東中國海大浪頻率和極值波高統計分析

劉成，鄭崇偉，李榮波，賈云龍

（1.91550部隊，遼寧大連 116023；2.92538部隊氣象臺，遼寧大連 116041）

1 引言

惡劣海況對航、海洋工程等有著重要影響，大風大浪能致使艦船失速、轉向、上浪和搖蕩，導致航行與操縱困難，嚴重時甚至造成災害。深入研究我國近海的大浪頻率具有重要的實用價值。鄧兆青等[1]利用RAMS模式輸出的20年風場驅動SWAN（Simulating WAves Nearshore）模式，對渤海近20年的海浪場進行了模擬研究，研究發現渤海極值波高的大值區位于渤海東南部海域（38°—39°N，119.5°—120.5°E），百年一遇極值波高能達到6.7 m。鄭崇偉等[2]曾利用QN（QuikSCAT/NCEP）風場驅動WW3（WAVEWATCH-III）模式，對南海近10年的海浪場進行數值模擬，發現南海海浪場受季風影響顯著，極值波高的大值區分布于南海北部海域。鄭崇偉等[3-6]還曾利用WW3模式對南海的海浪場進行模擬，并統計了南海的浪級頻率，研究發現1月份南海5級以上的浪出現頻率較高，4月、7月、10月，大浪基本都只在南海北部、中部出現。本文以QN混合風場驅動目前國際先進的第三代海浪數值模式SWAN，對東中國海的浪級頻率和極值波高進行模擬研究，為防災減災、航海、海洋工程等提供科學依據。

2 風場資料

本文以QN混合風場驅動SWAN模式，所謂QN混合風場，就是對美國國家環境預報中心（NCEP）分析數據和衛星散射計（QuikSCAT）觀測數據進行時空混合分析的結果，其空間分辨率為0.5°×0.5°，空間范圍覆蓋全球，時間范圍從1999年8月—2009年7月，每6 h一次數據，該風場具有很高時空分辨率和精度，被廣泛用作海浪模式的驅動場[7-8]。

3 模擬方法、資料驗證

3.1 模式簡介

SWAN模式是由荷蘭Delft理工大學在WAM模式的基礎上發展起來的。通常用于近岸、湖泊以及江河口區，對譜型不做事先假定[9]。

在笛卡爾坐標系下，其控制方程通常采用如下形式：

式（1）中，θ為波向，cx、cy分別為 x方向和y方向上的傳播速度，cθ為波向空間的群速度，cσ為頻率空間的群速度，S為源函數，它包括風能輸入的線性增長和指數增長、白冠破碎引起的能量耗散、底摩擦耗散、波浪深度誘導破碎、三階波-波相互作用和四階波-波相互作用。近岸海浪由于海底地形復雜多變，因此一般需要考慮三波和四波之間的相互作用。從理論上講，SWAN模式更適合于淺水區域。

3.2 模擬方法

以QN風場驅動SWAN模式，對近10年東中國海的海浪場進行數值模擬。選取計算范圍為25°—41°N，117°—130°E，為了消除邊界效應帶來的影響，根據海浪具有“失憶”的特點，將計算范圍在中國海的基礎上稍微擴大，再從中截取所需要的東中國海范圍。模式分辨率取0.15°×0.15°，計算時間從1999年08月01日00:00時—2009年07月31日18:00時，積分步長取300 s，每1h輸出一次結果。

3.3 資料驗證

本文將模擬結果與T/P高度計觀測的有效波高（SWH——Significant Wave Height）進行比較，發現模擬的SWH具有很高的精度，這種方法也被前人廣泛運用，證明是可行的[10-11]，本文通過驗證發現模擬的海浪數據與觀測資料較為接近，在此不再贅述具體驗證過程。

4 大浪頻率

利用模擬的近10年逐3h的SWH數據，對東中國海2、5、8、11月及全年的波浪等級頻率進行了統計，主要列出了2.5 m以上大浪出現的頻率，見圖1、圖2。波浪等級為國家海洋局公布的劃分標準（見表1）。

2月（見圖1a）：由低緯向高緯，大浪頻率逐漸遞減，長江口以北的等值線大致呈南北向分布，長江口以南的低緯度海域的等值線大致呈東北-西南向帶狀分布。渤海、黃海北部，以及我國近岸的大浪頻率基本在3%以內，黃海中南部的大浪頻率在3%—12%，到了東海，大浪頻率迅速增加，并在琉球群島附近海域達到最大，基本在21%以上，高值中心可達24%以上。

表1 波浪等級表

5月（見圖1b）：各個海域的大浪頻率在4個代表月中最低，基本在2.4%以內，這應該是由于該月冷空氣已經明顯變少，且強度很小，而偏南向的季風尚未盛行，導致該月的風速整體偏小。渤海和黃海大范圍海域的大浪頻率在0.3%以內，琉球群島附近海域為相對高值中心。

8月（見圖1c）：大浪頻率較5月明顯增加，但低于2月和11月，黃渤海的大浪頻率較低，基本在2%以內，在東海，大浪頻率的等值線大致呈圓形分布，高值中心分布于琉球群島附近海域，中心可達14%以上。

