基于WAVEWATCH-III模式的一次冷空氣過(guò)程海浪場(chǎng)模擬研究

姚琪，鄭崇偉，蘇勤，王健，梁新友，李云波

(1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.92538部隊(duì) 大連116041；3.海洋出版社，北京100081)

1 引言

前人對(duì)中國(guó)海海浪的研究做了很大貢獻(xiàn)，劉金芳等[1]利用1950—1995年的船舶報(bào)資料，對(duì)西北太平洋的海表風(fēng)場(chǎng)、海浪場(chǎng)特征進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域受季風(fēng)影響顯著，季風(fēng)盛行期的風(fēng)向、浪向（分為風(fēng)浪和涌浪）較為一致，該區(qū)域赤道附近海域的浪向常年為東北向，冬季季風(fēng)期間的SWH 為全年最大，過(guò)渡季節(jié)次之，夏季最小。王靜等[2]利用T/P 高度計(jì)反演的約59 個(gè)月（1992年10月23日—1997年8月12日）的SWH和海表風(fēng)速，采用EOF方法對(duì)南海的海表風(fēng)、浪場(chǎng)的研究，初步判定風(fēng)場(chǎng)的第一典型場(chǎng)可能是季風(fēng)強(qiáng)盛期的風(fēng)場(chǎng)特征，第二典型場(chǎng)則體現(xiàn)出季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的風(fēng)場(chǎng)特征，SWH的前兩個(gè)模態(tài)與風(fēng)場(chǎng)前兩模態(tài)基本相似，得出南海的風(fēng)、浪之間有很好的相關(guān)性。齊義泉等[3]利用1987—1988兩年的Geosat高度計(jì)遙感資料，對(duì)南海的海表風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)的月平均、季平均特征進(jìn)行過(guò)分析，研究發(fā)現(xiàn)南海的月平均海表風(fēng)速和SWH在東北季風(fēng)期較大，季風(fēng)過(guò)渡季節(jié)較小，且在12月達(dá)到最大，5月最小；在西南季風(fēng)期間，海表風(fēng)速和SWH均呈現(xiàn)出南大北小的特點(diǎn)，其余季節(jié)則表現(xiàn)出由南向北增強(qiáng)的分布特征，在10°N，110°E附近海域?yàn)槌Ｄ甑娘L(fēng)速和波高大值區(qū)。尤其是近年來(lái)數(shù)值模式的不斷發(fā)展，海浪的模擬研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[4]，以往對(duì)中國(guó)海海浪場(chǎng)的數(shù)值模擬多見(jiàn)于針對(duì)臺(tái)風(fēng)浪的模擬研究，而冷空氣比臺(tái)風(fēng)更為頻繁，其強(qiáng)度也經(jīng)常帶來(lái)狂風(fēng)巨浪，危害性并不亞于臺(tái)風(fēng)浪。2011年12月18日強(qiáng)冷空氣造成的俄羅斯鄂霍次克海海上石油平臺(tái)沉沒(méi)，造成了巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失，1999年11月24日“大舜號(hào)”客混船從煙臺(tái)駛往大連途中因遭遇寒潮大風(fēng)而傾覆，全船304 人僅22 人生還，直接經(jīng)濟(jì)損失9000余萬(wàn)元，是建國(guó)以來(lái)最大的一次海難事故。大風(fēng)大浪雖然具有很強(qiáng)的破壞力，但如果能夠把握其內(nèi)在規(guī)律，利用其能量大等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)展海浪發(fā)電、海水淡化、供熱、抽水、制氫等波浪能資源開(kāi)發(fā)工作，將能造福人類(lèi)[5-6]。本文基于目前國(guó)際較為先進(jìn)的第三代海浪數(shù)值模式WW3（WAVEWATCH-III），以CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）風(fēng)場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，對(duì)2009年1月12日前后發(fā)生在中國(guó)海的冷空氣所致的海浪場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，為研究中國(guó)海海浪特征提供參考，為防災(zāi)減災(zāi)、海洋水文保障、波浪能資源開(kāi)發(fā)利用等提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料簡(jiǎn)介

