徐麗麗，肖文軍，石少華，堵盤軍，鄭曉琴，張婕，何佩東

（1.國家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081；2.南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；3.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 20062；4.河海大學(xué)，江蘇 南京 211800）

東海海域海上運(yùn)輸航線繁多、海底能源礦藏豐富，是亞太區(qū)域經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的海域之一。隨著我國海洋權(quán)益保護(hù)力度的加大，釣魚島海域巡航執(zhí)法的常態(tài)化，對(duì)短期航線保障預(yù)報(bào)、長期趨勢(shì)決策等海洋環(huán)境預(yù)報(bào)提出了更高需求。同時(shí)東海東鄰西北太平洋，近岸島嶼眾多，水深復(fù)雜，冬季受強(qiáng)冷空氣影響，夏季熱帶氣旋頻發(fā)，且這些氣旋有80%的幾率發(fā)展為臺(tái)風(fēng)，近海波浪主要受風(fēng)浪影響外，還受東太平洋傳播涌浪的影響。東海沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，港口碼頭、重大工程等重點(diǎn)保障目標(biāo)眾多，對(duì)沿海近岸精細(xì)化海浪預(yù)報(bào)的需求迫切。如何在保證預(yù)報(bào)產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，節(jié)約計(jì)算資源、滿足產(chǎn)品時(shí)效需求，實(shí)現(xiàn)“一套系統(tǒng)，多方服務(wù)”的高效率預(yù)報(bào)服務(wù)方式是關(guān)鍵問題之一，其中建立區(qū)域性的海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)是必不可少。

業(yè)務(wù)化海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)國外起步早，發(fā)展成熟，例如，NOAA（美國海洋大氣管理局） 采用WaveWatch Ⅲ海浪模式建立了全球、阿拉斯加和西北大西洋以及美國近岸區(qū)域的海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)，發(fā)布了120 小時(shí)預(yù)報(bào)。國內(nèi)主要研究工作有國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心在“十五”期間，以國際上第三代海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式WAM 和SWAN 為基礎(chǔ)，建立了西北太平洋和中國近海的區(qū)域性海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)警系統(tǒng)和全球海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，預(yù)報(bào)時(shí)效為72 小時(shí)。一般來說，WaveWatch Ⅲ模式常用于大洋尺度波浪計(jì)算，而考慮了更多近岸物理過程的SWAN 模式更適用于近海波浪計(jì)算，兩種模式嵌套計(jì)算的方法常用于從大洋到近岸尺度的波浪模擬中（高山等，2006；李本霞 等，2010；張洪生等，2013）。已有的研究（王殿志等，2004） 所采用的都是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，缺點(diǎn)在于無法在不大量增加計(jì)算時(shí)間的情況下，根據(jù)需要進(jìn)行局部空間分辨率的加密。SWAN 模式從40.72 版本開始，可以使用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，但暫不支持與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格WaveWatch Ⅲ直接嵌套的接口程序（The SWAN team，2014），因此目前東海區(qū)業(yè)務(wù)化海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)以SWAN 自嵌套為主，遠(yuǎn)洋計(jì)算范圍不夠大，近岸網(wǎng)格不夠精，同時(shí)采用OMP 并行方式，計(jì)算耗時(shí)長。

本文根據(jù)釣魚島海域巡航執(zhí)法、精細(xì)化預(yù)報(bào)等新的海浪業(yè)務(wù)化預(yù)警報(bào)工作任務(wù)的需求，基于WRF 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)源，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格WaveWatch Ⅲ模式和無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格SWAN 模式嵌套計(jì)算，建立一套適用于東海區(qū)的海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并進(jìn)行誤差分析和不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)比試驗(yàn)，表明此套海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)在保證多尺度預(yù)報(bào)產(chǎn)品計(jì)算精度的前提下，能夠提高計(jì)算效率，節(jié)省計(jì)算資源，且滿足預(yù)報(bào)產(chǎn)品的時(shí)效性需求，也證明此套海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的可行性和穩(wěn)定性。

