沈旭偉，陳國(guó)平，嚴(yán)士常，徐耀飛,周 雅

（河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098）

合成風(fēng)場(chǎng)作用下的近海重現(xiàn)期波要素分析

沈旭偉，陳國(guó)平，嚴(yán)士常，徐耀飛,周 雅

（河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098）

運(yùn)用第三代海浪模式SWAN，分別將臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)、美國(guó)NCEP風(fēng)場(chǎng)、合成風(fēng)場(chǎng)作為其驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，與實(shí)測(cè)值比較發(fā)現(xiàn)：合成風(fēng)場(chǎng)優(yōu)于另外兩種風(fēng)場(chǎng)，在臺(tái)風(fēng)中心和遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心地帶模擬效果都較好。故選用合成風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，對(duì)1982—2015年間影響東南沿海的210個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬推算，進(jìn)行P-Ⅲ曲線擬合分析，與測(cè)站實(shí)測(cè)資料符合良好。在此基礎(chǔ)上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖，可為近海工程環(huán)境評(píng)估和設(shè)計(jì)提供參考。

SWAN模型；合成風(fēng)場(chǎng)；東南沿海；重現(xiàn)期波高

1 引言

中國(guó)東南沿海受臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重。一方面，臺(tái)風(fēng)引起的巨浪會(huì)對(duì)沿岸的人民產(chǎn)生巨大的影響，造成重大的海難事故和海洋工程的破壞。另一方面，中國(guó)南部沿海每一項(xiàng)海岸或海洋工程研究，也均需要了解所在海域的波浪狀況。在人類對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)入空前迅猛發(fā)展的時(shí)代背景下，了解東南沿海海域在臺(tái)風(fēng)期間的波浪環(huán)境，對(duì)重點(diǎn)海域的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行正確預(yù)報(bào)，對(duì)于東南沿海地區(qū)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和工程的興建具有重要意義。

風(fēng)場(chǎng)模型千差萬(wàn)別，主要分為3類：第一類是理論氣壓模型，計(jì)算簡(jiǎn)單但不能較好反映海面真實(shí)氣壓分布[1]；第二類是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚2]，較為靈活但受時(shí)空限制，較難確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；第三類是半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，發(fā)展還不夠成熟。目前海浪的長(zhǎng)期分布仍不清楚，對(duì)于多年一遇的極大值波高的推斷，通常選擇適線法擬合，所選樣本越多，推算結(jié)果越可靠。因此，選擇一個(gè)適合東南沿海的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)值模擬，將獲得更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。本文分別將臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)、美國(guó)NCEP風(fēng)場(chǎng)、合成風(fēng)場(chǎng)作為其驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，與測(cè)站實(shí)測(cè)波高進(jìn)行比較，選取合適的風(fēng)場(chǎng)對(duì)1982—2015年間共計(jì)34 a影響東南沿海的210個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，P-Ⅲ曲線[3-4]推算東南沿海的重現(xiàn)期的特征波要素，與觀測(cè)資料對(duì)比，分析結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，建立東南沿海重現(xiàn)期的波高等值線波高圖，可為近海工程的環(huán)境評(píng)估和設(shè)計(jì)提供參考。

2 海浪模式

2.1 海浪模式簡(jiǎn)介

海浪的數(shù)值預(yù)報(bào)始于20世紀(jì)50年代，1957年Gelci等基于二維波譜能量傳播方程建立的數(shù)值模式。隨著對(duì)各種物理過(guò)程描述的不斷深入和參數(shù)化形式的不同，模式經(jīng)歷了第一代到第三代的演變，其中荷蘭Delft理工大學(xué)所建立的SWAN（Simulation WAve Nearshore）模型[5]就是第三代數(shù)值海浪模式的杰出代表，并且研究成熟，應(yīng)用廣泛[6-8]。

