劉志宏，鄭崇偉，2，潘 靜

(1.解放軍92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧 大連 116041;2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，遼寧 大連 116085;3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100028)

海浪對(duì)海洋水文保障、海洋工程、海洋能資源開發(fā)等軍地建設(shè)有著重要影響，尤其是臺(tái)風(fēng)浪，其破壞能力驚人，對(duì)導(dǎo)彈、軍用/民用的直升機(jī)、無(wú)人機(jī)等飛行器的掠海飛行有著重要影響。飛行器飛行高度過低，擊水概率(即撞擊海面的概率)增加，影響掠海飛行器自身的安全;飛行高度過高，容易導(dǎo)致暴露目標(biāo)，影響突防效果［1］;海況較差時(shí)，同樣會(huì)嚴(yán)重影響艦載機(jī)的起降，如果不注意海浪的波高和波向，很可能導(dǎo)致機(jī)翼入水，造成危險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外由于惡劣海況而導(dǎo)致軍用/民用掠海飛行器失事的情況并不少見，因此，關(guān)注海浪對(duì)擊水概率的影響，有著極為重要、實(shí)用的價(jià)值，這就要求我們對(duì)海浪造成的擊水概率做出精確計(jì)算分析。

雷小龍等［2］曾利用有限的海浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了反艦導(dǎo)彈的擊水概率問題，發(fā)現(xiàn)飛航導(dǎo)彈在較惡劣的海況下，擊水概率大大增加。關(guān)世義等［3］推導(dǎo)了地形跟蹤導(dǎo)彈碰地概率的一個(gè)計(jì)算公式，并將其與以往的公式進(jìn)行比較，有一定程度的改進(jìn)。前人對(duì)擊水概率的研究做了很大貢獻(xiàn)，但由于受到資料等問題的限制，以往多是利用極為有限的觀測(cè)資料，在局部小范圍展開，未能實(shí)現(xiàn)大范圍海域擊水概率的特征分析。本文利用目前國(guó)際先進(jìn)的海浪模式即第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-Ⅲ)，以 CCMP(Cross-Calibrated，Multi-Platform)風(fēng)場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，對(duì)發(fā)生在2008年9月的臺(tái)風(fēng)“黑格比”所致的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬，并就臺(tái)風(fēng)浪對(duì)導(dǎo)彈擊水概率的影響進(jìn)行計(jì)算分析，為提高導(dǎo)彈在惡劣海況下的生存能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 驅(qū)動(dòng)場(chǎng)、觀測(cè)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

1.1 風(fēng)場(chǎng)資料

CCMP 風(fēng)場(chǎng)［4-6］來(lái)自 NASA ESE(Earth Science Enterprise)，數(shù)據(jù)結(jié)合了 ADEOS-Ⅱ、QuikSCAT、TRMM TMI、SSM/I、AMSR-E等幾種資料，利用變分方法得到。CCMP風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間分辨率為6小時(shí)，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間范圍從1987 年7 月至今，空間范圍為:78.375°S ～78.375°N，180°W ～180°E。

1.2 海浪觀測(cè)數(shù)據(jù)

通常將衛(wèi)星資料反演的有效波高(SWH-Significant Wave Height)視為實(shí)測(cè)資料，用于檢驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)的有效性，但衛(wèi)星資料在中國(guó)海范圍有一定的局限性:軌道數(shù)量有限，直接影響數(shù)據(jù)的空間分辨率;軌道重復(fù)周期為10天左右，直接影響數(shù)據(jù)的空間分辨率。我國(guó)的海浪浮標(biāo)觀測(cè)資料又較少，且并不公開，鑒于此，本文利用來(lái)自臺(tái)灣“花蓮”觀測(cè)站的海浪觀測(cè)資料，對(duì)模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 海浪模擬方法、數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)

2.1 模擬方法

WW3模式對(duì)中國(guó)海的海浪場(chǎng)具有較強(qiáng)的模擬能力［7-9］，因此，本文利用具有高精度、較高時(shí)空分辨率的CCMP風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3模式，對(duì)發(fā)生在2008年9月的臺(tái)風(fēng)“黑格比”所致的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算范圍:3.875°S ～41.125°N，97.125°E ～135.125°E，空間分辨率取 0.25°× 0.25°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取為 1800s，每小時(shí)輸出一次結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)

為了準(zhǔn)確比較模擬SWH與觀測(cè)SWH的差異，本文計(jì)算了均方根誤差(RMSE)、偏差(Bias)以及相關(guān)系數(shù)(CC)。具體計(jì)算方法如下:

式中，xi代表觀測(cè)數(shù)據(jù)，yi代表模擬數(shù)據(jù)和分別為觀測(cè)數(shù)據(jù)的均值和模擬數(shù)據(jù)的均值，N為樣本總量，即參與驗(yàn)證的觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量。

2.3 模擬結(jié)果

比較2008年9月WW3模式模擬的SWH與臺(tái)灣“花蓮”觀測(cè)站的觀測(cè)SWH，結(jié)果如圖1所示。從走勢(shì)來(lái)看，模擬波高與觀測(cè)波高保持了較好的一致性，當(dāng)波高在4m以內(nèi)時(shí)，觀測(cè)波高略大于模擬波高，當(dāng)波高大于4m時(shí)，模擬波高與觀測(cè)波高保持了很好的一致性。

