陳汨梨 ，潘志剛 ，徐嘯 ，戴煒 ，鐘嬛予

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.中國港灣西部非洲區(qū)域公司，科特迪瓦 阿比讓 06BP6687；3.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；4.浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310012）

0 引言

我國是一個(gè)海洋災(zāi)害頻發(fā)的海洋大國。根據(jù)《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》（以下簡(jiǎn)稱《公報(bào)》）的數(shù)據(jù)，2000—2016年間，我國共有2 659人因海洋災(zāi)害死亡或失蹤，其中海浪災(zāi)害導(dǎo)致的人員死亡或失蹤占到了66.7%，可見海浪災(zāi)害是對(duì)民眾生命安全威脅最大的海洋災(zāi)害類型。在中國近海，海浪災(zāi)害主要有3種類型：臺(tái)風(fēng)浪、冷空氣浪、氣旋浪。根據(jù)《公報(bào)》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2004—2016年間，我國因海浪災(zāi)害導(dǎo)致的人員死亡或失蹤達(dá)到1 248人，其中由冷空氣浪、氣旋浪、臺(tái)風(fēng)浪造成的人員損失分別占58.3%、27.0%、14.7%?？梢钥闯觯淇諝饫藢?duì)我國沿海居民的生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，對(duì)中國近海的冷空氣浪進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而相對(duì)臺(tái)風(fēng)浪而言，對(duì)于我國冷空氣浪的研究還非常薄弱[1-3]。王祥濤等[4]統(tǒng)計(jì)了波高≥6 m的冷空氣浪災(zāi)害事件在我國近海的分布，指出我國的渤海、黃海、東海、南海均有冷空氣浪災(zāi)害發(fā)生。戴煒等[5]的研究表明：由于海域面積、水深和冷空氣強(qiáng)度的不同，我國各海域的冷空氣浪特性也有所不同?？傮w而言，冷空氣浪的浪高從渤海至東海呈上升趨勢(shì)。鄭崇偉等[6]分析了2013年3月一次強(qiáng)冷空氣過程過境期間的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示黃海、東海都出現(xiàn)了有效波高超過4 m的大浪。劉志宏等[7]基于NFS風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)SWAN模式對(duì)2012年1月的一次強(qiáng)冷空氣過境影響下的中國近海波浪進(jìn)行了后報(bào)模擬，發(fā)現(xiàn)渤海、黃海、東海均出現(xiàn)了有效波高3 m左右的大浪區(qū)。雖然前人的研究都已經(jīng)明確冷空氣浪是由寒潮大風(fēng)引起的海浪，并探討了典型冷空氣浪案例的時(shí)空分布特性和短期演變規(guī)律，但是尚未有人給出參數(shù)化的冷空氣浪定義，導(dǎo)致關(guān)于冷空氣浪的數(shù)據(jù)處理以及大尺度長(zhǎng)時(shí)間的特性分析工作難以展開。

為了填補(bǔ)我國在冷空氣浪定義方面的空白，本文通過分析冷空氣浪災(zāi)害存在時(shí)的中國近海波要素以及風(fēng)要素的規(guī)律特點(diǎn)，總結(jié)出中國近海冷空氣浪的參數(shù)化判定標(biāo)準(zhǔn)，可作為建立中國近海冷空氣浪數(shù)據(jù)集的依據(jù)，也可為中國近海冷空氣浪的進(jìn)一步研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的風(fēng)速數(shù)據(jù)是美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的CFSR風(fēng)場(chǎng)，時(shí)間分辨率6 h，空間分辨率0.5°×0.5°。波浪數(shù)據(jù)來源于Shi等[8]建立的中國近海波浪數(shù)據(jù)集，該波浪數(shù)據(jù)集是通過TOMAWAC波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的。TOMAWAC是EDF R&D國家水力和環(huán)境實(shí)驗(yàn)室（LNHE）開發(fā)的波浪計(jì)算子程序，在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多名學(xué)者使用它進(jìn)行波浪數(shù)值模擬且模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比良好[9-10]。Shi等建立的TOMAWAC海浪模型的計(jì)算區(qū)域包含整個(gè)太平洋，以便充分考慮外海波浪對(duì)中國近海的影響。該模型在中國近?？臻g分辨率最小為10 km，時(shí)間步長(zhǎng)取5 min，驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)是CFSR風(fēng)場(chǎng)。模型計(jì)算的時(shí)間跨度是1979年1月1日—2016年12月31日，模型輸出的波浪數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率達(dá)到1 h。本文從中選取時(shí)間范圍是2004—2016年，空間范圍是 0°N—45°N、100°E—130°E 的波浪數(shù)據(jù)，在空間尺度上足以涵蓋中國海四大海域——東海、渤海、黃海、南海。

