基于再分析數(shù)據(jù)的印尼西加里曼丹海域風(fēng)速研究

頓昊天，張銀苗

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

目前，境外工程項(xiàng)目前期調(diào)研、投標(biāo)設(shè)計(jì)階段水文氣象資料極度缺乏，多數(shù)項(xiàng)目完全沒(méi)有實(shí)測(cè)風(fēng)浪資料。如果前期風(fēng)速、風(fēng)向的分析評(píng)判與實(shí)際情況相差較大，將直接影響前期設(shè)計(jì)方案的輸入?yún)?shù)，從而影響總平面布置、工程規(guī)模，甚至影響整個(gè)項(xiàng)目的工程量、工程進(jìn)度及工程造價(jià)及項(xiàng)目可行性，對(duì)投標(biāo)產(chǎn)生不利的影響。因此，工程前期階段在工程地點(diǎn)獲取較準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)仫L(fēng)浪特征資料是前期設(shè)計(jì)咨詢(xún)的關(guān)鍵所在。

再分析資料為融合多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)、散射計(jì)數(shù)據(jù)等的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，能夠提供時(shí)空分辨率高、資料時(shí)間長(zhǎng)的氣象水文數(shù)據(jù)，為工程前期設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)的確定提供了相對(duì)合理的取值范圍。本文以ECMWF(European Centre for Medium-range Weather Forecasts歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心)及OWI(Oceanweather Inc海洋氣象公司)再分析資料集為切入點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比不同服務(wù)商提供的再分析資料，對(duì)ECMWF在印尼西加里曼丹海域風(fēng)速特征進(jìn)行分析以及對(duì)其整體后報(bào)表現(xiàn)作出相應(yīng)評(píng)價(jià)，為未來(lái)在西加里曼丹海域開(kāi)展項(xiàng)目以及應(yīng)用ECMWF風(fēng)速作為設(shè)計(jì)參數(shù)提供判斷依據(jù)。

1 ECMWF資料集

目前，國(guó)際上主要的幾家再分析中心有NCEP(美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心)、ECMWF、JMA(日本氣象廳)、NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)等。然而，各中心的再分析資料都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，任何一種再分析資料在針對(duì)不同地區(qū)和時(shí)間段時(shí)的表現(xiàn)并不一致。

ECMWF全稱(chēng)為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心，提供全球范圍內(nèi)的大氣數(shù)值預(yù)報(bào)再分析資料。趙天保等[1]就ERA-40與NCEP-2兩種再分析資料各自與觀測(cè)資料進(jìn)行比較與分析后發(fā)現(xiàn)，ERA-40可信度要高于NCEP-2；黃剛[2]則利用中國(guó)探空資料與這兩種再分析資料對(duì)比研究后指出，20世紀(jì)70年代以前，在研究東亞氣候的年代際變化時(shí)，應(yīng)用ERA-40資料更為準(zhǔn)確，在20世紀(jì)70年代后，對(duì)于我國(guó)內(nèi)蒙古和華北地區(qū)的溫度研究上，NCEP資料比ERA-40更為準(zhǔn)確。

2 OWI再分析資料

OWI是一家為海洋工程提供數(shù)值模擬等專(zhuān)業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的咨詢(xún)公司。根據(jù)其描述，OWI的后報(bào)技術(shù)與歐洲ECMWF與美國(guó)NCEP資料集不同，其著重于風(fēng)速和壓力場(chǎng)對(duì)海洋模型的驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)。同時(shí)，相比于ECMWF及NCEP資料，OWI資料的時(shí)距更短。

目前關(guān)于OWI資料集的相關(guān)研究較少，主要原因?yàn)镺WI資料需有償取得，區(qū)別于ECMWF和NCEP的無(wú)償提供。Zhou等[3]基于臺(tái)灣海峽沿岸漳浦縣的實(shí)測(cè)波浪資料，對(duì)OWI臺(tái)灣海峽內(nèi)的后報(bào)點(diǎn)波浪數(shù)據(jù)做了對(duì)比分析，結(jié)果表明OWI與實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)具有良好的擬合度。在OWI數(shù)據(jù)的應(yīng)用層面，張軍等[4]利用OWI后報(bào)深水波浪，結(jié)合MIKE模型，計(jì)算了喀麥隆克里比項(xiàng)目波浪引起的不可作業(yè)時(shí)間；王科華等[5]利用OWI于西非幾內(nèi)亞灣內(nèi)的后報(bào)點(diǎn)數(shù)據(jù)，推算了以長(zhǎng)周期涌浪影響為主的海域近岸極值波浪。由此可以看出，OWI數(shù)據(jù)雖然相對(duì)ECMWF數(shù)據(jù)較難獲取，在科研領(lǐng)域研究較少，但其時(shí)距精度更高，因此在實(shí)際工程的咨詢(xún)、設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用得更加廣泛。

3 目標(biāo)海域

本研究獲取的OWI后報(bào)點(diǎn)位于西加里曼丹近岸海域，地理位置坐標(biāo)為東經(jīng)108.5°，北緯1.0°，距離海岸線約40 km。ECMWF數(shù)據(jù)選用ERA-Interim數(shù)據(jù)集細(xì)網(wǎng)格10 m風(fēng)速。印尼加里曼丹及OWI后報(bào)點(diǎn)地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 地理位置及OWI后報(bào)點(diǎn)