1 模型選擇及參數(shù)設(shè)置

本文使用的海浪模式為 WaveWatch III（V3.14） 和SWAN（V40.91）。WaveWatch Ⅲ是Tolman 等（1991） 在第三代海浪模式WAM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是當(dāng)前國際上最成熟海浪數(shù)值模式之一，具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)，模式采用了并行計(jì)算技術(shù)，提高了模式的性能和效率，為海浪數(shù)值預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。SWAN 模型是由荷蘭Delft University of Technology的Booij 等（1999） 借鑒和修改了原有的第三代海浪模型WAM 而建立，進(jìn)一步考慮了三個(gè)一組的波波相互作用、水深引起的波浪破碎和繞射等，而且采用隱式格式離散控制方程，使該模型更適用于近岸波浪的生成和傳播的數(shù)值模擬。

WaveWatch Ⅲ和SWAN 都使用了波作用量守恒方程作為其控制方程，其在球坐標(biāo)下的表達(dá)式為：

式中，N 為波作用量密度，t 為時(shí)間，γ、φ、σ 和θ 分別表示經(jīng)度、緯度、頻率和波向，Cγ、Cφ、Cσ、Cθ分別表示波浪在上述4 個(gè)空間中的傳播速度，Stot為源函數(shù)，在WaveWatch Ⅲ和SWAN 中源函數(shù)的形式不同，詳見文獻(xiàn)（Tolman，1991；2009）。

為實(shí)現(xiàn)WaveWatch Ⅲ模式與無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格SWAN 模式的嵌套計(jì)算，需要對(duì)WaveWatch Ⅲ模式輸出波浪譜文件進(jìn)行處理。首先提取SWAN 模式開邊界點(diǎn)信息，并將這些點(diǎn)作為WaveWatch Ⅲ單點(diǎn)輸出，再利用WaveWatch Ⅲ的后處理工具WW3_outp 讀取和轉(zhuǎn)換為ASCII 單點(diǎn)波浪譜文件（tolman，2009），最后編程轉(zhuǎn)換為SWAN 模式標(biāo)準(zhǔn)譜文件，作為SWAN 模式邊界波浪譜（標(biāo)準(zhǔn)譜文件格式可參考SWAN 源代碼文件swanout2.ftn）。

1.1 模型設(shè)置

1.1.1 地形資料

地形數(shù)據(jù)采用美國國家海洋大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA） 網(wǎng)站上提供的ETOPO1 數(shù)據(jù)，ETOPO1 數(shù)據(jù)是當(dāng)今海洋模式中常用的水深岸線數(shù)據(jù)，它是NOAA 收集多方面資料，經(jīng)過處理得到的網(wǎng)格化地形數(shù)據(jù)。本文選用的ETOPO1 地形數(shù)據(jù)的分辨率為1′×1′，包含了大陸的地勢(shì)起伏和海洋中的水深數(shù)據(jù)，是在眾多全球和區(qū)域數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上建立起來的，并且加入了冰面的數(shù)據(jù)和巖基數(shù)據(jù)，且近岸的水深地形數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行過訂正。

1.1.2 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

本文采用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是東海預(yù)報(bào)中心東海區(qū)業(yè)務(wù)化WRF 風(fēng)場(chǎng)模型數(shù)據(jù)，臺(tái)風(fēng)期間的WRF 模式邊界和初始場(chǎng)數(shù)據(jù)采用的是美國NOAA 中心的后報(bào)FNL 數(shù)據(jù)。因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)是海浪模型的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，其準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本文采用的風(fēng)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)均經(jīng)過率定，準(zhǔn)確性得到可靠保證（圖1），下文的海浪誤差分析均不考慮風(fēng)場(chǎng)誤差。