2.2 參數(shù)設(shè)置

模式運(yùn)行所選用的地形資料來(lái)自于美國(guó)國(guó)家海洋大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）公布的ETOPO1全球地形數(shù)據(jù)集，分辨率為1′×1′。模式的計(jì)算范圍為105°—120°E、12°—25°N，空間分辨率為2′×1′，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)451×781；時(shí)間步長(zhǎng)為10 min；頻率的計(jì)算從0.04—1 Hz，以指數(shù)分布劃分為34個(gè)；方向的分段為32個(gè)，分辨率為11.25°。輸出區(qū)域與計(jì)算區(qū)域范圍相同，按1 h的時(shí)間間隔輸出模擬數(shù)值。

3 資料與方法

3.1 風(fēng)場(chǎng)簡(jiǎn)介

3.1.1 臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)

臺(tái)風(fēng)的模型風(fēng)場(chǎng)表達(dá)式如下：

式中：Vg是梯度風(fēng)速，采用Myers圓對(duì)稱模型公式[9]；Vt是移行風(fēng)速，采用宮崎正衛(wèi)公式[10]；c1和c2為訂正系數(shù)，根據(jù)大量資料，c1取0.8，c2取0.5；θ是計(jì)算點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心的連線與x軸的夾角；β是梯度風(fēng)與海面風(fēng)的夾角。

圖1 臺(tái)風(fēng)路徑及測(cè)站位置示意圖

3.1.2 美國(guó)NCEP風(fēng)場(chǎng)

該項(xiàng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)由NOAA美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NationalCentersforEnvironmentalPrediction，NCEP)研制，由NOAA氣候資料中心（National Climatic Data Center，NCDC）負(fù)責(zé)維護(hù)。資料屬全球大氣、海洋、陸面再分析數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為3 h，時(shí)間起自1979年。

3.1.3 合成風(fēng)場(chǎng)

合成方法如下：

式中：VM為臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，VQ為NCEP風(fēng)場(chǎng)，e為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)Carr III[11]的研究成果，權(quán)重系數(shù)的表達(dá)形式為e=c4(1+c4)，c是考慮臺(tái)風(fēng)影響范圍的系數(shù)，c=r nR1。r是計(jì)算點(diǎn)至臺(tái)風(fēng)中心的距離；R1是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推得的最大風(fēng)速半徑[12]。n為風(fēng)速半徑影響系數(shù)，本文n取5[13]。

3.2 資料簡(jiǎn)介

氣壓模型風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是由日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）發(fā)布臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料獲?。╤ttp://www.jma.go.jp/jma/index.html），臺(tái)風(fēng)過(guò)程的波要素資料由廣東沿海的平海灣站、惠來(lái)溝疏站提供，重現(xiàn)期波要素由北部灣內(nèi)的潿洲島站、東方站、鶯歌海站提供。

圖2 0601號(hào)臺(tái)風(fēng)“珍珠”在不同風(fēng)場(chǎng)模型下的波高過(guò)程圖

3.3 模型驗(yàn)證

分別選取廣東平海灣站（114.73°E、22.57°N）的0601號(hào)臺(tái)風(fēng)“珍珠”、廣東外海的惠來(lái)溝疏站（116.40°E、22.80°N）的0814號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”、0903號(hào)臺(tái)風(fēng)“蓮花”，位置如圖1所示。將不同風(fēng)場(chǎng)的模擬值與測(cè)站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比。圖2—4表明，當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心靠近測(cè)站時(shí)，即波高最大處，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型和合成風(fēng)場(chǎng)模型對(duì)波高的模擬效果較好，NCEP風(fēng)場(chǎng)的模擬值偏小較多。在臺(tái)風(fēng)中心遠(yuǎn)離測(cè)站時(shí)，即遠(yuǎn)離最大波高的兩側(cè)，NCEP風(fēng)場(chǎng)模型和合成風(fēng)場(chǎng)模型對(duì)波高的模擬效果較好，而臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的模擬值偏小較多。