為了增加近岸波浪模擬精度，Shi等建立的波浪模型網(wǎng)格是不規(guī)則的三角形，近岸處網(wǎng)格密度較高，遠(yuǎn)岸處網(wǎng)格密度較低，但是這樣的大小、密度不統(tǒng)一的網(wǎng)格不利于對(duì)海域的海浪特征做統(tǒng)計(jì)分析。因此本研究將Shi等建立的中國近海波浪數(shù)據(jù)集在新的規(guī)則矩形網(wǎng)格上重新插值，插值分辨率設(shè)定為0.125°×0.125°，采用的插值方法為三角形線性內(nèi)插法。表1展示了四大海域插值前后的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量，可見插值之后各個(gè)海域的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量基本與海域面積成正比，這意味著每個(gè)格點(diǎn)代表的海域面積大致相同，有利于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作。

表1 各海域插值前后格點(diǎn)數(shù)量Table 1 Number ofgrid points before and after interpolation in each sea area

2 中國近海冷空氣浪特性分析

分析冷空氣浪的外在表現(xiàn)特征有助于更好地建立冷空氣浪的判別標(biāo)準(zhǔn)。

本研究基于中國近海波浪數(shù)據(jù)集的有效波高數(shù)據(jù)以及CFSR風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，繪制出了2004—2016年《公報(bào)》收錄的各冷空氣浪發(fā)生日的每6 h平均有效波高圖、每6 h海平面10 m高度北向風(fēng)速圖和每6 h海平面10 m高度東向風(fēng)速圖。

通過對(duì)冷空氣浪發(fā)生當(dāng)日的波高圖、風(fēng)速圖的分析，發(fā)現(xiàn)冷空氣浪發(fā)生時(shí)海域呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：各海域波高顯著增大，海域內(nèi)出現(xiàn)有效波高不低于3 m的大浪區(qū)；各海域海平面10 m高度處南北向風(fēng)速明顯增加，海域內(nèi)產(chǎn)生超過10 m/s甚至超過15 m/s的北向大風(fēng)。值得注意的是，冷空氣浪發(fā)生時(shí)，海平面10 m高度處的東西向風(fēng)速并未顯著增大，這是因?yàn)橛绊懳覈５睦淇諝鈭F(tuán)是自北向南移動(dòng)的，一般產(chǎn)生北向或偏北向的大風(fēng)，因此可以近似忽略冷空氣對(duì)東西向風(fēng)速的影響，以下提到的風(fēng)速均指北向風(fēng)速。

3 冷空氣浪判別標(biāo)準(zhǔn)

冷空氣浪是冷空氣團(tuán)南下帶來的大風(fēng)所掀起的海浪，因此冷空氣浪的判別標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)考慮波要素和風(fēng)要素兩方面的影響。

3.1 冷空氣浪的波要素判別標(biāo)準(zhǔn)

波要素判別標(biāo)準(zhǔn)主要考慮大浪區(qū)占比，大浪區(qū)占比的含義是有效波高≥某一特定值H的大浪區(qū)與所在海域面積（渤海、黃海、東海和南海其中一個(gè)）的比值。

α=a/A （1）

式中：α為大浪區(qū)面積占比；a為某時(shí)刻海域內(nèi)有效波高≥H的格點(diǎn)數(shù)量，根據(jù)上述對(duì)冷空氣浪發(fā)生時(shí)波要素特征的分析，H取有效波高3 m；A為0.125°×0.125°分辨率下海域內(nèi)格點(diǎn)總數(shù)。

由于模型每小時(shí)輸出1筆數(shù)據(jù)，因此每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)每天有24筆波浪數(shù)據(jù)，若在這24 h的數(shù)據(jù)中，有任何一個(gè)時(shí)刻海域內(nèi)的大浪區(qū)面積占比α≥設(shè)定的閾值，則認(rèn)為該日該海域滿足了波要素判別標(biāo)準(zhǔn)。

