南麂島重現(xiàn)期波高空間分布特征分析

郭敬，李尚魯，李婷，王勤，朱業(yè)

（浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江杭州310007）

1 引言

南麂列島位于浙江省東南部海面，隸屬平陽縣鰲江鎮(zhèn)。整個(gè)列島由52 個(gè)（面積大于500 m2）大小島嶼組成。其中南麂島為主島，位于列島中央，面積為7.64 km2，岸線長(zhǎng)24.8 km；大沙岙、火焜岙和馬祖岙、國(guó)姓岙4個(gè)海灣分置于東南和西北兩個(gè)方向。南麂列島海域水深一般在15～25 m 之間，南麂島東北和西南兩側(cè)為深水通道，其水深在30 m 以上，最深處達(dá)45 m。

南麂島水質(zhì)良好，常年處于一類水質(zhì)，氣候條件適宜養(yǎng)殖大黃魚。但南麂島處于臺(tái)風(fēng)多發(fā)海域。根據(jù)1949——2016年的統(tǒng)計(jì)資料顯示，每年影響該區(qū)的臺(tái)風(fēng)次數(shù)平均為3.3 個(gè)。在全球氣候變化和海平面上升的背景下，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害呈現(xiàn)出發(fā)生次數(shù)增加、強(qiáng)度加大、影響范圍擴(kuò)大的趨勢(shì)。0216 號(hào)臺(tái)風(fēng)“森拉克”、0608 號(hào)臺(tái)風(fēng)“桑美”、1323 號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”、1808號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”、1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”都嚴(yán)重影響南麂島海域，臺(tái)風(fēng)引起的災(zāi)害性海浪造成養(yǎng)殖業(yè)損失慘重。因此，計(jì)算臺(tái)風(fēng)過程中南麂島周圍海域波高并分析海浪空間分布，對(duì)于海水養(yǎng)殖防災(zāi)減災(zāi)和空間規(guī)劃布局尤為重要。

黃樹生[1]通過分析南麂站30 a 的實(shí)測(cè)風(fēng)浪資料，分析了波高、周期和風(fēng)速的主要變化周期。潘曉東等[2]通過分析南麂站25 a 的波浪觀測(cè)資料，分析了災(zāi)害性海浪的分布特征。邱桔斐[3]、徐亞男等[4]和沈旭偉等[5]分別對(duì)江蘇沿海、斯里蘭卡科倫坡港口海域和東南沿海開展了海浪數(shù)值模擬，獲得了多年海浪的波高年極值，并通過Pearson 曲線（P-Ⅲ曲線）擬合，得到不同重現(xiàn)期的波浪場(chǎng)特征。

之前的研究由于模型計(jì)算能力及地形資料精細(xì)程度不足，只能得到大面波浪場(chǎng)分布特征[6-8]，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。本文將在前人研究基礎(chǔ)上，收集平陽縣南麂島海域最新1:10 000的岸線及水深數(shù)據(jù)，運(yùn)用第三代近岸海浪數(shù)值計(jì)算模式（Simulating WAves Nearshore, SWAN），建立浙江沿海精細(xì)化海浪數(shù)值模型[9-10]。對(duì)嚴(yán)重影響南麂島的臺(tái)風(fēng)進(jìn)行模擬，計(jì)算南麂島周圍海域年極值海浪場(chǎng)，并進(jìn)行P-Ⅲ曲線擬合，得到不同重現(xiàn)期海浪空間分布場(chǎng)。本文用到的波高均為有效波高，采用平面坐標(biāo)系。

圖1 南麂島地形圖

2 海浪數(shù)值模式

2.1 SWAN模式簡(jiǎn)介

SWAN 模式是國(guó)際上非常流行的第三代淺海海浪數(shù)值模式，由荷蘭Delft 大學(xué)開發(fā)并維護(hù)。SWAN 模式采用了基于Euler 近似的作用量譜平衡方程，采用線性隨機(jī)表面重力波理論，全面考慮了風(fēng)能量輸入、白浪耗散、底摩擦、水深誘導(dǎo)波破碎和非線性波-波相互作用，能夠描述在淺水區(qū)特定的風(fēng)、流和水下地形條件下的波浪場(chǎng)演化?？刂品匠倘缦拢?/p>