2.1 風(fēng)場(chǎng)資料

常用作海浪模式驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的有ERA-40海表10 m風(fēng)場(chǎng)、NCEP 風(fēng)場(chǎng)、QN（QuikSCAT/NCEP）混合風(fēng)場(chǎng)[7]，ERA-40海表10 m風(fēng)場(chǎng)和NCEP風(fēng)場(chǎng)的空間分辨率較低，QN混合風(fēng)場(chǎng)的空間分辨率略有增加，這三種風(fēng)場(chǎng)在國(guó)內(nèi)運(yùn)用最為廣泛[8-12]。本研究則是利用空間分辨率高于前三種風(fēng)場(chǎng)的CCMP 風(fēng)場(chǎng)作為WW3 模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)。CCMP 風(fēng)場(chǎng)資料來(lái)自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它結(jié)合了ADEOS-II(Advanced Earth Observing Satellite,2ndGeneration) 、AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)、QuikSCAT、SSM/I(Special Sensor Microwave Imager)、TRMM TMI(Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager)幾種資料，利用變分方法得到，其空間分辨率為0.25°×0.25°，空間范圍為：78.375°S—78.375°N，0.125°—359.875°E，時(shí)間分辨率為6 h，時(shí)間范圍從1987年7月至今。研究表明CCMP 風(fēng)場(chǎng)具有很高的精度[13-19]。

2.2 海浪觀測(cè)資料

目前全球的海浪觀測(cè)資料都較為稀缺，這種困境在我國(guó)尤為突出。我國(guó)主要在東海和南海各有一個(gè)大型浮標(biāo)站，但數(shù)據(jù)并不開(kāi)放；衛(wèi)星資料反演的有效波高（SWH——Significant Wave Height）在中國(guó)海范圍的時(shí)間分辨率和空間分辨率都比較低；其余的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)、船舶報(bào)數(shù)據(jù)等在時(shí)空分辨率方面都同樣具有很大缺陷，且數(shù)據(jù)并不開(kāi)放，很難獲取。本文利用來(lái)自朝鮮某站點(diǎn)的海浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于與WW3 模式的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，還利用衛(wèi)星高度計(jì)反演的有效波高，對(duì)WW3 模式在中國(guó)海范圍的模擬能力進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 模擬方法

以CCMP 風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3 模式，對(duì)2009年1月12日前后發(fā)生在中國(guó)海的冷空氣所致的海浪場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，為了消除邊界效應(yīng)，本文將模擬范圍在中國(guó)海范圍基礎(chǔ)上適當(dāng)取大，然后再?gòu)哪M結(jié)果中截取中國(guó)海范圍。選取模式計(jì)算范圍：4.875°S—42.125°N，94.125°—136.125°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24 個(gè)頻段，從0.0418—0.4056 Hz，各 頻 段 關(guān) 系 為fn+1=1.1 fn?？臻g分辨率取0.125° × 0.125°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取為600 s，每3 h輸出一次結(jié)果，計(jì)算時(shí)間為2009年01月09日00:00 時(shí)—2009年01月16日23:00時(shí)。

4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

將朝鮮某觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)SWH 與模擬SWH進(jìn)行比較，本文還將模擬的SWH插值到T/P（Topex/Poseidon）高度計(jì)衛(wèi)星軌道上，分析WW3 模式對(duì)中國(guó)海范圍SWH 的模擬效果，從點(diǎn)和面兩方面對(duì)WW3的模擬效果進(jìn)行檢驗(yàn)。為了直觀地分析模擬的SWH 的精度，本文計(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）。RMSE 定義為模擬值與觀測(cè)值之差的均方根，Bias定義為模擬數(shù)據(jù)的平均值和觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值之差。

式（1）至式（4）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。

圖1 Jason-1在中國(guó)海的軌道分布[13]

圖2 2009年1月10—15日期間Jason-1衛(wèi)星資料反演的SWH與模擬結(jié)果的散布圖

圖3 WW3模式模擬的SWH與朝鮮某海洋觀測(cè)站的觀測(cè)SWH，SWH（單位/m）

由圖2 可見(jiàn)，模擬的SWH 與T/P 高度計(jì)反演的SWH 整體上具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.86，通過(guò)了99%（a0.01=0.25）的信度檢驗(yàn)，均方根誤差為0.41 m，平均絕對(duì)誤差為0.32 m，統(tǒng)計(jì)上存在0.05 m 的正偏差，說(shuō)明模擬的SWH 系統(tǒng)上稍大于T/P 高度計(jì)反演的SWH，精度接近高度計(jì)的觀測(cè)精度[13]。

