基于WAVEWATCH-III模式的一次冷空氣過程海浪場模擬研究

姚琪，鄭崇偉，蘇勤，王健，梁新友，李云波

(1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.92538部隊 大連116041；3.海洋出版社，北京100081)

1 引言

前人對中國海海浪的研究做了很大貢獻，劉金芳等[1]利用1950—1995年的船舶報資料，對西北太平洋的海表風(fēng)場、海浪場特征進行分析，研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域受季風(fēng)影響顯著，季風(fēng)盛行期的風(fēng)向、浪向（分為風(fēng)浪和涌浪）較為一致，該區(qū)域赤道附近海域的浪向常年為東北向，冬季季風(fēng)期間的SWH 為全年最大，過渡季節(jié)次之，夏季最小。王靜等[2]利用T/P 高度計反演的約59 個月（1992年10月23日—1997年8月12日）的SWH和海表風(fēng)速，采用EOF方法對南海的海表風(fēng)、浪場的研究，初步判定風(fēng)場的第一典型場可能是季風(fēng)強盛期的風(fēng)場特征，第二典型場則體現(xiàn)出季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的風(fēng)場特征，SWH的前兩個模態(tài)與風(fēng)場前兩模態(tài)基本相似，得出南海的風(fēng)、浪之間有很好的相關(guān)性。齊義泉等[3]利用1987—1988兩年的Geosat高度計遙感資料，對南海的海表風(fēng)場、浪場的月平均、季平均特征進行過分析，研究發(fā)現(xiàn)南海的月平均海表風(fēng)速和SWH在東北季風(fēng)期較大，季風(fēng)過渡季節(jié)較小，且在12月達到最大，5月最小；在西南季風(fēng)期間，海表風(fēng)速和SWH均呈現(xiàn)出南大北小的特點，其余季節(jié)則表現(xiàn)出由南向北增強的分布特征，在10°N，110°E附近海域為常年的風(fēng)速和波高大值區(qū)。尤其是近年來數(shù)值模式的不斷發(fā)展，海浪的模擬研究取得了長足進步[4]，以往對中國海海浪場的數(shù)值模擬多見于針對臺風(fēng)浪的模擬研究，而冷空氣比臺風(fēng)更為頻繁，其強度也經(jīng)常帶來狂風(fēng)巨浪，危害性并不亞于臺風(fēng)浪。2011年12月18日強冷空氣造成的俄羅斯鄂霍次克海海上石油平臺沉沒，造成了巨大的人員和經(jīng)濟損失，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(fēng)而傾覆，全船304 人僅22 人生還，直接經(jīng)濟損失9000余萬元，是建國以來最大的一次海難事故。大風(fēng)大浪雖然具有很強的破壞力，但如果能夠把握其內(nèi)在規(guī)律，利用其能量大等優(yōu)點，開展海浪發(fā)電、海水淡化、供熱、抽水、制氫等波浪能資源開發(fā)工作，將能造福人類[5-6]。本文基于目前國際較為先進的第三代海浪數(shù)值模式WW3（WAVEWATCH-III），以CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）風(fēng)場為驅(qū)動場，對2009年1月12日前后發(fā)生在中國海的冷空氣所致的海浪場進行模擬研究，為研究中國海海浪特征提供參考，為防災(zāi)減災(zāi)、海洋水文保障、波浪能資源開發(fā)利用等提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料簡介

2.1 風(fēng)場資料

常用作海浪模式驅(qū)動場的有ERA-40海表10 m風(fēng)場、NCEP 風(fēng)場、QN（QuikSCAT/NCEP）混合風(fēng)場[7]，ERA-40海表10 m風(fēng)場和NCEP風(fēng)場的空間分辨率較低，QN混合風(fēng)場的空間分辨率略有增加，這三種風(fēng)場在國內(nèi)運用最為廣泛[8-12]。本研究則是利用空間分辨率高于前三種風(fēng)場的CCMP 風(fēng)場作為WW3 模式的驅(qū)動場。CCMP 風(fēng)場資料來自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它結(jié)合了ADEOS-II(Advanced Earth Observing Satellite,2ndGeneration) 、AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)、QuikSCAT、SSM/I(Special Sensor Microwave Imager)、TRMM TMI(Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager)幾種資料，利用變分方法得到，其空間分辨率為0.25°×0.25°，空間范圍為：78.375°S—78.375°N，0.125°—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(fēng)場具有很高的精度[13-19]。

