鄭崇偉

(92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧大連116041)

環(huán)境危機(jī)、資源危機(jī)給人類(lèi)的生存與可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的威脅。清潔、可再生的新能源成為應(yīng)對(duì)資源危機(jī)的最佳選擇，蘊(yùn)藏豐富的波浪能更是各發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)。研究表明［1-2］中國(guó)雖然不處于波浪能資源的富集區(qū)，但也蘊(yùn)藏著較為豐富、適宜開(kāi)發(fā)的波浪能資源，尤其是東海、南海北部海域。任建莉等［3］、游亞戈等［4］、褚同金［5］、王傳崑等［6］對(duì)中國(guó)周邊海域波浪能資源的季節(jié)特征等做過(guò)很多工作，Zheng等［2］曾利用模擬得到的1988—2009年的海浪資料，對(duì)中國(guó)周邊海域的波浪能資源進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估和等級(jí)區(qū)劃。前人的研究可為波浪能開(kāi)發(fā)的選址等提供參考，但以往多是分析過(guò)去的天氣形勢(shì)對(duì)能流密度的影響，即后報(bào)，尚未實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)。2009年Roger［7］通過(guò)WW3(WAVEWATCH-III)模式成功預(yù)報(bào)了太平洋東海岸的波浪能。到目前為止國(guó)內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)波浪能流密度的預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值預(yù)報(bào)可以更好地為波浪能資源開(kāi)發(fā)利用提供參考，更有效地提高波浪能裝置的采集效率。本研究以T639預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)作為WW3海浪模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，對(duì)2013年3月發(fā)生在中國(guó)周邊海域的2次冷空氣過(guò)程所致海浪場(chǎng)進(jìn)行模擬，充分利用來(lái)自朝鮮半島、日本、臺(tái)灣島的觀測(cè)資料，檢驗(yàn)WW3模式對(duì)波浪能流密度的預(yù)報(bào)能力，實(shí)現(xiàn)了利用WW3模式和T639預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)對(duì)中國(guó)周邊海域的波浪能流密度進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，為海浪發(fā)電、海水淡化等波浪能開(kāi)發(fā)工作提供保障。

1 模擬方法

2013年3月8—16日期間，先后有2個(gè)較為強(qiáng)勁的冷空氣影響中國(guó)周邊海域。本研究以T639預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3模式，對(duì)這2次冷空氣過(guò)程所致海浪場(chǎng)進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)WW3模式對(duì)波浪能流密度的預(yù)報(bào)能力。所用的地形數(shù)據(jù)來(lái)自NOAA的ETOPO1高分辨率全球地形數(shù)據(jù)集 (1'×1')，海岸線數(shù)據(jù)來(lái)自GSHHS全球高分辨率海岸線數(shù)據(jù)庫(kù)。模式計(jì)算范圍:0.125°～41.125°N，100.125°E～135.125°E，海浪譜網(wǎng)格為24×25，波向共24個(gè)，分辨率為15°，頻率分為25個(gè)頻段，從0.041 8～0.405 6 Hz，各頻段關(guān)系為fn+1=1.1fn?？臻g分辨率取0.05°×0.05°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取300 s，每小時(shí)輸出一次結(jié)果，計(jì)算時(shí)間為2013年03月08日00:00時(shí)—2013年03月16日18:00時(shí)。

波浪能流密度的計(jì)算方法如下:

式 (1)中，Pw為波浪能流密度 (單位:kW/m)，H1/3為SWH(1/3部分大波平均波高——significant wave height，單位:m)，為平均周期 (單位:s)。上述公式也是美國(guó)EPRI(Electric Power Research Institute)［8-9］和Roger［7］等對(duì)波浪能流密度的計(jì)算方法。利用WW3模式模擬得到逐小時(shí)的SWH和數(shù)據(jù)，進(jìn)一步利用式 (1)計(jì)算得到逐小時(shí)的波浪能流密度，從而實(shí)現(xiàn)波浪能流密度的數(shù)值預(yù)報(bào)。

2 資料驗(yàn)證

2.1 觀測(cè)資料

目前全球的海浪觀測(cè)資料都較為稀缺，這種困境在中國(guó)尤為突出［10-11］:NDBC浮標(biāo)在中國(guó)周邊海域范圍沒(méi)有投放，衛(wèi)星資料反演的有效波高雖然精度得到了廣泛認(rèn)可，但衛(wèi)星軌道在中國(guó)周邊海域較少，重復(fù)周期也很長(zhǎng) (如T/P高度計(jì)周期為10 d)，這就導(dǎo)致衛(wèi)星資料反演的海浪數(shù)據(jù)在中國(guó)周邊海域范圍的空間分辨率、時(shí)間同步性等方面都有很大缺陷。本研究充分收集來(lái)自朝鮮半島、日本、臺(tái)灣島的海浪浮標(biāo)資料，用于驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的有效性。同時(shí)也期望可以為同行提供參考，在國(guó)內(nèi)資料緊缺的情況下，可以將目光轉(zhuǎn)移至周邊國(guó)家和地區(qū)。