為了確定α閾值，首先定義如下4個(gè)指標(biāo)以評(píng)價(jià)α閾值的優(yōu)劣性：1）波要素判別標(biāo)準(zhǔn)下全年滿足該標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)；2）全年中被《公報(bào)》冷空氣浪災(zāi)害收錄的天數(shù)；3）重合天數(shù)，即全年中既滿足波要素標(biāo)準(zhǔn)，又被《公報(bào)》冷空氣浪災(zāi)害收錄的天數(shù)；4）重合度，即重合天數(shù)與《公報(bào)》收錄天數(shù)的比值。

取0.05、0.1、0.15、0.2四個(gè)特征值，從中篩選出最為合適的閾值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，當(dāng)α閾值取0.05時(shí)，重合度最高，但此閾值下滿足波要素標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)太多，平均每年超過200 d，不利于分析冷空氣浪的典型特征。當(dāng)α閾值取0.15、0.2時(shí)，滿足波要素標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)下降到年均200 d以內(nèi)，但兩者對(duì)應(yīng)的平均重合度偏低，均低于70%。而閾值取0.1時(shí)，滿足波要素標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)低于年均200 d，平均重合度也達(dá)到76.64%。綜合考量下，本研究設(shè)定α閾值為0.1。因此，冷空氣浪的波要素判定條件即：若某個(gè)海域1 d內(nèi)任一時(shí)段出現(xiàn)α≥0.1，則認(rèn)為該海域該日滿足了發(fā)生冷空氣浪的波要素標(biāo)準(zhǔn)。α=0.1時(shí)的篩選結(jié)果如表2所示。

表2 α=0.1時(shí)的篩選結(jié)果Table 2 Screening results whenα=0.1

在α的閾值取0.1的條件下，有些日期沒有滿足冷空氣浪的波要素判定條件，但也被《公報(bào)》收錄。這是因?yàn)楹Ｑ鬄?zāi)害是多方面因素綜合作用的結(jié)果，不僅與致災(zāi)因子（如波浪、強(qiáng)風(fēng)）的破壞力有關(guān)，也與承災(zāi)體（如船只、堤壩）的脆弱性有關(guān)[11]。即使是在海浪很小、氣象溫和的情況下，人為失誤也可能引發(fā)海洋災(zāi)害。因此本研究認(rèn)為被《公報(bào)》收錄但不滿足波要素判定標(biāo)準(zhǔn)的冷空氣浪記錄代表性不足，僅將既達(dá)到波要素判定標(biāo)準(zhǔn)又被《公報(bào)》收錄的日期作為有效記錄。

3.2 冷空氣浪的風(fēng)要素判別標(biāo)準(zhǔn)

冷空氣浪發(fā)生時(shí)海域內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)一般呈現(xiàn)2種狀態(tài)：存在影響范圍較大、風(fēng)速也較大的大風(fēng)區(qū)，存在影響范圍較小但是風(fēng)速極大的強(qiáng)風(fēng)，后者的出現(xiàn)更難以預(yù)測(cè)。因此風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)要從2個(gè)方面考慮，其一是作為大風(fēng)判定標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速閾值，其二是大風(fēng)區(qū)占比，即風(fēng)速≥上述閾值的大風(fēng)區(qū)面積與海域總面積的比值。根據(jù)上述對(duì)冷空氣浪發(fā)生時(shí)風(fēng)要素特征的分析，建議取10 m/s（記作U1）和15 m/s（記作U2）兩個(gè)特征值，從中篩選出最合適的風(fēng)速閾值，U1和U2對(duì)應(yīng)的大風(fēng)區(qū)面積占比β1、β2可按式（2）、式（3）計(jì)算：

式中：β1、β2為2種不同風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)下大風(fēng)區(qū)面積占比；b1為某時(shí)刻海域內(nèi)風(fēng)速≥U1的格點(diǎn)數(shù)量；b2為某時(shí)刻海域內(nèi)風(fēng)速≥U2的格點(diǎn)數(shù)量；B為CFSR風(fēng)場(chǎng)空間分辨率（0.5°×0.5°）下的海域內(nèi)格點(diǎn)總數(shù)。