圖1 2008年9月臺(tái)灣“花蓮”觀測(cè)站的觀測(cè)SWH與WW3模式模擬的SWH

由圖1 可見，Bias=-0.11，存在0.11m 的負(fù)偏差，即模擬SWH稍小于觀測(cè)SWH，相關(guān)系數(shù)CC=0.86，通過了 99.9%(a0.01=0.32)的信度檢驗(yàn)，均方根誤差RMSE=0.40m，表明模擬的海浪數(shù)據(jù)具有較高精度。

3 臺(tái)風(fēng)浪對(duì)飛行器擊水概率的影響

3.1 擊水概率計(jì)算方法

擊水概率P的計(jì)算方法為:

式(4)中，h為飛行高度;σ為高度標(biāo)準(zhǔn)差。

式(5)中，σ1為飛行高度探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差，本文假定某一飛行器的σ1為5m;σ2為海浪浪高的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 擊水概率場(chǎng)分布特征

本文利用模擬得到的2008年9月逐小時(shí)的海浪數(shù)據(jù)，計(jì)算了當(dāng)飛行器飛行高度為12m、15m時(shí)，臺(tái)風(fēng)浪對(duì)擊水概率的影響，見圖2。

2008年9月22日00:00時(shí)，“黑格比”中心位于菲律賓東北部近海，行進(jìn)方向?yàn)槲飨?，臺(tái)風(fēng)的大浪區(qū)分布于臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向的右半圓(即危險(xiǎn)半圓——第一、第四象限)，其次在第三象限也有一定的體現(xiàn)，在第二象限則相對(duì)偏低(臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)的圖略)，擊水概率的分布特征與臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)的分布特征保持了較好的一致性。當(dāng)飛行器飛行高度為12m時(shí)，臺(tái)風(fēng)大浪區(qū)的擊水概率基本在15%以上，近臺(tái)風(fēng)中心更是高達(dá)26%，臺(tái)風(fēng)大浪區(qū)外圍的擊水概率則基本在10%以下;當(dāng)飛行器的飛行高度為15m時(shí)，擊水概率基本只有12m時(shí)的一半。

圖2 “黑格比”所致臺(tái)風(fēng)浪對(duì)飛行器在不同飛行高度的擊水概率的影響，單位:%

2008年9月23日00:00時(shí)，臺(tái)風(fēng)“黑格比”中心位于東沙附近海域，行進(jìn)方向仍為西向，臺(tái)風(fēng)大浪區(qū)的范圍較22日0時(shí)明顯縮小，大值中心分布于中沙群島附近小范圍海域，這是由于臺(tái)風(fēng)經(jīng)過呂宋海峽，受到地形影響，強(qiáng)度遭到一定的削弱所致(臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)的圖略)。擊水概率的分布特征與臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)的分布特征保持了較好的一致性，大值區(qū)分布于臺(tái)風(fēng)浪的危險(xiǎn)半圓，其次在第二象限也有一定程度的體現(xiàn)。當(dāng)飛行高度為12m時(shí)，高值中心的擊水概率仍可達(dá)30%左右，由于受到臺(tái)風(fēng)尾跡的影響，在臺(tái)灣以東洋面的擊水概率相對(duì)大于周邊海域，為9% ～12%;當(dāng)飛行高度為15m時(shí)，擊水概率基本只有12m時(shí)的一半，大值中心的擊水概率為16%左右，詳見圖2。

值得注意的是，擊水概率的高值中心并不位于臺(tái)風(fēng)中心，這是由于臺(tái)風(fēng)中心存在一低風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)眼造成的。

4 結(jié)論

1)以CCMP風(fēng)場(chǎng)作為WW3模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，對(duì)發(fā)生在中國(guó)海的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的，模擬的海浪數(shù)據(jù)接近海浪浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2)當(dāng)飛行器飛行高度為12m時(shí)，擊水概率大值區(qū)主要分布于臺(tái)風(fēng)的大浪區(qū)，擊水概率基本在15%以上，近臺(tái)風(fēng)中心更是高達(dá)26%～30%，臺(tái)風(fēng)大浪區(qū)的外圍的擊水概率則基本都在10%以下;當(dāng)飛行器飛行高度為15m時(shí)，擊水概率基本只有12m時(shí)的一半。

3)無(wú)論飛行高度為12m還是15m，擊水概率的大值區(qū)均集中分布于臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向的右半圓(即危險(xiǎn)半圓——第一、第四象限)。擊水概率的高值中心并不位于臺(tái)風(fēng)中心，這應(yīng)該是由于臺(tái)風(fēng)中心存在一低風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)眼造成的。

［1］ZHENG Chong-wei，ZHUANG Hui，Li Xin，et al.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea［J］.Sci China Tech Sci，2012，55(1):163-173.

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［4］鄭崇偉，李訓(xùn)強(qiáng).基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的近22年中國(guó)海波浪能資源評(píng)估［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，41(11):5-12.

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