基于衛(wèi)星觀測資料的近海有效波高研究

張秀芝+孔亞文

摘 要：使用中國近海28個浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)對1991—2015年多源衛(wèi)星高度計校準(zhǔn)的波高數(shù)據(jù)集進(jìn)行了驗證，并用于中國近海海浪氣候研究。結(jié)果表明：浮標(biāo)波高與衛(wèi)星波高的相關(guān)系數(shù)為0.91～0.99，均方根誤差絕大部分為0.09～0.34m，浮標(biāo)減衛(wèi)星的波高差平均值絕大多數(shù)為-0.06～-0.29m；各海區(qū)驗證結(jié)果略有差異，其中相關(guān)系數(shù)在東海至南海北部最大達(dá)0.97，黃渤海和長江口外海區(qū)略小，分別為0.947和0.948；均方根誤差在東海至南海北部最小為0.281m，長江口外最大為0.325m，黃渤海居中為0.286m。利用該多源波高數(shù)據(jù)集進(jìn)行了中國近海多年平均有效波高和多年一遇波高極值分析。結(jié)果表明，中國近海多年平均有效波高為0.6～2.2m，東海東南部、臺灣海峽以及南海東北部平均波高較大。大部分海域的有效波高都具有明顯的季節(jié)變化特征：冬季和秋季的波高明顯高于春季和夏季。100年一遇大浪最大的區(qū)域位于琉球群島東南的西北太平洋海域，約9～12m；其次是南海東北部海域和東海海域，約7～11m；中國近岸最大的海域為廣東東部和浙江南部，約7～8m；長江口至渤海最小4～6m。

關(guān)鍵詞：多源衛(wèi)星波浪數(shù)據(jù)；浮標(biāo)觀測；中國近海；波浪分布

1 衛(wèi)星波高數(shù)據(jù)驗證

海上自然破壞力的90%來自海浪，大浪對航船、海洋工程具有很強的破壞性。了解中國近海海域的海浪狀況，不僅有利于海洋防災(zāi)減災(zāi)，還可以為海洋開發(fā)和海上軍事活動提供可靠的保障。

目前海浪區(qū)域氣候研究主要基于海浪模式輸出資料、大氣模式再分析資料以及衛(wèi)星高度計的波高數(shù)據(jù)等。本文比較了多個國際機構(gòu)校準(zhǔn)的沿軌數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)歐洲空間局（ESA）GlobWave項目下法國海洋開發(fā)所Queffeulou等建立的數(shù)據(jù)集[1]，時間跨度長（1991-2015年），衛(wèi)星數(shù)量多（9顆星，見圖1a），時空覆蓋上都優(yōu)于以往的數(shù)據(jù)集。

由于衛(wèi)星反演模式參數(shù)確定過程中沒有中國海上的實測數(shù)據(jù)，因此使用該數(shù)據(jù)集之前需要將該數(shù)據(jù)集與中國近海實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。收集到中國近海28個浮標(biāo)（見圖1b）每30分鐘平均波高數(shù)據(jù)，篩選與浮標(biāo)所在位置的距離小于20km的同期衛(wèi)星30分鐘平均波高，對比分析結(jié)果表明：浮標(biāo)波高與衛(wèi)星波高的相關(guān)系數(shù)為0.91～0.99，均方根誤差絕大部分為0.09～0.34m，浮標(biāo)減衛(wèi)星的波高差平均值絕大多數(shù)為-0.06m～-0.29m；各海區(qū)驗證結(jié)果略有差異，其中相關(guān)系數(shù)在東海至南海北部最大達(dá)0.97，黃渤海和長江口外海區(qū)略小，分別為0.947和0.948，表明多源高度計波高數(shù)據(jù)集與中國近海浮標(biāo)觀測有較高的一致性，可用于中國近海波浪研究。

2 中國近海海浪氣候特征

使用法國海洋開發(fā)所建立的多源高度計波高數(shù)據(jù)分析了中國近海平均有效波高和100年一遇有效波高。

2.1 中國近海平均有效波高的時空分布特征

圖2為多年平均有效波高分布圖，中國近海有效波高為0.6～2.2m，高值區(qū)主要分布在東海東南部、臺灣海峽以及南海東北部，年平均值達(dá)2～2.4m。南海西部和南部、東海西北部平均有效波高為1.4～1.8m，黃海和渤海有效波高較小，在0.6～1.2m之間。

大部分海域的有效波高都具有明顯的季節(jié)變化特征，冬季和秋季的波高明顯高于春季和夏季，冬季的平均波高最大達(dá)2.6m，而春夏季平均波高基本在1.8m以下。臺灣島-呂宋島以東和南海東北部的大浪區(qū)域的位置隨著季節(jié)而變化：夏季和秋季的高值區(qū)北移至15°N以北，與臺風(fēng)活動有關(guān)；冬季有效波高的高值區(qū)南移至20°N以南，春季則表現(xiàn)出過渡季節(jié)的特征。

2.2 100年一遇波浪極值分布特征

在海洋工程設(shè)計過程中需要100年、50年一遇波浪極值，評估未來若干年內(nèi)工程所在區(qū)域可能遇到的極端波浪荷載。在多年一遇極值計算過程中，通常應(yīng)至少由30年以上的年最大值組成樣本序列，采用Gumbel或Weibull等常規(guī)概率分布模型進(jìn)行計算。由于多源衛(wèi)星波浪資料只有23年，采用常規(guī)方法會因觀測年代短而使得計算結(jié)果不穩(wěn)定或失真，為此本文使用適應(yīng)風(fēng)暴隨機事件的Poisson-Gumbel[2，3]聯(lián)合概率分布進(jìn)行計算，得到了1°×1°網(wǎng)格點100年一遇波浪值。

中國近海及毗鄰海域100年一遇有效波高最大的區(qū)域位于琉球群島東南的西北太平洋海域，約9～12m；其次是東海海域至南海東北部海域，約7～11m（見圖3）；長江口至渤海最小4～6m。；中國近岸最大的海域為廣東東部和浙江南部，約7～8m，其原因是這兩個海域受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重。

基金項目：本論文由2010DFA62830課題資助

參考文獻(xiàn)

[1] Queffeulou P， Croizé-Fillon D. Global altimeter SWH data set-June 2014[J].

Laboratoired'Ocèanograp-hieSpatiale， IFREMER，ftp：//ftp.ifremer.fr/ifremer/cersat/products/

swath/altimeters/waves/documentat-ion/altimeter_wave_merge__11.pdf， 2014.

[2] 天津大學(xué)水文水力學(xué)教研室編.海洋石油工程環(huán)境水文分析計算[M].石油工業(yè)出版社.1983.P522.

[3] 張容焱， 張秀芝， 蔡連娃. 沿海風(fēng)工程設(shè)計風(fēng)速中泊松-耿貝爾法的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報， 2010，

21（2）： 237-242.