式中：N為波作用量，σ為波的相對(duì)頻率，θ為波向，S項(xiàng)為源匯項(xiàng)。式中左端第一項(xiàng)為波作用量的局地變化；第二、三項(xiàng)為波作用量在地理空間上的傳播，其中Cx和Cy分別為波作用量在x和y方向上的傳播速度；第四項(xiàng)為由于水深和水流變化造成的相對(duì)頻率變化，其中Cσ為波作用量在頻率空間中的傳播速度；第五項(xiàng)為水深和流產(chǎn)生的波浪折射，其中Cθ為波作用量在波向空間中的傳播速度。波作用量方程的離散基于迪卡爾坐標(biāo)下的隱式差分，對(duì)于波的傳播和源項(xiàng)采用固定的時(shí)間步長(zhǎng)。

2.2 模式建立

海浪模型計(jì)算域西至廣東汕尾、東至日本東部海域、南至臺(tái)灣島南端、北至渤海海域，計(jì)算區(qū)域涵蓋了渤黃東海。計(jì)算范圍為115°～134°E，18°～41°N（見圖2a），采用三角網(wǎng)格，由215 407個(gè)單元和111 422個(gè)節(jié)點(diǎn)組成（見圖2b），外部海域網(wǎng)格較疏，近岸逐漸加密，最密處南麂島周邊網(wǎng)格邊長(zhǎng)約15 m，可以較好地刻畫南麂列島岸線特征，滿足項(xiàng)目計(jì)算需求。

3 資料與方法

3.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型

圖2 海浪數(shù)值模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格

臺(tái)風(fēng)模型能快速、較準(zhǔn)確地給出臺(tái)風(fēng)周圍的氣壓和風(fēng)場(chǎng)分布，模型氣壓場(chǎng)有眾多模型供使用。臺(tái)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的計(jì)算是海浪模式計(jì)算中的重要環(huán)節(jié)，本次選用Jelesnianski 模型的風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)。其風(fēng)場(chǎng)公式和氣壓公式如下：

式中：R為最大風(fēng)速半徑；r為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離；V0為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度；WR為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速；A=-［（x-xc）sinθ+（y-yc）cosθ］；B=（x-xc）cosθ-（y-yc）sinθ；（x，y）、（xc，yc）分別為計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)和臺(tái)風(fēng)中心坐標(biāo)；θ為流入角（計(jì)算中當(dāng)r≤R時(shí)θ取10°，當(dāng)r＞1．2R時(shí)θ取25°，其他情況下θ在10°～25°之間線性內(nèi)插）；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓，P∞為無窮遠(yuǎn)處的大氣壓（計(jì)算中取1 010 hPa）。

一般來說，在實(shí)際觀測(cè)中，中心低壓與最大風(fēng)速相比后者的觀測(cè)更加困難，誤差也較大，因此模型使用Atkinson-Hollidy 提出的風(fēng)-壓關(guān)系式來計(jì)算最大風(fēng)速：

另外一個(gè)待確定的臺(tái)風(fēng)參數(shù)為最大風(fēng)速半徑R。模型中采用黃冠鑫1994年利用美國(guó)西北太平洋上15 a的高空航測(cè)資料統(tǒng)計(jì)建立的一個(gè)適用于東海臺(tái)風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Rk為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，模型中取40 km。

3.2 資料簡(jiǎn)介

浙江附近海域島嶼眾多，岸線復(fù)雜。普通的岸線數(shù)據(jù)難以滿足精細(xì)化模型的需求，因此本文所用的岸線為浙江近海調(diào)查測(cè)量數(shù)據(jù)。模式運(yùn)行選用的外海地形資料來自于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）公布的ETOPO2全球地形數(shù)據(jù)集，分辨率為2′×2′；南麂島附近水深資料為溫州市自然資源部門近2 a的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)；模型驗(yàn)證所需海浪資料來自于南麂島波浪浮標(biāo)觀測(cè)；臺(tái)風(fēng)相關(guān)資料來自于中央氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。

