胡秋良，鄭崇偉，蘇 勤，周欣欣

(1.海軍北海艦隊海洋水文氣象中心 青島 266003;2.92538部隊氣象臺 大連 116041;3.海洋出版社 北京 100081;4.曲阜師范大學(xué) 曲阜 273165)

中國海位于西太平洋邊緣，夏季常遭受臺風侵襲，冬季常遭受冷空氣的影響，臺風浪的巨大破壞性已被大家所共識，但冷空氣大浪卻往往被輕視，研究表明冷空氣帶來的大浪往往具有嚴重的破壞性，1999年11月24日“大舜號”客混船從煙臺駛往大連途中因遭遇寒潮大風而傾覆，全船304人僅22人生還，直接經(jīng)濟損失9000余萬元，是新中國成立以來最大的一次海難事故［1－4］。且臺風浪的頻率遠不如冷空氣出現(xiàn)的頻率高，因此，深入研究冷空氣所致大浪對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實意義。

對于臺風浪的數(shù)值模擬已有不少，但對于冷空氣大浪的數(shù)值模擬則相對較少。周兆黎等［5］曾利用NCEP風場驅(qū)動WW3模式，對影響南海的三次冷空氣過程進行過模擬，并將模擬結(jié)果與Jason－1衛(wèi)星高度計反演的SWH進行比對，發(fā)現(xiàn)模擬的SWH與Jason－1衛(wèi)星高度計的觀測資料一致性較好，還發(fā)現(xiàn)在冷空氣活動末期以及近岸地區(qū)，模擬效果略偏差一些，但均方根誤差和平均相對誤差仍在可接受的范圍內(nèi)。本文利用兩種海浪模式SWAN、WW3，分別對2011年3月發(fā)生在中國海的一次強冷空氣所致的海浪場進行數(shù)值模擬，并對比分析模式的模擬效果，以期可為防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料簡介

1.1 風場資料

本研究以CCMP風場作為兩種海浪模式的驅(qū)動場。CCMP風場資料來自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它結(jié)合了ADEOS－II、AMSR－E、QuikSCAT、SSM/I等幾種資料，利用變分方法得到。CCMP風場的空間分辨率為0.25°×0.25°，空間范圍為:78.375°S －78.375°N，0°－359.875°E，時間分辨率為6 h，時間范圍從1987年7月至今，研究表明CCMP風場具有很高的精度［6－7］。

1.2 水深數(shù)據(jù)

本研究所用的水深數(shù)據(jù)來自NOAA的ETOPO1全球地形數(shù)據(jù)集，其分辨率為1＇×1＇，為目前全球分辨率最高的地形數(shù)據(jù)，具體下載地址為: http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/01mgg04.html。

1.3 海浪觀測資料

利用來自韓國22108浮標站、中國臺灣澎湖浮標站逐小時的海浪浮標數(shù)據(jù)，驗證模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性。濟州島站位于36.3°N，125.8°E，觀測要素包括:有效波高、波向、波周期、最大波高、平均風速、風向、陣風、海溫、氣溫、氣壓、濕度;澎湖浮標站位于 23.6°N，119.6°E，觀測要素包括:有效波高、波向、波周期、平均風速、風向、陣風、海溫、氣壓。兩個站點的觀測數(shù)據(jù)均為每小時一次。

2 模擬方法及數(shù)據(jù)驗證

2.1 模擬方法

以CCMP風場分別驅(qū)動SWAN模式、WW3模式，對2011年3月發(fā)生在中國海的一次強冷空氣所致的海浪場進行數(shù)值模擬，分析此次冷空氣海浪場的分布特征，并就兩個模式的模擬能力進行對比。兩種模式均選取相同的計算范圍:0°N －41°N，100°E －135°E，見圖 1，空間分辨率取0.1°×0.1°，計算時間步長取為600 s，每小時輸出一次結(jié)果，計算時間為2011年3月7日00:00時至2011年3月13日18:00時。

2.2 數(shù)據(jù)驗證

將模擬的SWH插值到觀測站點上，對比分析SWAN模式、WW 3模式的模擬效果。由圖1的散點圖可見，在韓國22108觀測站處，無論WW 3模式還是SWAN模式，散點都基本圍繞在對角線附近，表明兩個模式的模擬有效波高都有較高精度，圖1b的散點比圖1a更貼近對角線，表明WW3模式的模擬效果稍好于SWAN模式。在澎湖觀測站處，由圖2a和圖2b的散點都分布于對角線附近，表明兩個模式模擬的有效波高在澎湖附近海域具有較高精度，圖2b的散點比圖2a更貼近對角線，表明WW3模式的模擬效果稍好于SWAN模式。

圖1 韓國22108觀測站模擬有效波高與觀測有效波高的散點圖

由圖1a和圖2a分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)散點在對角線以上，這表明SWAN模擬的有效波高略高于觀測有效波高;從圖1b、圖2b可發(fā)現(xiàn)，對角線以上和以下散點的數(shù)量相當，表明WW3模擬的有效波高與觀測有效波高相當。

