经略２１世纪海上丝路之海洋环境特征：极值风速和极值波高

极值风速和极值波高是海洋工程、海洋能开发、防灾减灾等极为关注要素。文章基于来自欧洲中期天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）的ＥＲＡ－ｉｎｔｅｒｉｍ 海浪再分析资料、ＥＲＡ 阵风资料,计算了“２１世纪海上丝绸之路”涉及海域的年极值风速、极值波高,并首次计算了不同季节的极值。结果表明：①南海的５０年一遇年极值风速大于孟加拉湾,孟加拉湾大于阿拉伯海;极值波高的分布特征与极值风速大体一致。②南海的极值风速在各个季节都大于孟加拉湾,孟加拉湾大于阿拉伯海;南海－ 北印度洋的极值风速在ＪＪＡ 和ＳＯＮ 期间明显大于ＭＡＭ 期间,ＤＪＦ期间最小。③南海各个季节的极值波高都大于北印度洋,阿拉伯海的极值波高在ＭＡＭ和ＪＪＡ 期间明显大于孟加拉湾;南海的极值波高在ＪＪＡ 和ＳＯＮ 期间明显大于ＭＡＭ 和ＤＪＦ期间;北印度洋的极值波高在ＪＪＡ 期间最大,ＭＡＭ 次之,ＤＪＦ最小。     

SWAN模式中风输入方案对南海台风浪后报的影响分析

基于近岸海浪模式(SWAN, Simulating waves nearshore),分别用ERA (ECMWF re-analysis)5、ERA-Interim、CCMP(Cross calibrated multi-platform)及美国国家环境预报中心(NCEP, National centers for environmental prediction)数据中心的天气预报再分析系统(CFSR, Climate forecast system reanalysis)的海表面10 m处风场作为不同的驱动风场,模拟15次经过南海的热带气旋过程产生的极值波高情况下的海浪,比较了不同风场驱动的海浪后报模拟值与Jason卫星高度计实测值的误差;再应用模拟精度最高的驱动风场,模拟同样条件的海浪场,对拖曳系数的参数化方案进行敏感性分析和比较。结果表明：在模式输入参数为默认值的情况下,ERA5风场与WU方案的风输入组合能够获得更加准确的中国南海热带气旋发生海域的有效波高;最后基于以上结果构建30年的南海海域海浪要素数据集,并使用Pearson-Ⅲ分布推算出南海海域的多年一遇有效波高。研究结果...     

南海北部海区波高与厄尔尼诺关系探究

以欧洲中期天气预报中心的23年再分析风场数据为基础,采用HIRHAM风场模式和SWAN海浪模型对南海北部海域的波浪场进行推算,并将南海北部海域的有效波高与厄尔尼诺指数作对比,探究两者的关系,分析结论如下：（1）南海海域波高具有较强的季节性变化特征,冬季波高大于夏季波高;（2）南海北部海域月平均波高与Niño3.4指数呈负相关,大部分海域呈中度相关,台湾和菲律宾之间的部分海域呈高度相关;（3）在强厄尔尼诺年,南海北部海域的有效波高明显偏小,且厄尔尼诺指数变化越大,波高越小;反之,在强拉尼娜年,南海北部海域的有效波高较大。     

基于广义极值分布的设计波高推算

简介了广义极值分布函数及其3种参数估计方法,包括极大似然(ML)、线性矩(LM)和间隔最大积(MPS)估计的计算方法。使用广义极值分布函数推算了北部湾涠洲岛海域3个波向的年波高极值序列设计波高,并与Weibull分布、Gumbel分布和皮尔逊Ⅲ型分布的推算结果加以对比。分析表明,涠洲岛海域极值波高服从于广义极值Ⅲ型分布,拟合优度检验结果表明广义极值分布能更好地拟合极值波高;MPS方法是一种优良的参数估计法,推算的设计波高可作为海岸环境工程设计的首要参考值。     

