劉艷貴，徐瑞，侯放，邢闖，李本霞，張曉輝，傅望安，王海明，劉鑫，尹鐵男

（1.華能（浙江）能源開發(fā)有限公司，浙江杭州 310006；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；3.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

福建省管轄海域位于東海南部和臺灣海峽地區(qū)，易受到臺風(fēng)和冷空氣引起的災(zāi)害性海浪影響。根據(jù)福建省海洋與漁業(yè)局公布的《福建省海洋災(zāi)害公報(bào)》顯示，2011—2020年福建省由海浪災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)6 844 萬元，死亡（含失蹤）105 人。因此科學(xué)、全面地開展福建省海域的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性評估工作，對提升福建省海洋災(zāi)害防治能力、保障福建省海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性評估工作始于21世紀(jì)初。2003年9月，國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項(xiàng)”，該專項(xiàng)的實(shí)施積累了一大批海洋基礎(chǔ)資料和海洋災(zāi)害專項(xiàng)資料，但尚未系統(tǒng)地研究和建立海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估體系。2011 年7 月，國務(wù)院要求原國家海洋局開展全國海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作，國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心編制完成了《海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估和區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則第2 部分：海浪》，初步形成了比較全面、系統(tǒng)的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性評估方法，即利用成熟的海浪數(shù)值模型構(gòu)建不少于30 年的海浪再分析數(shù)據(jù)集，并以此數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)開展典型重現(xiàn)期和頻率的浪高分析，并計(jì)算海浪危險(xiǎn)性指數(shù)。

1 海浪再分析數(shù)據(jù)集構(gòu)建

1.1 海浪模式設(shè)置

本文以三代譜模式WAVEWATCH Ⅲ為基礎(chǔ)構(gòu)建海浪再分析數(shù)據(jù)集。該模式由美國國家環(huán)境預(yù)報(bào) 中 心（National Centers for Environmental Prediction）開發(fā)，2003 年3 月正式成為全球業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)模式[1]，英國國家氣象局（Met Office）也基于WAVEWATCH Ⅲ搭建了業(yè)務(wù)化的全球-區(qū)域海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及業(yè)務(wù)化海浪集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)[2-3]。WAVEWATCH Ⅲ也廣泛應(yīng)用于海浪后報(bào)和波候研究[4-6]，國內(nèi)的大量學(xué)者也利用它針對中國近海各個海區(qū)進(jìn)行建模，模擬結(jié)果得到廣泛認(rèn)可[7-10]。

本文采用了全球-西北太平洋-中國近海海區(qū)三層單向嵌套方案，其中全球分辨率為0.25°，西北太平洋區(qū)域分辨率為0.1°，中國近海區(qū)域分辨率為1/30°。

本文中所使用的的風(fēng)場為NCEP的氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)再分析（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR）資料，分辨率為0.5°×0.5°，CFSR 是一套高分辨率的海-陸-氣-海冰耦合的全球再分析資料，時間為1979年1月—2020年12月。

本文所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及模式配置見表1。

表1 模式配置表Tab.1 Model configuration

1.2 海浪再分析數(shù)據(jù)計(jì)算

計(jì)算時以自然月為單位進(jìn)行逐月計(jì)算，月與月之間采用熱啟動，保證了數(shù)據(jù)在時間上的連續(xù)性。不同尺度模型之間利用嵌套邊界的格點(diǎn)進(jìn)行信息交換，保證了數(shù)據(jù)在空間上的連續(xù)性。具體計(jì)算流程見圖1。

圖1 海浪再分析數(shù)據(jù)計(jì)算流程Fig.1 Flowchart of wave reanalysis process

1.3 海浪再分析數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

本文利用海浪浮標(biāo)觀測資料，對福建省海域再分析海浪場開展一般海況和強(qiáng)海況下的檢驗(yàn)。一般海況的檢驗(yàn)時間跨度為2019 年1—12 月。檢驗(yàn)結(jié)果見圖2和表2。

