斯里蘭卡海域海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估

席林通，李醒飛1,2，仲 偉，楊少波1,2

(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266003；3.天津大學(xué)青島海洋技術(shù)研究院，山東 青島 266200；4.上海啟迪清青企業(yè)發(fā)展有限公司，上海 201799)

引 言

“21世紀(jì)海上絲綢之路”和“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”重大倡議自提出以來(lái)，迅速在國(guó)際上得到高度關(guān)注。此舉有利于加強(qiáng)腹地戰(zhàn)略支點(diǎn)的生存能力，加快一帶一路沿線各國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和文化交流。與此同時(shí)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。海上絲路沿線國(guó)家眾多以及周邊海洋環(huán)境復(fù)雜，加之海洋觀測(cè)和探測(cè)的基礎(chǔ)性研究十分匱乏，使得絲路經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)并不會(huì)一帆風(fēng)順。而戰(zhàn)略支點(diǎn)的建設(shè)能夠平穩(wěn)推進(jìn)絲路發(fā)展，也會(huì)助力推進(jìn)沿線國(guó)家走向經(jīng)略海洋、探索海洋的嶄新道路。另外，斯里蘭卡是“21世紀(jì)海上絲綢之路”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一，其位于印度洋中北部，與印度隔海相望[1]，東南向是重要海峽馬六甲海峽，西北向是波斯灣和亞丁灣，扼守著波斯灣石油向東運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，同時(shí)它還是東西方貨物運(yùn)輸以及航運(yùn)的必經(jīng)之路，戰(zhàn)略地位及其重要，被譽(yù)為東方海上十字路口；雖然如此，至今關(guān)于斯里蘭卡海域海浪及波浪能的研究卻鳳毛麟角。鄭崇偉[2]曾經(jīng)使用35年ERA-interim再分析數(shù)據(jù)評(píng)估了斯里蘭卡海域的波浪能；徐亞男[3]等對(duì)斯里蘭卡科倫坡鄰近海域進(jìn)行過海浪數(shù)值模擬；關(guān)于斯里蘭卡海域海浪的災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估卻一片空白。此外，近岸海域2.5 m以上或近海域大于4 m的有效波高被稱為災(zāi)害性風(fēng)浪；且長(zhǎng)周期或巨大海浪可摧毀沿海堤岸、碼頭以及鄰海建筑物，同時(shí)也是威脅近海民眾及過往船只最突出的海洋災(zāi)害之一[4]。小波高長(zhǎng)周期海浪對(duì)防波堤岸的影響比波高大周期小的波浪更具破壞力；此前，斯里蘭卡、印度等國(guó)曾遭受海浪侵襲造成三十余萬(wàn)人喪生，因此對(duì)該海域海浪災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)估就顯得極為重要。本文首次對(duì)斯里蘭卡海域海浪的危險(xiǎn)性指數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算和定性分析，評(píng)估了波高和波周期單指標(biāo)及雙指標(biāo)下的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)指數(shù)，并對(duì)海浪危險(xiǎn)等級(jí)做了詳細(xì)的概率統(tǒng)計(jì)，可為其沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海岸帶的管理與規(guī)劃及近海防災(zāi)減災(zāi)提供實(shí)際參考價(jià)值，同時(shí)也有利于海上絲綢之路的建設(shè)和發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)及方法

ERA-interim再分析數(shù)據(jù)(available at：https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/browse-reanalysis-datasets)是ECMWF向全球使用者提供的最新的全球大氣數(shù)值預(yù)報(bào)再分析資料，它由于使用4維變分同化方法不僅提高了系統(tǒng)的分辨率，而且還增強(qiáng)了物理系統(tǒng)的預(yù)測(cè)能力[5-7]；同時(shí)具有長(zhǎng)時(shí)序的特性，提供了多年的海浪參數(shù)，時(shí)間范圍從1979年1月1日0時(shí)至今[8-9]；此外，與早期的ERA-40數(shù)據(jù)相比，由于使用ERA-40和JRA數(shù)據(jù)改善了水文循環(huán)和平流層環(huán)流的質(zhì)量，并對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)中的偏差和變化做出了處理，因此ERA-interim更加接近現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)[10-11]。本次研究的區(qū)域主要為斯里蘭卡周邊海域(77 °E～84 °E,4 °N～11 °N)，時(shí)間跨度為1989年1月1日至2018年12月31日；通過計(jì)算每0.125 ° × 0.125 °網(wǎng)格上的海浪危險(xiǎn)指數(shù)，對(duì)斯里蘭卡海域的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估；圖1為斯里蘭卡海域的水深地形圖。