3.3 模式驗(yàn)證

模型驗(yàn)證選取有海浪觀測(cè)資料的、在浙江南部、福建北部登陸或近岸轉(zhuǎn)向等對(duì)南麂島影響較大的6場(chǎng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行檢驗(yàn)，臺(tái)風(fēng)組次見表1。

運(yùn)用SWAN 模式對(duì)6 場(chǎng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，并利用南麂島波浪浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果均為有效波高。通過圖3 和表2 的驗(yàn)證結(jié)果可以看出，SWAN 模式對(duì)各組次臺(tái)風(fēng)的檢驗(yàn)結(jié)果良好，模擬值與實(shí)測(cè)值符合較好，基本能反映南麂島附近的臺(tái)風(fēng)浪分布特征。

4 海浪重現(xiàn)期分析

4.1 臺(tái)風(fēng)選擇

根據(jù)2006——2016 年南麂島浮標(biāo)海浪觀測(cè)年極值數(shù)據(jù)（見表3），南麂島海浪年極值均發(fā)生在臺(tái)風(fēng)期間，所以在本文中只考慮臺(tái)風(fēng)過程，不再考慮冷空氣和溫帶氣旋。

表1 臺(tái)風(fēng)驗(yàn)證組次（登陸時(shí)間均為北京時(shí)，下同）

圖3 海浪數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果

表2 南麂島臺(tái)風(fēng)海浪驗(yàn)證誤差統(tǒng)計(jì)

選取1949——2016 年以南麂島為中心、半徑400 km（普通臺(tái)風(fēng)7 級(jí)風(fēng)圈半徑）內(nèi)包含的所有臺(tái)風(fēng)，共篩選出201條臺(tái)風(fēng)路徑。若同一年有若干場(chǎng)臺(tái)風(fēng)，則去掉強(qiáng)度明顯偏弱的臺(tái)風(fēng)，或者去掉同等強(qiáng)度下距離南麂島更遠(yuǎn)的臺(tái)風(fēng)；若不能明顯判斷孰強(qiáng)孰弱，則予以保留。最終選取68 a共118場(chǎng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行模式計(jì)算，詳細(xì)結(jié)果見表4。

影響南麂島的臺(tái)風(fēng)過程，依照路徑大致可分為4 類：一是在浙江沿海登陸；二是在福建北部登陸；三是在閩南至廣東之間登陸；四是海上掠過，從近海北上或轉(zhuǎn)向東北。

表3 南麂浮標(biāo)海浪觀測(cè)年極值及出現(xiàn)時(shí)間

由表5 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，登陸浙江、福建北部和近海北上的臺(tái)風(fēng)過程更容易對(duì)南麂島產(chǎn)生影響。 其中登陸浙江的臺(tái)風(fēng)有36 個(gè)，占總數(shù)的30.5%；登陸福建北部的臺(tái)風(fēng)有37 個(gè)，占總數(shù)的31.4%，近海北上的臺(tái)風(fēng)有41個(gè)，占總數(shù)的34.7%。

表4 選擇計(jì)算臺(tái)風(fēng)編號(hào)

表5 影響南麂島的臺(tái)風(fēng)路徑類型統(tǒng)計(jì)

4.2 重現(xiàn)期分析

將1949——2016 年118 場(chǎng)臺(tái)風(fēng)全部進(jìn)行計(jì)算，輸出每場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過程的最大海浪場(chǎng)（每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)均取本次臺(tái)風(fēng)過程中最大波高），并將1 a 內(nèi)包含2 個(gè)以上臺(tái)風(fēng)的進(jìn)行再次計(jì)算，選出南麂島周圍海域1萬余個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的當(dāng)年海浪年極值，得到1949——2016年共68 a的年極值海浪場(chǎng)。

在南麂島東、南、西、北、東南、東北、西南、西北共8 個(gè)方向挑選8 個(gè)代表點(diǎn)（位置見圖4）采用P-Ⅲ曲線擬合，并進(jìn)行重現(xiàn)期進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5和表6。