本文引入相關(guān)系數(shù)平均偏差、相關(guān)系數(shù)、均反復(fù)跟誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差這4個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)用以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和合理性[14-15]。表1—4表明，合成風(fēng)場(chǎng)的偏差平均值為-0.14 m，相關(guān)系數(shù)平均值為0.933；NCEP風(fēng)場(chǎng)的偏差平均值為-0.31m，相關(guān)系數(shù)平均值為0.904；臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)偏差平均值為-0.26 m，相關(guān)系數(shù)平均值為0.854。整體而言，合成風(fēng)場(chǎng)的模擬值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)最高，偏差也最小，均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差也最小。

圖3 0814號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”在不同風(fēng)場(chǎng)模型下的波高過(guò)程圖

圖4 0903號(hào)臺(tái)風(fēng)“蓮花”在不同風(fēng)場(chǎng)模型下的波高過(guò)程圖

總體上，合成風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與測(cè)站的實(shí)測(cè)資料符合更好，基于合成風(fēng)場(chǎng)的SWAN海浪模式能較好反映出臺(tái)風(fēng)過(guò)程中北部灣的波要素變化情況。故本文采用美國(guó)NCEP風(fēng)場(chǎng)為背景風(fēng)場(chǎng)，將臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)與它合成的的風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。

表1 不同風(fēng)場(chǎng)下模擬值與實(shí)測(cè)值的平均偏差/m

表2 不同風(fēng)場(chǎng)下模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)

表3 不同風(fēng)場(chǎng)下模擬值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差/m

表4 不同風(fēng)場(chǎng)下模擬值與實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差

4 近海重現(xiàn)期波浪要素分析

4.1 P-Ш曲線簡(jiǎn)介

P-III型分布的二參數(shù)概率密度函數(shù)形式：

在進(jìn)行P-III曲線求解時(shí)，可以通過(guò)公式算出樣本的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)，進(jìn)行適量調(diào)整，就可以確定P-Ш曲線。

4.2 資料驗(yàn)證與分析

在搜集了JMA發(fā)布的臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料，對(duì)1982—2015年北部灣附近的熱帶氣旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共選取210場(chǎng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)推算，臺(tái)風(fēng)走向以E-W向居多，得到每場(chǎng)臺(tái)風(fēng)在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的波浪場(chǎng)。《海港水文規(guī)范》[16]作了規(guī)定，當(dāng)選取年極值作為數(shù)據(jù)樣本時(shí)，一般采用至少連續(xù)20 a的實(shí)測(cè)資料。本文選取1982—2015年共計(jì)34 a的數(shù)值模擬結(jié)果以及1960—1982年共計(jì)23 a北部灣附近的潿洲島站(109.12°E,21.02°N)、東方站（108.62°E,19.10° N)、鶯歌海站（108.68°E,18.50°N）3個(gè)測(cè)站實(shí)測(cè)資料，位置如圖1所示。采用P-Ⅲ曲線擬合，分方向進(jìn)行重現(xiàn)期統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)圖5）。重現(xiàn)期波浪驗(yàn)證采用主波向驗(yàn)證。重現(xiàn)期統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

個(gè)別模擬結(jié)果的重現(xiàn)期波高與實(shí)測(cè)資料差距略大，大部分模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料差距較小，能夠較好反映出重現(xiàn)期波高特征。從數(shù)據(jù)上，可以發(fā)現(xiàn)潿洲島重現(xiàn)期波高明顯小于東方站和鶯歌海，這是由于在E-W向，臺(tái)風(fēng)穿過(guò)雷州半島時(shí)，會(huì)遭到削弱，而在S-N向，臺(tái)風(fēng)穿過(guò)海南島也會(huì)遭到削弱，且潿洲島周圍地形復(fù)雜，對(duì)風(fēng)的削弱也明顯，所以潿洲島的主波向SE向、S向、SW向都會(huì)受到影響，重現(xiàn)期波高明顯小于其它兩個(gè)測(cè)站。東方站與鶯歌海在主波向SW向的重現(xiàn)期波高接近，主要是兩個(gè)測(cè)站接近，在SW向風(fēng)力條件、地形條件類似。但是鶯歌海主波向SE向、S向的重現(xiàn)期波高明顯大與其他數(shù)值。這是由于經(jīng)過(guò)鶯歌海在N向和NS向的臺(tái)風(fēng)并未收到大的阻礙，臺(tái)風(fēng)作用強(qiáng)烈。