2.2 模擬能流密度的精度

對(duì)比模擬波浪能流密度與觀測(cè)波浪能流密度的曲線走勢(shì)圖，可以直觀地看出模擬數(shù)據(jù)的精度 (圖1至圖3)。為了定量地分析模擬的SWH的精度，本研究還計(jì)算了相關(guān)系數(shù) (CC)、偏差 (Bias)、均方根誤差 (RMSE)以及平均絕對(duì)誤差 (MAE)，定量的計(jì)算模擬數(shù)據(jù)的精度 (表1)。

圖1 朝鮮半島周邊觀測(cè)站22101(a)、22102(b)、22103(c)、22107(d)、22108(e)的觀測(cè)能流密度與模擬能流密度Figure 1 Observed and simulated wave energy density around the Korean Peninsula

圖2 日本周邊觀測(cè)站経岬 (a)、石廊崎 (b)、唐桑 (c)、上國(guó) (d)的觀測(cè)能流密度與模擬能流密度Figure 2 Observed and simulated wave energy density around Japan

圖3 臺(tái)灣島周邊觀測(cè)站龍洞 (a)、花蓮 (b)、東沙島 (c)、七股 (d)、金門(mén) (e)、馬祖 (f)的觀測(cè)能流密度與模擬能流密度Figure 3 Observed and simulated wave energy density around Taiwan

朝鮮半島周邊海域:從模擬值和觀測(cè)值的曲線走勢(shì)來(lái)看，二者保持了較好的一致性，模擬值也能很好地展現(xiàn)2次冷空氣所引起的能流密度增大過(guò)程，尤其是第一次冷空氣過(guò)程 (9—10日前后)。冷空氣期間，站點(diǎn)22102、22108處的預(yù)報(bào)能流密度小于觀測(cè)能流密度，即實(shí)測(cè)能流密度比預(yù)報(bào)值更豐富;站點(diǎn)22103處，第一次冷空氣期間，預(yù)報(bào)值與模擬值非常接近，但第二次冷空氣間的模擬值明顯偏大，對(duì)比同期其余幾個(gè)站點(diǎn)的曲線走勢(shì)，也可是第二次冷空氣期間22103的觀測(cè)值存在一定問(wèn)題。從數(shù)值大小來(lái)看，冷空氣使站點(diǎn)22101的能流密度由平常的0～4 kW/m增加至16 kW/m，站點(diǎn)2處的能流密度增加更為顯著，達(dá)到100 kW/m，站點(diǎn)22107、22108可增至60～80 kW/m。整體來(lái)看，冷空氣過(guò)程給能流密度帶來(lái)的增幅非常明顯。

日本周邊海域:模擬值和觀測(cè)值的曲線走勢(shì)保持了較好的一致性。僅経岬附近海域在第一次冷空氣期間模擬值與觀測(cè)值出現(xiàn)較大差異，其余幾個(gè)站點(diǎn)在2次冷空氣期間均保持了很好的一致性。経岬的能流密度可增至40～60 kW/m，石廊崎、唐桑的能流密度可增至20～40 kW/m，上國(guó)的能流密度增幅最大，可增至接近200 kW/m(圖2)。

臺(tái)灣島周邊海域:6個(gè)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)值整體上都能夠反映出2次冷空氣過(guò)程，但是明顯可以看出，WW3模式在臺(tái)灣島周邊海域的預(yù)報(bào)效果不如在朝鮮半島、日本周邊海域的預(yù)報(bào)效果。在冷空氣的影響下，龍洞、東沙島、馬祖附近海域波浪能流密度可增至60～80 kW/m，花蓮、七股、金門(mén)海域的波浪能流密度可增至30～40 kW/m。

表1 中國(guó)周邊海域模擬波浪能流密度的精度Table 1 The precision of simulated wave energy density in China Seas

從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，無(wú)論朝鮮半島周邊海域、日本周邊海域，還是臺(tái)灣島周邊海域，預(yù)報(bào)能流密度與觀測(cè)能流密度具有很好的相關(guān)性，且都通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn);從偏差、均方根誤差和平均絕對(duì)誤差來(lái)看，大部分站點(diǎn)的誤差都比較小，僅在站點(diǎn)22102和龍洞附近海域的誤差相對(duì)較大，但結(jié)合圖1b和圖3a來(lái)看，這2個(gè)站的能流密度在冷空氣期間較大，明顯大于其余站點(diǎn)，因此偏差、均方根誤差和平均絕對(duì)誤差相對(duì)較大也是在可以接受的范圍之內(nèi)。整體來(lái)看，預(yù)報(bào)的波浪能流密度具有較高精度，即WW3模式較好地預(yù)報(bào)了這2次冷空氣影響下的中國(guó)周邊海域波浪能流密度。研究也表明［12-18］WW3模式對(duì)中國(guó)周邊海域的冷空氣海浪場(chǎng)過(guò)程具有較強(qiáng)的模擬能力。結(jié)合本研究的驗(yàn)證結(jié)果，初步斷定WW3模式可以較好地預(yù)報(bào)冷空氣影響下的中國(guó)周邊海域波浪能流密度。