由于本研究所用的CFSR風(fēng)場(chǎng)具有6 h的時(shí)間分辨率，因此每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)每天都有4筆數(shù)據(jù)，分別代表4個(gè)時(shí)刻。若某海域某天的任意時(shí)刻β1或β2的值≥其閾值，則認(rèn)為該海域該日滿足冷空氣浪的風(fēng)要素條件。為了充分考慮大風(fēng)速情況的危險(xiǎn)性，β2的閾值選為0，意味著海域內(nèi)只要出現(xiàn)風(fēng)速≥U2的格點(diǎn)，就判定滿足風(fēng)要素條件。

為了確定β1閾值，首先建立5個(gè)指標(biāo)以評(píng)價(jià)β1閾值的優(yōu)劣：1）全年中滿足波要素判別標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)；2）全年中同時(shí)滿足波要素和風(fēng)要素判別標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)；3）全年中被《公報(bào)》冷空氣浪災(zāi)害收錄的有效天數(shù)；4）重合天數(shù)，即全年中既滿足風(fēng)要素、波要素標(biāo)準(zhǔn)，又是《公報(bào)》中有效記錄的天數(shù)；5）保留率，即重合天數(shù)與《公報(bào)》收錄的天數(shù)的比值。

取0.1、0.2、0.3、0.4四個(gè)特征值，從中篩選出最合適的閾值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：β1閾值取0.3或0.4時(shí)，各年份的平均保留率較低，不足72%，因此排除這2個(gè)特征值。β1閾值取0.1時(shí)，各年份的平均保留率為83.04%，同時(shí)滿足波要素和風(fēng)要素的天數(shù)占滿足波要素的天數(shù)的67.40%。β1閾值取0.2時(shí)，各年份的平均保留率為75.84%，同時(shí)滿足波要素和風(fēng)要素的天數(shù)占滿足波要素的天數(shù)的49.61%。許富翔[3]曾經(jīng)做過統(tǒng)計(jì)，在中國近海，冷空氣浪發(fā)生次數(shù)約占災(zāi)害性海浪發(fā)生次數(shù)的47.0%。因此，綜合考量后將β1閾值取為0.2。β1閾值取0.2時(shí)的篩選結(jié)果如表3所示。

表3 β1=0.2時(shí)的篩選結(jié)果Table 3 Screening results whenβ1=0.2

3.3 波要素標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立性檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證波要素標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)在篩選冷空氣浪的過程中是否各自起到了獨(dú)立的作用，對(duì)2004—2016年的波浪、風(fēng)數(shù)據(jù)分別按照3種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：1）同時(shí)考慮波要素標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)篩選； 2）僅按照波要素標(biāo)準(zhǔn)篩選； 3）僅按照風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)篩選。結(jié)果由表3可知：平均每年有88 d既符合波要素標(biāo)準(zhǔn)也符合風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)，明顯小于平均每年符合波要素標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)（177 d）和平均每年符合風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)（114 d）。這說明本研究采用的波要素標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)形成了互補(bǔ)關(guān)系，將兩者同時(shí)納入冷空氣浪的判別標(biāo)準(zhǔn)中是很有必要的。

4 結(jié)語

本文從波要素標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面建立了中國近海冷空氣浪的參數(shù)化判別標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上彌補(bǔ)了我國在冷空氣浪定義方面的空白。判別標(biāo)準(zhǔn)具體表述為：針對(duì)中國海域，若在1 d內(nèi)的任意時(shí)段同時(shí)滿足大浪區(qū)面積占比α≥0.1且大風(fēng)區(qū)面積占比β1≥0.2或β2≥0的條件，則認(rèn)為該海域當(dāng)日發(fā)生了冷空氣浪。

由于前人的研究并未涉及冷空氣浪的參數(shù)化定義，因此本文的研究屬于探索性研究，有待于進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。本文提出的冷空氣浪定義只局限于中國近海范圍內(nèi)，若要建立普適性更強(qiáng)的冷空氣浪參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步分析世界其他海域的冷空氣浪數(shù)據(jù)。同時(shí)，本文在訂立波要素標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)要素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，只考慮了有效波高和北向風(fēng)速2個(gè)變量，后續(xù)還可以引入更多的波浪、氣象參數(shù)，如波向、波周期、風(fēng)區(qū)、風(fēng)時(shí)等，以獲得更為準(zhǔn)確的冷空氣浪判定標(biāo)準(zhǔn)。