基于多年ERA-I資料的獐子島東南小海區(qū)風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)分析

陳曉斌 ,孫威 ,劉志宏

(1.92538部隊(duì) 大連 116041;2.陸軍工程大學(xué)教研保障中心 南京 210007)

0 引言

海浪是十分復(fù)雜的隨機(jī)現(xiàn)象,海面風(fēng)是近海海浪的主要動力,而實(shí)際影響海浪的因素還包括水深、地形、底摩擦、海氣相互作用、風(fēng)區(qū)長度和風(fēng)的作用時(shí)間等[1]。沿海漁民長期擁有風(fēng)推浪為主的經(jīng)驗(yàn)背景[2],這是對于風(fēng)浪關(guān)系的一般認(rèn)識,具有較廣泛的群眾基礎(chǔ)和應(yīng)用市場。但在實(shí)際出海作業(yè)中,波高與風(fēng)向和季節(jié)尤其是風(fēng)的作用時(shí)間的關(guān)系更加密切。國內(nèi)外學(xué)者已基于數(shù)值模式、氣象浮標(biāo)和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的再分析數(shù)據(jù)等對全球海域和我國近海的海浪和風(fēng)場特征乃至波浪能分布開展系列研究工作[3-14]。

與渤海相比,黃海北部海域的深度更深,周邊港口和天然海島眾多,海洋資源極為豐富。近年來,強(qiáng)冷空氣和北上臺風(fēng)等災(zāi)害系統(tǒng)對該海域的影響較多,安全生產(chǎn)和安全航行問題日益凸顯。目前對于黃、渤海的風(fēng)浪研究大多基于整體海域,而黃海北部海域分布著眾多海島,不同海島周邊海域的風(fēng)浪均具有自身特點(diǎn)。獐子島是其中面積較大的海島,也是我國東北地區(qū)著名的海參產(chǎn)地。獐子島東南小海區(qū)已設(shè)立氣象浮標(biāo)并已積累多年實(shí)測數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)獲取的成本較高。本研究利用2008—2017年的ERA-I資料替代浮標(biāo)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對獐子島東南小海區(qū)的風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)分析,以期對黃海北部海域的風(fēng)浪分布規(guī)律研究提供參考。

1 資料來源和研究方法

本研究采用2008—2017年ECWMF 的ERA-I再分析資料,時(shí)間分辨率為6 h,空間分辨率為0.125°×0.125°;該數(shù)據(jù)具有較高的可信度,已得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用[10]。獐子島東南小海區(qū)2號浮標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取難度較大且時(shí)間序列較短,采用單一浮標(biāo)數(shù)據(jù)表征該小海區(qū)的風(fēng)浪特征也不夠準(zhǔn)確;而選擇范圍太大也可能失去區(qū)域性特點(diǎn),即誤差較大。因此,在2號浮標(biāo)附近選取4個(gè)最近網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行算數(shù)平均。

實(shí)踐表明,風(fēng)力相同但風(fēng)向不同的風(fēng)產(chǎn)生浪的大小有較大差異,因此須將風(fēng)場分為風(fēng)向和風(fēng)力2個(gè)因子進(jìn)行分析。為判斷大風(fēng)和持續(xù)大風(fēng)對海浪的影響,將所有數(shù)據(jù)分為非大風(fēng)狀態(tài)和大風(fēng)狀態(tài)2種類型,而后者又可分為持續(xù)大風(fēng)狀態(tài)和非持續(xù)大風(fēng)狀態(tài)2種情況。

2 風(fēng)場和海浪的關(guān)系

2.1 傳統(tǒng)的風(fēng)浪關(guān)系

在出海作業(yè)時(shí),基于經(jīng)驗(yàn)根據(jù)風(fēng)力預(yù)測波高是簡單、快捷和直觀的估算方法。根據(jù)ERA-I資料計(jì)算不同風(fēng)力下的波高預(yù)測準(zhǔn)確率(表1)。