欧洲北海海域波高区间分布概率研究

为了研究欧洲北海海域的波高全区域概率分布情况,从而为海洋平台等海洋浮式结构物的选址和结构设计提供依据。首先基于Global Waves Statistics(GWS)提供的实测数据,确定典型计算工况的发生概率;同时考虑实测数据中极端波浪环境下的数据缺失导致大波高分布概率偏小的问题,利用三参数Weibull分布确定不同重现期下的极值风速,作为典型计算工况的补充。以不同风速、风向的定常风场为输入项,利用第三代海浪数值模型SWAN模型,对北海全区域波高进行数值模拟。将数值模拟的稳态形式依照各工况的发生概率进行归一化累加处理,认为其结果可以表征全区域的波高概率分布情况。以波高概率分布的计算结果为依据,分析北海海域波浪环境的统计学特征,发现有效波高为7 m以上的大波高频发区在北海北部区域有大范围分布;有效波高4～5 m为北海东北区域的多发海况,极端海况下的有效波高主要分布于7～14 m区间,在地形突变区域的波高发生显著变化。     

WAVEWATCH Ⅲ和SWAN模式在南海北部海域海浪模拟结果的对比分析

基于1987年9月到1988年8月期间南海北部的一个浮标资料,首先分析了美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的再分析风场在南海北部海域的适用性,结果表明NCEP/NCAR再分析风场在一定程度上与浮标观测结果相一致。然后利用NCEP/NCAR再分析风场作为海浪模式输入场,评估了WAVEWATCHⅢ(WW3)和Simulating Waves Nearshore(SWAN)这2个海浪模式在南海北部海域模拟海浪的能力,结果表明在季风和季风转换期间,WW3模式和SWAN模式对有效波高的模拟能力几乎一致。在季风期间,WW3模式对平均波周期的模拟能力优于SWAN模式;而在季风转换时期,SWAN模式模拟平均波周期的能力较好。此外,还利用WW3模拟结果分析了南海北部海域海浪的空间分布特征,分析结果表明有效波高受季风影响呈显著的季节变化,平均波周期呈现相对显著的半年变化。     

1988-2002年黄海和渤海风浪后报

本文对黄海和渤海风浪开展长期后报实验,时间范围覆盖1988至2002年,并分析相应的区域波候特征。首先,模式输出的月平均有效波高和卫星数据比对一致。其次,我们讨论了气候态月平均有效波高和平均波周期的时空分布特征。有效波高和平均波周期的气候态空间分布都呈现出西北-东南、或由近岸向深水区增加的趋势,这种空间的分布特征和局地的风强迫和水深密切相关。同时,海浪参数的季节变化也较显著。进一步,我们统计分析了风场和有效波高的极值,给出并揭示了黄海和渤海多年一遇有效波高的空间结构,并讨论了有效波高极值和风强迫极值之间的联系。     

南海北部一次台风浪过程的数值模拟

采用Holland 模型将2009 年6 号台风莫拉菲参数化, 并通过一个权重系数将模型风场和背景风场叠加起来, 构造了南海北部台风过境时的风场。随后通过时空插值, 将该风场以空间分辨率5′×5′、时间步长1 h 的精度输入到SWAN(Simulating Waves Nearshore)模式中, 模拟了莫拉菲台风通过时南海北部的海浪场。然后使用Jason-2 卫星波高数据对模式进行了验证, 结果表明模式结果与实测值吻合良好。利用模式结果我们分析了台风中心和海浪场的最大有效波高中心的位置关系, 以及台风风场结构和海浪场结构的关系。最后, 通过计算海浪场的能量并将其与风要素和浪要素对比, 我们研究了台风过境期间海浪场的动力机制。     

The temporal and spatial variations in the Pacific wind and wave fields for the period 2002–2011

本文利用第三代海浪模式（WAVEWATCH III）分析了2002-2011年太平洋风速和海浪场的时空变化特征。首先,使用浮标观测数据对模式模拟的有效波高结果进行验证。结果表明模式可以有效地后报太平洋的有效波高。模式偏差较大的区域为中低纬度地区。随后将太平洋分为多个子区域,分别讨论了其风速和有效波高的时空变化特征。多年平均太平洋风速和有效波高存在类似的纬向分布特征,各子区域之间风速和有效波高的季节变化存在差别。模式刻画的太平洋有效波高年际变化最大的区域为南半球中高纬区域。进一步,我们研究了波浪能量的输入与耗散。相应的源函数项的各区域平均值显示了量化的表面波的变化。最后,对日平均的风速与有效波高值进行功率谱分析寻找序列的显著周期。结果表明有效波高时间变化对应的频谱和风速谱具有一定的差异。     

