福建省海浪災害危險性評估

劉艷貴，徐瑞，侯放，邢闖，李本霞，張曉輝，傅望安，王海明，劉鑫，尹鐵男

（1.華能（浙江）能源開發有限公司，浙江杭州 310006；2.國家海洋環境預報中心，北京 100081；3.國家海洋環境預報中心自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京 100081；4.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

福建省管轄海域位于東海南部和臺灣海峽地區，易受到臺風和冷空氣引起的災害性海浪影響。根據福建省海洋與漁業局公布的《福建省海洋災害公報》顯示，2011—2020年福建省由海浪災害造成的直接經濟損失達6 844 萬元，死亡（含失蹤）105 人。因此科學、全面地開展福建省海域的海浪災害危險性評估工作，對提升福建省海洋災害防治能力、保障福建省海洋經濟可持續發展具有重要的現實意義。

我國海浪災害危險性評估工作始于21世紀初。2003年9月，國務院批準設立“我國近海海洋綜合調查與評價專項”，該專項的實施積累了一大批海洋基礎資料和海洋災害專項資料，但尚未系統地研究和建立海洋災害風險評估體系。2011 年7 月，國務院要求原國家海洋局開展全國海洋災害風險區劃工作，國家海洋環境預報中心編制完成了《海洋災害風險評估和區劃技術導則第2 部分：海浪》，初步形成了比較全面、系統的海浪災害危險性評估方法，即利用成熟的海浪數值模型構建不少于30 年的海浪再分析數據集，并以此數據集為基礎開展典型重現期和頻率的浪高分析，并計算海浪危險性指數。

1 海浪再分析數據集構建

1.1 海浪模式設置

本文以三代譜模式WAVEWATCH Ⅲ為基礎構建海浪再分析數據集。該模式由美國國家環境預報 中 心（National Centers for Environmental Prediction）開發，2003 年3 月正式成為全球業務化預報模式[1]，英國國家氣象局（Met Office）也基于WAVEWATCH Ⅲ搭建了業務化的全球-區域海浪預報系統以及業務化海浪集合預報系統[2-3]。WAVEWATCH Ⅲ也廣泛應用于海浪后報和波候研究[4-6]，國內的大量學者也利用它針對中國近海各個海區進行建模，模擬結果得到廣泛認可[7-10]。

本文采用了全球-西北太平洋-中國近海海區三層單向嵌套方案，其中全球分辨率為0.25°，西北太平洋區域分辨率為0.1°，中國近海區域分辨率為1/30°。

本文中所使用的的風場為NCEP的氣候預報系統再分析（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR）資料，分辨率為0.5°×0.5°，CFSR 是一套高分辨率的海-陸-氣-海冰耦合的全球再分析資料，時間為1979年1月—2020年12月。

本文所用的基礎數據及模式配置見表1。

表1 模式配置表Tab.1 Model configuration

1.2 海浪再分析數據計算

計算時以自然月為單位進行逐月計算，月與月之間采用熱啟動，保證了數據在時間上的連續性。不同尺度模型之間利用嵌套邊界的格點進行信息交換，保證了數據在空間上的連續性。具體計算流程見圖1。

圖1 海浪再分析數據計算流程Fig.1 Flowchart of wave reanalysis process

1.3 海浪再分析數據檢驗

本文利用海浪浮標觀測資料，對福建省海域再分析海浪場開展一般海況和強海況下的檢驗。一般海況的檢驗時間跨度為2019 年1—12 月。檢驗結果見圖2和表2。

圖2 （續）Fig.2 (Continued)

圖2 浮標實測波高與再分析浪場對比Fig.2 Comparison of significant wave height between the reanalysis data and the records of the buoy

表2 一般海況下浮標實測波高與再分析浪場對比結果Tab.2 Significant wave height validation results under general sea state

本文選取影響福建省海域的8次大浪過程進行強海況下有效波高的檢驗，其中包括5 次臺風過程以及3 次冷空氣浪過程。檢驗結果見表3。從結果可以看出，本文建立的海浪再分析數據可以準確地模擬出福建海域海浪有效波高的時空演變規律，有效波高≥2 m 的預報平均相對誤差為9%～15%，對于臺風以及強冷空氣造成的大浪過程也具備良好的模擬能力。

表3 強海況下浮標實測波高與再分析浪場對比結果Tab.3 Significant wave height validation results under severe sea state

2 福建省近海海浪危險性評估

2.1 典型重現期浪高分布

基于福建省海域的海浪再分析數據集，統計確定每個格點上海浪有效波高的年極值序列，然后采用Weibull分布極值推算方法，計算確定每個格點上典型重現期的有效波高，獲得福建省海域典型重現期的浪高分布。重現期分別考慮2 年一遇、5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇的情況。

