張俊明，張 濤，杜 洋，常 江，肖 輝

(1.中海油海南能源有限公司，?？?570105；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè) 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

我國(guó)南海是貿(mào)易運(yùn)輸、資源開發(fā)等重要區(qū)域，對(duì)南海風(fēng)、浪條件的了解和把握也十分必要和迫切。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者就南海地區(qū)風(fēng)、浪特征做了大量研究，包括衛(wèi)星觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值再分析以及數(shù)值模型計(jì)算等多種資料。Wu等[1]利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的再分析風(fēng)應(yīng)力資料分析了1992～1995年間南海氣旋的季節(jié)和年際變化特征。Hwang和Chen[2]利用ERS-1/2衛(wèi)星觀測(cè)的5 a海面風(fēng)應(yīng)力資料研究了南海風(fēng)場(chǎng)從季節(jié)到年際的變化特征。裘沙怡等[3]通過QuikSCAT衛(wèi)星觀測(cè)的10 a風(fēng)及16 a波浪資料分析了整個(gè)南海區(qū)域風(fēng)、浪特性及變化特性。林剛[4]使用CCMP風(fēng)場(chǎng)資料分析了南中國(guó)海海域的風(fēng)特征，并將其用于WAVEWATCH III模式計(jì)算了南海1988年8月～2011年7月的波浪場(chǎng)。俞慕耕[5]利用1958～1972年間海上船舶觀測(cè)氣象資料，分析了南海海域波高、周期、波向等要素特性。周良明[6]等以30 a再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，使用WAVEWATCH III模式，對(duì)1976～2005年的南海海域波浪場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和分析。鄭崇偉和李訓(xùn)強(qiáng)[7]利用WAVEWATCH III模式，以QuickSCAT/NECP混合風(fēng)場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，計(jì)算了南海1999～2008共10 a的海浪場(chǎng)，對(duì)其波浪特征進(jìn)行了分析。宗芳伊和吳克儉[8]使用WRF模式生成的再分析風(fēng)場(chǎng)及SWAN海浪模型，計(jì)算了南海海域1986年1月～2005年12月的高分辨率波浪場(chǎng)。尹洪強(qiáng)[9]統(tǒng)計(jì)了總計(jì)65 a的熱帶風(fēng)暴，進(jìn)行南海臺(tái)風(fēng)浪模擬，推算了不同重現(xiàn)期波要素。張澤方[10]、沈旭偉[11-12]和金羅斌[13]等都對(duì)南海臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算進(jìn)行了研究。此外還有學(xué)者對(duì)南海海域的波浪進(jìn)行了多方面的研究[14-18]。

綜上，學(xué)者們使用多種數(shù)據(jù)和手段對(duì)南海整體的風(fēng)、浪時(shí)空分布特性進(jìn)行了研究，并通過數(shù)值計(jì)算的方法一定程度上提升了風(fēng)、浪數(shù)據(jù)獲取精度。本文針對(duì)南海海域，使用NCEP歷史再分析風(fēng)場(chǎng)資料作為中尺度大氣模式WRF輸入的背景風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過WRF計(jì)算得到高精度風(fēng)場(chǎng)，其中南海海域頻發(fā)的臺(tái)風(fēng)和熱帶氣旋場(chǎng)采用ARW模塊計(jì)算。其次使用風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)，通過WAVEWATCH III波浪模型和SWAN波浪模型嵌套方式計(jì)算得到南海海域高精度波浪場(chǎng)，WAVEWATCH III采用矩形網(wǎng)格，SWAN模型中采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)用實(shí)測(cè)和衛(wèi)星觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，最后對(duì)南海海域風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)特性進(jìn)行分析研究。

1 風(fēng)浪數(shù)值計(jì)算方法

圖1 風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算流程圖Fig.1 Flow diagram of mathematical models for calculation of wind and wave fields

