēng)暴。除原始風(fēng)暴的強(qiáng)度之外，原始風(fēng)暴與工程地點(diǎn)的距離等因素對抵達(dá)工程地點(diǎn)的涌浪影響很大。因此，拋開原始風(fēng)暴而孤立地分析某一工程地點(diǎn)的涌浪特點(diǎn)有可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的結(jié)論。由于涌浪起源的這些特點(diǎn)，一般涌浪的周期分布并不像風(fēng)浪那樣與波高的相關(guān)性很強(qiáng)，相反地，涌浪波高越大相對應(yīng)的周期可能變小，主要原因是產(chǎn)生大波高的風(fēng)暴與工程地點(diǎn)距離一般較近一些。圖1為非洲西海岸剛果黑角港（Pointe Noire）實測波浪周期與波高的聯(lián)合分布，該海區(qū)波浪屬于典型的涌浪。圖2則是北美安大略湖實測波浪周期與波高分布?？梢钥闯霾ㄖ芷诤筒ǜ呦嚓P(guān)性很好，這里屬于典型的風(fēng)浪特征。

圖1 剛果黑角外海實測波高Hs與周期Tp分布（涌浪為主）Fig.1Measured wave height Hsand wave period TpinPointe Noire,Congo(mainly in swell)

圖2 安大略湖實測波高Hs與周期Tp分布（風(fēng)浪）Fig.2Measured wave height Hsand wave period Tpin Lake Ontario(wind wave)

1.3 全球各地涌浪的分布及影響區(qū)域

從全球范圍來看，經(jīng)常出現(xiàn)大浪頻率較高的地區(qū)主要是南北半球中高緯度的西風(fēng)帶（35°~ 60°）。西風(fēng)帶，又稱暴風(fēng)圈，該區(qū)域極易形成溫帶氣旋，常常是一個氣旋未完，另一個氣旋生成。在此區(qū)域，西風(fēng)一般比較強(qiáng)勁持久，因而在該海洋區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)大浪。一般地，南半球波浪更強(qiáng)，且冬季大浪幾率明顯高于夏季。在北半球的冬季，位于北半球的西風(fēng)帶頻繁出現(xiàn)大風(fēng)或風(fēng)暴。在南半球的冬季，南半球西風(fēng)帶風(fēng)暴頻繁風(fēng)速強(qiáng)勁。這就是全球很多海岸地區(qū)經(jīng)?；虺霈F(xiàn)季節(jié)性涌浪的原因，其中包括我國參與建設(shè)的一些港口海岸工程項目所在國家和地區(qū)，如印尼印度洋海岸、斯里蘭卡、阿拉伯海、非洲大西洋海岸、南美太平洋海岸等。我國海岸的涌浪主要由季風(fēng)和西太平洋的風(fēng)暴（臺風(fēng)）造成，與上述國家和地區(qū)相比，我國海岸涌浪的頻率和強(qiáng)度要小許多。

2 波浪（涌浪）預(yù)報系統(tǒng)GWFS

2.1 預(yù)報模型系統(tǒng)GWFS

波浪預(yù)報系統(tǒng)GWFS由外海波浪模型、近岸波浪模型以及多個數(shù)據(jù)處理程序組成。對于不同大洋分別建立了不同的模型。該模型每日定時自動啟動，每日計算1次（預(yù)報1次），每次預(yù)報未來1周的波況，預(yù)報數(shù)據(jù)間隔為1 h，輸出結(jié)果包括有效波高、峰值周期和平均波向等數(shù)據(jù)。輸出結(jié)果包括波浪參數(shù)變化圖和結(jié)果文本文件，根據(jù)需要可自動發(fā)至網(wǎng)上或通過郵件發(fā)送給有關(guān)人員。