11月（見圖1d）：該月的大浪頻率為4個代表月中最大，渤海、黃海北部，以及我國近海的大浪頻率基本在5%以內，黃海中南部海域的大浪頻率在5%—10%；等值線在東海大致呈東北-西南走向，大值區仍分布于琉球群島附近海域，在20%以上，高值中心分布于臺灣島以東和東北部近海，可達35%以上。

從全年的大浪頻率來看：高緯的大浪頻率小于低緯，近岸的大浪頻率小于離岸，西部海域的大浪頻率小于東部海域。渤海、黃海北部、我國近海的全年大浪頻率基本在2%以內，黃海中南部的全南大浪頻率在2%—6%；東海的全年大浪頻率在6%—20%，等值線呈東北-西南走向，大值區分布于琉球群島附近海域，高值中心分布于臺灣島以東及東北部近海，達到16%以上。

5 最大波高、極值波高

圖1 東中國海2、5、8、11月的大浪頻率（單位/%）

在海洋開發、航海等活動中對極值風速、極值波高都較為關注，鄭崇偉等[12]曾利用CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）風場，采用Gumbel曲線法，推算了中國海的極值波高，發現五十年一遇和百年一遇極值風速的大值中心主要分布于琉球群島附近海域、臺灣以東洋面、南海北部海域；張德天等[13]曾利用QN混合風場資料，推算了中國海的極值波高，發現極值風速的大值中心都主要集中在臺灣以東洋面、琉球群島附近海域、海南島以東和東沙群島附近海域。

本文利用模擬的逐3h的SWH統計了近10年東中國海的最大波高分布特征，見圖3；此外還參考鄭崇偉、張德天等的計算方法，推算了東中國海30年一遇、50年一遇的極值波高，見圖4。

5.1 最大波高

近10年期間，東中國海的最大波高整體表現出南大北小、離岸大近岸小的分布特征。沿岸的最大波高基本在3 m以內，渤海的最大波高在5 m以內，黃海北部的最大波高在6 m以內，在南黃海的西部近岸存在一相對大值區，最大波高在5—7 m，到了東海，最大波高明顯增大，基本在5 m以上，琉球群島附近海域基本在7 m以上，高值中心可達11 m，詳見圖3。琉球群島附近海域的大浪應該是由于臺風和冷空氣的影響所致，該海域在夏季經常遭受臺風襲擊，冬季冷空氣在海域相對開闊的海域，海浪也更容易充分成長，形成大浪。

圖2 東中國海全年的大浪頻率（單位/%）

圖3 近10年中國海的最大波高分布特征（單位/m）

5.2 極值波高

采用Gumbel曲線法[14-18]計算了東中國海的30年一遇、50年一遇極值波高，具體計算方法如下：

式（2）中，xp為所求多年一遇的極值，xˉ為均值，φ為離均系數，表2中P′為設計頻率。

表2 耿貝爾曲線的離均系數

30年一遇極值波高（見圖4a）：渤海的極值波高在5 m左右，等值線大致呈東北-西南走向；黃海的極值波高在4—8 m，等值線呈南北向帶狀分布，近岸小，離岸大；東海的極值波高明顯大于黃渤海，該海域基本在9 m以上，大值區分布于琉球群島附近海域，基本在11 m以上，高值中心可達13—15 m。

50年一遇極值波高（見圖4b）：渤海中部的極值波高在5—7 m左右，近岸在3—5 m，等值線大致呈東北-西南走向；黃海北部的極值波高在5—7 m，等值線呈東西向帶狀分布，黃海中南部海域的極值波高在5—9 m，等值線呈南北向帶狀分布，近岸小，離岸大；東海的50年一遇極值波高等值線大致呈東北-西南向分布，基本在11m以上，大值區分布于琉球群島附近海域，基本在13 m以上，高值中心可達15—17 m。

6 結論

（1）東中國海的大浪頻率具有較為明顯的季節特征和區域性差異：11月出現頻率最高，基本在35%以內，2月稍次之，基本在34%以內，5月出現頻率最低，在2%以內。高緯的大浪頻率小于低緯，近岸的大浪頻率小于離岸，西部海域的大浪頻率小于東部海域；

圖4 中國海30年一遇、50年一遇極值波高（單位/m）

（2）近10年期間，沿岸的最大波高基本在3 m以內，渤海的最大波高在5 m以內，黃海北部的最大波高在6 m以內，在南黃海的西部近岸存在一相對大值區，最大波高在5—7 m，到了東海，最大波高明顯增大，基本在5 m以上，琉球群島附近海域基本在7 m以上，高值中心可達11 m；

（3）渤海的30年一遇極值波高在5 m左右，等值線大致呈東北-西南走向；黃海的極值波高在4—8 m，等值線呈南北向帶狀分布；東海的極值波高明顯大于黃渤海，該海域基本在9 m以上，大值區分布于琉球群島附近海域，基本在11 m以上，高值中心可達13—15 m。50年一遇極值波高的分布特征與30年一遇極值波高的分布特征較為相似，在數值上偏大。

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