由圖3 可見(jiàn)，模擬的SWH 與浮標(biāo)觀測(cè)SWH 在波高變化的走勢(shì)上具有很好的一致性，模擬的SWH和觀測(cè)值相比略有滯后的現(xiàn)象，且觀測(cè)數(shù)據(jù)跳躍較為明顯，而模擬數(shù)據(jù)的走勢(shì)則更為平緩，這種現(xiàn)象應(yīng)該是由于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的時(shí)間分辨率較低所致，在將來(lái)的工作中，可借助時(shí)間分辨率更高的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究。模擬SWH 與浮標(biāo)觀測(cè)SWH 的相關(guān)系數(shù)為0.76，通過(guò)了99%（a0.01=0.37）的信度檢驗(yàn)，均方根誤差為0.39 m，平均絕對(duì)誤差為0.38 m，統(tǒng)計(jì)上存在0.02 m 的正偏差。綜上，模擬的海浪數(shù)據(jù)是有效的。

5 冷空氣所致海表風(fēng)場(chǎng)、海浪場(chǎng)分析

整個(gè)冷空氣過(guò)程中，第一島鏈以?xún)?nèi)的海域的海浪場(chǎng)（含波高、波向）與風(fēng)場(chǎng)（含風(fēng)速、風(fēng)向）具有較好的一致性，冷空氣初期，黃渤海海域受冷高前部影響，以北-西北風(fēng)為主，隨著冷空氣的東移南下，黃渤海海域逐漸轉(zhuǎn)受冷高頂后部影響，以西-西南風(fēng)為主，整個(gè)冷空氣過(guò)程中，東海均以偏北風(fēng)為主導(dǎo)，南海則以東北風(fēng)為主導(dǎo)，整個(gè)過(guò)程中，中國(guó)近海波高大值區(qū)的分布特征與風(fēng)速大值區(qū)的分布特征基本一致，波向與風(fēng)向也基本一致，這應(yīng)該是由于此次冷空氣過(guò)程所造成的海浪是以風(fēng)浪為主導(dǎo)（研究表明以風(fēng)浪為主導(dǎo)的海域，海浪場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]）。值得注意的是：第一島鏈以外的大洋中，海浪場(chǎng)與海表風(fēng)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯不如第一島鏈以?xún)?nèi)，最為顯著的是菲律賓以東的洋面，12—15日，該海域的風(fēng)場(chǎng)均呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，應(yīng)該是存在一較弱的低壓系統(tǒng)，而這個(gè)系統(tǒng)在相應(yīng)時(shí)刻的海浪場(chǎng)均沒(méi)有得到體現(xiàn)，詳見(jiàn)圖4a、4h。這應(yīng)該是由于該海域的涌浪所占成分較大所致，與鄭崇偉的研究一致[20]，即近海的涌浪指標(biāo)小于大洋，也就是說(shuō)近海的混合浪中涌浪所占的成分小于大洋中涌浪所占的成分。

圖4 2009年1月海表風(fēng)場(chǎng)（a-d）和2009年1月海浪場(chǎng)(e-h）

6 結(jié)論

（1）以CCMP風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3海浪模式，可以整體上較好的刻畫(huà)出此次中國(guó)海范圍由冷空氣造成的海浪場(chǎng)。無(wú)論點(diǎn)還是面，模擬SWH 與觀測(cè)SWH的相關(guān)系數(shù)都在0.7 以上，均能通過(guò)99%的信度檢驗(yàn)，模擬的SWH精度接近高度計(jì)的觀測(cè)精度，系統(tǒng)上稍大于T/P高度計(jì)反演的SWH。模擬的SWH和觀測(cè)值相比略有滯后的現(xiàn)象，且觀測(cè)數(shù)據(jù)跳躍較為明顯，而模擬數(shù)據(jù)的走勢(shì)則更為平緩；

