儲錫君，徐福敏

(河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

江蘇沿海波浪多重嵌套模擬研究

儲錫君，徐福敏

(河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

根據(jù)24年CCMP風(fēng)場資料和江蘇沿海4個方向(N、NE、E和SE)百年一遇風(fēng)速，構(gòu)建西北太平洋、東中國海和江蘇沿海上述4個方向的百年一遇風(fēng)場。首次建立一個基于第三代海浪模型SWAN的自西北太平洋、東中國海至江蘇沿海的三重嵌套數(shù)值模型，以AVISO衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和江蘇沿海定點實測數(shù)據(jù)進行驗證。以三個計算域4個方向百年一遇風(fēng)場為驅(qū)動風(fēng)場，驅(qū)動該多重嵌套模型，高精度數(shù)值模擬江蘇沿海4個方向百年一遇有效波高分布并進行分析。結(jié)果表明，江蘇沿海輻射沙洲地形對有效波高分布影響顯著；E向百年一遇風(fēng)場作用下海域有效波高最大，NE向次之，N向和SE較小。

CCMP風(fēng)場；SWAN模型；多重嵌套模擬；有效波高分布；江蘇沿海

江蘇地理位置優(yōu)越、經(jīng)濟發(fā)展迅速，綜合實力在全國名列前茅，其海岸線北起蘇魯交界的繡針河口，南抵長江口，全長約888.95 km[1]，沿海地區(qū)自然資源豐富。同時其地理位置和復(fù)雜自然條件，沿海地區(qū)常受到臺風(fēng)和寒潮的影響，造成重大經(jīng)濟損失，嚴(yán)重威脅人員生命財產(chǎn)安全。確定江蘇沿海不同重現(xiàn)期的波浪要素，合理確立海岸工程使用期間可能出現(xiàn)的極值波高，對江蘇沿海地區(qū)的安全、海岸工程建筑物的設(shè)計和建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)具有極其重要作用。

江蘇沿海的大浪主要是由極端天氣引起的，由于海域缺乏長期連續(xù)的波浪實測資料，本研究首次以海浪數(shù)值模型多重嵌套模擬方法得到該海域百年一遇波浪要素。研究首次建立一個基于海浪模型SWAN的自西北太平洋、東中國海至江蘇沿海的三重嵌套模擬模型并以AVISO衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和江蘇沿海響水站實測數(shù)據(jù)進行驗證。以共計24年(1988年1月至2011年12月)的CCMP(Cross Calibrated，Multi Platform)風(fēng)場數(shù)據(jù)按泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布推算西北太平洋和東中國海4個方向(N、NE、E和SE)的百年一遇風(fēng)場，以江蘇沿海上述4個方向的百年一遇風(fēng)速構(gòu)建江蘇沿海的百年一遇風(fēng)場。以三個海域4個方向的百年一遇風(fēng)場驅(qū)動該多重嵌套數(shù)值模型模擬江蘇沿海的上述4個方向百年一遇有效波高分布，并對有效波高分布特征進行分析。

1 西北太平洋至江蘇沿海的百年一遇風(fēng)場分布特征

目前常用的風(fēng)場有NCEP風(fēng)場、QN(QuickSCAT/NCEP)混合風(fēng)場和CCMP風(fēng)場等，其中NCEP風(fēng)場的空間分辨率較低(1.875°×1.905°)，QN混合風(fēng)場具有較高空間分辨率(0.5°×0.5°)，但時間序列較短(1999年10月至2009年7月)，CCMP風(fēng)場相比則具有分辨率高、時間序列長等優(yōu)點[2]。CCMP風(fēng)場資料來自美國航空航天局(NASA)，數(shù)據(jù)自1987年7月至2011年12月，覆蓋全球，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h。

Atlas[3]通過實驗證實了CCMP較其他單個的衛(wèi)星平臺測量的風(fēng)場數(shù)據(jù)在精度方面有很大地提高，能夠滿足很多海洋和大氣環(huán)境應(yīng)用研究的需要。張鵬等[4]利用渤海海區(qū)一個點位11天的風(fēng)場數(shù)據(jù)，對CCMP的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行驗證，結(jié)果表明風(fēng)場的風(fēng)速和風(fēng)向與相應(yīng)的實測值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.89和0.91。故CCMP風(fēng)場數(shù)據(jù)能較好的代表實際風(fēng)場狀況。

本研究使用24年(1988年1月至2011年12月)的CCMP風(fēng)場數(shù)據(jù)，根據(jù)泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布方法推算西北太平洋至東中國海的4個方向(N、NE、E和SE)百年一遇風(fēng)場。

