基于WW3的南海北部有效波高时空变化及其极值重现期估算方法分析

本文基于第3代海浪模式WAVEWATCH III （WW3）模拟的1996–2015年海浪后报数据,分析了南海北部有效波高及其极值的时空变化特征,并采用Pearson-III和Gumbel两种极值分布方法对该区极值波高重现期进行了估算。结果表明,南海北部有效波高的季节变化和空间分布与季风风场基本一致,呈现秋冬高春夏低,并自吕宋海峡西侧向西南降低的特征,与ERA5再分析数据结果高度相似。有效波高极值（简称极值波高）的时空分布特征受时间分辨率强烈影响,采用极值数据的分辨率越高（如逐小时）,所展现的台风型波浪特征越显著。扣除季节变化信号后的有效波高和年极值波高均体现出较强的线性增高趋势,近20年升高的比例分别为7.7%和31.6%,值得警惕和关注。该区多年一遇极值波高存在若干个大值区,且与台风的路径、强度有直接联系,表明台风是引发该区域极端大浪的最主要机制。对比Pearson-III和Gumbel极值分布估算结果发现：若极值波高较低,频率随极值波高升高缓慢降低,此时两种极值分布的估算都比较准确,差异极小,可忽略不计;但当研究时间范围内,某年极值波高远超其他年份时,Pearson-III极值分布估算结果明显高于Gumbel极值分布估算结果,且更接近实际极值波高,即Pearson-III极值分布在此情况下表现更好。本研究表明对于特定海区,在出现超强台风引发极值波高远超出其他年份时,不同计算方法对极值波高的估算差异较大,会显著影响重现期的评估。此外,南海北部年极值波高的强烈增高趋势,也可能给计算未来极值波高重现期和海上工程防护带来不可忽视的影响。     

基于余水位精化潮高模型的水位生成研究

研究了基于余水位精化潮高模型的水位生成方法。所提方法首先构建网格潮汐场模型,其次采用余水位提高内插模型精度。通过网格搜索策略实现了水深点所属网格的快速定位及水位生成,探索了该模型在水位改正及预报中的应用。实验表明：所提方法既可应用于水位改正又可用于水位预报,且较现有方法在精度上有所提高。     

海陆二元结构均衡模型的构建及其运行机制研究

沿海与内陆发展水平的巨大差异使得海陆二元化问题日趋凸显,如何减小海陆发展差距,推动海洋经济和内陆经济协调发展,实现海陆统筹是蓝色经济发展中亟待解决的关键问题。文章首次构建了基于生产函数理论的海陆二元结构生产要素均衡模型,通过数学推导,证明了生产要素海陆间最优配置点的存在,并从内外两方面对海陆二元结构内部生产要素的配置运行机制进行了深入探讨。在此基础上,结合蓝色经济区建设,提出相应的政策建议。     

基于随机事件集的风暴潮重现期计算的合理性研究

为了研究随机事件集实际应用于计算南通如东岸段风暴增水的合理性问题,基于ADCIRC模型模拟影响南通如东岸段基于随机事件集的风暴增水,然后利用P-Ⅲ型曲线对年增水极值进行拟合,得到各典型重现期下的增水值,并与由28年历史资料拟合得到的各重现期下增水值进行对比。结果表明,在历史资料长度所及的28年以及以下重现期,基于随机事件集模拟得到的重现期增水值与基于历史实测资料的比较符合,说明随机事件集的结果在低重现期情况下结果良好。对于高重现期增水值,基于随机事件集的拟合结果显著大于基于历史资料的拟合结果。由于历史资料时间太短,不足以发生非常极端的风暴潮事件,故对高重现期的拟合结果难以保证可信度,所以不能排除随机事件集拟合结果的合理性。随机事件集在南通如东岸段对低重现期增水估计准确,同时也能较充分地估计高重现期增水,在目前缺乏百年千年时间尺度的实测资料的情况下,不失为一种良好的风暴增水重现期计算工具。在全球变暖情况下,超强台风出现几率大大增加,典型重现期增水值也会相应提高,为了预防风暴灾害的侵袭,需要加深加固海堤、江堤等海岸工程。     