使用非線性最小二乘法擬合得到三參數Weibull 分布，并得到對應重現期T的計算公式，據此計算每個格點上海浪要素的多年重現期值。對變量x來說，三參數Weibull 分布的累計概率分布函數取值大于x的概率為：

式中：α、β、γ分別稱為形狀參數、尺度參數和位置參數，α＞0，β＞0。y(x)的倒數T稱為重現期。變換為x的函數，即可求解重現期為T的變量x的值。計算公式為：

在利用Weibull分布曲線推算多年一遇波高時，分布函數與浪高資料的擬合采用《海港水文規范》中推薦的定位概率公式。最終得到的福建省海域典型重現期浪高分布見圖3。

圖3 福建省海域典型重現期浪高分布Fig.3 Wave height in the typical return periods in the coastal waters of Fujian Province

福建省海域2 年一遇有效波高極值（9～14 m）出現在閩東漁場（東海南部）；閩中、閩南漁場（臺灣海峽）2 年一遇有效波高小于6 m，只有在100 年一遇重現期下才會出現超過9 m 的有效波高；閩外漁場在50 年一遇重現期下會出現大于14 m 的有效波高；臺灣淺灘漁場部分海域在100 年一遇重現期下才會出現14 m以上的有效波高。

2.2 危險性指數計算

按照《海洋災害風險評估和區劃技術導則第2部分：海浪》的劃分，將每個格點上有效波高（Hs）的大小分為特強、強、較強、一般4 個等級，分別對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。福建省海域海浪強度等級劃分見表4。

表4 近海海域海浪強度等級劃分Tab.4 Classification of wave intensity in offshore waters

基于福建省海域海浪再分析數據集，分別計算每個格點上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級有效波高的年平均出現次數或小時數。計算每個格點的海浪災害危險性參數Hw，計算公式為：

式中：N1—N4分別為Ⅰ—Ⅳ級有效波高的年平均出現次數。將每個格點上的危險性參數進行歸一化處理，得到歸一化后的危險性指數Hwn，并統計4 級浪高出現的頻率，結果見圖4。福建省近海海域海浪危險性等級最高的區域為臺灣淺灘漁場東部（Ⅰ級）；閩中、閩南、閩外漁場大部分海域的海浪災害危險性等級為Ⅲ級或Ⅳ級；臺灣海峽中部區域海浪災害危險性等級較高，為Ⅱ級；閩東漁場西部的海浪災害危險性自西向東逐漸增加，最高級別為Ⅱ級。

圖4 福建省海域海浪災害危險性分布Fig.4 Distribution of hazard of wave disasters in the coastal waters of Fujian Province

2.3 月平均各級浪高出現頻次統計

福建省海域易受到臺風和冷空氣引起的災害性海浪影響，有效波高呈現較明顯的季節特點。本文統計了福建省海域Ⅳ級（巨浪）、Ⅲ級（狂浪）、Ⅱ級（狂濤）、Ⅰ級（怒濤）浪高的月平均出現頻次，結果見圖5。從圖中可以看出，福建省海域浪高分布具有非常明顯的季節變化特征，秋季和冬季的巨浪出現頻率明顯高于夏季和春季，且分布范圍更加廣闊；冬半年巨浪在臺灣淺灘漁場以南海域、閩外漁場、釣魚島附近海域、臺灣海峽中部出現頻率較高，夏半年巨浪僅在閩外漁場、釣魚島附近海域出現頻率較高；狂浪過程主要由臺風浪引起，所以夏半年的出現頻率明顯高于冬半年，外部海域高于近海海域；受臺風影響，夏半年閩外漁場、釣魚島附近海域、臺灣淺灘漁場以南海域狂浪過程的出現頻率明顯上升；狂濤過程均由臺風浪引起，均出現在夏半年的外部海域，如在閩外漁場、釣魚島附近海域、臺灣淺灘漁場以南海域均有出現，但在臺灣海峽出現頻率很低；怒濤過程均由臺風浪引起，僅出現在7—8月閩外漁場的外部海域。

圖5 福建省海域各級浪濤月平均出現頻率分布Fig.5 Monthly average frequency distribution of different levels of wave height in the coastal waters of Fujian Province

3 結論

本文基于數值后報模擬分析結果，開展了福建省海域海浪災害危險性評估工作，評估成果可為沿海海洋功能區劃、海上大型工程選址及設計、海洋防災減災等提供重要參考。主要評估結論如下：

①臺灣淺灘漁場以南海域、閩外漁場、釣魚島附近海域、閩東漁場東北和閩南漁場中北部的海浪危險等級較高。

②福建省海域有效波高分布具有明顯的季節變化特征，冬季受冷空氣的影響，巨浪出現頻次最高，夏季受臺風影響，較易出現狂浪以上的海浪過程。

③受地形影響，冬季臺灣海峽中部區域的巨浪出現頻率高于海峽其他區域。