1.1泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布

目前常用的分布函數(shù)有皮爾遜Ⅲ型累計頻率曲線、對數(shù)正態(tài)概率分布、第一極值分布(耿貝爾分布)和泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布等。在統(tǒng)計我國沿海臺風(fēng)引起的大浪，常采用泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布，因為該分布不僅考慮了年極值分布，還考慮了年臺風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)，因而比較合理[5]。

由于每年的臺風(fēng)路徑、強度、頻率都是隨機的，構(gòu)成離散型分布，而TC影響下的最大風(fēng)速構(gòu)成連續(xù)型分布。由于每年臺風(fēng)出現(xiàn)的頻次n符合泊松分布，假設(shè)臺風(fēng)影響下海域風(fēng)速服從耿貝爾分布，可推得泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布的分布函數(shù)，并可進一步推算得概率為P的大風(fēng)極值VP為：

1.2西北太平洋和東中國海的百年一遇風(fēng)場

基于自1988年1月至2011年12月共24年的CCMP風(fēng)場數(shù)據(jù)，計算西北太平洋和東中國海每隔6小時的風(fēng)場，并劃分為8個方位(N、NE、E、SE、S、SW、W和NW)。由于本研究主要考慮百年一遇風(fēng)場作用下江蘇沿海大浪，只考慮西北太平洋和東中國海范圍內(nèi)對江蘇沿海影響較大的4個方向(N、E、NE和SE)。

由中國臺風(fēng)網(wǎng)資料統(tǒng)計表明西北太平洋上述24年間共計有熱帶氣旋692個，根據(jù)泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布，推算得到西北太平洋和東中國海計算域的上述4個方向百年一遇風(fēng)速分布情況，圖1為西北太平洋和江蘇沿海E向百年一遇風(fēng)速等值線分布。

可見西北太平洋百年一遇風(fēng)速的最大值可達65 m/s，位于北緯40°～50°、東經(jīng)152°～165°范圍內(nèi)；西北太平洋高緯海域百年一遇風(fēng)速比低緯普遍偏大，靠近赤道時則不足20 m/s；東中國海百年一遇風(fēng)速的最大值可達50 m/s，位于外海北緯23.3°～28.5°、東經(jīng)126°～128°范圍內(nèi)，百年一遇風(fēng)速從外海向海岸逐漸減小。計算研究發(fā)現(xiàn)其余3個方向的西北太平洋和東中國海的百年一遇風(fēng)場具有與E向相似的分布特征。

圖1 E向百年一遇風(fēng)速等值線分布(單位：m/s)Fig. 1 The contour distribution of East wind speed with a 100-year return period

1.3江蘇沿海的百年一遇風(fēng)場

江蘇沿海范圍內(nèi)CCMP風(fēng)場網(wǎng)格數(shù)據(jù)較少，故不采用CCMP風(fēng)場數(shù)據(jù)推算江蘇沿海的百年一遇風(fēng)場。本研究使用贛榆、西連島、燕尾島、射陽、大豐、如東、呂四和啟東8個測站1981年至1998年風(fēng)速實測資料推算出的江蘇沿海N、NE、E和SE向百年一遇風(fēng)速和西連島1974年至2003年風(fēng)速實測資料推算出的江蘇沿海NE和E向百年一遇風(fēng)速。表1為基于上述資料推算得到的江蘇沿海百年一遇風(fēng)速表。

可見基于1981—1998年風(fēng)速實測資料推求得到的江蘇沿海4個方向海上百年一遇風(fēng)速中，SE向比其它三向明顯偏小，E向最大，接近40 m/s，NE向其次；基于1974—2003年風(fēng)速實測資料推求得到的NE向和E向百年一遇風(fēng)速均大于40 m/s，E向略大些。

表1 江蘇沿海百年一遇風(fēng)速表Tab. 1 Wind speed along Jiangsu Coast with a 100-year return period

2 SWAN模型簡介

海浪數(shù)值預(yù)報始于20世紀(jì)50年代[6]，數(shù)值模擬發(fā)展到20世紀(jì)末已達到比較成熟的階段，數(shù)值模式被廣泛應(yīng)用于模擬海浪的發(fā)展過程和規(guī)律，形成了以WAM模型[7]、WAVEWATCH模型[8]和SWAN(simulating waves nearshore)模型[9]為代表的第三代海浪數(shù)值模型。Booij等以波浪線性理論及荷蘭、德國的一些現(xiàn)場觀測資料進行驗證，表明SWAN模型對復(fù)雜地形下的波浪模擬能力好。Zijlema等[10]就SWAN模型收斂性及數(shù)值計算的準(zhǔn)確性作了分析及改進。Gorman等[11]利用SWAN模型模擬了潮間帶河口的波浪生成及傳播過程。Rogers和Lin等的研究表明，SWAN模型能很好地模擬近岸涌浪、風(fēng)浪和混合浪。