2.2 海浪觀測資料

目前全球的海浪觀測資料都較為稀缺，這種困境在我國尤為突出。我國主要在東海和南海各有一個大型浮標(biāo)站，但數(shù)據(jù)并不開放；衛(wèi)星資料反演的有效波高（SWH——Significant Wave Height）在中國海范圍的時間分辨率和空間分辨率都比較低；其余的人工觀測數(shù)據(jù)、船舶報數(shù)據(jù)等在時空分辨率方面都同樣具有很大缺陷，且數(shù)據(jù)并不開放，很難獲取。本文利用來自朝鮮某站點的海浪觀測數(shù)據(jù)，用于與WW3 模式的模擬結(jié)果進行比較，還利用衛(wèi)星高度計反演的有效波高，對WW3 模式在中國海范圍的模擬能力進行檢驗。

3 模擬方法

以CCMP 風(fēng)場驅(qū)動WW3 模式，對2009年1月12日前后發(fā)生在中國海的冷空氣所致的海浪場進行模擬研究，為了消除邊界效應(yīng)，本文將模擬范圍在中國海范圍基礎(chǔ)上適當(dāng)取大，然后再從模擬結(jié)果中截取中國海范圍。選取模式計算范圍：4.875°S—42.125°N，94.125°—136.125°E，海浪譜網(wǎng)格為24×25，波向共24 個，分辨率為15°，頻率分為24 個頻段，從0.0418—0.4056 Hz，各 頻 段 關(guān) 系 為fn+1=1.1 fn。空間分辨率取0.125° × 0.125°，計算時間步長取為600 s，每3 h輸出一次結(jié)果，計算時間為2009年01月09日00:00 時—2009年01月16日23:00時。

4 模擬結(jié)果驗證

將朝鮮某觀測站點的觀測SWH 與模擬SWH進行比較，本文還將模擬的SWH插值到T/P（Topex/Poseidon）高度計衛(wèi)星軌道上，分析WW3 模式對中國海范圍SWH 的模擬效果，從點和面兩方面對WW3的模擬效果進行檢驗。為了直觀地分析模擬的SWH 的精度，本文計算了相關(guān)系數(shù)（CC）、偏差（Bias）、均方根誤差（RMSE）以及平均絕對誤差（MAE）。RMSE 定義為模擬值與觀測值之差的均方根，Bias定義為模擬數(shù)據(jù)的平均值和觀測數(shù)據(jù)的平均值之差。

式（1）至式（4）中，xi代表觀測數(shù)據(jù)，yi代表模擬數(shù)據(jù)，和分別為觀測數(shù)據(jù)的均值和模擬數(shù)據(jù)的均值，N 為樣本總量。

圖1 Jason-1在中國海的軌道分布[13]

圖2 2009年1月10—15日期間Jason-1衛(wèi)星資料反演的SWH與模擬結(jié)果的散布圖

圖3 WW3模式模擬的SWH與朝鮮某海洋觀測站的觀測SWH，SWH（單位/m）

由圖2 可見，模擬的SWH 與T/P 高度計反演的SWH 整體上具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.86，通過了99%（a0.01=0.25）的信度檢驗，均方根誤差為0.41 m，平均絕對誤差為0.32 m，統(tǒng)計上存在0.05 m 的正偏差，說明模擬的SWH 系統(tǒng)上稍大于T/P 高度計反演的SWH，精度接近高度計的觀測精度[13]。