圖3為波浪預(yù)報系統(tǒng)流程圖。

圖3 波浪預(yù)報系統(tǒng)（程序）流程圖Fig.3Flow-chart of the wave forecasting system

2.2 風(fēng)場

預(yù)報模型是通過輸入風(fēng)場變化數(shù)據(jù)計算波浪。本系統(tǒng)輸入風(fēng)場采用美國大氣與海洋研究署環(huán)境預(yù)報中心（NOAA/NCEP）全球風(fēng)場預(yù)報數(shù)據(jù)GFS（也可采用歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF的數(shù)據(jù)）。該數(shù)據(jù)可較好地預(yù)報未來6~7 d的全球風(fēng)場變化。NOAA/NCEP同時提供超過7 d以上的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗，超過7 d的海洋天氣預(yù)報數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，因此，本模型僅給出未來7 d的結(jié)果。風(fēng)場數(shù)據(jù)間隔為1 h，空間網(wǎng)格為0.5°。經(jīng)試算，模型可以在各大洋不同海岸給出可靠的波浪推算結(jié)果。

2.3 外海波浪模型

波浪數(shù)學(xué)模型采用Tolman的WAVEWATCHIII（Tolman，2009）。該模型可較好地模擬風(fēng)浪生成及衰減過程、涌浪的傳播、波浪的非線性相互作用、波浪的衰減等。該模型經(jīng)海洋波浪工作者大量檢驗和應(yīng)用，現(xiàn)已成為海洋波浪模型最可靠的模型之一，特別適合大洋波浪包括涌浪的傳播變形的計算[2-4]。該模型所依據(jù)的控制方程可表示如下：

式中：N（k，θ；x，t）為波浪作用譜（wave action density spectrum）；k、θ為波數(shù)及方向；S為源項，包括風(fēng)影響、波浪非線性作用、波能的各種損耗等。

2.4 近岸波浪傳播模型

外海模型范圍很大，因此一般模型網(wǎng)格較大（0.3°~1.0°）。此外，由于近岸區(qū)域地形和岸線走向的變化，近岸波浪的傳播變形，比如港口附近，甚至港內(nèi)水域，一般采用近岸模型對波浪自外海至近岸的傳播變形進(jìn)行推算。

在本文介紹的預(yù)報系統(tǒng)中，近岸波浪的傳播變形采用MIKE21SW模型或SWAN模型[5]。對于某一項目地點(diǎn)，首先采用該模型對不同的波浪分布（波高周期波向水位的組合）進(jìn)行計算，從而可得到各種波浪的傳播變形系數(shù)。之后，結(jié)合外海波浪數(shù)據(jù)即可預(yù)報近岸甚至港內(nèi)區(qū)域的波況變化。

2.5 預(yù)報模型驗證

由于實測數(shù)據(jù)有限，本模型采用太平洋北美海岸部分測波儀實測數(shù)據(jù)對預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了驗證，此外，對該模型在安哥拉項目的測試進(jìn)行了簡單介紹。需要說明的是，以下模型驗證中各點(diǎn)的波浪均以涌浪為主。

驗證實例1：太平洋測波儀數(shù)據(jù)驗證。

圖4所示兩個測波儀分別為美國大氣與海洋管理署NOAA下屬浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心（NDBC）所有（測站編號分別為32012，46006）。圖5為2016年10月19—29日預(yù)報數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比結(jié)果。對比結(jié)果表明，模型預(yù)報在6~7 d以內(nèi)的結(jié)果可靠程度很高，而超過1周的結(jié)果則有很大的不確定性，這主要是受海洋天氣預(yù)報數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度的影響。換句話說，波浪模型結(jié)果可靠與否，取決于海洋區(qū)域天氣預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確程度。因此，目前海洋天氣預(yù)報水平基本上在6~7 d以內(nèi)比較可靠，超過此期限可靠程度明顯下降。當(dāng)然，對于陸地天氣預(yù)報，由于地形影響明顯，陸地地形變化較大的區(qū)域準(zhǔn)確程度則更低一些。

圖4 太平洋波浪預(yù)報模型實測數(shù)據(jù)測波儀位置示意圖Fig.4Location of wave buoys used in the Pacific Ocean wave forecasting model validation