圖1 風(fēng)場(chǎng)模型計(jì)算個(gè)例比對(duì)圖

1.1.3 計(jì)算區(qū)域

研究海域?yàn)闁|海區(qū)，計(jì)算范圍（圖2） 的選定綜合考慮大區(qū)域臺(tái)風(fēng)作用和季風(fēng)的影響，同時(shí)滿足不同服務(wù)對(duì)象對(duì)產(chǎn)品的范圍和精度的不同需求（圖3），因此采用3 層嵌套的計(jì)算方法，具體的計(jì)算范圍見表1。

表1 東海區(qū)海浪數(shù)值模型設(shè)置參數(shù)

1.2 參數(shù)設(shè)置

西北太平洋海域WaveWatch III 模式的網(wǎng)格數(shù)為451×381；最大全局時(shí)間步長設(shè)為600 s、x-y方向和k （在WaveWatch III 中，波作用密度譜是波數(shù)和波向的函數(shù)） 方向最大時(shí)間步長均設(shè)為600 s，最小源函數(shù)項(xiàng)步長設(shè)為60 s；波浪譜的最小頻率為0.041 18 Hz，頻率個(gè)數(shù)為36，頻率步進(jìn)倍數(shù)為1.1； 波浪譜方向平均分為25 個(gè)。西北太平洋WaveWatch III 模式的外邊界無外部的波浪進(jìn)入。

東中國海域WaveWatch III 模式的網(wǎng)格數(shù)為426×526；最大全局時(shí)間步長設(shè)為300 s、x-y 方向和k 方向最大CFL 時(shí)間步長均設(shè)為300 s，最小源函數(shù)項(xiàng)步長設(shè)為15 s；波浪譜設(shè)置同西北太平洋。東中國海的波浪邊界由西北太平洋的計(jì)算結(jié)果提供。同時(shí)每小時(shí)為SWAN 輸出一次邊界點(diǎn)上的波浪譜。

長江口杭州灣海域采用SWAN 模型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)為453 505 個(gè)，最高空間分辨率20 m，開邊界點(diǎn)為82 個(gè)點(diǎn)，邊界條件由東中國海海域計(jì)算結(jié)果提供。時(shí)間步長設(shè)為20 min；波浪譜的頻率范圍為0.02～1.20 Hz；波浪譜的方向平均分為25個(gè)。同時(shí)考慮水位的影響。其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

圖2 東海區(qū)海浪數(shù)值模型計(jì)算范圍

圖3 長江口海域SWAN 模型計(jì)算網(wǎng)格

2 數(shù)值試驗(yàn)及分析

滿足“時(shí)效性”和“穩(wěn)定性”要求是業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的前提條件，本文構(gòu)建的系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格嵌套計(jì)算，尤其是為避免采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SWAN 模型在高風(fēng)速條件淺水區(qū)域，由于波浪折射引起的波能集中，容易出現(xiàn)數(shù)值耗散的問題（Dietrich et al，2013），設(shè)置了數(shù)值比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算耗時(shí)和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)一：遠(yuǎn)海深水區(qū)兩套模型計(jì)算效率測(cè)試。

分別采用WaveWatch III 模式自嵌套和SWAN模型自嵌套進(jìn)行西太平洋海域和東中國海海域海浪計(jì)算。

結(jié)果表明SWAN 模型與WaveWatch III 模型在各項(xiàng)同參數(shù)設(shè)置時(shí)（表2），WaveWatch III 模式對(duì)于遠(yuǎn)海深水的海浪數(shù)值模擬結(jié)果幾乎一致（結(jié)果從略）。江麗芳等（2011） 也研究過WaveWatch III 與SWAN 模型對(duì)南海大區(qū)域海浪的模擬能力，結(jié)果表明二者的計(jì)算精度接近一致，但在計(jì)算效率上，WaveWatchIII 高于SWAN 模型，在同步采用5 個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，80 個(gè)cpu 的配置下，WaveWatchIII 的計(jì)算效率提高了56 %，因此大區(qū)域采用WaveWatch III 模型在保證計(jì)算精度的情況下，計(jì)算效率將大大提高。