由圖3 可見，模擬的SWH 與浮標(biāo)觀測SWH 在波高變化的走勢上具有很好的一致性，模擬的SWH和觀測值相比略有滯后的現(xiàn)象，且觀測數(shù)據(jù)跳躍較為明顯，而模擬數(shù)據(jù)的走勢則更為平緩，這種現(xiàn)象應(yīng)該是由于驅(qū)動場的時間分辨率較低所致，在將來的工作中，可借助時間分辨率更高的風(fēng)場進行研究。模擬SWH 與浮標(biāo)觀測SWH 的相關(guān)系數(shù)為0.76，通過了99%（a0.01=0.37）的信度檢驗，均方根誤差為0.39 m，平均絕對誤差為0.38 m，統(tǒng)計上存在0.02 m 的正偏差。綜上，模擬的海浪數(shù)據(jù)是有效的。

5 冷空氣所致海表風(fēng)場、海浪場分析

整個冷空氣過程中，第一島鏈以內(nèi)的海域的海浪場（含波高、波向）與風(fēng)場（含風(fēng)速、風(fēng)向）具有較好的一致性，冷空氣初期，黃渤海海域受冷高前部影響，以北-西北風(fēng)為主，隨著冷空氣的東移南下，黃渤海海域逐漸轉(zhuǎn)受冷高頂后部影響，以西-西南風(fēng)為主，整個冷空氣過程中，東海均以偏北風(fēng)為主導(dǎo)，南海則以東北風(fēng)為主導(dǎo)，整個過程中，中國近海波高大值區(qū)的分布特征與風(fēng)速大值區(qū)的分布特征基本一致，波向與風(fēng)向也基本一致，這應(yīng)該是由于此次冷空氣過程所造成的海浪是以風(fēng)浪為主導(dǎo)（研究表明以風(fēng)浪為主導(dǎo)的海域，海浪場與風(fēng)場具有較好的對應(yīng)關(guān)系[5]）。值得注意的是：第一島鏈以外的大洋中，海浪場與海表風(fēng)場的對應(yīng)關(guān)系明顯不如第一島鏈以內(nèi)，最為顯著的是菲律賓以東的洋面，12—15日，該海域的風(fēng)場均呈逆時針旋轉(zhuǎn)，應(yīng)該是存在一較弱的低壓系統(tǒng)，而這個系統(tǒng)在相應(yīng)時刻的海浪場均沒有得到體現(xiàn)，詳見圖4a、4h。這應(yīng)該是由于該海域的涌浪所占成分較大所致，與鄭崇偉的研究一致[20]，即近海的涌浪指標(biāo)小于大洋，也就是說近海的混合浪中涌浪所占的成分小于大洋中涌浪所占的成分。

圖4 2009年1月海表風(fēng)場（a-d）和2009年1月海浪場(e-h）

6 結(jié)論

（1）以CCMP風(fēng)場驅(qū)動WW3海浪模式，可以整體上較好的刻畫出此次中國海范圍由冷空氣造成的海浪場。無論點還是面，模擬SWH 與觀測SWH的相關(guān)系數(shù)都在0.7 以上，均能通過99%的信度檢驗，模擬的SWH精度接近高度計的觀測精度，系統(tǒng)上稍大于T/P高度計反演的SWH。模擬的SWH和觀測值相比略有滯后的現(xiàn)象，且觀測數(shù)據(jù)跳躍較為明顯，而模擬數(shù)據(jù)的走勢則更為平緩；

（2）此次冷空氣過程中，第一島鏈以內(nèi)的海域的海浪場（含波高、波向）與風(fēng)場（含風(fēng)速、風(fēng)向）具有較好的一致性，第一島鏈以外的大洋中，海浪場與海表風(fēng)場的對應(yīng)關(guān)系明顯不如第一島鏈以內(nèi)，以菲律賓以東的洋面最為顯著的。這只是一次實驗，有待于在以后的工作中，開展更多實驗，分別檢驗高風(fēng)速下、中低風(fēng)速下，CCMP風(fēng)場驅(qū)動的WW3模式對中國海海浪場的模擬能力，以及冷空氣過程中涌浪所占成分的定量研究，從而對中國海的海浪特征、波候特征進行更深入的研究。

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