基于多年ERA-I資料的獐子島東南小海區(qū)風浪統(tǒng)計分析

陳曉斌 ,孫威 ,劉志宏

(1.92538部隊 大連 116041;2.陸軍工程大學教研保障中心 南京 210007)

0 引言

海浪是十分復雜的隨機現(xiàn)象,海面風是近海海浪的主要動力,而實際影響海浪的因素還包括水深、地形、底摩擦、海氣相互作用、風區(qū)長度和風的作用時間等[1]。沿海漁民長期擁有風推浪為主的經(jīng)驗背景[2],這是對于風浪關系的一般認識,具有較廣泛的群眾基礎和應用市場。但在實際出海作業(yè)中,波高與風向和季節(jié)尤其是風的作用時間的關系更加密切。國內外學者已基于數(shù)值模式、氣象浮標和歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)的再分析數(shù)據(jù)等對全球海域和我國近海的海浪和風場特征乃至波浪能分布開展系列研究工作[3-14]。

與渤海相比,黃海北部海域的深度更深,周邊港口和天然海島眾多,海洋資源極為豐富。近年來,強冷空氣和北上臺風等災害系統(tǒng)對該海域的影響較多,安全生產和安全航行問題日益凸顯。目前對于黃、渤海的風浪研究大多基于整體海域,而黃海北部海域分布著眾多海島,不同海島周邊海域的風浪均具有自身特點。獐子島是其中面積較大的海島,也是我國東北地區(qū)著名的海參產地。獐子島東南小海區(qū)已設立氣象浮標并已積累多年實測數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)獲取的成本較高。本研究利用2008—2017年的ERA-I資料替代浮標數(shù)據(jù),實現(xiàn)對獐子島東南小海區(qū)的風浪統(tǒng)計分析,以期對黃海北部海域的風浪分布規(guī)律研究提供參考。

1 資料來源和研究方法

本研究采用2008—2017年ECWMF 的ERA-I再分析資料,時間分辨率為6 h,空間分辨率為0.125°×0.125°;該數(shù)據(jù)具有較高的可信度,已得到廣泛認可和應用[10]。獐子島東南小海區(qū)2號浮標的數(shù)據(jù)獲取難度較大且時間序列較短,采用單一浮標數(shù)據(jù)表征該小海區(qū)的風浪特征也不夠準確;而選擇范圍太大也可能失去區(qū)域性特點,即誤差較大。因此,在2號浮標附近選取4個最近網(wǎng)格點進行算數(shù)平均。

實踐表明,風力相同但風向不同的風產生浪的大小有較大差異,因此須將風場分為風向和風力2個因子進行分析。為判斷大風和持續(xù)大風對海浪的影響,將所有數(shù)據(jù)分為非大風狀態(tài)和大風狀態(tài)2種類型,而后者又可分為持續(xù)大風狀態(tài)和非持續(xù)大風狀態(tài)2種情況。

2 風場和海浪的關系

2.1 傳統(tǒng)的風浪關系

在出海作業(yè)時,基于經(jīng)驗根據(jù)風力預測波高是簡單、快捷和直觀的估算方法。根據(jù)ERA-I資料計算不同風力下的波高預測準確率(表1)。

表1 根據(jù)風力預測波高及其準確率

由表1可以看出,隨著風力等級的提高,波高預測準確率在波動中降低。其中,4～5級風和5級風的準確率較高,其他均低于50%,6～7級風的準確率最低;7～8級風的準確率高達48.72%,這是由于出現(xiàn)7～8 級風的概率本身較低(研究期內僅有78個時段),出現(xiàn)時多為冷空氣影響且作用時間較長,海浪能夠得以成長。同時,當超過6級風時,實際波高平均值比預測波高的最低值更低。

2.2 風浪關系的最小二乘法擬合

研究區(qū)氣象預報的風力最低為4～5級,受數(shù)據(jù)分辨率所限,沒有出現(xiàn)9級風的情況。因此,將風力分為4～8級5個等級,并計算各等級風力對應波高的平均值。

在統(tǒng)計分析中,利用擬合優(yōu)度來評價回歸值對觀測值的擬合程度。擬合優(yōu)度越高,表明回歸值對觀測值的擬合程度越好,反之則表明回歸值對觀測值的擬合程度越差[2]。計算公式為:

式中:R2為擬合優(yōu)度;ESS 為回歸平方和;RSS 為殘差平方和;TSS 為總離差平方和。

風力等級(X)與平均波高(Y)之間的關系接近直線(圖1)。

圖1 風力等級與平均波高的擬合關系

線性擬合效果為Y=0.625 0X-1.662 5,此時R2=0.979 0。如采用二次擬合,線性擬合效果為Y=-0.038 5X2+1.086 6X-2.970 3,此時R2=0.984 2。因此,二次擬合的效果更好。