圖2 （續(xù)）Fig.2 (Continued)

圖2 浮標(biāo)實(shí)測波高與再分析浪場對比Fig.2 Comparison of significant wave height between the reanalysis data and the records of the buoy

表2 一般海況下浮標(biāo)實(shí)測波高與再分析浪場對比結(jié)果Tab.2 Significant wave height validation results under general sea state

本文選取影響福建省海域的8次大浪過程進(jìn)行強(qiáng)海況下有效波高的檢驗(yàn)，其中包括5 次臺風(fēng)過程以及3 次冷空氣浪過程。檢驗(yàn)結(jié)果見表3。從結(jié)果可以看出，本文建立的海浪再分析數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地模擬出福建海域海浪有效波高的時空演變規(guī)律，有效波高≥2 m 的預(yù)報(bào)平均相對誤差為9%～15%，對于臺風(fēng)以及強(qiáng)冷空氣造成的大浪過程也具備良好的模擬能力。

表3 強(qiáng)海況下浮標(biāo)實(shí)測波高與再分析浪場對比結(jié)果Tab.3 Significant wave height validation results under severe sea state

2 福建省近海海浪危險(xiǎn)性評估

2.1 典型重現(xiàn)期浪高分布

基于福建省海域的海浪再分析數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計(jì)確定每個格點(diǎn)上海浪有效波高的年極值序列，然后采用Weibull分布極值推算方法，計(jì)算確定每個格點(diǎn)上典型重現(xiàn)期的有效波高，獲得福建省海域典型重現(xiàn)期的浪高分布。重現(xiàn)期分別考慮2 年一遇、5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇的情況。

使用非線性最小二乘法擬合得到三參數(shù)Weibull 分布，并得到對應(yīng)重現(xiàn)期T的計(jì)算公式，據(jù)此計(jì)算每個格點(diǎn)上海浪要素的多年重現(xiàn)期值。對變量x來說，三參數(shù)Weibull 分布的累計(jì)概率分布函數(shù)取值大于x的概率為：

式中：α、β、γ分別稱為形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)，α＞0，β＞0。y(x)的倒數(shù)T稱為重現(xiàn)期。變換為x的函數(shù)，即可求解重現(xiàn)期為T的變量x的值。計(jì)算公式為：

在利用Weibull分布曲線推算多年一遇波高時，分布函數(shù)與浪高資料的擬合采用《海港水文規(guī)范》中推薦的定位概率公式。最終得到的福建省海域典型重現(xiàn)期浪高分布見圖3。

圖3 福建省海域典型重現(xiàn)期浪高分布Fig.3 Wave height in the typical return periods in the coastal waters of Fujian Province

福建省海域2 年一遇有效波高極值（9～14 m）出現(xiàn)在閩東漁場（東海南部）；閩中、閩南漁場（臺灣海峽）2 年一遇有效波高小于6 m，只有在100 年一遇重現(xiàn)期下才會出現(xiàn)超過9 m 的有效波高；閩外漁場在50 年一遇重現(xiàn)期下會出現(xiàn)大于14 m 的有效波高；臺灣淺灘漁場部分海域在100 年一遇重現(xiàn)期下才會出現(xiàn)14 m以上的有效波高。

2.2 危險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算

按照《海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估和區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則第2部分：海浪》的劃分，將每個格點(diǎn)上有效波高（Hs）的大小分為特強(qiáng)、強(qiáng)、較強(qiáng)、一般4 個等級，分別對應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。福建省海域海浪強(qiáng)度等級劃分見表4。

表4 近海海域海浪強(qiáng)度等級劃分Tab.4 Classification of wave intensity in offshore waters

基于福建省海域海浪再分析數(shù)據(jù)集，分別計(jì)算每個格點(diǎn)上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級有效波高的年平均出現(xiàn)次數(shù)或小時數(shù)。計(jì)算每個格點(diǎn)的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性參數(shù)Hw，計(jì)算公式為：