圖1 斯里蘭卡海域水深地形圖

2 單指標(biāo)海浪風(fēng)險(xiǎn)性分析

根據(jù)《海浪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則》中對(duì)波高的海浪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，本文分別對(duì)斯里蘭卡海域基于波高和波周期單指標(biāo)下的海浪危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)并分析了單指標(biāo)下不同強(qiáng)度等級(jí)的年平均海浪災(zāi)害危險(xiǎn)指標(biāo)；基于再分析資料，分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的I，II，III，IV級(jí)的浪高及波周期年平均次數(shù)，然后根據(jù)計(jì)算得到的海浪危險(xiǎn)指數(shù)對(duì)海浪危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)，具體的海浪強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1；其中波高危險(xiǎn)性指標(biāo)及其指數(shù)的計(jì)算公式如下：

表1 海浪強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

Hw=0.6N1+0.25N2+0.1N3+0.05N4

(1)

Hwn=(Hi-Hmin)/(Hmax-Hmin)

(2)

公式(1)中Hw為每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的波高危險(xiǎn)性指標(biāo)；N1，N2，N3，N4分別為每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上面I，II，III，IV級(jí)海浪出現(xiàn)的次數(shù)。公式(2)中Hwn為每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的海浪危險(xiǎn)指數(shù)，大小介于0到1之間；Hi為每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上面的波高危險(xiǎn)性指標(biāo)；Hmin和Hmax分別為最小和最大的海浪危險(xiǎn)性指標(biāo)。然后根據(jù)同樣的方法對(duì)波周期的年平均災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)的海浪危險(xiǎn)等級(jí)的概率統(tǒng)計(jì)見表2。

由表2可以看出，波高海浪危險(xiǎn)等級(jí)為IV級(jí)的占比最大，達(dá)到78.90 %，危險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí)的占比為15.28 %，其他等級(jí)的海浪占比較??；反觀波周期單指標(biāo)海浪危險(xiǎn)等級(jí)概率，危險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)和IV級(jí)的占比較大，分別為64.67 %和23.21 %；整體來(lái)看，單指標(biāo)危險(xiǎn)等級(jí)概率分布間存在較大差異，且波高和波周期并不表現(xiàn)為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，彼此間不能夠相互替代，同時(shí)也不能單一的表征斯里蘭卡海域的海浪的災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)分布情況，因此必須將影響海浪危險(xiǎn)等級(jí)的波高和波周期同時(shí)納入到分析當(dāng)中。

表2 海浪危險(xiǎn)等級(jí)概率統(tǒng)計(jì)

3 波高及波周期雙指標(biāo)海浪危險(xiǎn)性分析

3.1 波高及波周期的聯(lián)合分布特征

在海洋工程中，準(zhǔn)確地描述海浪非常重要，大部分表面波在性質(zhì)上是非線性的，波高和波周期并不是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立；此外，波高及波周期是描述在受力作用下海浪生成的兩個(gè)重要參數(shù)，其聯(lián)合概率分布在海況的分析中就顯得極具工程價(jià)值[12-14]，為此本文統(tǒng)計(jì)了斯里蘭卡海域30 a的波高和波周期聯(lián)合概率分布，可視化了研究區(qū)域的波高和波周期之間的分布特征，波高及波周期聯(lián)合概率分布如圖2所示，圖中數(shù)值均保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

