合成風場作用下的近海重現期波要素分析

沈旭偉，陳國平，嚴士常，徐耀飛,周 雅

（河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098）

合成風場作用下的近海重現期波要素分析

沈旭偉，陳國平，嚴士常，徐耀飛,周 雅

（河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098）

運用第三代海浪模式SWAN，分別將臺風模型風場、美國NCEP風場、合成風場作為其驅動風場，與實測值比較發現：合成風場優于另外兩種風場，在臺風中心和遠離臺風中心地帶模擬效果都較好。故選用合成風場作為驅動風場，對1982—2015年間影響東南沿海的210個臺風過程進行數值模擬推算，進行P-Ⅲ曲線擬合分析，與測站實測資料符合良好。在此基礎上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖，可為近海工程環境評估和設計提供參考。

SWAN模型；合成風場；東南沿海；重現期波高

1 引言

中國東南沿海受臺風影響嚴重。一方面，臺風引起的巨浪會對沿岸的人民產生巨大的影響，造成重大的海難事故和海洋工程的破壞。另一方面，中國南部沿海每一項海岸或海洋工程研究，也均需要了解所在海域的波浪狀況。在人類對海洋的開發利用進入空前迅猛發展的時代背景下，了解東南沿海海域在臺風期間的波浪環境，對重點海域的臺風浪進行正確預報，對于東南沿海地區人們的生命財產安全和工程的興建具有重要意義。

風場模型千差萬別，主要分為3類：第一類是理論氣壓模型，計算簡單但不能較好反映海面真實氣壓分布[1]；第二類是經驗模型[2]，較為靈活但受時空限制，較難確定經驗參數；第三類是半經驗半理論公式，發展還不夠成熟。目前海浪的長期分布仍不清楚，對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，推算結果越可靠。因此，選擇一個適合東南沿海的臺風風場模型，進行長時間序列的數值模擬，將獲得更準確的預報結果。本文分別將臺風模型風場、美國NCEP風場、合成風場作為其驅動風場，與測站實測波高進行比較，選取合適的風場對1982—2015年間共計34 a影響東南沿海的210個臺風過程進行數值模擬，P-Ⅲ曲線[3-4]推算東南沿海的重現期的特征波要素，與觀測資料對比，分析結果。在此基礎上，建立東南沿海重現期的波高等值線波高圖，可為近海工程的環境評估和設計提供參考。

2 海浪模式

2.1 海浪模式簡介

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

2.2 參數設置

模式運行所選用的地形資料來自于美國國家海洋大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）公布的ETOPO1全球地形數據集，分辨率為1′×1′。模式的計算范圍為105°—120°E、12°—25°N，空間分辨率為2′×1′，網格點數451×781；時間步長為10 min；頻率的計算從0.04—1 Hz，以指數分布劃分為34個；方向的分段為32個，分辨率為11.25°。輸出區域與計算區域范圍相同，按1 h的時間間隔輸出模擬數值。

3 資料與方法

3.1 風場簡介

3.1.1 臺風模型風場

臺風的模型風場表達式如下：

式中：Vg是梯度風速，采用Myers圓對稱模型公式[9]；Vt是移行風速，采用宮崎正衛公式[10]；c1和c2為訂正系數，根據大量資料，c1取0.8，c2取0.5；θ是計算點與臺風中心的連線與x軸的夾角；β是梯度風與海面風的夾角。

圖1 臺風路徑及測站位置示意圖

3.1.2 美國NCEP風場

該項數據數據由NOAA美國環境預報中心（NationalCentersforEnvironmentalPrediction，NCEP)研制，由NOAA氣候資料中心（National Climatic Data Center，NCDC）負責維護。資料屬全球大氣、海洋、陸面再分析數據，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為3 h，時間起自1979年。

3.1.3 合成風場

合成方法如下：

式中：VM為臺風風場，VQ為NCEP風場，e為權重系數，根據Carr III[11]的研究成果，權重系數的表達形式為e=c4(1+c4)，c是考慮臺風影響范圍的系數，c=r nR1。r是計算點至臺風中心的距離；R1是根據經驗公式推得的最大風速半徑[12]。n為風速半徑影響系數，本文n取5[13]。

3.2 資料簡介

氣壓模型風場數據是由日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）發布臺風最佳路徑資料獲取（http://www.jma.go.jp/jma/index.html），臺風過程的波要素資料由廣東沿海的平海灣站、惠來溝疏站提供，重現期波要素由北部灣內的潿洲島站、東方站、鶯歌海站提供。