（2）此次冷空氣過(guò)程中，第一島鏈以?xún)?nèi)的海域的海浪場(chǎng)（含波高、波向）與風(fēng)場(chǎng)（含風(fēng)速、風(fēng)向）具有較好的一致性，第一島鏈以外的大洋中，海浪場(chǎng)與海表風(fēng)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯不如第一島鏈以?xún)?nèi)，以菲律賓以東的洋面最為顯著的。這只是一次實(shí)驗(yàn)，有待于在以后的工作中，開(kāi)展更多實(shí)驗(yàn)，分別檢驗(yàn)高風(fēng)速下、中低風(fēng)速下，CCMP風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的WW3模式對(duì)中國(guó)海海浪場(chǎng)的模擬能力，以及冷空氣過(guò)程中涌浪所占成分的定量研究，從而對(duì)中國(guó)海的海浪特征、波候特征進(jìn)行更深入的研究。

[1]劉金芳，孫立尹.西北太平洋風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)特點(diǎn)分析[J].海洋預(yù)報(bào)，2000，17(3)：54-62.

[2]王靜，齊義泉，施平.南海海面風(fēng)、浪場(chǎng)的EOF 分析[J].海洋學(xué)報(bào)，2001，23（5）：136-140.

[3]齊義泉，施平，毛慶文.南海海面風(fēng)場(chǎng)和浪場(chǎng)季平均特征的衛(wèi)星遙感分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，1997，12（3）：118-123.

[4]梅勇，宋帥，周林.北印度洋—南海海域海浪場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)的年際變化特征分析[J].海洋預(yù)報(bào)，2010，27（5）：27-33.

[5]鄭崇偉.中國(guó)海波候、風(fēng)候特征分析及波浪能、風(fēng)能資源評(píng)估[M].待刊.

[6]鄭崇偉，潘靜.全球海域風(fēng)能資源評(píng)估及等級(jí)區(qū)劃[J].自然資源學(xué)報(bào)，2012，26（3）：364-371.

[7]鄭崇偉，潘靜，田妍妍,等.全球海域風(fēng)浪、涌浪、混合浪波候圖集[M].北京：海洋出版社，2012.

[8]張德天，鄭崇偉，石嶺琳,等.基于QN風(fēng)場(chǎng)的1999-2009年中國(guó)海表風(fēng)場(chǎng)研究[J].海洋預(yù)報(bào)，2011，28（4）：58-64.

[9]鄭崇偉，周林，劉志宏.近45年大西洋波候統(tǒng)計(jì)分析[J].海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，34（2）：50-53.

[10]鄭崇偉，周林，周立佳.西沙、南沙海域波浪及波浪能季節(jié)變化特征[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2011，29（4）：419-426.

[11]鄭崇偉，張霞.基于WAVEWATCH-III模式的近10年南海波候統(tǒng)計(jì)分析[J].氣象與減災(zāi)研究，2011，34（1）：48-55.

[12]鄭崇偉，鄭宇艷，陳洪春.基于SWAN模式的近10年南海北部波浪能資源研究[J]. 亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，6（2）：54-59.

[13]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.

[14]鄭崇偉.全球海域風(fēng)能資源儲(chǔ)量分析[J].中外能源，2011，16（7）：43-47.

[15]鄭崇偉.南海波浪能資源與其他清潔能源的優(yōu)缺點(diǎn)比較研究[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，6（4）：40-45.

[16]Zheng C W, Zhuang H, Li X, 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.

[17]鄭崇偉.基于CCMP風(fēng)場(chǎng)的近22年中國(guó)海海表風(fēng)場(chǎng)特征分析[J].氣象與減災(zāi)研究，2011，34（3）：41-46.

[18]鄭崇偉，周林，盧揚(yáng),等.兩種海浪模式對(duì)東中國(guó)海一次臺(tái)風(fēng)浪的模擬比較[J].氣象水文裝備，2010，21（4）：48-50.

[19]劉志宏，鄭崇偉.近22年西北太平洋海域海表風(fēng)速變化趨勢(shì)研究[J].海洋技術(shù)，2011，30（2）：127-130.

[20]鄭崇偉.南海海浪特征分析及波浪能資源評(píng)估[D].解放軍理工大學(xué)碩士論文，2011.