圖2 波高及波周期聯(lián)合概率分布

由圖2可知，波高和波周期之間并不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，但兩者之間在統(tǒng)計(jì)上卻相互影響而且同等重要；波高及波周期主要集中在0～3 m，5～11 s之間，占比達(dá)到80%以上，其他范圍的海浪占比不足20%。此外，對(duì)于波高來(lái)說，近岸有效波高超過2.5 m，或近海海域4 m以上的波高均被視為災(zāi)害性風(fēng)浪，就波周期而言，大于7 s的其海浪強(qiáng)度被視為I級(jí)[15]；劉文通[4]也曾表明波高小周期大的波浪對(duì)建筑物的破壞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波高大周期小的海浪；因此波高和波周期兩個(gè)指標(biāo)均應(yīng)該體現(xiàn)在災(zāi)害危險(xiǎn)性的評(píng)估中，且對(duì)該海域海浪的災(zāi)害性評(píng)估對(duì)于近岸船只安全活動(dòng)提供指導(dǎo)價(jià)值。

3.2 四季波高及波周期雙指標(biāo)的海浪危險(xiǎn)性分析

由前文分析可知，對(duì)于海浪危險(xiǎn)指標(biāo)的分析應(yīng)同時(shí)考慮波高及波周期。為了深入研究波高及波周期對(duì)海浪危險(xiǎn)等級(jí)的影響，本文根據(jù)謝欣[15]等的波高及波周期雙指標(biāo)危險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式，對(duì)斯里蘭卡海域的四季海浪危險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)海浪危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，如圖3，圖4所示；所涉及的計(jì)算公式如下：

圖3 斯里蘭卡海域四季海浪災(zāi)害危險(xiǎn)指數(shù)的時(shí)空分布

圖4 四季海浪危險(xiǎn)等級(jí)的概率統(tǒng)計(jì)

D=A×Hwn+B×Twn

(3)

式中，D代表波高及波周期雙指標(biāo)危險(xiǎn)指數(shù)，大小介于0到1之間；Hwn為波高單指標(biāo)危險(xiǎn)指數(shù)；Twn為波周期單指標(biāo)危險(xiǎn)指數(shù)；A，B表示權(quán)重系數(shù)，且A+B=1，另外，由于波高和波周期對(duì)于海浪災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估同等重要，因此將A和B均設(shè)置為0.5。

整體來(lái)看，危險(xiǎn)指數(shù)的時(shí)空分布表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，斯里蘭卡西部及南部海域的危險(xiǎn)指數(shù)相較于馬納爾灣及保克海峽大，保克海峽的危險(xiǎn)指數(shù)常年維持在0.25以下，危險(xiǎn)等級(jí)為IV級(jí)，且深海域的危險(xiǎn)指數(shù)一般較淺海域的危險(xiǎn)指數(shù)大。春季，大值區(qū)主要分布在斯里蘭卡東南部，危險(xiǎn)指數(shù)甚至達(dá)到了0.9，斯里蘭卡首都科倫坡鄰近海域的危險(xiǎn)指數(shù)為0.5左右，危險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了II級(jí)，且周邊大范圍海域的危險(xiǎn)等級(jí)均達(dá)到了III級(jí)；夏季，斯里蘭卡西部小范圍海域的危險(xiǎn)指數(shù)較大，基本維持在0.7到0.9之間，危險(xiǎn)等級(jí)表現(xiàn)為I級(jí)，且周邊海域的危險(xiǎn)等級(jí)也達(dá)到了III級(jí)；秋季危險(xiǎn)指數(shù)的時(shí)空分布與夏季較為相似，但大值區(qū)的危險(xiǎn)指數(shù)卻相對(duì)較小，危險(xiǎn)等級(jí)主要為III級(jí)；冬季，大值區(qū)主要集中于斯里蘭卡南部鄰近海域，危險(xiǎn)等級(jí)主要表現(xiàn)為II級(jí)和III級(jí)，其余大部分海域的危險(xiǎn)指數(shù)為0.4左右，危險(xiǎn)等級(jí)主要表現(xiàn)為III級(jí)。

另外，由四季海浪危險(xiǎn)等級(jí)的概率統(tǒng)計(jì)來(lái)看，全年均存在危險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)的海域，但危險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí)的海域占據(jù)主導(dǎo)地位，春季危險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)的海域占比12 %左右，II級(jí)和III級(jí)的概率分別為30 %和54 %左右；夏季、秋季和冬季危險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)的海域占比微乎其微，危險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí)的海域相對(duì)其他等級(jí)的大，占比分別為60%、80%及65%左右。