SWAN海浪模型在國內(nèi)也得到了廣泛研究應(yīng)用。陳希等[12]采用SWAN模型嵌套方法，對一次臺風(fēng)浪過程進行了模擬。徐福敏等[13-15]采用SWAN模型對不同水深時流場對于波浪傳播的影響進行了探討，并將模型應(yīng)用于海安灣的淺水波浪數(shù)值計算，模擬灣內(nèi)波高及周期場分布，與觀測結(jié)果對比驗證表明符合良好。張洪生等[16]基于CCMP衛(wèi)星遙感風(fēng)場數(shù)據(jù)，通過將WAVEWATCH和SWAN模型嵌套的方法，數(shù)值模擬了珠江口附近海域的風(fēng)浪場，定量分析表明數(shù)值模型模擬結(jié)果良好。

SWAN是Delft大學(xué)開發(fā)的基于動譜平衡方程的第三代譜波浪數(shù)值模型。動譜密度N(σ,θ)與能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為：N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ，σ為相對波頻，θ為波向。在球坐標(biāo)系下，動譜平衡方程可表示為：

SWAN模型采用全隱式有限差分格式，無條件的穩(wěn)定[17]，具有計算精度高的特點，發(fā)展至今已成功應(yīng)用于河口、近海水域和大尺度海域的海浪預(yù)報[13,15]。

3 西北太平洋至江蘇沿海三重嵌套模型驗證

本文建立的三重嵌套模型區(qū)域自外向內(nèi)分別：西北太平洋計算域(100°E～180°E， 0°N～50°N)，如圖1(a)所示；東中國海計算域(116.9°E～130.8°E， 23.3°N～40.8°N)，如圖1(b)所示；江蘇沿海計算域(119°10' E～122°24' E，31°40' N～35°6' N)，如圖2所示。外兩層計算域水深數(shù)據(jù)是將從NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)下載的1＇×1＇水深數(shù)據(jù)插值處理得到，西北太平洋計算域水深插值后的分辨率為0.25°×0.25°，東中國海計算域插值后的分辨率為4＇×4＇。江蘇沿海水深地形條件復(fù)雜，近海存在輻射沙洲群，海域使用海圖水深，分辨率為1＇×1＇。

圖2 江蘇沿海的水深分布(單位：m)Fig. 2 The depth distribution of Jiangsu coast

西北太平洋計算域模型計算網(wǎng)格的空間分辨率為0.25°×0.25°；東中國海模型計算網(wǎng)格分辨率為0.1°×0.1°；江蘇沿海模型計算網(wǎng)格經(jīng)度方向上的分辨率為0.776＇，緯度方向上為0.687＇。外層計算域為內(nèi)層提供波浪邊界條件。模型采用球形坐標(biāo)系，計算頻率為0.04～1.0 Hz，以fi+1=λfi劃分為20個頻域，λ為常數(shù)；譜方向網(wǎng)格數(shù)為24個；底摩擦造成的能量損耗采用Collins非線性表達式，系數(shù)Cf=0.006；破波參數(shù)γ=0.73；其余物理過程如白浪耗散、非線性相互作用等參數(shù)采用模型默認(rèn)值，模型時間步長為30分鐘。

本研究分別對西北太平洋至東中國海海浪模型和江蘇沿海海浪模型進行驗證。驗證時段自2011年5月15日0時至5月24日18時(UTC，世界標(biāo)準(zhǔn)時間)，驅(qū)動風(fēng)場為該時段的CCMP風(fēng)場。

3.1西北太平洋至東中國海海浪模型的驗證

AVISO(Arching Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data)是法國國家空間研究中心開發(fā)的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，本研究使用其有效波高觀測數(shù)據(jù)。有效波高觀測數(shù)據(jù)的時間范圍為2009年9月至今，覆蓋全球，空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為24小時。圖3(a)為SWAN模型數(shù)值模擬得到的西北太平洋2011年5月20日0時的有效波高分布；圖3(b)為該時刻的AVISO衛(wèi)星觀測有效波高分布。