試驗(yàn)二：無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格SWAN 模型穩(wěn)定性測(cè)試。

表2 模型計(jì)算參數(shù)設(shè)置

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SWAN 模型在淺水區(qū)域，由于網(wǎng)格過粗等原因，波浪折射可能出現(xiàn)在一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上集中過多的能量，使結(jié)果失真的問題。本研究通過對(duì)SWAN 無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，水深局部調(diào)整等處理以避免出現(xiàn)結(jié)果失真。設(shè)計(jì)不同方向35 m/s的定常風(fēng)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，數(shù)值模擬結(jié)果（圖4） 表明本系統(tǒng)建立的長江口海域SWAN 模型，能夠確保在高風(fēng)速下不出現(xiàn)計(jì)算失真點(diǎn)，能滿足長江口近岸海域各海況，尤其是臺(tái)風(fēng)影響下的近岸海浪數(shù)值模擬。

圖4 長江口杭州灣海域35m/s 的東南風(fēng)情況下的波浪場(chǎng)分布

試驗(yàn)三：極值風(fēng)速條件下，WaveWatch III 模式精度測(cè)試。

臺(tái)風(fēng)期間，將預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)和后報(bào)風(fēng)場(chǎng)作為不同的輸入源，檢驗(yàn)WaveWatch III 模式對(duì)極值風(fēng)速條件下波浪場(chǎng)的刻畫情況。

風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性對(duì)于海浪數(shù)值模擬的精度有著至關(guān)重要的作用。1307 號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“蘇力”和1312 號(hào)臺(tái)風(fēng)“潭美”路徑和強(qiáng)度相似，且都以臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度登陸福建沿海（圖5）。以QF209 浮標(biāo)為例，結(jié)果顯示，“蘇力”的數(shù)值模擬結(jié)果好于“潭美”（圖6）?！疤K力”期間，QF209 浮標(biāo)觀測(cè)有效波高9.3 m，模型計(jì)算值為10.8 m，且波浪增長時(shí)間、趨勢(shì)都與實(shí)測(cè)值一致?！疤睹馈庇绊懫陂g，QF209 浮標(biāo)21日15 時(shí)觀測(cè)到最大有效波高8.3 m，數(shù)值模擬預(yù)報(bào)結(jié)果10.3 m，預(yù)報(bào)結(jié)果存在極值偏高的現(xiàn)象，且波高增長時(shí)間及區(qū)間提前。

圖5 “蘇力”和“潭美”臺(tái)風(fēng)路徑圖

圖6 QF209 浮標(biāo)有效波高24 小時(shí)預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)比對(duì)圖

圖7 “蘇力”后報(bào)結(jié)果與觀測(cè)對(duì)比圖

圖8 “潭美”后報(bào)結(jié)果與觀測(cè)對(duì)比圖

作為對(duì)比試驗(yàn)，本文選取2 次臺(tái)風(fēng)過程的后報(bào)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行過程模擬（圖7-8）。結(jié)果表明采用后報(bào)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，2 次臺(tái)風(fēng)過程的海浪數(shù)值模擬結(jié)果令人滿意。雖然誤差存在，但波高過程極值和波高變化趨勢(shì)與觀測(cè)值非常吻合。尤其是“潭美”臺(tái)風(fēng)過程，在極值量級(jí)上及波高增長時(shí)間上，后報(bào)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于預(yù)報(bào)結(jié)果，主要原因?yàn)椤疤K力”期間臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)準(zhǔn)確且過程中臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度滾動(dòng)調(diào)整幅度小。而“潭美”臺(tái)風(fēng)在強(qiáng)度預(yù)測(cè)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)況，路徑也在預(yù)報(bào)過程中不斷的調(diào)整和修正。因此可見，海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性除了系統(tǒng)本身的參數(shù)設(shè)置和調(diào)整外，尤其是臺(tái)風(fēng)過程，臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 模型驗(yàn)證資料及海洋站位說明