4 分析結(jié)果

4.1 風(fēng)速轉(zhuǎn)換

由于不同資料集提供風(fēng)速資料的時(shí)距不同，則應(yīng)對(duì)ECMWF及OWI的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換。ECMWF月均風(fēng)速資料為日平均風(fēng)速的月平均(monthly mean of daily means)，而OWI資料提供的風(fēng)速資料時(shí)距為1 h，則基于OWI資料計(jì)算得出的月平均風(fēng)速勢(shì)必會(huì)與ECMWF資料提供的月平均風(fēng)速有較大出入。對(duì)于風(fēng)速的降維度研究，多數(shù)學(xué)者采用實(shí)測(cè)與分析數(shù)據(jù)對(duì)比的方法得出經(jīng)驗(yàn)公式或采用統(tǒng)計(jì)方法擬合得出概率密度函數(shù)[6-7]。Guo等[8]通過(guò)擬合9年實(shí)測(cè)小時(shí)平均風(fēng)速，提出了簡(jiǎn)易的日平均風(fēng)速與小時(shí)平均風(fēng)速的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

在記錄有日最大風(fēng)速的情況下，可采用：

(1)

式中：Wn為任意小時(shí)的小時(shí)平均風(fēng)速；Wave為日平均風(fēng)速；Wmax為日最大風(fēng)速；n為時(shí)刻，取值范圍0～23。若記錄只有日平均風(fēng)速，則式(1)為：

(2)

可同樣得出小時(shí)平均風(fēng)速值。

4.2 ECMWF與OWI風(fēng)速對(duì)比

圖2為通過(guò)式(2)修正后的近10年ECMWF小時(shí)平均風(fēng)速的月均值與OWI資料集的對(duì)比。OWI資料集提供的小時(shí)平均風(fēng)速進(jìn)行月平均后在近10年表現(xiàn)非常平穩(wěn)，風(fēng)速在4～5 ms變化幅度基本可以忽略，而ECMWF資料集趨勢(shì)與OWI資料集近乎相同，但波動(dòng)明顯。從當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)風(fēng)速資料來(lái)看，西加里曼丹近岸海域風(fēng)速有明顯的季節(jié)變化：受印度尼西亞-北澳大利亞季風(fēng)季候的影響，全年分為雨季和旱季，旱季為5—10月。并且有1999—2009年相關(guān)衛(wèi)星散射計(jì)探測(cè)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)[9]表明，西加里曼丹海域的風(fēng)速季節(jié)性變化與南海一致，都體現(xiàn)為半年周期變化。因此，ECMWF風(fēng)場(chǎng)資料雖然相較于OWI資料時(shí)距較長(zhǎng)，但其波動(dòng)幅度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)的變化一致，其后報(bào)表現(xiàn)更接近實(shí)際情況。

圖2 ECMWF與OWI資料近10年月均風(fēng)速變化

4.3 ECMWF月均風(fēng)場(chǎng)

圖3為西加里曼丹海域ECMWF各月月均風(fēng)速分布。從圖3可以看出，西加里曼丹海域月均風(fēng)速在5—10月相較其他月較低，在2月達(dá)到最大。此變化趨勢(shì)與當(dāng)?shù)貙?shí)際降雨統(tǒng)計(jì)一致，能體現(xiàn)風(fēng)速與降雨的相關(guān)性。

圖3 西加里曼丹海域ECMWF的風(fēng)場(chǎng)月平均分布(單位：ms)

整體來(lái)看，西加里曼丹海域風(fēng)速在海域中央及海域西側(cè)為較大值區(qū)域，近岸海域風(fēng)速減小明顯。月平均風(fēng)速最大出現(xiàn)在2月，約為6 ms。月平均風(fēng)速最小出現(xiàn)在5月，近岸海域小于2 ms。這種變化趨勢(shì)與南海風(fēng)場(chǎng)的衛(wèi)星散射計(jì)探測(cè)結(jié)果一致[10]。海域內(nèi)全年的風(fēng)速變化特征主要體現(xiàn)在6—8月增大、12—2月增大，與南海風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的變化趨勢(shì)一致。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文基于相關(guān)不同周期的風(fēng)速轉(zhuǎn)換關(guān)系，對(duì)ECMWF風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。通過(guò)對(duì)比ECMWF與OWI后報(bào)數(shù)據(jù)以及將兩者與實(shí)測(cè)資料和衛(wèi)星散射計(jì)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ECMWF于印尼西加里曼丹海域的后報(bào)表現(xiàn)更接近實(shí)際情況，能體現(xiàn)季節(jié)性變化。

2)對(duì)ECMWF于西加里曼丹海域各月風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行可視化分析可以看出，海域內(nèi)5—10月為風(fēng)浪條件良好的月份，2月為最不利月份。因此，當(dāng)?shù)卦谶M(jìn)行工程的勘察作業(yè)以及高難度海上施工作業(yè)在5—10月進(jìn)行更為合理，可供未來(lái)項(xiàng)目參考。