本文所采用的數(shù)學(xué)模型包括中尺度大氣模式WRF及WAVEWATCH III和SWAN波浪模型。WRF作為整個(gè)中國(guó)海海域高精度風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算模型，WAVEWATCH III作為中國(guó)海大范圍海域的波浪場(chǎng)計(jì)算模型，SWAN波浪模型用于計(jì)算南海海域波浪場(chǎng)。具體計(jì)算流程如圖1所示。

1.1 WRF氣象模式

本項(xiàng)目基于美國(guó)最新的中尺度區(qū)域模式WRF V4.0建立海面再分析風(fēng)場(chǎng)計(jì)算的數(shù)值模型，物理過程包括YSU邊界層方案，Betts_Miller_Janjic積云對(duì)流方案，NCEP(National Centers for Environmental Prediction)3類簡(jiǎn)單云微物理過程，RRTM(Rapid Radiative Transfer Model)長(zhǎng)波輻射方案，Dudhia短波輻射方案，熱力混合近地面層方案。該模式主要特色包括完全可壓縮靜力平衡方程(帶有靜力平衡選項(xiàng))，包括4種類型地圖投影(即極射赤面投影、蘭勃特投影、墨卡托投影和經(jīng)緯度投影)，適合于區(qū)域和全球尺度，具有單向、雙向和移動(dòng)嵌套能力，垂直方向采用地形跟隨坐標(biāo)且垂直格距隨高度可變，水平離散采用Arakawa C網(wǎng)格，時(shí)間積分采取三階龍格—庫(kù)塔(Runge-Kutta)時(shí)間積分方案。此外，該模塊中還包括了完整的物理過程選項(xiàng)，包括21種微物理過程方案、11種積云對(duì)流方案、7種輻射方案、12種行星邊界層方案、7種陸面過程方案。運(yùn)用WRF中的ARW模塊，選用合適邊界層方案和積云對(duì)流參數(shù)化方案，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)或氣旋的準(zhǔn)確模擬。

風(fēng)場(chǎng)模擬計(jì)算的同化系統(tǒng)采用與WRF配套的WRF-DA同化系統(tǒng)，該同化系統(tǒng)通過更好的初始條件和誤差分析，經(jīng)迭代函數(shù)計(jì)算，對(duì)WRF模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了改進(jìn)。

1.2 WAVEWATCH III波浪模式

WAVEWATCH III是由美國(guó)NOAA/NCEP環(huán)境模擬中心海洋模擬小組(OCEAN MODELING BRANCH)開發(fā)的一個(gè)全譜空間的第三代海浪模式。該模式在WAM模式的基礎(chǔ)上對(duì)控制方程、程序結(jié)構(gòu)、數(shù)值和物理的處理方法等做了改進(jìn)，使得該模式不僅在考慮波流相互作用和風(fēng)浪物理機(jī)制方面更加合理，而且可采用并行計(jì)算。

1.3 SWAN波浪計(jì)算模式

SWAN (Simulating Waves Nearshore)是由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)(Delft University of Technology)研制開發(fā)的第三代近岸淺水海浪數(shù)值計(jì)算模式，采用基于能量守恒原理的平衡方程，除了考慮第三代海浪模式共有的特點(diǎn)，它還充分考慮了模式在淺水模擬的各種需要。首先SWAN模式選用了全隱式的有限差分格式，無條件穩(wěn)定，使計(jì)算空間網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)上不會(huì)受到牽制；其次在平衡方程的各源項(xiàng)中，除了風(fēng)輸入、四波相互作用、破碎和摩擦項(xiàng)等，還考慮了深度破碎(Depth-induced wave breaking)的作用和三波相互作用。

2 數(shù)值計(jì)算范圍

(1)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算范圍。

模型中風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算范圍為0°N, 101°E ～44°N, 135°E，水平分辨率為0.1°。

