吳力川 文元橋 陳佩燕

（武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1） 武漢 430063） （上海臺(tái)風(fēng)研究所2） 上海 200030）

通航環(huán)境是指由船舶賴以安全航行、停泊和作業(yè)的，且是船舶自身?xiàng)l件以外的客觀及社會(huì)的外部因素構(gòu)成的一個(gè)系統(tǒng).通航環(huán)境要素主要包括通航環(huán)境自然條件、通航環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施和通航環(huán)境社會(huì)因素.在通航環(huán)境要素中，對(duì)航運(yùn)生產(chǎn)影響最為直接的要素之一為風(fēng)場(chǎng)要素.大風(fēng)也是對(duì)航海的最大威脅之一，大風(fēng)以及因大風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)浪可造成惡性水上交通安全事故［1］.

信息擴(kuò)散原理是一種處理不完備信息的模糊方法，認(rèn)為一定存在著一個(gè)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散函數(shù)，可以將傳統(tǒng)的觀測(cè)樣本點(diǎn)集值化，以彌補(bǔ)資料不足帶來(lái)的缺陷，達(dá)到提高精度的目的［2］.相關(guān)學(xué)者［3－6］將信息擴(kuò)散理論應(yīng)用到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析當(dāng)中并取得了較好的效果.本文以浙江省氣象站風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為資料，統(tǒng)計(jì)了各個(gè)站點(diǎn)年最大風(fēng)速、月最大風(fēng)速以及大風(fēng)天數(shù)等數(shù)據(jù)，利用信息擴(kuò)散理論分析了各個(gè)站點(diǎn)最大風(fēng)速以及大風(fēng)天數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)概率及其空間分布.

1 研究數(shù)據(jù)以及方法

本文采用浙江省氣象觀測(cè)站從建站到2007年的最大風(fēng)速資料［7－8］，為保證結(jié)果精確性，選取的站點(diǎn)為2007年以前有10a以上連續(xù)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，不足10a的站點(diǎn)被舍去.

設(shè)風(fēng)場(chǎng)要素（風(fēng)速／大風(fēng)天數(shù)）的指標(biāo)論域?yàn)閁＝｛u1，u2，u3，…，um｝.式中：m 為論域個(gè)數(shù).

設(shè)風(fēng)場(chǎng)要素的樣本個(gè)數(shù)為Y＝｛y1，y2，y3，…，yn｝.式中：n為樣本個(gè)數(shù).

一個(gè)單值觀測(cè)樣本依據(jù)下式將所攜帶的信息擴(kuò)散給u中的所有點(diǎn)

式中：h為擴(kuò)散系數(shù)，可以根據(jù)樣本的最大值a和最小值b以及樣本個(gè)數(shù)n確定

對(duì)μyj（ui）進(jìn)行歸一化處理，令q（ui）＝其物理意義是：由｛y1，y2，y3，…，yn｝經(jīng)信息擴(kuò)散推斷出，如果風(fēng)險(xiǎn)值只能取｛u1，u2，u3，…，um｝中的一個(gè)，那么在將yj均看作是樣本點(diǎn)代表時(shí)，觀測(cè)值為ui的樣本個(gè)數(shù)為q（ui）.

以大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)為例，根據(jù)最大風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最大風(fēng)速論域?yàn)椋?，50］.將連續(xù)論域按照等間距取點(diǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散論域.考慮到計(jì)算精度的要求，將論域數(shù)據(jù)的步長(zhǎng)取2，則論域的個(gè)數(shù)共26個(gè)：U＝｛u1，u2，u3，…，um｝＝｛0，2，4，6，…，50｝.最大風(fēng)速數(shù)據(jù)即為樣本Y＝｛y1，y2，y3，…，yn｝.利用信息擴(kuò)散理論計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)超過(guò)ui的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值，即為該站點(diǎn)風(fēng)速超過(guò)ui的風(fēng)險(xiǎn)概率.將各個(gè)站點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)值為0.1（或者0.2）的離散論域離散值在空間上進(jìn)行差值則為該區(qū)域10a（或者5 a）一遇大風(fēng)分布.