圖4 南麂島周圍代表點(diǎn)分布圖

根據(jù)表6 結(jié)果可見：在各個(gè)重現(xiàn)期，南麂島西向、北向和西北向3 個(gè)點(diǎn)的重現(xiàn)期波高值均明顯低于其他代表點(diǎn)的波高值，其中西向d點(diǎn)波高最小，東向e 點(diǎn)波高最大。這說明在臺(tái)風(fēng)期間，南麂島的海浪通常以東向和東南向的涌浪為主；南麂島對(duì)海浪和風(fēng)的削弱作用比較明顯，并且隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，南麂島對(duì)海浪的削弱作用愈強(qiáng)。重現(xiàn)期為2 a一遇時(shí)，南麂島東部海域波高可達(dá)4～5 m，西部海域波高為2～3 m。重現(xiàn)期為100 a 一遇時(shí)，南麂島東部海域波高可達(dá)11～13 m，西部海域波高為4.5～5.5 m。

利用以上方法對(duì)南麂島周圍海域1萬余個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)全部采用P-Ⅲ曲線擬合，并進(jìn)行重現(xiàn)期統(tǒng)計(jì)分析，得出2 a、5 a、10 a、20 a、50 a 和100 a 一遇的有效波高空間分布場(chǎng)，結(jié)果詳見圖6。

在各個(gè)重現(xiàn)期下，馬祖岙、國(guó)姓岙海域的波高均明顯小于其他海域的波高。重現(xiàn)期為2 a一遇時(shí)，南麂島東南側(cè)海域波高為4～5 m，馬祖岙和國(guó)姓岙波高在2 m 以下；重現(xiàn)期為100 a 一遇，南麂島東南側(cè)海域波高為12 m 以上，馬祖岙和國(guó)姓岙波高僅為3～5 m。

圖5 各代表點(diǎn)P-Ⅲ曲線擬合

圖5 （續(xù)）

表6 各代表點(diǎn)不同重現(xiàn)期波高值

當(dāng)臺(tái)風(fēng)從南麂島南部沿海登陸或近海轉(zhuǎn)向時(shí)，馬祖岙和國(guó)姓岙海域在南麂島阻擋下波高明顯偏小；當(dāng)臺(tái)風(fēng)從南麂島北部沿海登陸時(shí)，馬祖岙、國(guó)姓岙受W-NW 向風(fēng)時(shí)間較短，且風(fēng)區(qū)較短，較難形成災(zāi)害性海浪。

馬祖岙、國(guó)姓岙水深在5～15 m 之間，符合漁業(yè)養(yǎng)殖條件；而南麂島東北和西南兩側(cè)為深水通道，其水深在30 m 以上，最深處達(dá)45 m，且海流速度偏大，不適宜開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖。綜上所述，馬祖岙、國(guó)姓岙是南麂島開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖的最佳地點(diǎn)。

圖6 南麂島重現(xiàn)期有效波高空間分布場(chǎng)

5 結(jié)論

（1）基于臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的SWAN 海浪模式能很好地反映南麂島海浪變化情況。根據(jù)多年數(shù)值模擬結(jié)果，采用P-Ⅲ曲線進(jìn)行重現(xiàn)期統(tǒng)計(jì)，得到南麂島海域不同重現(xiàn)期的海浪空間分布場(chǎng)，可為南麂島當(dāng)?shù)貪O業(yè)養(yǎng)殖空間規(guī)劃布局提供參考。

（2）登陸浙江、福建北部和近海北上的臺(tái)風(fēng)過程容易對(duì)南麂島產(chǎn)生影響。臺(tái)風(fēng)期間，由于南麂島阻擋作用以及風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)不利，南麂島馬祖岙、國(guó)姓岙海域的波高明顯小于其他海域的波高，在各個(gè)重現(xiàn)期其波高僅為南麂島東南側(cè)海域波高的1/2 以下。從海浪減災(zāi)角度考慮，馬祖岙、國(guó)姓岙是南麂島開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖的最佳地點(diǎn)。