3 波浪能流密度的分布特征

8日00:00時(shí)，第一股冷空氣前鋒進(jìn)入渤海，給渤海東北部帶來(lái)了60 kW/m以上的波浪能流密度，高值中心甚至達(dá)到80 kW/m以上;9日00:00時(shí)，冷空氣進(jìn)入黃海北部，所造成的能流密度在20～30 kW/m;10日00:00時(shí)，冷空氣進(jìn)入黃海中部，波浪能流密度迅速增大，這應(yīng)該是由于冷空氣進(jìn)入黃海中南部后，海域變得開(kāi)闊，海浪得以充分成長(zhǎng)所致;11日00:00時(shí)，冷空氣到達(dá)東海中南部，由于海域變得更加開(kāi)闊，大范圍海域的海浪得以充分成長(zhǎng)，給大范圍海域帶來(lái)了60 kW/m以上的波浪能流密度，80 kW/m以上的海域范圍也明顯擴(kuò)大;12日00:00時(shí)，冷空氣進(jìn)入南海，給南海造成冷涌，但由于南海緯度相對(duì)較低，冷空氣進(jìn)入南海后強(qiáng)度大為減弱，60 kW/m以上的范圍較東海明顯縮小。

圖4 冷空氣期間8日00時(shí) (a)、9日00時(shí) (b)、10日00時(shí) (c)、11日00時(shí) (d)、12日00時(shí) (e)、13日00時(shí) (f)、14日00時(shí) (g)、15日00時(shí) (h)的波浪能流密度Figure 4 Wave energy density in China Seas during the period of cold air

13日00:00時(shí)，第二股冷空氣進(jìn)入黃渤海，黃渤海西部近岸的波浪能流密度在30～40 kW/m;14日00:00時(shí)，冷空氣進(jìn)入東海南部，整個(gè)東海大部分海域的波浪能流密度在40 kW/m以上;80 kW/m以上的海域范圍也較廣，高值中心甚至達(dá)到100 kW/m以上;15日00:00時(shí)，冷空氣進(jìn)入南海，帶來(lái)明顯的冷涌和冷流密度增強(qiáng)過(guò)程，但強(qiáng)度較東海已有所減弱。

分析還發(fā)現(xiàn):冷空氣所致的能流密度和SWH分布特征大體一致，這應(yīng)該是由于能流密度與有效波高的平方、波周期成正比 (有效波高和波周期的圖略)。冷空氣影響下的波周期差異不是很大，能流密度也就更大程度上依賴于有效波高的平方。

4 結(jié)論與討論

1)以T639預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3海浪模式，可以較好地預(yù)報(bào)冷空氣影響下的中國(guó)周邊海域波浪能流密度。2次冷空氣期間，朝鮮半島、日本、臺(tái)灣島周邊海域的預(yù)報(bào)能流密度與觀測(cè)能流密度在曲線走勢(shì)上保持了較好的一致性;從相關(guān)系數(shù)、偏差、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差等定量分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)報(bào)能流密度具有較高精度，其中在朝鮮半島、日本周邊海域的預(yù)報(bào)效果好于臺(tái)灣島周邊的預(yù)報(bào)效果。

2)在冷空氣影響下，中國(guó)周邊海域的波浪能流密度伴有明顯的增幅。在渤海、渤海海峽、黃海北部，由于海域狹小，海浪得不到充分成長(zhǎng)，能流密度的增幅相對(duì)較小，大值區(qū)的范圍也相對(duì)較小;冷空氣進(jìn)入黃海中部后，黃海中南部海域較開(kāi)闊，大部分海域的能流密度迅速增加，基本在20 kW/m以上，高值中心可達(dá)80 kW/m以上;冷空氣進(jìn)入東海后，海域更為開(kāi)闊，東海大部分海域的能流密度在30 kW/m以上，80 kW/m以上的范圍也明顯增大;冷空氣進(jìn)入南海后，雖然海域開(kāi)闊也使得能流密度明顯增大，但由于南海緯度較低，冷空氣南下行進(jìn)至南海后強(qiáng)度大為減弱，能流密度的大值區(qū)范圍較東?？s小。

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