本文所用的實(shí)測(cè)資料是東海區(qū)海洋臺(tái)站大戢山海洋站及海上浮標(biāo)的逐時(shí)觀測(cè)資料。其中浮標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為2013年7月1日00 時(shí)至2013年8月30日23 時(shí)，浮標(biāo)為逐時(shí)整點(diǎn)數(shù)據(jù)（站位見圖9）。

圖9 東海區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)位置分布圖

大戢山島系長江口與杭州灣交匯處孤島，面積僅0.07 km2。測(cè)站海拔高度81 m，測(cè)得的風(fēng)速比海面大。該海洋站的測(cè)波點(diǎn)位于島嶼的東北角，朝向NE，視野開闊，來自NNE—E 向的波浪有很好的代表性。大戢山海洋站的海浪觀測(cè)方式為人工觀測(cè)，每3 小時(shí)1 個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)（分別為08、11、14、17）。文中采用的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列為8月9日00 時(shí)-29日12 時(shí)。

3.2 大區(qū)域WaveWatch III 模式預(yù)報(bào)結(jié)果趨勢(shì)檢驗(yàn)

東中國海的海浪計(jì)算利用西太平洋提供的邊界條件，可以很好地考慮到涌浪及尺度的影響，可以更精確地模擬波浪場(chǎng)。 圖（10-21） 給出了2013年7月1日—8月30日期間浮標(biāo)和海洋站有效波高的觀測(cè)值和計(jì)算值的24 小時(shí)、48 小時(shí)、72 小時(shí)的比對(duì)結(jié)果，模型計(jì)算結(jié)果較好地模擬了有效波高的變化趨勢(shì)，吻合程度較好。即使在臺(tái)風(fēng)影響期間，雖然模型存在“極值偏估”的現(xiàn)象，但波浪總體變化趨勢(shì)的刻畫仍然具有一定的參考價(jià)值。7月和8月東海區(qū)主要受太平洋副熱帶高壓控制，觀測(cè)波高的總體平均值不大；隨著副高的東退和西進(jìn)，但也會(huì)存在明顯的起伏變化過程，數(shù)值模擬的結(jié)果也很好地刻畫波動(dòng)變化趨勢(shì)。

圖10 QF 209 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（24 小時(shí)）

圖11 QF 209 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（48 小時(shí)）

圖12 QF 209 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（72 小時(shí)）

圖13 QF 210 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（48 小時(shí)）

圖14 QF 210 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（48 小時(shí)）

圖15 QF 210 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（72 小時(shí)）

圖16 QF 208 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（24 小時(shí)）

圖17 QF 208 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（48 小時(shí)）

圖18 QF 208 預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（72 小時(shí)）

圖19 南麂站預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（24 小時(shí)）

圖20 南麂站預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（48 小時(shí)）

檢驗(yàn)結(jié)果表明在普通天氣條件下，WaveWatch III 可以較準(zhǔn)確提供不同尺度分辨率和精確性的波浪場(chǎng)，且較好描述大區(qū)域波一波非線性相互作用。但在水深較淺的近岸，WaveWatch III 的模擬結(jié)果不甚理想（圖21）。主要是因?yàn)閃aveWatch III 模式計(jì)算采用的是矩形網(wǎng)格，不能精細(xì)化的刻畫長江口杭州灣的復(fù)雜地形。同時(shí)WaveWatch III 模式采用了深水條件下的彌散關(guān)系，這是線性化波浪控制方程所得到的，雖然模式對(duì)淺水加了修正項(xiàng)，但對(duì)于有限水深，非線性作用明顯的時(shí)候模式精度還是不足，特別是對(duì)有限水深的短波的模擬顯得不足。