设计波高推算的一种新模型

考虑台风影响海域的设计波高,结合复合极值理论和最大熵原则,构造了1种新型的具有4个待定参量和1个台风频次参量的poisson-最大熵分布函数模型,并推导出求解参数的方程组,参数的数值解可通过年极值实测数据的期望、方差、偏度和峰度得到.以黄海某观测站26 a极值波高的实测数据为例计算了新模型中4个待定参量和多年一遇设计波高,并与传统常用计算方法得到的结果进行比较.比较表明,新模型相比传统方法具有一定的优势.     

强台风“卡努”过境期间的风和海浪特征分析

南海北部海域夏季台风活动频繁,对海上生产活动和人民生命财产安全造成极大威胁,由于台风路径的不确定性,其中心附近区域的风浪观测资料十分稀少。中国气象局(China Meteorological Administration, CMA)热带气旋最佳路径数据显示2017年10月强台风“卡努”中心经过南海北部陆坡的SF301浮标,该浮标完整记录了台风过境的风浪数据。利用浮标观测资料,分析了强台风“卡努”过境期间的风和海浪特征。观测结果表明,“卡努”经过浮标时,中心气压为959.9 hPa,风速随时间呈双峰分布,前、后眼壁区的10 min平均风速分别为30.2 m/s和24.9 m/s, 1 s极大风速分别为44.2和38.6 m/s。海浪以风浪为主,观测有效波高和最大波高最大值分别为10.8和14.3 m,滞后最大风速30 min,波向和风向变化趋势一致。台风过境期间,有效波高与海面10 m风速接近线性关系,非台风期间二者呈二次多项式关系。海浪无因次波高和周期呈幂指数关系,无论是台风期间还是非台风期间二者关系十分接近Toba提出的3/2指数律。     

南海灾害性波浪基本特征研究

本文基于1991-2016年全球卫星高度计融合数据对南海灾害性波浪基本特征进行了分析,根据灾害性波浪诱发天气类型不同,将其分为"台风浪"和"非台风浪"。依此主线,对两类波浪在南海不同海域的特征进行了研究,并提出了用于定量研究两类波浪强度关系的台风浪权重系数（W）,得到了两类波浪在南海相对强弱关系的分布规律,量化研究了南海灾害性波浪的特征。本文以卫星高度计波高数据为样本进行了极值分析,得到了南海重现期波浪要素整体分布规律,研究发现W值大小与广义极值曲线类型显著相关。     

基于浮标资料的中国东部海域最大波高特征分析

利用原国家海洋局2010—2015年的浮标资料,计算渤、黄、东海有效波高和最大波高的线性关系,并通过1992—2011年共20 a的数值模拟有效波高资料计算中国东部海域各月的2.5 m、4 m、6 m以上最大波高频率和最大波高月极值分布。结果发现:中国东部海域由北至南,最大波高与有效波高的比值逐渐增大;最大波高频率和最大波高月极值空间分布均由渤海、黄海至东海逐渐增大,最大波高频率的极值12月最大,4或5月最小,最大波高月极值9月最大,4月最小。其时空分布表明:受不同天气系统影响,夏秋季台风较多,容易出现极值较大的最大波高;秋冬季冷空气较强,虽然最大波高极值相对较小,但大浪持续时间长、频率大、影响范围广。     

Determination of water level design for an estuarine city

Based on the extreme value theory, self-affinity, and scale invariance, we studied the temporal and spatial relationship and the variation of water level and established a model of Gumbel-Pareto distribution for designed flood calculation. The model includes the previous extreme value models, the over-threshold data, and the fractal features shared by previous extreme value models. The model was simplified into a logarithmic normal distribution and a Pareto distribution for specific parameter values, and was used to calculate the designed flood values for the Shanghai Wusong Station in 100- and 1 000-year return periods. The calculated results show that the value of the designed flood height calculated in the Gumbel-Pareto distribution is between those in the Gumbel and Pearson-Ⅲ distributions. The designed flood values in the 100- and 1 000-year return periods of the model were 0.03% and 0.11% lower, respectively, than the Gumbel distribution and 0.06% and 1.54% higher, respectively, than the Pearson-Ⅲ distribution. Compared to the traditional model based solely on extreme probability, the Gumbel-Pareto distribution model could better describe the probabilistic characteristics of extreme marine elements and better use the data.     