圖2 0601號臺風“珍珠”在不同風場模型下的波高過程圖

3.3 模型驗證

分別選取廣東平海灣站（114.73°E、22.57°N）的0601號臺風“珍珠”、廣東外海的惠來溝疏站（116.40°E、22.80°N）的0814號臺風“黑格比”、0903號臺風“蓮花”，位置如圖1所示。將不同風場的模擬值與測站實測資料進行對比。圖2—4表明，當臺風中心靠近測站時，即波高最大處，臺風風場模型和合成風場模型對波高的模擬效果較好，NCEP風場的模擬值偏小較多。在臺風中心遠離測站時，即遠離最大波高的兩側，NCEP風場模型和合成風場模型對波高的模擬效果較好，而臺風風場的模擬值偏小較多。

本文引入相關系數平均偏差、相關系數、均反復跟誤差、標準均方根誤差這4個統計指標用以驗證模型的準確性和合理性[14-15]。表1—4表明，合成風場的偏差平均值為-0.14 m，相關系數平均值為0.933；NCEP風場的偏差平均值為-0.31m，相關系數平均值為0.904；臺風風場偏差平均值為-0.26 m，相關系數平均值為0.854。整體而言，合成風場的模擬值與實測值相關系數最高，偏差也最小，均方根誤差和標準均方根誤差也最小。

圖3 0814號臺風“黑格比”在不同風場模型下的波高過程圖

圖4 0903號臺風“蓮花”在不同風場模型下的波高過程圖

總體上，合成風場的數值模擬結果與測站的實測資料符合更好，基于合成風場的SWAN海浪模式能較好反映出臺風過程中北部灣的波要素變化情況。故本文采用美國NCEP風場為背景風場，將臺風模型風場與它合成的的風場作為驅動風場。

表1 不同風場下模擬值與實測值的平均偏差/m

表2 不同風場下模擬值與實測值的相關系數

表3 不同風場下模擬值與實測值的均方根誤差/m

表4 不同風場下模擬值與實測值的標準均方根誤差

4 近海重現期波浪要素分析

4.1 P-Ш曲線簡介

P-III型分布的二參數概率密度函數形式：

在進行P-III曲線求解時，可以通過公式算出樣本的變差系數和偏態系數，進行適量調整，就可以確定P-Ш曲線。

4.2 資料驗證與分析

在搜集了JMA發布的臺風最佳路徑資料，對1982—2015年北部灣附近的熱帶氣旋進行統計分析，共選取210場臺風進行風場推算，臺風走向以E-W向居多，得到每場臺風在計算區域內的波浪場。《海港水文規范》[16]作了規定，當選取年極值作為數據樣本時，一般采用至少連續20 a的實測資料。本文選取1982—2015年共計34 a的數值模擬結果以及1960—1982年共計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個測站實測資料，位置如圖1所示。采用P-Ⅲ曲線擬合，分方向進行重現期統計分析（見圖5）。重現期波浪驗證采用主波向驗證。重現期統計結果見表5。

個別模擬結果的重現期波高與實測資料差距略大，大部分模擬結果與實測資料差距較小，能夠較好反映出重現期波高特征。從數據上，可以發現潿洲島重現期波高明顯小于東方站和鶯歌海，這是由于在E-W向，臺風穿過雷州半島時，會遭到削弱，而在S-N向，臺風穿過海南島也會遭到削弱，且潿洲島周圍地形復雜，對風的削弱也明顯，所以潿洲島的主波向SE向、S向、SW向都會受到影響，重現期波高明顯小于其它兩個測站。東方站與鶯歌海在主波向SW向的重現期波高接近，主要是兩個測站接近，在SW向風力條件、地形條件類似。但是鶯歌海主波向SE向、S向的重現期波高明顯大與其他數值。這是由于經過鶯歌海在N向和NS向的臺風并未收到大的阻礙，臺風作用強烈。

圖5 鶯歌海S向數值模擬結果的有效波高年極大值P-Ⅲ曲線擬合圖

表5 海洋測站有效波高(m)長期分布實測值與模擬值的結果比較

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，模擬結果的重現期波高與實測資料較為接近，也與理論分析較為吻合，符合良好。

4.3 東南沿海重現期的波高

在上述資料良好驗證的基礎上，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。廣東沿海E向、SE向波高較大，這是由于臺風基本從東南往西北方向經過廣東沿海。海南島E向、SE向、NE向的波高比較大，也是受臺風經過的影響。北部灣內E向、NE向的波高較大，波高小于海南島東南側，這是由于海南島和雷州半島對臺風的削弱作用。

4 結論

（1）臺風模型風場在臺風中心地帶具有較好的模擬效果，美國NCEP風場在遠離臺風中心地具有較好的模擬效果，合成風場結合了兩者的優勢，在臺風中心和遠離臺風中心地帶都有較好的模擬效果。基于合成風場的SWAN海浪模式能更好地反映出臺風過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）根據多年數值模擬結果與實測資料，分別采用P-Ⅲ曲線分方向進行重現期統計，模擬結果的重現期波高與實測資料較為接近，符合良好。在此基礎上，分方向繪制出東南沿海的百年一遇的波高分布圖，可為近海工程環境評估和設計提供參考。

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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