綜上，海浪危險(xiǎn)指數(shù)的時(shí)空分布表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，四季均存在危險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)和II級(jí)的海域，但I(xiàn)II級(jí)的海域占比最大；大值區(qū)主要集中在斯里蘭卡西部及南部；評(píng)估四季的海浪危險(xiǎn)指數(shù)并對(duì)海浪危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)對(duì)于今后海上絲綢之路的貨物運(yùn)輸、近海工程及漁民活動(dòng)都具有及其重要的指導(dǎo)價(jià)值。

3.3 波高及波周期雙指標(biāo)的年平均海浪危險(xiǎn)性分析

為了綜合評(píng)估斯里蘭卡海域海浪的災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)，本文計(jì)算了斯里蘭卡海域年平均的海浪危險(xiǎn)指數(shù)，并繪制其時(shí)空分布圖，如圖5所示。整體來(lái)看，危險(xiǎn)指數(shù)大值區(qū)主要分布在斯里蘭卡西部及東南部小范圍海域，其危險(xiǎn)指數(shù)介于0.5和0.8之間，危險(xiǎn)等級(jí)主要為II級(jí)；?？撕{及馬納爾灣海域的危險(xiǎn)指數(shù)較低，主要分布于0.1到0.4之間，海浪危險(xiǎn)等級(jí)較低；斯里蘭卡周邊海域的危險(xiǎn)指數(shù)均為0.4，危險(xiǎn)等級(jí)主要表現(xiàn)為III級(jí)。此外本文還對(duì)海浪危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，可以看出海浪危險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)的海域占1.57 %，II級(jí)和IV級(jí)海域占比分別為16.58 %和6.13 %，而危險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí)的海域占比最大，為75.72 %，與四季的海浪危險(xiǎn)指標(biāo)的時(shí)空分布均表明了斯里蘭卡大范圍海浪危險(xiǎn)等級(jí)表現(xiàn)為III級(jí)，且雙指標(biāo)下的海浪危險(xiǎn)指數(shù)分布比單指標(biāo)考慮得更加全面，同時(shí)涵蓋了波高和波周期的影響因素，因此更加貼近真實(shí)海況，對(duì)于海上絲綢之路海岸帶管理以及沿岸防災(zāi)減災(zāi)提供了重要的參考價(jià)值。

圖5 斯里蘭卡海域年平均海浪危險(xiǎn)指數(shù)的時(shí)空分布

圖6 斯里蘭卡海域年平均海浪危險(xiǎn)等級(jí)的概率統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

本文通過計(jì)算單指標(biāo)下海浪危險(xiǎn)指數(shù)概率，了解到在海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中應(yīng)將波高及波周期同時(shí)納入到分析；經(jīng)過對(duì)雙指標(biāo)的海浪危險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算和對(duì)海浪危險(xiǎn)等級(jí)的概率統(tǒng)計(jì)，得出以下結(jié)論：

(1)計(jì)算斯里蘭卡海域波高及波周期單指標(biāo)的海浪危險(xiǎn)指數(shù)概率，并統(tǒng)計(jì)了波高和波周期的聯(lián)合概率發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較大的差異，不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；單一指標(biāo)不能充分反映海域的海浪危險(xiǎn)等級(jí)分布。

(2)通過計(jì)算雙指標(biāo)的海浪危險(xiǎn)指數(shù)發(fā)現(xiàn)，斯里蘭卡海域危險(xiǎn)等級(jí)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，四季均存在危險(xiǎn)等級(jí)為I級(jí)和II級(jí)的海域，但I(xiàn)II級(jí)的海域占比最大；危險(xiǎn)指數(shù)大值區(qū)主要分布于斯里蘭卡西部和南部小范圍海域，馬納爾灣及?？撕{的危險(xiǎn)指數(shù)常年處于較低水平。

(3)斯里蘭卡海域年平均海浪危險(xiǎn)指數(shù)的空間分布存在差異，危險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí)的海域占據(jù)主導(dǎo)，占比達(dá)到75.72 %，且波高及波周期雙指標(biāo)的海浪危險(xiǎn)等級(jí)分布較單指標(biāo)更具說服力，更加充分地反映真實(shí)海況，可為今后“21世紀(jì)海上絲綢之路”關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的防災(zāi)減災(zāi)、沿海開發(fā)及海岸帶管理提供重要的指導(dǎo)價(jià)值。