鄭崇偉，邵龍?zhí)?，林剛，潘靜

(1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，遼寧大連116085;2.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧大連116041;3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029)

擊水概率是指是指飛行器在掠海飛行時(shí)撞擊海浪的概率［1-2］，隨著我國(guó)軍/地海洋建設(shè)的快速發(fā)展，低空(或超低空)飛行的直升機(jī)、偵察機(jī)、無(wú)人機(jī)、艦載機(jī)、巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈等掠海飛行器在軍事、國(guó)防、海洋探測(cè)、礦產(chǎn)勘探、防災(zāi)減災(zāi)等諸多方面得到廣泛應(yīng)用［3］。掠海飛行對(duì)海況要求非常高，飛行過(guò)高容易暴露目標(biāo)或達(dá)不到預(yù)定效果，飛行過(guò)低則容易撞擊海面，影響自身安全，如2012年3月，臺(tái)灣一架海鷗直升機(jī)救人時(shí)遭遇惡劣海況而撞擊海面墜毀，深入分析海浪對(duì)擊水概率的影響具有實(shí)用的價(jià)值。雷小龍等［1］曾利用有限的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)反艦導(dǎo)彈的擊水概率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)飛航導(dǎo)彈在較惡劣的海況下，擊水概率值會(huì)大大增加。湛必勝等［2］根據(jù)概率論的中心極限定理，得到擊水概率計(jì)算公式，并就海洋、平原、丘陵、山地進(jìn)行對(duì)比。

本文將海浪數(shù)值模擬與擊水概率相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大范圍海域擊水概率場(chǎng)的數(shù)值模擬。主要以CCMP(cross-calibrated，multi-platform)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)目前國(guó)際先進(jìn)的第3代海浪模式SWAN(simulating waves nearshore)，對(duì)1109號(hào)臺(tái)風(fēng)“梅花”所致臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，利用來(lái)自韓國(guó)、日本的海浪觀測(cè)資料驗(yàn)證模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性，并就臺(tái)風(fēng)浪對(duì)中國(guó)海擊水概率的影響進(jìn)行分析，為提高掠海飛行器的突防能力、生存能力、航跡規(guī)劃等軍事/民用活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)和輔助決策。

1 方法及資料簡(jiǎn)介

1.1 模擬方法

以CCMP風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)SWAN模式，對(duì)1109號(hào)臺(tái)風(fēng)“梅花”所致的擊水概率場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。SWAN模式是由荷蘭Delft理工大學(xué)在WAM模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通常用于近岸、湖泊以及江河口區(qū)，對(duì)譜型不做事先假定，研究表明SWAN模式對(duì)中國(guó)海的海浪場(chǎng)具有較強(qiáng)的模擬能力［4-5］。為了消除邊界效應(yīng)，在需要的范圍基礎(chǔ)上適當(dāng)將模擬區(qū)域適當(dāng)擴(kuò)大，選取模擬范圍:0.125°～45.125°N，100.125°E～145.125°E，空間分辨率取 0.1°×0.1°，積分步長(zhǎng)取為900 s，每小時(shí)輸出1次結(jié)果，計(jì)算時(shí)間為2011年6月25日00∶00時(shí)～2011年6月30日18∶00時(shí)(本文時(shí)間均為世界時(shí)間)。

1.2 風(fēng)場(chǎng)資料

常用風(fēng)場(chǎng)有ERA-40海表10 m風(fēng)場(chǎng)、NCEP風(fēng)場(chǎng)、QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場(chǎng)、CCMP風(fēng)場(chǎng)。無(wú)論時(shí)空分辨率、時(shí)間序列，還是數(shù)據(jù)精度，CCMP風(fēng)場(chǎng)整體優(yōu)于其他風(fēng)場(chǎng)［6-9］，如表1。CCMP風(fēng)場(chǎng)在國(guó)外得到廣泛的認(rèn)可和運(yùn)用，但國(guó)內(nèi)使用的仍非常少，本文以CCMP風(fēng)場(chǎng)作為SWAN模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)。

CCMP風(fēng)場(chǎng)［10-13］資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)，它結(jié)合了 QuikSCAT，SSM/I、ADEOS-II、TRMM TMI、AMSR-E等幾種資料，利用變分方法得到，其空間分辨率為 0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h，空間范圍為:78.375°S ～ 78.375°N，0.125°～359.875°E，時(shí)間范圍從 1987 年 7 月至今。

1.3 海浪觀測(cè)資料

本文利用韓國(guó)、日本的海浪觀測(cè)資料，驗(yàn)證模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性，期望這種方法給相關(guān)的研究人員提供一種參考。通常的海浪觀測(cè)資料有:人工觀測(cè)數(shù)據(jù)、浮標(biāo)觀測(cè)資料、海洋調(diào)查船觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星資料反演的有效波高(significant wave height，SWH)。目前各個(gè)國(guó)家的海浪觀測(cè)資料也非常有限，這種困境在我國(guó)顯得尤為突出，且我國(guó)數(shù)據(jù)并不開(kāi)放，這就在很大程度上影響了我國(guó)海浪及相關(guān)方面的研究進(jìn)展。目前，衛(wèi)星資料反演的SWH已經(jīng)較為接近觀測(cè)數(shù)據(jù)，但在時(shí)空分辨率、時(shí)間序列等方面都有很大缺陷，如T/P高度計(jì)在中國(guó)海的軌道較為稀少，且軌道重復(fù)周期較長(zhǎng)，為10 d，反演的數(shù)據(jù)在時(shí)空分辨率方面缺陷較大。