Long-term variation of storm surge-associated waves in the Bohai Sea

When investigating the long-term variation of wave characteristics as associated with storm surges in the Bohai Sea,the Simulating Waves Nearshore(SWAN)model and Advanced CIRCulation(ADCIRC)model were coupled to simulate 32 storm surges between 1985 and 2014.This simulation was validated by reproducing three actual wave processes,showing that the simulated significant wave height(SWH)and mean wave period agreed well with the actual measurements.In addition,the long-term variations in SWH,pattems in SWH extremes along the Bohai Sea coast,the 100-year retum period SWH extreme distribution,and waves conditional probability distribution were calculated and analyzed.We find that the trend of SWH extremes in most of the coastal stations was negative,among which the largest trend was-0.03 m/a in the western part of Liaodong Bay.From the 100-year return period of the SWH distribution calculated in the Gumbel method,we find that the SWH extremes associated with storm surges decreased gradually from the center of the Bohai Sea to the coast.In addition,the joint probability of wave and surge for the entire Bohai Sea in 100-year return period was determined by the Gumbel logistic method.We therefore,assuming a minimum surge of one meter across the entire Bohai Sea,obtained the spatial SWH distribution.The conclusions of this study are significant for offshore and coastal engineering design.     

近40年中国近海波浪数据库的建立及极值分析

采用TOMAWAC模型模拟近岸40年的波浪要素。波谱计算采用36个方向,模拟波周期范围为1.5～29 s,并对极值波况进行分析。统计了1979—2018年间有效波高的年极值,算得百年一遇的有效波高,发现百年一遇波高由北往南总体呈现增大趋势:渤海和黄海的百年一遇的波高不超过10 m;东海百年一遇的波高在15～22 m之间;南海北部百年一遇波高的范围比较大,靠近台湾部分最大达到了22 m,海南岛西部较小,在10～15 m之间。引用SET值相关指标对极端波浪的发生次数、持续时间和强度进行分析,发现渤海、黄海北部、台湾海峡以及南海西北部极端事件频繁发生,平均每年有5～7次,台湾岛西南部极端事件的平均历时最大,达到了32 h。     

Long-Term Joint Distribution of One-Tenth Large (or Significant) Wave Height with Average Period

- In this paper, by using the wave data from a few oceanographic observation stations in the coastal zone of the Yellow Sea, the East China Sea and the South China Sea, the long-term joint distribution of the one-tenth large (or significant) wave height with average period is studied. The statistical data demonstrate that the long- term distribution of the one- tenth wave height or average period fits the log-normal distribution, thus the joint distribution also fits the two-dimensional log-normal distribution. Then the conditional probability distribution of the average period is derived, and the range as well as the mode of the average wave period corresponding to a certain return period of wave height can be calculated easily.     

江苏及邻近海域深水波浪与增水联合概率分析

采用Gumbel Logistic模型对江苏及邻近海域深水极值波浪与增水进行了联合概率分析。首先对联合概率模型参数进行拟合,得到联合超越概率与经验联合超越概率比较图。在此基础上开展有效波高和增水年极值序列联合概率分析,比较了三种经验有效波高与增水重现期组合事件的联合概率,结果表明在选定的13个代表点位处,有效波高在二者的联合概率分布中处于主导地位,采用100年一遇有效波高与10年一遇增水组合事件作为100年一遇联合事件偏保守;而50年一遇有效波高与50年一遇增水以及10年一遇有效波高与100年一遇增水组合事件的联合概率则随着点位的移动而高于或低于100年一遇的水平。     

两类典型台风路径影响下的黄、渤海海浪场特征研究

台风引起的海浪灾害对我国黄、渤海沿岸影响巨大,严重威胁相关区域人民群众生命财产安全.本文主要利用ERA5(the fifth generation European Center for Medium-Range Weather forecasts atmospheric reanalysis of the globa...     

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.