式中：N1—N4分別為Ⅰ—Ⅳ級有效波高的年平均出現(xiàn)次數(shù)。將每個格點(diǎn)上的危險(xiǎn)性參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化后的危險(xiǎn)性指數(shù)Hwn，并統(tǒng)計(jì)4 級浪高出現(xiàn)的頻率，結(jié)果見圖4。福建省近海海域海浪危險(xiǎn)性等級最高的區(qū)域?yàn)榕_灣淺灘漁場東部（Ⅰ級）；閩中、閩南、閩外漁場大部分海域的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性等級為Ⅲ級或Ⅳ級；臺灣海峽中部區(qū)域海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性等級較高，為Ⅱ級；閩東漁場西部的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性自西向東逐漸增加，最高級別為Ⅱ級。

圖4 福建省海域海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性分布Fig.4 Distribution of hazard of wave disasters in the coastal waters of Fujian Province

2.3 月平均各級浪高出現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì)

福建省海域易受到臺風(fēng)和冷空氣引起的災(zāi)害性海浪影響，有效波高呈現(xiàn)較明顯的季節(jié)特點(diǎn)。本文統(tǒng)計(jì)了福建省海域Ⅳ級（巨浪）、Ⅲ級（狂浪）、Ⅱ級（狂濤）、Ⅰ級（怒濤）浪高的月平均出現(xiàn)頻次，結(jié)果見圖5。從圖中可以看出，福建省海域浪高分布具有非常明顯的季節(jié)變化特征，秋季和冬季的巨浪出現(xiàn)頻率明顯高于夏季和春季，且分布范圍更加廣闊；冬半年巨浪在臺灣淺灘漁場以南海域、閩外漁場、釣魚島附近海域、臺灣海峽中部出現(xiàn)頻率較高，夏半年巨浪僅在閩外漁場、釣魚島附近海域出現(xiàn)頻率較高；狂浪過程主要由臺風(fēng)浪引起，所以夏半年的出現(xiàn)頻率明顯高于冬半年，外部海域高于近海海域；受臺風(fēng)影響，夏半年閩外漁場、釣魚島附近海域、臺灣淺灘漁場以南海域狂浪過程的出現(xiàn)頻率明顯上升；狂濤過程均由臺風(fēng)浪引起，均出現(xiàn)在夏半年的外部海域，如在閩外漁場、釣魚島附近海域、臺灣淺灘漁場以南海域均有出現(xiàn)，但在臺灣海峽出現(xiàn)頻率很低；怒濤過程均由臺風(fēng)浪引起，僅出現(xiàn)在7—8月閩外漁場的外部海域。

圖5 福建省海域各級浪濤月平均出現(xiàn)頻率分布Fig.5 Monthly average frequency distribution of different levels of wave height in the coastal waters of Fujian Province

3 結(jié)論

本文基于數(shù)值后報(bào)模擬分析結(jié)果，開展了福建省海域海浪災(zāi)害危險(xiǎn)性評估工作，評估成果可為沿海海洋功能區(qū)劃、海上大型工程選址及設(shè)計(jì)、海洋防災(zāi)減災(zāi)等提供重要參考。主要評估結(jié)論如下：

①臺灣淺灘漁場以南海域、閩外漁場、釣魚島附近海域、閩東漁場東北和閩南漁場中北部的海浪危險(xiǎn)等級較高。

②福建省海域有效波高分布具有明顯的季節(jié)變化特征，冬季受冷空氣的影響，巨浪出現(xiàn)頻次最高，夏季受臺風(fēng)影響，較易出現(xiàn)狂浪以上的海浪過程。

③受地形影響，冬季臺灣海峽中部區(qū)域的巨浪出現(xiàn)頻率高于海峽其他區(qū)域。