2.3 持續(xù)大風狀態(tài)下的海浪成長

漁船作業(yè)或海上特種作業(yè)往往關注不小于6級風的情況,且海浪的充分成長須有較大風力的配合(不小于6 級)。為探討持續(xù)大風狀態(tài)下的波高分布,將6級風分為持續(xù)6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h的8種情況,將7級風分為持續(xù)6 h、12 h和18 h的3種情況,將6～7級風分為持續(xù)6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h、48 h、54 h、60 h和66 h 的11 種情況。由于8 級風的樣本很少,僅研究上述風力下的波高變化情況。

(1)6級風。6級風最多持續(xù)2天(48 h),且持續(xù)時間越長海浪成長越充分;6級風開始時大概率對應波高接近2 m,持續(xù)6 h 后波高均可增至約2.3 m,中間的6 h 海浪成長最為充分,最后的6 h波高回落(基本超過2 m);當持續(xù)48 h時,波高最大接近3 m。

(2)7級風。7級風最多持續(xù)18 h,且持續(xù)時間越長海浪成長越充分;7級風開始時波高均超過2.7 m(但均未超過3 m),持續(xù)6 h后波高可超過3 m,持續(xù)18 h后波高最大接近3.6 m;持續(xù)6 h和12 h時波高均沒有回落,表明7級風下的海浪成長至少需要6 h,這與具體天氣過程的強度和對應的風向有關。

(3)6～7級風。6～7級風最多持續(xù)66 h,開始時波高均超過1.6 m,且海浪成長至少需要6 h;中間時段的波高不是一直增大而是有所起伏,表明這期間風力發(fā)生變化或風向發(fā)生變化或二者同時發(fā)生變化;最后的6 h波高回落(超過2 m),其中風向也是重要因素。

2.4 風力與波高的分布規(guī)律

各等級風力對應波高的出現(xiàn)頻次和占比如表2所示。

表2 各等級風力對應波高的出現(xiàn)頻次和占比

由表2可以看出:不大于6級風時,波高基本不超過1.2 m,占比超過80%;7級風時,波高不超過1.2 m 的占比為0,波高為2.5～4.0 m 的占比高達88%;8 級風出現(xiàn)的概率較小,對應波高分布在2.5～4.0 m,且大多超過3.2 m。

2.5 風向的分布規(guī)律

經(jīng)對比分析4個最近網(wǎng)格點的風力和風向,同時段的風力存在細微差別。如果風向相差不大于45°視為風向相同,則占比達99.5%;如果風向相差不大于30°視為風向相同,則占比達98.8%。因此,簡化處理方案即認為4個點的風向相同。

3～5級風時,風向的分布規(guī)律較為一致,各風向的占比較為平均,較大區(qū)間僅分布在NW-N 向和S-SW 向,占比約為20%。6～8級風時的情況變化較大:6～7 級風時,較大區(qū)間為N 向和NW向,前者占比為40%～50%,后者占比為30%;8級風由于樣本較少,最大區(qū)間為NNE 向、WNW 向和NNW 向,占比均為33%。在所有風力等級下,偏E向和SE向的風向分布較少,可能表明該風向引起的波高較小。

2.6 風向與波高的分布規(guī)律

為探討風力相同但風向不同的風產生浪的情況,將16個風向分為北風、東風、南風和西風4組,分別統(tǒng)計各組的風向出現(xiàn)頻次和平均波高(表3)。

表3 風向出現(xiàn)頻次和平均波高

由表3可以看出:出現(xiàn)頻次由高到低依次為北風、南風、西風、東風(由于渤海海峽易受春季西風的影響,西風也會影響到獐子島東南小海區(qū));7級風在北風下的出現(xiàn)頻次最高,8級風的出現(xiàn)頻次極低(但很可能陣風很大);不大于6級風時北風的對應波高比其他風向大0.5 m 左右,西風時7～8級風的對應波高最大。

由于7～8級風的樣本太少且可能受臺風或其他天氣系統(tǒng)的影響,波高僅供參考,須進一步研究確認。因此,對于7～8 級風的樣本,僅北風下的7級風數(shù)據(jù)的可信度最高。

3 結語

近年來,強冷空氣和北上臺風等災害系統(tǒng)對黃海北部海域的影響較大,安全生產和安全航行問題日益凸顯。目前對于該海域的風浪研究大多基于整體海域,而該海域分布著眾多海島,不同海島周邊海域的風浪均有其自身特點。為對黃海北部海域的風浪分布規(guī)律研究提供參考,本研究利用2008—2017年的ERA-I資料替代浮標數(shù)據(jù),實現(xiàn)對獐子島東南小海區(qū)的風浪統(tǒng)計分析。但目前統(tǒng)計區(qū)域較小且時間分辨率較低(6 h),8級風的出現(xiàn)頻次極低,不能有效反映8級以上大風天氣過程,在未來的研究中將采用更高分辨率的再分析資料加以完善。