1.4 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

本文選取韓國(guó)22101、22102、22108號(hào)浮標(biāo)站，以及日本福江島站的海浪觀測(cè)資料［14-15］，驗(yàn)證SWAN模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性。由圖1可見(jiàn)，4個(gè)站點(diǎn)的模擬SWH與觀測(cè)SWH在曲線走勢(shì)上表現(xiàn)出很好的一致性，模擬數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)“梅花”帶來(lái)的大浪刻畫(huà)的較為明顯;觀測(cè)SWH的跳躍現(xiàn)象比較突出，而模擬SWH的走勢(shì)則較為光滑。

圖1 觀測(cè)有效波高與SWAN模式模擬的有效波高Fig.1 Observation wave height and simulation wave height

為了精確地分析模擬SWH的精度，本文還計(jì)算了相關(guān)系數(shù)、偏差、均方根誤差以及平均絕對(duì)誤差，見(jiàn)表2。4個(gè)站點(diǎn)的模擬SWH與觀測(cè)SWH均表現(xiàn)出很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.96以上，通過(guò)了99.99%的信度檢驗(yàn);從偏差來(lái)看，4個(gè)站點(diǎn)的偏差均為負(fù)值，但數(shù)值都很小，表明模擬SWH略大于觀測(cè)SWH;從均方根誤差、平均絕對(duì)誤差來(lái)看，模擬數(shù)據(jù)的精度也都比較高。整體來(lái)看，模擬的海浪數(shù)據(jù)具有較高精度，已有的研究也表明SWAN模式對(duì)中國(guó)海的海浪場(chǎng)具有較強(qiáng)的模擬能力［3-4，16-17］，綜上，本文模擬的中國(guó)海海浪數(shù)據(jù)具有較高精度。

表2 SWAN模式模擬有效波高的精度Table 2 Precision of the simulation wave height

2 海浪場(chǎng)、擊水概率場(chǎng)特征

2.1 擊水概率的計(jì)算方法

擊水概率是指飛行器在掠海飛行時(shí)撞擊海浪的概率，是掠海飛行器生存能力的重要指標(biāo)之一［18］，具體計(jì)算方法為

式中:h為飛行高度;σ為與擊水概率有關(guān)的高度標(biāo)準(zhǔn)差;σ1為飛行高度探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差，主要包括數(shù)字高程圖誤差、控制誤差、雷達(dá)高程表探測(cè)誤差。固定飛行器對(duì)應(yīng)固定誤差;σ2為海浪浪高的標(biāo)準(zhǔn)差。利用模擬的海浪數(shù)據(jù)，結(jié)合式(1)、(2)，計(jì)算得到2011年8月4日00∶00時(shí)～2011年8月8日18∶00時(shí)逐小時(shí)的擊水概率場(chǎng)，分別計(jì)算了當(dāng)飛行器的飛行高度為5 m時(shí)的擊水概率(簡(jiǎn)稱5 m高度擊水概率)、飛行高度為10 m時(shí)的擊水概率(簡(jiǎn)稱10 m高度擊水概率)，為掠海飛行的航跡規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 海浪場(chǎng)、擊水概率場(chǎng)分布特征

整體來(lái)看，SWAN模式較好地刻畫(huà)了“梅花”所形成的臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)，主要體現(xiàn)在:臺(tái)風(fēng)尾跡、臺(tái)風(fēng)的大浪區(qū)、近臺(tái)風(fēng)中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的波向等方面，見(jiàn)圖2。

圖2 臺(tái)風(fēng)“梅花”期間的海浪場(chǎng)、5 m和10 m高度擊水概率場(chǎng)Fig.2 Wave field，5 m and 10 m height ditching probability during typhoon"Muifa"

5日12時(shí):此時(shí)臺(tái)風(fēng)正在穿越琉球群島，沿西北方向行進(jìn)，大浪區(qū)主要分布于危險(xiǎn)半圓(臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向的右側(cè)——第一、第四象限)，與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)吻合，尤其是第四象限，大浪區(qū)的SWH在9 m以上。擊水概率場(chǎng)與海浪場(chǎng)的分布特征表現(xiàn)出較好的一致性，受臺(tái)風(fēng)浪的影響，整個(gè)琉球群島附近大范圍海域的5 m高度擊水概率在65%以上，其余大部分海域也都在60%以上，危險(xiǎn)半圓的高值中心可達(dá)85%以上，可航半圓的5 m高度擊水概率明顯低于危險(xiǎn)半圓;10 m高度擊水概率明顯低于5 m高度擊水概率，普遍低30%左右。