圖21 南麂站預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值對(duì)比（72 小時(shí)）

3.3 近岸小區(qū)域SWAN 模式預(yù)報(bào)結(jié)果趨勢(shì)檢驗(yàn)

WaveWatch III 模式對(duì)有限水深的模擬存在不足，為滿足沿岸港口碼頭等重點(diǎn)保障目標(biāo)的精細(xì)化預(yù)報(bào)的需求，近岸采用WaveWatch III 和SWAN 模式嵌套計(jì)算。修改WaveWatch III 和SWAN 的嵌套接口，利用WaveWatch III 模擬大區(qū)波浪場(chǎng)，輸出小區(qū)嵌套邊界的二維譜，并將邊界譜值賦給SWAN，為小區(qū)域的波浪場(chǎng)計(jì)算提供邊界條件。模式的嵌套接口不要求兩套模式譜空間設(shè)置一致，但為了保證連續(xù)性，將兩套模式的譜空間設(shè)置相同。

圖22 大戢山海洋站W(wǎng)aveWatch III 模型輸出結(jié)果與實(shí)測(cè)比對(duì)圖

圖23 大戢山海洋站SWAN 模型輸出結(jié)果與實(shí)測(cè)比對(duì)圖

圖22 給出了大戢山海洋站有效波高的觀測(cè)值和 WaveWatch III 模式輸出結(jié)果的比對(duì)，WaveWatch III 模式模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)況的平均絕對(duì)誤差為0.34 m，平均相對(duì)誤差為43%。顯示計(jì)算的有效波高小于觀測(cè)值，且變化趨勢(shì)模擬精度不高。圖23 顯示了SWAN 模型的計(jì)算精度得到了明顯改善，平均絕對(duì)誤差為0.13 m，平均相對(duì)誤差為24%。說明采用嵌套方案，使得風(fēng)浪可以充分成長或者能充分考慮涌浪對(duì)計(jì)算站點(diǎn)結(jié)果的影響、邊界條件的處理也更加合理，還能節(jié)省計(jì)算耗時(shí)。同時(shí)也證明本系統(tǒng)建立的SWAN 模型，其地形數(shù)據(jù)精細(xì)，網(wǎng)格設(shè)置合理，更適合長江口海域近岸淺水波浪的數(shù)值模擬。

3.4 海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的誤差分析

基本統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)參數(shù)絕對(duì)誤差A(yù)E、相對(duì)誤差RE、平均絕對(duì)誤差MAE、平均相對(duì)誤差RAE 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定量分析（表3）。計(jì)算公式如下：

絕對(duì)誤差：

相對(duì)誤差：

其中Ci為計(jì)算值；Oi為觀測(cè)值。

表3 計(jì)算結(jié)果表明：24 小時(shí)的平均絕對(duì)誤差在0.12～0.32 m 之間，平均相對(duì)誤差在13%～21%之間；48 小時(shí)的平均絕對(duì)誤差在0.13～0.54 m 之間，平均相對(duì)誤差在22%～34%之間；72 小時(shí)的平均絕對(duì)誤差在0.11～0.70 m 之間，平均相對(duì)誤差在31%～50%之間?？傮w24 小時(shí)誤差好于48 小時(shí)好于72 小時(shí)，誤差極值主要由臺(tái)風(fēng)過程引起。去除臺(tái)風(fēng)過程后，QF 209 浮標(biāo)的預(yù)報(bào)精度提高顯著，72 小時(shí)之內(nèi)的預(yù)報(bào)誤差平均絕對(duì)誤差在0.23 m 以下，相對(duì)誤差在23%以下，表明在普通天氣條件下，WaveWatch III 能夠準(zhǔn)確提供不同尺度分辨率的波浪場(chǎng)。