(2)大范圍波浪場(chǎng)計(jì)算。

在大范圍的波浪場(chǎng)計(jì)算時(shí)，考慮到SWAN模型在計(jì)算大范圍波浪場(chǎng)時(shí)耗散較大以及計(jì)算效率，本文使用WAVEWATCH III模式，其計(jì)算范圍與風(fēng)場(chǎng)范圍一致，分辨率為0.1°×0.1°。時(shí)間跨度為1990年1月1日0時(shí)～2019年12月31日21時(shí)，時(shí)間分辨率3 h，邊界條件由全球波浪模型提供，計(jì)算結(jié)果可以為南海海域波浪計(jì)算提供邊界條件。

(3)南海波浪場(chǎng)計(jì)算。

南海海域波浪場(chǎng)計(jì)算時(shí)，本文使用SWAN模型進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算模型與WAVEWATCH III模式嵌套，計(jì)算范圍為2.7°N, 103.5°E ～25.1°N, 123.1°E，時(shí)間跨度與大范圍波浪場(chǎng)相同，時(shí)間分辨率為1 h。計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，在局部加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.002°。

3 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

3.1 實(shí)測(cè)資料檢驗(yàn)

本文選取2014年7月期間途經(jīng)南海201409號(hào)“威馬遜”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)WRF模型模擬本次臺(tái)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來源于2014～2015年期間位于廣東茂名粵西LNG碼頭項(xiàng)目氣象站測(cè)量的風(fēng)和波浪資料。經(jīng)WRF模型計(jì)算得到的風(fēng)速、波要素與實(shí)測(cè)資料對(duì)比見圖2，從結(jié)果對(duì)比來看，計(jì)算結(jié)果均與實(shí)測(cè)值較為吻合，說明本文采用的模型計(jì)算方法合理可信。

圖2 計(jì)算風(fēng)速和波高與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison between calculated results of wind speed and wave height and the measured results

3.2 衛(wèi)星資料檢驗(yàn)

除與海面實(shí)測(cè)資料對(duì)比外，同時(shí)利用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證。2015年10月“彩虹”臺(tái)風(fēng)途徑期間，JASON-2衛(wèi)星經(jīng)過南海海域上空，對(duì)該海域風(fēng)和波浪進(jìn)行了觀測(cè)，利用PASS：51的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖3，圖中橫坐標(biāo)為衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)。由對(duì)比曲線可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果吻合很好。

圖3 計(jì)算風(fēng)速和波高與衛(wèi)星資料對(duì)比Fig.3 Comparison between calculated wind speed and wave height and the satellite data

4 風(fēng)、浪特征分析

本文利用計(jì)算得到的南海海域30 a(1991～2020)逐時(shí)風(fēng)、浪場(chǎng)結(jié)果，對(duì)整個(gè)南海海域的風(fēng)、浪特征進(jìn)行分析，包括其多年平均風(fēng)速和波高、周期的分布特征，以及整個(gè)南海在不同月份的分布變化情況。在南海選取一個(gè)特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)處30 a的風(fēng)和波浪數(shù)據(jù)，對(duì)特征點(diǎn)的風(fēng)和波浪要素特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用P-III型曲線擬合推算其不同重現(xiàn)期的風(fēng)速和波高。

4.1 風(fēng)場(chǎng)特性

圖4 特征點(diǎn)風(fēng)玫瑰圖Fig.4 Wind rose at monitoring station

4.1.1 年平均風(fēng)速

根據(jù)WRF模式計(jì)算得到的南海平均風(fēng)速分布情況，整個(gè)南海西北區(qū)域有一個(gè)大風(fēng)速區(qū)，在這個(gè)風(fēng)速區(qū)上有幾處風(fēng)速較大的位置，主要集中在臺(tái)灣海峽、巴士海峽、菲北海峽等，最大平均風(fēng)速可達(dá)8.5m/s以上。南海南部多年平均風(fēng)速在7.5 m/s以下，北部灣風(fēng)速約為6.5 m/s。從特征點(diǎn)的風(fēng)玫瑰圖(見圖4)可以看出風(fēng)向以東北向和西南向風(fēng)為主。