2 大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)分析

一般條件下，對(duì)內(nèi)河水域，風(fēng)力達(dá)到蒲式6級(jí)以上就會(huì)對(duì)港口作業(yè)以及內(nèi)河航行船舶產(chǎn)生較大影響；對(duì)沿海水域，港口碼頭以及航行船舶的抗風(fēng)能力一般設(shè)計(jì)值都在7級(jí)以上.考慮到風(fēng)速對(duì)內(nèi)陸通航環(huán)境和沿海通航環(huán)境影響的差異性，本文在大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)分析中，對(duì)于內(nèi)陸，蒲式6級(jí)及以上定義為大風(fēng)；對(duì)于沿海，蒲式7級(jí)風(fēng)及以上定義為大風(fēng).

2.1 年大風(fēng)天數(shù)及其風(fēng)險(xiǎn)概率

從最大風(fēng)速6級(jí)以上大風(fēng)年平均分布圖（圖1）可以看出，浙江省沿海水域除臺(tái)州沿海水域年6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)平均為100d以上，其他沿海水域均為80d以下（杭州灣水域?yàn)?0d以下）.內(nèi)陸地區(qū)除紹興及嘉興部分地區(qū)6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)在10d以上，其他大部分區(qū)域均在5d以下.大風(fēng)對(duì)對(duì)嘉興市內(nèi)河航運(yùn)生產(chǎn)的影響相比其他地區(qū)要嚴(yán)重些.

圖1 6級(jí)以上大風(fēng)年平均天數(shù)分布圖

圖2 年6級(jí)風(fēng)以上

從圖2a）可以看出，內(nèi)河航道密集的杭州、嘉興、湖州地區(qū)年6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)超過(guò)20d的概率高于其他地區(qū)，千島湖附近區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)概率則較低.從圖2b）可看出，除杭州灣以及溫州市沿海水域外，浙江省其他沿海水域年7級(jí)風(fēng)以上超過(guò)20d的風(fēng)險(xiǎn)概率均在0.3以上，臺(tái)州沿海水域向外海方向的水域風(fēng)險(xiǎn)概率增加速度比其他水域要大.

表1和表2為沿海主要站點(diǎn)7級(jí)和6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率分布，其中大陳島站的大風(fēng)天數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率最高.年7級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)超過(guò)50d的概率在玉環(huán)站幾乎為0，在石浦站為0.215；全年有大約1／3天數(shù)最大風(fēng)速為7級(jí)在大陳島站的風(fēng)險(xiǎn)概率為0.311 6.年6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)在一半以上（187d）的概率在嵊泗站和大陳島都在0.45以上（嵊泗為0.493，大陳島為0.617）.

表1 主要沿海站點(diǎn)年7級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)概率

表2 主要沿海站點(diǎn)年6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)概率

2.2 月度大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)，浙江省內(nèi)陸地區(qū)最大風(fēng)速超過(guò)7級(jí)以上的時(shí)間很少，但是沿海地區(qū)則相對(duì)較多.以嵊泗、石浦、大陳島和玉環(huán)為浙江沿海代表站點(diǎn)，分析沿海9級(jí)風(fēng)以及11級(jí)風(fēng)以上的風(fēng)險(xiǎn)概率如圖3所示.

圖3 不同月份9級(jí)風(fēng)

石浦和玉環(huán)站9級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)在7～9月是最高的，全年中8月份9級(jí)風(fēng)以上的風(fēng)險(xiǎn)概率最高（石浦0.544，玉環(huán)0.436）；嵊泗站的季節(jié)性變化比較明顯，冬夏季節(jié)9級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)概率較低，春秋季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)概率較高；大陳島站9級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)概率在4～6月較低（小于0.4），其他月份均大于0.4，相比其他站點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)概率均較大且季節(jié)性變化不明顯.空間分布上，除個(gè)別月份外各個(gè)站點(diǎn)9級(jí)以上大風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)概率為：大陳島＞嵊泗＞石浦＞玉環(huán).（參考圖3a））

沿海站點(diǎn)11級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)概率分布如圖3b）.11級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)概率較高的月份為7～9月，除玉環(huán)站（7月份風(fēng)險(xiǎn)概率最高為0.109）外，其他站點(diǎn)均為8月份風(fēng)險(xiǎn)概率最高（大陳島0.244，石浦0.212，嵊泗0.175）.

2.3 不同季節(jié)大風(fēng)天數(shù)分布

由不同季節(jié)6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)年平均分布圖（圖4）可以看出，浙江省內(nèi)陸不同季節(jié)6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)均小于7d.其中冬季6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)為1～3d的區(qū)域?yàn)?個(gè)季節(jié)當(dāng)中最少的，夏季最多，春秋季節(jié)1～3d的區(qū)域基本相同.從圖中可以看出春冬季節(jié)臺(tái)州市以東海域6級(jí)以上風(fēng)速天數(shù)在50d以上的范圍明顯大于夏秋季節(jié).