根據(jù)表7顯示：標(biāo)準(zhǔn)舞練習(xí)組女生在上肢快速反應(yīng)測試中使用時間平均減少了7.35s，拉丁舞練習(xí)組女生平均減少了8.17s，兩組之間沒有顯著性差異。觸桿反應(yīng)測試和十字繞桿跑測試中，標(biāo)準(zhǔn)舞練習(xí)組女生使用時間分別平均減少了3.06s和3.09s，拉丁舞練習(xí)組女生分別平均減少了2.88s和2.67s，兩組之間差異不顯著。全身協(xié)調(diào)測試中兩組之間差異顯著，因標(biāo)準(zhǔn)舞練習(xí)組女生比拉丁舞練習(xí)組女生前測成績相對較好，且無訓(xùn)練基礎(chǔ)但協(xié)調(diào)能力較好的人群在經(jīng)歷訓(xùn)練后協(xié)調(diào)能力能夠得到提升，但相對協(xié)調(diào)能力較差的人群，其提高程度一般較低[19]。

圖3 西北太平洋5月20日0時有效波高分布(單位：m)Fig. 3 The distribution of significant wave height at Northwest Pacific at zero on May 20th

SWAN數(shù)值模擬結(jié)果與衛(wèi)星觀測有效波高數(shù)據(jù)對比分析，西北太平洋的海域有效波高最大值均位于北緯35°～50°，東經(jīng)160°～180°范圍內(nèi)，等值線分布較為相似，大部分海域的有效波高相近。計算西北太平洋所有網(wǎng)格節(jié)點的SWAN模擬有效波高與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的均方根誤差為0.44 m，表明對西北太平洋海浪模型驗證良好。計算研究發(fā)現(xiàn)東中國海SWAN數(shù)值模擬的有效波高等值線分布與衛(wèi)星觀測相似，海域有效波高值相近。

3.2江蘇沿海海浪模型的驗證

響水站位于江蘇沿海響水縣34.437°N、120.1°E，如圖2所示。研究使用海圖水深插值得到響水站的水深為8.36 m，測站由河海大學(xué)維護，使用波浪浮標(biāo)遙感系統(tǒng)獲取波浪要素。測站數(shù)據(jù)包括有效波高、平均波周期、波向和最大波高等，時間范圍自2010年11月1日至2012年7月3日，分辨率為1小時。研究對江蘇沿海海浪模型進行驗證時，對模型參數(shù)選取進行數(shù)值模擬研究和分析。將底摩擦系數(shù)Cf分別取值為0.006、0.010和0.015 ，SWAN三重嵌套模型模擬得到響水站在2011年5月15日0時至5月24日18時的有效波高，并進行敏感性分析。結(jié)果表明當(dāng)Cf=0.006時，數(shù)值模擬有效波高最大值與實測最為接近，故模型底摩擦系數(shù)取為0.006。圖4(a)為SWAN三重嵌套模型模擬得到的響水站在2011年5月15日0時至5月24日18時的有效波高與測站實測數(shù)據(jù)的對比；圖4(b)為模型模擬得到的該時間范圍內(nèi)的平均波周期與測站實測數(shù)據(jù)的對比。

可見SWAN數(shù)值模擬得到的響水站有效波高、平均波周期與實測值變化趨勢均相近，兩者的有效波高均方根誤差為0.15 m，平均波周期均方根誤差為1.42 s，表明結(jié)果吻合較好。

對西北太平洋至江蘇沿海的模型驗證表明SWAN模型三重嵌套進行數(shù)值模擬可較好得模擬計算海域的有效波高分布和海浪動態(tài)變化過程，證明了SWAN三重嵌套數(shù)值模擬模型的合理性。

4 多重嵌套方法模擬江蘇沿海百年一遇波浪

以第1節(jié)的三海域的百年一遇風(fēng)場為驅(qū)動風(fēng)場，基于上述西北太平洋至江蘇沿海SWAN三重嵌套數(shù)值模型，模擬得到江蘇沿海4個方向(N、NE、E和SE)百年一遇有效波高分布。

4.1江蘇沿海百年一遇波浪分布模擬結(jié)果

基于1974-2003年風(fēng)速資料推算得到的江蘇沿海E、NE向百年一遇風(fēng)速比基于1981—1998年風(fēng)速資料的推算結(jié)果偏大(見表1)，模擬得到的江蘇沿海外海百年一遇有效波高偏大，近海輻射沙洲有效波高分布則相似。分別作圖5中(a)-(d)(基于1981—1998年風(fēng)速資料，見表1)和(e)-(f)(基于1974—2003年風(fēng)速資料，見表1)。