渤、黄海天文潮—风暴潮相互作用及其对极值水位的贡献

基于Delft3D模型建立了中国渤、黄海风暴潮数值模型,选取1979—2020年影响该海域的93场风暴过程（包括台风、寒潮和温带气旋）,模拟了所产生的风暴增水和风暴潮总水位。采用泊松—皮尔逊复合极值分布理论,推算了渤、黄海对应不同重现期的极值水位;通过数值试验,对天文潮—风暴潮非线性相互作用对极值水位的贡献进行了量化分析。研究结果表明,渤海的莱州湾、渤海湾,以及黄海的江华湾、西朝鲜湾风暴增水最大,其中江华湾北侧和渤海湾西南侧的百年一遇风暴增水可达4 m;天文潮—风暴潮非线性相互作用在潮差较大、水深较浅的河口、湾顶区域更为显著,与耦合模型结果相比,非线性作用使极值水位值偏小,天文潮、风暴潮增水的线性叠加可显著高估极值水位,高估的幅值可达0.5~0.8 m。考虑重现期极值水位是海岸灾害防护工程的关键设计参数之一,对海岸构筑物的安全和建造成本影响极大,应重视天文潮—风暴潮非线性相互作用对重现期水位的影响。     

基于Clayton Copula函数的二维Gumbel模型及其在海洋平台设计中的应用

根据Gumbel分布和Clayton Copula函数构造出二维Gumbel Clayton Copula分布,根据渤海海域某观测站测得的1970—1993年年最大波高及风速,具体介绍该二维Gumbel模型在海洋工程设计中的使用方法。通过导管架平台基底剪力计算表明,使用该二维Gumbel模型所得的50a一遇剪力值降低了37%,对于边际油田,可以降低荷载设计标准,从而减少海洋工程的投资费用。     

基于非对称Archimedean Copula的三变量风浪重现水平分析

采用非对称Archimedean Copula函数与Kendall分布函数分析极端波况下的波高、周期和风速三变量联合概率分布与风险率及其设计分位数,为海岸海洋工程设计和风险评估提供参考依据。以粤东汕尾海域的实测风浪数据为例,使用非对称Gumbel-Hougaard Copula函数计算三变量风浪联合分布的"或"重现期、"且"重现期和二次重现期及其最可能的风浪设计值。主要结论如下:对比不同设计风浪重现期显示,"或"重现期的风险率偏高,"且"重现期的风险率偏低,二次重现期更准确地反映了特定设计频率情况下三变量风浪的风险率;按目前有关规范设计要求的单变量风浪要素设计值已经达到安全标准,按三变量"或"重现期和三变量同频率设计值推算的风浪设计值偏高,以最大可能概率推算的三变量风浪要素的二次重现期设计值可为相关工程安全与风险管理提供新的选择。     

基于半参数模型的水位数据预处理方法研究

为消除压力式验潮仪数据因误差而存在的抖动现象,提出了利用半参数模型对水位数据进行预处理的方法。研究了半参数模型在水位预处理中的具体实现方法,并对处理后的数据在应用方面进行了数据实验。实验表明,半参数模型既能够剔除不合理观测噪点,又能够高精度拟合观测水位,利用处理后的数据确定的余水位以及潮汐比较参数更具备合理性,精度得到了提高。     

基于海洋潮汐动力模型的水位改正方法研究

本文研究并提出了一种基于海洋潮汐动力模型的水位改正方法。该方法通过对数值模拟的天文潮位进行改正,结合残差改正获得特定站的潮位数据。结合实际资料,将基于海洋潮汐动力模型的水位改正方法与传统的水位改正方法(时差法和最小二乘潮位拟合法)进行了比较,新方法改正的精度明显高于传统方法,显示其在地形变化较为复杂海域进行水位改正的可行性与独特优势。该方法可以在海洋测绘中减少短期验潮站的布设,用于潮位序列缺失的修补。     