表1 根據(jù)風(fēng)力預(yù)測波高及其準(zhǔn)確率

由表1可以看出,隨著風(fēng)力等級的提高,波高預(yù)測準(zhǔn)確率在波動中降低。其中,4～5級風(fēng)和5級風(fēng)的準(zhǔn)確率較高,其他均低于50%,6～7級風(fēng)的準(zhǔn)確率最低;7～8級風(fēng)的準(zhǔn)確率高達(dá)48.72%,這是由于出現(xiàn)7～8 級風(fēng)的概率本身較低(研究期內(nèi)僅有78個(gè)時(shí)段),出現(xiàn)時(shí)多為冷空氣影響且作用時(shí)間較長,海浪能夠得以成長。同時(shí),當(dāng)超過6級風(fēng)時(shí),實(shí)際波高平均值比預(yù)測波高的最低值更低。

2.2 風(fēng)浪關(guān)系的最小二乘法擬合

研究區(qū)氣象預(yù)報(bào)的風(fēng)力最低為4～5級,受數(shù)據(jù)分辨率所限,沒有出現(xiàn)9級風(fēng)的情況。因此,將風(fēng)力分為4～8級5個(gè)等級,并計(jì)算各等級風(fēng)力對應(yīng)波高的平均值。

在統(tǒng)計(jì)分析中,利用擬合優(yōu)度來評價(jià)回歸值對觀測值的擬合程度。擬合優(yōu)度越高,表明回歸值對觀測值的擬合程度越好,反之則表明回歸值對觀測值的擬合程度越差[2]。計(jì)算公式為:

式中:R2為擬合優(yōu)度;ESS 為回歸平方和;RSS 為殘差平方和;TSS 為總離差平方和。

風(fēng)力等級(X)與平均波高(Y)之間的關(guān)系接近直線(圖1)。

圖1 風(fēng)力等級與平均波高的擬合關(guān)系

線性擬合效果為Y=0.625 0X-1.662 5,此時(shí)R2=0.979 0。如采用二次擬合,線性擬合效果為Y=-0.038 5X2+1.086 6X-2.970 3,此時(shí)R2=0.984 2。因此,二次擬合的效果更好。

2.3 持續(xù)大風(fēng)狀態(tài)下的海浪成長

漁船作業(yè)或海上特種作業(yè)往往關(guān)注不小于6級風(fēng)的情況,且海浪的充分成長須有較大風(fēng)力的配合(不小于6 級)。為探討持續(xù)大風(fēng)狀態(tài)下的波高分布,將6級風(fēng)分為持續(xù)6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h和48 h的8種情況,將7級風(fēng)分為持續(xù)6 h、12 h和18 h的3種情況,將6～7級風(fēng)分為持續(xù)6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h、48 h、54 h、60 h和66 h 的11 種情況。由于8 級風(fēng)的樣本很少,僅研究上述風(fēng)力下的波高變化情況。

(1)6級風(fēng)。6級風(fēng)最多持續(xù)2天(48 h),且持續(xù)時(shí)間越長海浪成長越充分;6級風(fēng)開始時(shí)大概率對應(yīng)波高接近2 m,持續(xù)6 h 后波高均可增至約2.3 m,中間的6 h 海浪成長最為充分,最后的6 h波高回落(基本超過2 m);當(dāng)持續(xù)48 h時(shí),波高最大接近3 m。

(2)7級風(fēng)。7級風(fēng)最多持續(xù)18 h,且持續(xù)時(shí)間越長海浪成長越充分;7級風(fēng)開始時(shí)波高均超過2.7 m(但均未超過3 m),持續(xù)6 h后波高可超過3 m,持續(xù)18 h后波高最大接近3.6 m;持續(xù)6 h和12 h時(shí)波高均沒有回落,表明7級風(fēng)下的海浪成長至少需要6 h,這與具體天氣過程的強(qiáng)度和對應(yīng)的風(fēng)向有關(guān)。

(3)6～7級風(fēng)。6～7級風(fēng)最多持續(xù)66 h,開始時(shí)波高均超過1.6 m,且海浪成長至少需要6 h;中間時(shí)段的波高不是一直增大而是有所起伏,表明這期間風(fēng)力發(fā)生變化或風(fēng)向發(fā)生變化或二者同時(shí)發(fā)生變化;最后的6 h波高回落(超過2 m),其中風(fēng)向也是重要因素。