沿海各代表站點(diǎn)不同月份7級(jí)以上大風(fēng)6d／月的風(fēng)險(xiǎn)概率如圖5a）：玉環(huán)站和石浦為四個(gè)站中風(fēng)險(xiǎn)概率較低的站；嵊泗站在春季的風(fēng)險(xiǎn)最高，其他月份的概率均為0.6左右；大陳島站在10月～次年3月的概率均在0.8以上（1月最高為0.987），而4～7月的風(fēng)險(xiǎn)概率則較低（最小為5月為0.259）；石浦站在冬季的風(fēng)險(xiǎn)概率較低，其他季節(jié)都在0.2左右；玉環(huán)站全年中7～9月的概率較高.

圖4 不同季節(jié)6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)年平均分布圖（單位：d）

圖5 7級(jí)以上大風(fēng)6d／月

石浦和玉環(huán)站7級(jí)以上大風(fēng)12d／月的風(fēng)險(xiǎn)概率均小于0.02，嵊泗和大陳島的風(fēng)險(xiǎn)概率如圖5b）：嵊泗站在春季的風(fēng)險(xiǎn)概率為全年中最高的季節(jié)，其季節(jié)的月份均在0.1左右；大陳島站在11月～次年3月的概率較高（5個(gè)月的平均概率為0.445）.

2.4 多年一遇大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)分析

浙江省及其沿海10a一遇大風(fēng)以及5a一遇大風(fēng)（即風(fēng)險(xiǎn)概率為0.1以及0.2的風(fēng)速）分布如圖6所示.浙江省內(nèi)陸地區(qū)除紹興市10a一遇大風(fēng)為20～25m／s，其余地區(qū)的10a一遇最大風(fēng)速均為15～20m／s.浙江省中部沿岸10a一遇大風(fēng)為30～40m／s，而北部和南部沿岸則較小為20～25m／s.

從圖6可以看出，從內(nèi)陸向外海方向大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)概率逐漸增大，在臺(tái)州市沿海水域增加的速度要高于其他水域的增長(zhǎng)速度.浙江省沿海水域10 a以及5a一遇大風(fēng)在杭州灣水域最小，石浦附近水域的大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)高于其他沿海水域.

圖6 通航環(huán)境風(fēng)場(chǎng)10a一遇

3 結(jié)果與討論

1）浙江省內(nèi)陸大部分區(qū)域10a一遇最大風(fēng)速均為15～20m／s，中部沿岸10a一遇大風(fēng)為30～40m／s，而北部和南部沿岸則較小為20～25 m／s.

2）沿海站點(diǎn)7～9月是大風(fēng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)概率較高的月份，嵊泗站的季節(jié)性變化比較明顯，冬夏季節(jié)9級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)概率較低，春秋季節(jié)風(fēng)險(xiǎn)概率較高.除個(gè)別月份外沿海代表站點(diǎn)9級(jí)以上大風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)概率為：大陳島＞嵊泗＞石浦＞玉環(huán).

3）內(nèi)河航道密集的杭州、嘉興、湖州地區(qū)年6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)超過(guò)20d的概率高于其他地區(qū)，千島湖附近區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)概率則較低.臺(tái)州沿海水域向外海方向水域年7級(jí)風(fēng)以上天數(shù)超過(guò)20d的風(fēng)險(xiǎn)概率增加速度比其他水域要大.

4）浙江省內(nèi)陸冬季6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)為1～3d的區(qū)域?yàn)樗膫€(gè)季節(jié)當(dāng)中最少的，夏季最多，春秋季節(jié)1～3d的區(qū)域基本相同.春冬季節(jié)臺(tái)州市以東海域6級(jí)以上風(fēng)速天數(shù)在50d以上的范圍明顯大于夏秋季節(jié).

5）不同月份7級(jí)以上大風(fēng)6d／月和12d／月的風(fēng)險(xiǎn)概率有比較明顯的季節(jié)性：嵊泗站的春季、大陳島站在10～次年3月的風(fēng)險(xiǎn)概率較高.

港口單位以及相關(guān)航運(yùn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)分布合理安排生產(chǎn)計(jì)劃以及港口基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的維護(hù)等相關(guān)工作.

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