海平面上升对中国沿海地区极值水位重现期的影响

基于中国沿海10个验潮站资料,利用皮尔森Ⅲ型(P-Ⅲ)模型探讨了典型浓度路径(Representative Concentration Pathway,RCP)情景下21世纪海平面上升对中国沿海地区极值水位重现期的影响。结果表明:海平面上升将显著缩短极值水位的重现期。在RCP8.5情景下极值水位的重现期缩短最为显著。预估到2050年,在RCP8.5情景下,所研究的中国沿海地区潮位站的百年一遇极值水位将变为9~43 a一遇。到2100年,在RCP8.5情景下,百年一遇极值水位变为1~18 a一遇。当前极值水位的低概率事件将在2100年变得普遍,在RCP8.5情景下,到2100年千年一遇的几乎每两百年发生一次。由于极值水位的重现期会随着气候变化而缩短,未来沿海地区将会面临更严峻的风险与挑战。     

基于危险率分析的风浪联合重现期研究

采用二维逻辑冈贝尔分布,基于工程使用期和危险率,提出海洋工程结构设计过程中海洋环境要素(风速和波高)联合重现期的确定方法,并且以某海区资料为例,介绍基于危险率分析的风浪联合重现期分析过程.通过此例,在考虑工程使用期和危险率的基础上进行联合重现期的计算使海洋工程结构物设计过程中重现期的选取更加合理,安全性以及投资建造成本更加明确.     

T年重现期波高的最大熵估计

本文在最大熵原则的基础上,通过解一条件变分问题,导出一种由观测数据估计T年（常用的有50a或100a）重现期波高的新方法.本文导出的概率密度函数为f4（H）=αH^γe^-βH4,式中参量α、β、γ可以由年极值波高H的1～4阶分布矩（Hm^-,m=1,2,3,4）显式地表示出来.其具有如下的优越性：（1）参量中包含了H的3阶和4阶分布矩,适用于描述不确定性很大的海浪的重现期波高;（2）符合最大熵原则,即其信息熵最大,从而特别适用于重现期波高的估计;（3）形式简单且其参量容易由已知观测数据确定,便于理论和实际应用.作者对两个水文观测站的实测数据,分别使用该方法,及一些现有常用的方法计算其50、100a重现期波高.比较计算结果表明该方法非常接近于皮尔逊-Ⅲ方法和龚贝尔方法的结果.     

基于区域潮汐场模型的水位控制可行性研究

探讨了基于区域潮汐场模型的水位控制方法中的基准面确定问题,发现余水位控制方法在传递余水位的同时隐含了平均海面传递的事实,因而使区域各点与验潮站的平均海面处于同一历元,而深度基准面的确定误差是该方法的主要误差之一.根据渤海的某次水深测量作业,研究了区域深度基准面的精化,验证了平均海面的传递理论.最后分析了该方法存在的问题...     

基于潮汐模型进行水位控制方案设计探讨

探讨了水位控制的精度要求以及目前水位控制方案设计的不足,提出了利用潮汐模型设计水位控制方案的方法;以自编的软件CNTideGets为工具,对虚拟的一个测区内设立虚拟验潮站,利用潮汐模型计算各个虚拟站的深度基准面、预报15天的潮汐资料,然后计算出各个虚拟站之间的潮时差、同时间最大潮高差以及同相位潮差中误差并绘制成图,以此为依据设计测区水位控制方案;对水位控制精度和利用潮汐模型设计水位控制方案提出了建议。     

南印度洋海区大风天气高纬低压系统模型研究

本文根据多年的天气图、卫星云图以及1980～1990年的NCEP再分析资料,通过统计分析和合成分析等方法建立了能够在南印度洋特定海区引起12m/s以上大风天气的高纬低压系统概念模型,并对主要的南印度洋西部副高型、南印度洋倒"品"字型作了详细的阐述。该天气概念模型主要发生在南半球的冬、春季。(1)南印度洋西部副高天气过程多由高纬度低压系统发展引起。在这一过程中,副高与高纬低压系统由纬向型向经向型转变,海平面气压槽和850hPa高度槽受到槽后冷平流的驱动不断向东北方向移动,并扫过南印度洋东部。(2)南印度洋倒"品"字天气模型中,低压槽受斜压系统的驱动东移并发展加深,与南印度洋东部的副高中心之间形成大风带。该天气概念模型的建立对南印度洋海区大风的预报可起到一定指导作用。     