6日12時(shí):臺(tái)風(fēng)進(jìn)入東海中部，大浪區(qū)的范圍明顯大于臺(tái)風(fēng)穿越琉球群島時(shí)造成的大浪范圍，這應(yīng)該是由于臺(tái)風(fēng)穿越琉球群島海域時(shí)受到地形阻擋，進(jìn)入東海后下墊面更為光滑所致。大浪區(qū)主要分布于危險(xiǎn)半圓，尤其是第四象限，大值區(qū)的SWH在11 m以上，波高明顯大于5日12時(shí)的大浪區(qū)波高，見(jiàn)圖2(a)、(d)。與臺(tái)風(fēng)浪的變化相似，擊水概率也相應(yīng)增大，東海大部分海域的5 m高度擊水概率在70%以上，危險(xiǎn)半圓的高值中心可達(dá)90%以上;10 m高度擊水概率明顯低于5 m高度擊水概率，普遍低30%左右。值得注意的是，當(dāng)飛行高度為10 m時(shí)，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域以外海域的擊水概率都在20%以內(nèi)。

7日12時(shí):臺(tái)風(fēng)北上進(jìn)入黃海中部，由于海域變得狹小，受地形因素的巨大影響，臺(tái)風(fēng)所造成的波高明顯減小，大浪區(qū)的波高在8 m左右。擊水概率場(chǎng)與臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)的分布特征保持了很好的一致性。大浪區(qū)的5 m高度擊水概率在80%左右，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域以外海域的5 m高度擊水概率也都在60%以上;大浪區(qū)的10 m高度擊水概率在50%左右，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域以外海域的10 m高度擊水概率在20%以內(nèi)。

值得注意的是:臺(tái)風(fēng)中心并不位于SWH的大值中心，但也不位于低值中心，而是位于高值中心與低值中心交界的地方，這應(yīng)該是由于臺(tái)風(fēng)中心存在一小范圍的無(wú)風(fēng)區(qū)和涌浪效應(yīng)所致。臺(tái)風(fēng)中心位于無(wú)風(fēng)區(qū)，這就決定了臺(tái)風(fēng)中心的波高不會(huì)超過(guò)臺(tái)風(fēng)浪的高值中心，但臺(tái)風(fēng)中心也不位于SWH的低值中心，這應(yīng)該是由于臺(tái)風(fēng)浪大值區(qū)的涌浪傳播至臺(tái)風(fēng)中心所致。

4 結(jié)論

以CCMP風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海浪模式SWAN，對(duì)1109號(hào)臺(tái)風(fēng)“梅花”所致臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了大范圍海域的擊水概率研究，得到如下結(jié)論:

1)以CCMP風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海浪模式SWAN，對(duì)中國(guó)海的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的。通過(guò)與來(lái)自韓國(guó)、日本的海浪觀測(cè)資料比較，模擬的海浪數(shù)據(jù)具有較高精度:模擬SWH略大于觀測(cè)SWH，二者在曲線的走勢(shì)上表現(xiàn)出很好的一致性;觀測(cè)SWH的跳躍現(xiàn)象比較明顯，而模擬SWH的走勢(shì)則較為光滑。

2)SWAN模式較好地刻畫(huà)了臺(tái)風(fēng)“梅花”所形成的臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)，主要體現(xiàn)在:臺(tái)風(fēng)尾跡、臺(tái)風(fēng)的大浪區(qū)、近臺(tái)風(fēng)中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的波向等方面。臺(tái)風(fēng)中心并不位于SWH的大值中心，但也不位于低值中心，而是位于高值中心與低值中心交界的地方，這應(yīng)該是由于臺(tái)風(fēng)中心存在一小范圍的無(wú)風(fēng)區(qū)和涌浪效應(yīng)所致，需要在以后的研究中，借助涌浪指標(biāo)對(duì)臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)浪、涌浪所占的比例進(jìn)行定量研究，對(duì)本文在此處的推斷做出定量的科學(xué)研究。

3)臺(tái)風(fēng)“梅花”行進(jìn)過(guò)程中，大浪區(qū)主要分布于危險(xiǎn)半圓(臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向的右側(cè)——第一、第四象限)，尤其是第四象限。臺(tái)風(fēng)穿越琉球群島時(shí)，大浪區(qū)的SWH在9 m以上，進(jìn)入東海后，由于下墊面變得更加光滑，大浪區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，大值中心的SWH可達(dá)11 m以上。臺(tái)風(fēng)進(jìn)入黃海后，海域變得狹小，受地形因素的巨大影響，臺(tái)風(fēng)所造成的波高明顯減小，大浪區(qū)的波高在8 m左右。

4)臺(tái)風(fēng)“梅花”給中國(guó)海的擊水概率場(chǎng)造成了很大影響，當(dāng)飛行高度為5 m時(shí)，中國(guó)海大部分海域的擊水概率在60%以上，危險(xiǎn)半圓的高值中心可達(dá)85%以上，甚至90%以上，可航半圓的5 m高度擊水概率明顯低于危險(xiǎn)半圓;10 m高度擊水概率明顯低于5 m高度擊水概率，普遍低30%左右。飛行高度為10 m時(shí)，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域以外海域的擊水概率都在20%以內(nèi)。

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