圖2 臺灣澎湖站模擬有效波高與觀測有效波高的散點圖

為了更加準確地分析模擬SWH的精度，本文還計算了相關(guān)系數(shù) (CC)、偏差 (Bias)、均方根誤差(RMSE)以及平均絕對誤差(MAE)。無論相關(guān)系數(shù) (CC)、偏差 (Bias)、均方根誤差 (RMSE)，還是平均絕對誤差 (MAE)，WW 3的模擬效果均優(yōu)于SWAN模式，由Bias誤差也可發(fā)現(xiàn)，SWAN模式為正偏差，即SWAN模擬的波高稍大于觀測波高，WW 3模式的Bias誤差則很小，表明WW 3模擬的波高與觀測值相當，與前面分析的結(jié)果完全一致。

3 海表風場、海浪場特征分析

冷空氣給中國海帶來了明顯的大風、大浪過程。整個冷空氣期間，波向與風向保持了較好的一致性，且向岸效應(yīng)比較明顯;波高與風速的分布特征也保持了較好的一致性，這應(yīng)該是由于中國海位于大洋邊緣，受大洋傳播的涌浪影響較小，風浪在混合浪中所占比例較大所致。見圖3～圖5，為了便于觀察，波向和風向均以單位矢量為代表，波高和風速的大小均以背景色的深淺為代表。

3月8日00時:冷空氣進入渤海，雖然也相伴著出現(xiàn)了大風過程，但由于海域狹小，大風范圍不是很大，大風中心的風速也僅12 m/s左右，相應(yīng)波高也在1.0 m左右，這是由于渤海海域較小，海浪尚未充分成長，冷空氣已經(jīng)南下。SWAN模擬的波高小于WW3模擬的波高，與圖1、圖2的結(jié)果吻合。受冷空氣影響，渤海的波向和風向均以東北向為主。

3月10日00時:冷空氣南下進入黃海中部，黃海中南部大范圍海域的風速在16 m/s以上，相應(yīng)區(qū)域的波高在4.5 m以上，高值中心可達5.0 m以上;隨著冷空氣的遠離，渤海的風速已降至6 m/s以內(nèi)，波高基本降至1.0 m以內(nèi);東海和南海不在冷空氣的影響范圍之內(nèi)，風速和波高都比較小，風速多在4 m/s以內(nèi)，有效波高基本在1.0 m以內(nèi)。黃海大部分海域的波向和風向都以北－東北向為主。WW3模擬的有效波高還是稍大于SWAN模式。

3月12日00時:冷空氣南下行進至南海北部海域時，由于緯度較低，冷空氣強度大為減弱，風速的大值區(qū)分布于臺灣島周邊海域，尤其是臺灣海峽、呂宋海峽、東沙群島附近海域，風速在8～10 m/s左右，有效波高在2.7 m左右。大部分海域的波向和風向都以東北向為主。WW3模擬的有效波高還是稍大于SWAN模式。

圖3 2011年3月中旬一次冷空氣期間的海表風場

圖4 SWAN模擬的海浪場

圖5 WW3模擬的海浪場

4 結(jié)論

(1)以CCMP風場分別驅(qū)動WW3、SWAN海浪模式，可以較好地模擬發(fā)生在東中國海的冷空氣海浪場過程。從相關(guān)系數(shù)、偏差、均方根誤差、平均絕對誤差來看，兩個模式模擬的有效波高都具有較高精度，SWAN模擬的有效波高稍大于觀測有效波高，WW3模擬的有效波高與觀測有效波高更為相近。

(2)冷空氣給中國海帶來了明顯的大風、大浪過程。整個冷空氣期間，波向與風向保持了較好的一致性，且向岸效應(yīng)比較明顯;波高與風速的分布特征也保持了較好的一致性，海浪以風浪為主導(dǎo)。SWAN模擬的有效波高明顯小于觀測值和WW3模式的模擬值。

(3)冷空氣進入渤海，相伴著出現(xiàn)了大風過程，但由于海域狹小，大風范圍較小，大風中心的風速僅12 m/s左右，相應(yīng)波高也在1.0 m左右，這是由于渤海海域較小，海浪尚未充分成長，冷空氣已經(jīng)南下。冷空氣南下進入黃海中部時，黃海中南部大范圍海域的風速在16 m/s以上，相應(yīng)區(qū)域的波高在4.5 m以上，高值中心可達5.0 m以上，波向和風向都以北－東北向為主。冷空氣南下行進至南海北部海域時，由于緯度較低，冷空氣強度大為減弱，風速和波高的相對大值區(qū)分布于臺灣島周邊海域，尤其是臺灣海峽、呂宋海峽、東沙群島附近海域。

［1］許富祥.海浪預(yù)報現(xiàn)狀與未來［J］.海洋預(yù)報，2005，25(增刊):172 －175.

［2］朱福海，周立佳，邵利民，等.軍事航海氣象［M］.北京:海潮出版社，2002.

［3］劉金芳，孫立尹.西北太平洋風場和波浪場特點分析［J］. 海洋預(yù)報，2000，17(3):54－62.

［4］ZHENG CW，ZHUANG H，LIX，etal.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea［J］.Science China Technology Sciences，2012，55(1):163－173.

［5］周兆黎，楊顯宇.WAVEWATCH－III有效性檢驗［J］. 熱帶海洋學(xué)報，2008，27(2):1 －6.

［6］鄭崇偉，潘靜，田妍妍，等.全球海域風浪、涌浪、混合浪波候圖集［M］.北京:海洋出版社，2012.

［7］ZHENG CW，PAN J，LI J X.Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009［J］.Ocean Engineering，2013，65:39－48.