圖5 鶯歌海S向數(shù)值模擬結(jié)果的有效波高年極大值P-Ⅲ曲線擬合圖

表5 海洋測(cè)站有效波高(m)長(zhǎng)期分布實(shí)測(cè)值與模擬值的結(jié)果比較

圖6 E向百年一遇波高（m）

圖7 SE向百年一遇波高（m）

圖8 S向百年一遇波高（m）

圖9 SW向百年一遇波高（m）

圖10 W向百年一遇波高（m）

總體上，模擬結(jié)果的重現(xiàn)期波高與實(shí)測(cè)資料較為接近，也與理論分析較為吻合，符合良好。

4.3 東南沿海重現(xiàn)期的波高

在上述資料良好驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖。圖6—13表明：東南沿海的百年一遇波高都在12 m內(nèi)。廣東沿海E向、SE向波高較大，這是由于臺(tái)風(fēng)基本從東南往西北方向經(jīng)過(guò)廣東沿海。海南島E向、SE向、NE向的波高比較大，也是受臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)的影響。北部灣內(nèi)E向、NE向的波高較大，波高小于海南島東南側(cè)，這是由于海南島和雷州半島對(duì)臺(tái)風(fēng)的削弱作用。

4 結(jié)論

（1）臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)中心地帶具有較好的模擬效果，美國(guó)NCEP風(fēng)場(chǎng)在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心地具有較好的模擬效果，合成風(fēng)場(chǎng)結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，在臺(tái)風(fēng)中心和遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心地帶都有較好的模擬效果?；诤铣娠L(fēng)場(chǎng)的SWAN海浪模式能更好地反映出臺(tái)風(fēng)過(guò)程中北部灣的波要素變化情況；

圖12 N向百年一遇波高（m）

圖13 NW向百年一遇波高（m）

（2）根據(jù)多年數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料，分別采用P-Ⅲ曲線分方向進(jìn)行重現(xiàn)期統(tǒng)計(jì)，模擬結(jié)果的重現(xiàn)期波高與實(shí)測(cè)資料較為接近，符合良好。在此基礎(chǔ)上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖，可為近海工程環(huán)境評(píng)估和設(shè)計(jì)提供參考。

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Offshore wave parameter analysis of different return periods under the effect of combined wind field

SHEN Xu-wei，CHEN Guo-ping，YAN Shi-chang，XU Yao-fei，ZHOU Ya

（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering, Hohai University,Nanjing 210098 China）

Driven by typhoon model wind field,American NCEP(National Centers for Environmental Prediction) wind field and combined wind field,respectively,the wave simulation results based on the third-generation wave model SWAN(Simulating Waves Nearshore)are compared with field data.The results show that combined wind field is better than the other two wind fields,which has good simulation both in and away from the typhoon center.The combined wind field is chosen to drive the model,which stimulates 210 typhoons in southeast coast from 1982 to 2015.The numerical simulation results are used to plot P-Ⅲcurves,and they are in good agreement with field data.On this basis,once-in-100-year wave height distribution maps are plotted in different directions,which could provide a reference for offshore project environmental assessment and design.

the SWAN model;combined wind field;southeast coast;wave heights for different return periods

P731.22

A

1003-0239（2016）05-0041-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.05.005

2016-01-07

沈旭偉（1991-），男，碩士在讀，主要從事港口、海岸與近海工程研究。E-mail:740687374@qq.com