4.1.2 風(fēng)場(chǎng)隨月份變化

整個(gè)南海風(fēng)場(chǎng)受不同季節(jié)季風(fēng)影響，在不同的月份平均風(fēng)速大小及分布特性存在較大區(qū)別。冬季南海主要受東北季風(fēng)影響，風(fēng)速相對(duì)較大，整個(gè)南海全年最大平均風(fēng)速出現(xiàn)在12月份，大風(fēng)速區(qū)域集中在臺(tái)灣海峽、巴士海峽和菲北海峽及附近海域，平均風(fēng)速可達(dá)11.5 m/s以上；夏季主要呈現(xiàn)西南季風(fēng)特性，7月和8月期間受臺(tái)風(fēng)和熱帶氣旋等影響，風(fēng)速也相對(duì)較大，7月份風(fēng)速最大，大風(fēng)速區(qū)域集中在南海中南部海域，最大平均風(fēng)速超過10.5 m/s；其他月份為季風(fēng)轉(zhuǎn)換過渡時(shí)期，風(fēng)速相對(duì)較小，全年風(fēng)速最小時(shí)期為5月份，此時(shí)北部灣有相對(duì)較大的風(fēng)速，最大平均風(fēng)速超過6.5 m/s。

表1 特征點(diǎn)重現(xiàn)期風(fēng)速Tab.1 Recurrence wind speed at monitoring station m/s

4.1.3 特征點(diǎn)重現(xiàn)期風(fēng)速

根據(jù)特征點(diǎn)位各向30 a每年風(fēng)速極值，采用P-III型極值分布進(jìn)行重現(xiàn)期風(fēng)速分析，圖5為東北向和西南向風(fēng)速P-III型極值分布曲線圖。通過分析得到該點(diǎn)處各方向重現(xiàn)期風(fēng)速(見表1)，其中100 a一遇極值風(fēng)速為48.6 m/s，為東北向。特征點(diǎn)所在位置東北和西南向海域更為開闊，風(fēng)速較大，其他方向受到中尺度地形影響，風(fēng)速相對(duì)較小。

4.2 波浪場(chǎng)特性

4.2.1 年平均有效波高和周期

根據(jù)WAVEWATCH III模式和SWAN模型嵌套計(jì)算得到的南海30 a高分辨率波浪場(chǎng)，將計(jì)算得到的30 a逐時(shí)有效波高和平均周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到平均有效波高和周期的分布，南海自南向北平均有效波高和平均周期均逐漸增大，波高變化幅度較大，周期變化較小。

巴士海峽、菲北海峽及其西側(cè)海域和越南東南海域平均有效波高較大，可達(dá)1.8 m以上，巴士海峽、菲北海峽平均周期超過7 s，越南東南海域平均周期大于6 s。北部灣海域和南海南部海域的波高和周期都較小，平均有效波高在1.5 m以下，北部灣海域波浪平均周期約為4.5 s，南海南部海域平均周期多在6.0 s以下。

圖6 征點(diǎn)波浪玫瑰圖Fig.6 Wave rose of wave height at monitoring station

特征點(diǎn)處的波浪玫瑰圖如圖6所示，波浪以東北向浪為主，其次為西南向、北向和西向，由于該位置東北側(cè)和北側(cè)海域較為寬闊，受到東北季風(fēng)的影響較大，大浪主要出現(xiàn)在東北向和北向。