2.4 風(fēng)力與波高的分布規(guī)律

各等級風(fēng)力對應(yīng)波高的出現(xiàn)頻次和占比如表2所示。

表2 各等級風(fēng)力對應(yīng)波高的出現(xiàn)頻次和占比

由表2可以看出:不大于6級風(fēng)時(shí),波高基本不超過1.2 m,占比超過80%;7級風(fēng)時(shí),波高不超過1.2 m 的占比為0,波高為2.5～4.0 m 的占比高達(dá)88%;8 級風(fēng)出現(xiàn)的概率較小,對應(yīng)波高分布在2.5～4.0 m,且大多超過3.2 m。

2.5 風(fēng)向的分布規(guī)律

經(jīng)對比分析4個(gè)最近網(wǎng)格點(diǎn)的風(fēng)力和風(fēng)向,同時(shí)段的風(fēng)力存在細(xì)微差別。如果風(fēng)向相差不大于45°視為風(fēng)向相同,則占比達(dá)99.5%;如果風(fēng)向相差不大于30°視為風(fēng)向相同,則占比達(dá)98.8%。因此,簡化處理方案即認(rèn)為4個(gè)點(diǎn)的風(fēng)向相同。

3～5級風(fēng)時(shí),風(fēng)向的分布規(guī)律較為一致,各風(fēng)向的占比較為平均,較大區(qū)間僅分布在NW-N 向和S-SW 向,占比約為20%。6～8級風(fēng)時(shí)的情況變化較大:6～7 級風(fēng)時(shí),較大區(qū)間為N 向和NW向,前者占比為40%～50%,后者占比為30%;8級風(fēng)由于樣本較少,最大區(qū)間為NNE 向、WNW 向和NNW 向,占比均為33%。在所有風(fēng)力等級下,偏E向和SE向的風(fēng)向分布較少,可能表明該風(fēng)向引起的波高較小。

2.6 風(fēng)向與波高的分布規(guī)律

為探討風(fēng)力相同但風(fēng)向不同的風(fēng)產(chǎn)生浪的情況,將16個(gè)風(fēng)向分為北風(fēng)、東風(fēng)、南風(fēng)和西風(fēng)4組,分別統(tǒng)計(jì)各組的風(fēng)向出現(xiàn)頻次和平均波高(表3)。

表3 風(fēng)向出現(xiàn)頻次和平均波高

由表3可以看出:出現(xiàn)頻次由高到低依次為北風(fēng)、南風(fēng)、西風(fēng)、東風(fēng)(由于渤海海峽易受春季西風(fēng)的影響,西風(fēng)也會影響到獐子島東南小海區(qū));7級風(fēng)在北風(fēng)下的出現(xiàn)頻次最高,8級風(fēng)的出現(xiàn)頻次極低(但很可能陣風(fēng)很大);不大于6級風(fēng)時(shí)北風(fēng)的對應(yīng)波高比其他風(fēng)向大0.5 m 左右,西風(fēng)時(shí)7～8級風(fēng)的對應(yīng)波高最大。

由于7～8級風(fēng)的樣本太少且可能受臺風(fēng)或其他天氣系統(tǒng)的影響,波高僅供參考,須進(jìn)一步研究確認(rèn)。因此,對于7～8 級風(fēng)的樣本,僅北風(fēng)下的7級風(fēng)數(shù)據(jù)的可信度最高。

3 結(jié)語

近年來,強(qiáng)冷空氣和北上臺風(fēng)等災(zāi)害系統(tǒng)對黃海北部海域的影響較大,安全生產(chǎn)和安全航行問題日益凸顯。目前對于該海域的風(fēng)浪研究大多基于整體海域,而該海域分布著眾多海島,不同海島周邊海域的風(fēng)浪均有其自身特點(diǎn)。為對黃海北部海域的風(fēng)浪分布規(guī)律研究提供參考,本研究利用2008—2017年的ERA-I資料替代浮標(biāo)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對獐子島東南小海區(qū)的風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)分析。但目前統(tǒng)計(jì)區(qū)域較小且時(shí)間分辨率較低(6 h),8級風(fēng)的出現(xiàn)頻次極低,不能有效反映8級以上大風(fēng)天氣過程,在未來的研究中將采用更高分辨率的再分析資料加以完善。