基于潮汐模型与余水位监控法的海图测量水位改正及应用

面对近年海图测量逐渐由近海向外延伸的发展现状,其对水位改正的要求越来越高,水位改正是海图测量中的一个尤为重要的技术环节,对保证测量精度起着极其重要作用。实际测量作业中,在一些潮汐性质变化复杂的海域,采用传统水位改正方法面临设站数量多、难度大、易丢失、精度难保证等难点。针对测区潮波分布的复杂性与特殊性,基于POM模式,采用"混合"同化法同化由T/P卫星测高数据反演的沿迹潮汐参数构建了高分辨率高精度的潮汐模型,利用余水位的空间相关性,称之为基于潮汐模型与余水位监控的水位改正法。通过海图测量实例中基于潮汐模型与余水位监控法的应用,对测量成果精度进行了分析和验证,为海图测量在水位改正方法的选择提供了技术支持,进而对保证测量精度有着重要的现实意义。     

建立高程异常内插计算综合模型的研究

大地测量中数值逼近模型可分为两类:函数模型与统计模型,两种类型各有优、缺点。函数模型逼近一般求定逼近场的系统性或某种规律性趋势。统计模型逼近的主要特点是计算灵活,尤其对稳态随机过程的逼近效果较好。试图将二者有机地结合起来,以便充分利用函数模型逼近的规律性和统计模型逼近的灵活性,从而提高待求量的精度和可靠性。并通过实际算例证明将两者结合起来可有效改善拟合效果。     

基于现场实测的渤海风速特性研究

风荷载是影响海洋结构物设计和安全服役最为显著的环境因素之一。利用在役海洋平台监测系统对渤海风速场展开长期监测,获得了长期的风速信息。对极值风速进行分析,利用极值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型分布对风速极值的概率密度进行拟合。基于极值Ⅰ型概率分布,获得了渤海海域重现期为5 a、10 a、30 a和50 a的最大风速值。对年最大风速的脉动风分量、湍流强度、阵风因子进行了分析。考虑高频分量的影响,利用小波变换,得到了脉动风速的近似分量和细节分量,计算了实测风速的纵向和横向的空间积分尺度。对比经验脉动风谱与实测脉动风谱,证明了Davenport风速谱能够较好地拟合渤海现场风速场。     

基于Tweedie-GAM模型研究海州湾小黄鱼资源丰度与栖息环境的关系

本研究根据2011年及2013—2016年春季和秋季在海州湾及其邻近海域进行的底拖网调查数据,结合同步采集的底层海水温度、底层海水盐度、水深、底质类型,以及脊腹褐虾(Crangon affinis)、细螯虾(Leptochela gracilis)、鳀(Engraulis japonicus)、赤鼻棱鳀(Thrissa kammalensis)等小黄鱼(Larimichthys polyactis)主要饵料生物的资源丰度数据,采用条件数κ和方差膨胀因子(VIF)度量多重共线性的程度,选取关键环境因子,再应用基于Tweedie分布的广义可加模型(GAM)研究不同季节和不同生长阶段的小黄鱼资源丰度与环境因子的关系。多重共线性的检验表明,所有初始变量之间没有显著的多重共线性,均可作为解释变量代入模型。结果表明:不同季节和生长阶段,影响小黄鱼资源分布的主要因子及其偏差解释率各不相同,各变量所对应的适宜范围也不同。例如:影响春季小黄鱼幼体资源分布的主要因子有底层海水温度、底层海水盐度、水深和脊腹褐虾的分布,其中偏差解释率最大的因子为水深(16.09%);而影响春季成体资源分布的因子为底层海水温度、底层海水盐度、水深及脊腹褐虾和鳀的分布,其中偏差解释率最大的因子为底层海水盐度(13.56%)。本研究表明,海州湾及其邻近海域不同季节和不同生长阶段小黄鱼的资源分布与其自身的生态习性、海洋环境以及饵料生物的分布密切相关。     

湛江周边区域台风风速的长期极值预测

对湛江附近海域1974年至2006年33年的热带气旋过程观测资料进行统计分析.考虑到热带气旋发生频次的影响,建立Poisson-Weibull复合极值分布,对影响湛江地区的台风风速进行长期极值预测,推算出湛江周边区域的多年一遇设计风速,并与传统设计方法进行比较.计算结果表明,复合极值统计模式计算结果较稳定,该方法适用于受热带气旋影响区域的极值风速的长期统计分析.