可見，江蘇沿海外海處有效波高等值線較為順滑，有和岸線平行的趨勢，在圖5(d)SE向百年一遇有效波高分布體現(xiàn)的最為明顯。隨著波浪向近岸傳播，由于底摩擦、淺化破碎等損耗，有效波高迅速減小，北部海域有效波高變化比較平緩，在南部輻射沙洲海域(32.5°～33.5°N)近岸百年一遇有效波高的變化較為復(fù)雜，對比江蘇沿海的水深分布(見圖2)，可明顯觀察到輻射沙洲處百年一遇有效波高偏小，有效波高分布與水深分布相關(guān)性很大。表明輻射沙洲對江蘇近岸有效波高分布的影響顯著。

圖5 江蘇沿海百年一遇有效波高分布Fig. 5 The distribution of significant wave height a with 100-year return period along Jiangsu coast

4.2江蘇沿海百年一遇有效波高分布特征

表2為SWAN多重嵌套模擬得到江蘇沿海4個方向(N、E、NE和SE)的百年一遇有效波高的最大值。

表2 江蘇沿海百年一遇有效波高的最大值Tab. 2 The maximum significant wave height with a 100-year return period along Jiangsu coast

表2的江蘇沿海各向百年一遇有效波高最大值與謝冬梅等[1]計算得到江蘇外海深水邊界點分方向統(tǒng)計百年一遇波高結(jié)果相比較為接近。由圖5和表2可見，基于1981—1998年風(fēng)速資料模擬得到的4個方向(N、E、NE和SE)江蘇沿海百年一遇有效波高分布，外海N向和SE向的有效波高比其它向明顯偏小，NE向偏大，近海4個方向的有效波高分布相似；海域E向有效波高最大值最大，為11.09 m，NE向其次，N向最小。江蘇沿海N向百年一遇風(fēng)速較SE明顯偏大，但兩向百年一遇風(fēng)場影響下有效波高分布相似，最大值相近，可知若在相同風(fēng)速條件下，SE向風(fēng)作用下產(chǎn)生的江蘇沿海的有效波高比N向大，對江蘇沿海的影響更大。SE向與N向百年一遇風(fēng)場作用下江蘇沿海百年一遇有效波高偏小，對江蘇沿海影響也最小，E向最大，NE向其次。

5 結(jié) 語

本研究首次建立一個基于海浪模型SWAN的自西北太平洋、東中國海至江蘇沿海的三重嵌套模型，經(jīng)驗證模型的合理性，該模型對江蘇沿海重現(xiàn)期波浪的數(shù)值模擬提供了一個有效途徑。以西北太平洋、東中國海和江蘇沿海三個計算域4個方向百年一遇風(fēng)場驅(qū)動三重嵌套模型模擬得到江蘇沿海百年一遇有效波高分布。研究表明，輻射沙洲對有效波高分布有顯著影響，E向風(fēng)場作用下的江蘇沿海百年一遇有效波高分布最大，NE向次之，N向和SE較小。

本研究根據(jù)泊松-耿貝爾復(fù)合極值分布推算西北太平洋和東中國海4個方向百年一遇風(fēng)速時只統(tǒng)計考慮了臺風(fēng)影響總次數(shù)。下一步工作將綜合考慮臺風(fēng)與寒潮的影響，推算西北太平洋至江蘇沿海4個方向不同重現(xiàn)期的風(fēng)速和多重嵌套模擬江蘇沿海不同重現(xiàn)期的有效波高分布。

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Study on multiple-nested simulation of waves along Jiangsu coast

CHU Xijun， XU Fumin

(Key Laboratory of Coastal Disasters and Defence, Ministry of Education, College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Wind field with a 100-year return period in Northwest Pacific, East China Sea and Jiangsu Coast in four directions of North, Northeast, East and Southeast is built with CCMP wind data of 24 years and wind speed with a 100-year return period along Jiangsu coast in each direction as mentioned above. Based on the third-generation wave model SWAN, a multiple-nested simulation model is built in three levels of nested domains from Northwest Pacific, East China Sea to Jiangsu coast for the first time and verified with AVISO satellite data and measured data at fixed points along Jiangsu coast. Using wind field with a 100-year return period in these three domains in four directions as the driving wind field of this multiple-nested simulation model, the distribution of significant wave height with a 100-year return period along Jiangsu coast can be simulated with high accuracy. It is concluded that the radial sandbanks along Jiangsu coast affect the distribution of significant wave height obviously; significant wave height is generally the largest under the effect of East wind field with a 100-year return period, Northeast the second, North and Southeast the least.

CCMP wind field; SWAN model; multiple-nested simulation; distribution of significant wave height; Jiangsu coast

P731.22

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.016

1005-9865(2015)06-112-07

2015-01-22

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAB03B01)

儲錫君(1990-)，男，浙江寧波人，碩士生，主要從事災(zāi)害性海洋動力過程研究。E-mail:chu293546@126.com