4.2.2 波浪場(chǎng)隨月份變化

南海海域的波浪在不同月份的分布和特性與風(fēng)場(chǎng)類似，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。11月至次年2月期間，東北季風(fēng)影響下，南海海域的平均有效波高和周期相對(duì)較大，月平均有效波高和周期最大在12月，平均有效波高可達(dá)3 m以上，平均周期超過7.5 s，大波浪集中在巴士海峽、菲北海峽群及其西側(cè)海域、越南東南海域和南海中部海域。7月和8月期間受臺(tái)風(fēng)和熱帶氣旋等影響，平均有效波高和周期也相對(duì)較大，最大值同樣在7月份，月平均有效波高能夠達(dá)到2.1 m，月平均周期超過7 s。與風(fēng)場(chǎng)變化趨勢(shì)相似，在季風(fēng)轉(zhuǎn)換期間波高和周期較小，最小值同樣發(fā)生在5月份，月平均有效波高最大約為0.9 m，平均周期最大值約為6.5 s，此時(shí)大波浪集中在南海北部海域。

表2 特征點(diǎn)重現(xiàn)期波高Tab.2 Recurrence significant wave height at monitoring station m

4.2.3 特征點(diǎn)重現(xiàn)期波浪

根據(jù)特征點(diǎn)位各向30 a每年波高極值，采用P-III型極值分布進(jìn)行重現(xiàn)期波要素分析，圖7為東北向和北向波高P-III型極值分布曲線圖。通過分析得到該點(diǎn)處各方向重現(xiàn)期波高如表2所示，其中100 a一遇極值波高為11.6 m，為東北向。特征點(diǎn)位置東北、北側(cè)和西南海域較為開闊，偏北側(cè)受到較大的東北季風(fēng)影響，在東北和北向形成較大的波浪。

5 結(jié)論

本文使用中尺度大氣模式WRF及其ARW模塊，基于1991～2020年持續(xù)30 a NCEP歷史再分析風(fēng)場(chǎng)，計(jì)算得到了大范圍內(nèi)的高分辨率風(fēng)場(chǎng)。使用WAVEWATCH III和SWAN波浪模型，采用WRF計(jì)算風(fēng)場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，建立最小網(wǎng)格尺寸為0.002°的南海海域風(fēng)、浪要素多尺度高精度嵌套模型，通過計(jì)算得到整個(gè)南海波浪場(chǎng)。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)和衛(wèi)星資料進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算得到的南海風(fēng)、浪資料的準(zhǔn)確性。最后，對(duì)南海海域風(fēng)、浪空間和時(shí)間分布特性和特征點(diǎn)風(fēng)、浪特性進(jìn)行了分析，并推算了特征點(diǎn)處不同重現(xiàn)期的風(fēng)、浪要素極值。主要結(jié)論有：

南海西北海域存在一個(gè)大風(fēng)速區(qū)，最大風(fēng)速集中在臺(tái)灣海峽、巴士海峽、菲北海峽和越南東南海域，年平均風(fēng)速可達(dá)8.5 m/s。南海因受到季風(fēng)影響，不同月份平均風(fēng)速和分布差別較大：東北季風(fēng)作用下最大風(fēng)速發(fā)生在12月份，大風(fēng)速區(qū)域集中于南海北部，最小風(fēng)速發(fā)生在5月份，此時(shí)北部灣風(fēng)速較大，在臺(tái)風(fēng)和熱帶氣旋作用下，7月份為夏季風(fēng)速最大時(shí)期，大風(fēng)速區(qū)域位于越南東南海域和南海中南部海域。

南海海域的大浪區(qū)域位于巴士海峽和菲北海峽群及西部海域和越南東南海域，平均有效波高超過1.8 m，巴士海峽和菲北海峽群及西部海域周期超過7.0 s。除夏季臺(tái)風(fēng)頻發(fā)季節(jié)外，南海海域的平均有效波高和平均周期從北向南逐漸減小，在夏季，南海中部有著相對(duì)較大的波高和周期。在東北季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)頻繁時(shí)期，最大波高月份與最大風(fēng)速月份相同，為12月和7月，平均有效波高最大超過3 m，平均周期可達(dá)7.5 s。5月份也為全年南海波高最小的時(shí)期，最大波高僅有0.9 m。