46006測站

32012測站

需要說明，實測與預(yù)報波浪的周期均為峰值周期。由于大洋中的波浪譜經(jīng)常為多峰波譜，不同譜峰的變化可造成最大峰值周期的跳躍性變化。

圖5 太平洋不同位置波浪預(yù)報與實測波高對比結(jié)果Fig.5Comparison between measured wave height and forecasted results at different locations in the Pacific Ocean

驗證實例2：安哥拉卡賓達(dá)海岸波浪預(yù)報。

安格拉卡賓達(dá)海岸波浪以來自南大西洋的涌浪為主，時間上和南大西洋西風(fēng)帶風(fēng)暴強(qiáng)度變化一致，即南半球的冬季5—10月期間波浪較大，而11—翌年4月波浪偏小。本項目位于南緯6°，目前尚無波浪測量設(shè)施，但自2016年7月以來每日對岸邊波浪進(jìn)行目測，表明預(yù)報結(jié)果相當(dāng)可靠。圖6為2016年8—9月期間部分預(yù)報結(jié)果?，F(xiàn)場觀測顯示，模型對9月3日之前的小浪期和9月3—4日出現(xiàn)的大浪期預(yù)報與現(xiàn)場觀測十分吻合。

圖6 安哥拉卡賓達(dá)海岸波浪預(yù)報結(jié)果（有效波高與峰值周期）Fig.6Forecasted wave height and period in Cabinda,Angola(effective wave height and peak period)

3 結(jié)語

本文首先對涌浪的一些特點(diǎn)進(jìn)行了分析，包括涌浪的起源與傳播、涌浪周期的特點(diǎn)以及全球不同海域的涌浪分布等。之后對作者開發(fā)的波浪（涌浪）預(yù)報系統(tǒng)GWFS進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)可定時自動啟動，自動下載風(fēng)場數(shù)據(jù)然后進(jìn)行計算和結(jié)果處理，計算結(jié)束后自動發(fā)布預(yù)報結(jié)果。模型驗證和現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可較好地預(yù)報未來6~7 d的海況，可在全球各大洋和海域應(yīng)用。本預(yù)報的應(yīng)用將有助于提高海上項目有限可作業(yè)時間的利用率，避免或減少突變海況造成的損失。

[1]TOLMAN H.User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14[Z].NOAA/NWS/NCEP/MMAB Technical Note,2009.

[2]HANSON J,TRACY B,TOLMAN H.Pacific hindcast performance evaluation of three numerical wave models[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2009,26(26):1 614-1 633.

[3]LEE B,FAN Y,CHEN J.Verification on swell simulation of WAVEWATCH III wave modeling[C]//International conference on computational science&engineering,2011:65-74.

[4]PADILLA-HERNANDEZ R,SCOTT D.Inter-comparison of modern operational wave models[C]//8th international workshop on wave hindcasting and forecasting.Hawaii,2004:14-19.

[5]DHI.MIKE21 SW user manual[Z].Denmark:DHIGROUP,2012.

A wave(swell)forecasting system for marine works

YANG Zhen-yong1,Lü Ying-xue2,KONG Cong-ying2,LI Mao-yuan1
（1.CCCC First Harbour Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Based on the swell problems during marine construction,we developed a wave（swell)forecasting system.First, swell properties,including swell generation and propagation,characteristics of swell period and global distribution of swells have been reviewed.Next,the wave forecasting system,input wind data,ocean wave model and nearshore wave model of the system,and detailed verification of the model system have been discussed.Detailed comparisons have been conducted to verify the model using two measured wave buoy datasets,and the result shows that the forecasting model is reliable.With the wave forecasting system,marine works can be reasonably scheduled,as a result,the working efficiency can be improved,and some unpredictable downtime or damage could be avoided.

marine works;swell;wave forecasting system

U655.11；P731.22

A

2095-7874（2017）05-0006-04

10.7640/zggwjs201705002

2016-09-28

2017-02-24

楊振勇（1963—），男，河北欒城人，高級工程師，主要從事海岸動力研究及國際工程管理。

E-mail：yangzhenyong2013@163.com