表3 各觀測(cè)站點(diǎn)24、48、72 小時(shí)預(yù)報(bào)誤差分析

為了分析預(yù)報(bào)誤差的主要分布區(qū)間，將各統(tǒng)計(jì)樣本的絕對(duì)誤差A(yù)E 和相對(duì)誤差RE 進(jìn)行分級(jí)累積頻率統(tǒng)計(jì)（圖24），可以明顯看出誤差的主要區(qū)間分布。計(jì)算公式為如下

表4 各觀測(cè)站點(diǎn)24、48、72 累積誤差分析表

絕對(duì)誤差出現(xiàn)概率：

相對(duì)誤差出現(xiàn)概率：

表4 顯示浮標(biāo)的有效波高24 小時(shí)、48 小時(shí)和72 小時(shí)的平均絕對(duì)誤差小于0.5 米的出現(xiàn)概率在70%左右，海洋站平均絕對(duì)誤差小于0.5 m 的出現(xiàn)概率相對(duì)較低，但也維持在60%以上。平均絕對(duì)誤差小于1.0 m 的出現(xiàn)概率達(dá)到80 %左右，平均絕對(duì)誤差小于1.5 m 的出現(xiàn)概率達(dá)到幾乎達(dá)到95%，2 m 以上的極值過程主要是由臺(tái)風(fēng)引起的。平均相對(duì)誤差小于30%的出現(xiàn)概率達(dá)到60%，說明模型結(jié)果的可用性。平均相對(duì)誤差大于50%的出現(xiàn)概率占極少數(shù)，同樣是由于臺(tái)風(fēng)過程引起。

4 結(jié)論

本文根據(jù)釣魚島海域巡航執(zhí)法、沿岸重點(diǎn)保障目標(biāo)精細(xì)化預(yù)報(bào)等海浪業(yè)務(wù)化預(yù)警報(bào)工作需求，基于中心研發(fā)的WRF 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)源，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的WaveWatch III 和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SWAN 模型嵌套計(jì)算，建立一套適用于東海區(qū)和沿海近岸的海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系。結(jié)果表明：

（1） 本文建立的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，大區(qū)域采用WaveWatch III 模式，計(jì)算效率得到顯著提高，系統(tǒng)的“時(shí)效性”得到保證。

（2） 近岸區(qū)域采用SWAN 模型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算，通過對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，水深平滑等處理，確保高風(fēng)速條件下不出現(xiàn)數(shù)值耗散問題，保證了系統(tǒng)的“穩(wěn)定性”。

（3） 臺(tái)風(fēng)過程雖然存在“高值高估”的現(xiàn)象，但波浪的增長趨勢(shì)和變化區(qū)間仍值得參考和借鑒。通過后報(bào)風(fēng)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，波浪模擬精度顯著提高。說明高風(fēng)速條件下WaveWatch III 模型能較準(zhǔn)確模擬海浪場(chǎng)，但風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性對(duì)海浪模擬至關(guān)重要。

（4） 誤差分析表明WaveWatch III 能夠準(zhǔn)確提供均有不同尺度分辨率的波浪場(chǎng)，預(yù)報(bào)24 小時(shí)平均絕對(duì)誤差在0.3 m 以下，平均相對(duì)誤差在20 %以內(nèi)；預(yù)報(bào)48 小時(shí)的平均絕對(duì)誤差在0.5 m 以下，平均相對(duì)誤差在35%以內(nèi)；72 小時(shí)平均絕對(duì)誤差在0.7 m 以下，平均相對(duì)誤差在50%以內(nèi)。

（5） 相較于大面，WaveWatch III 近岸站點(diǎn)結(jié)果模擬不理想。近岸選取SWAN 模型，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格嵌套計(jì)算方案，模擬結(jié)果與大戢山的實(shí)測(cè)資料比對(duì)，平均絕對(duì)誤差為0.13 m，平均相對(duì)誤差為24%，模擬結(jié)果顯著改善。

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