张福涛

（中海石油（中国）有限公司天津分公司工程建设中心，天津 300000）

0 引言

众所周知，大风大浪常伴有不可预测性，而人类想要经略海洋、认识海洋就必须对风浪进行观测甚至预测，对海浪高度的数值模拟可以作为现场海浪观测不足的一种补充。通过对海浪进行分析与研究，把握好海浪的内在规律，就能极大地提高海浪的利用率。一方面波浪能在海浪发电、海水淡化、抽水、制氢[1]等领域拥有巨大潜力，另一方面属于清洁能源，取之不尽用之不竭，所以在环境保护方面也非常具有开发价值。201522 号台风对南中国海（简称南海）的影响较大，而南海作为“21 世纪海上丝绸之路”的两个关键水域之一，分析南海的台风浪特征，对于“21 世纪海上丝绸之路”建设也将起到积极作用[2]。前人对中国海海浪的研究做了卓越贡献，孙立尹等[3]利用1950—1995 年的船舶报资料分析了西北太平洋风浪的特点及变化规律。王静等[4]利用高度计以及EOF方法初步验证了南海的风、浪间的较强相关性。姚琪等[5]利用朝鲜半岛的观测资料，初步验证了CCMP 风场驱动WAVEWATCH-III 模式对中国海海浪场的模拟能力。

尽管前人已对风浪场模拟展开不少研究，但是基于模拟海浪场对台风具体过程进行研究在国内却鲜有先例。本文基于国际海洋领域当前较为先进的第三代海浪观测模式WAVEWATCH-III（以下简称WW3）展开研究，以CCMP 和ERA 两种常用风场作为该海浪模式的驱动场，对2015 年10月2 日在菲律宾群岛西北部形成的台风“彩虹”所致的海浪有效波高进行了重点分析和研究。通过此次研究，可为今后在南海研究极端恶劣环境条件下海浪特征提供参考，也为台风来临时防灾减灾、波浪能资源开发利用以及海岛或海岸居民保障提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

CCMP 风场[6]是美国物理海洋数据中心研发出的一种海表面风场产品，该风场数据是目前在全球范围内的可覆盖率最广、分辨率最高的海表风场数据之一。ERA 风场资料的数据来源是欧洲天气预报中心的Interim 数据[7]，这也是当前最常用的实测风场数据之一。它与之前的ERA-40 等数据相比，ERA-Interim 数据拥有更高的时空分辨率。两者的空间分辨率都是0.25°×0.25°，时间分辨率为逐3 h 输入。

随着现代遥感技术的进步， 通过卫星海上高度计推演的有效波高已能基本接近浮标观测值，且误差在10%以内，因此用高度计推演的有效波高也常被作为实测数据， 用于模拟有效波高的检验与比较。本文利用卫星高度计反演的有效波高作为实测波高，并将CCMP 与ERA 两种实测风场的模拟有效波高与高度计推演的有效波高进行比较，高度计的时间分辨率为逐24 h 输出。

1.2 模式和方法介绍

WW3 模式对深水区域的海浪具有良好的模拟能力，南海平均水深为1 200 m 左右，最深处约为5 500 m，此次台风影响海域多为深海，适合使用WW3 模式进行模拟计算。台风“彩虹”的实际路径图如图1 所示，从中选择P1、P2 和P3 作为参考点进行有效波高的验证与分析，该图选自温州台风网。采用CCMP 和ERA 风场作为WW3 模式计算的输入风场，在WW3 中计算出两种风场的有效波高，计算范围：4°N—26°N、104°E—124°E，空间分辨率0.25°×0.25°，时间范围2015年10 月2 日0 时—2015 年10 月5 日21 时，逐3 h输出1 次计算结果。

图1 “彩虹”路径图Fig.1 "Rainbow"path

在WW3模式中，基本谱是波数方向谱F（k，兹），而模式输出通常是频率方向谱F（f，兹），波数方向谱经过雅克比转换可得到频率方向谱，如式（1）。

式中：Cg为群速度，m/s；d 为水深，m；f 为频率，Hz；k 为波数，无量纲；滓为固有频率，Hz。

式（2）和式（3）为其相关表达式。

模式的源函数项S[8]包含了：线性输入Sln、风-浪相互作用Sin，波-波非线性相互作用Snl、耗散Sds、底摩擦Sbot，浅水情况下致波浪破碎Sdb，浅水情况下的Str，底散射Ssc，波冰作用Sice，海岸漂浮物反射Sref和一个自由项Sxx，如式（4）所示。

1.3 数据的有效性检验及参数分析

为了更直观地对模拟波高进行检验和分析，本文引用相关系数（CC）、偏差（Bias）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）4 个参数[9]。通过对其进行计算、分析和比较，来判断模拟数据的有效性。

采集观测点P1（19°N，114°E 广东省南部海域）、P2（20°N，112°E 海南岛东部海域）和P3（21°N，111°E 湛江市东南部海域）从10 月2 日0 时—10 月5 日18 时的模拟有效波高数据。

将其与高度计反演的有效波高进行对比计算，获得各观测点的相关系数、均方根误差、偏差和平均绝对误差，分别如表1 和图2 所示。

表1 观测点波高参数Table 1 Wave height parameter of observation points

图2 各观测点的波高走势图Fig.2 Wave height trend graph of observation points

观察图2，观测点模拟的有效波高与高度计反演波高趋势一致，波高在10 月3 日与10 月4日较大。根据温州台风网风速数据显示，“彩虹”在10 月3 日下午16 时经过P1 点，级别为33 m/s 的台风；10 月4 日凌晨4 时经过P2 点，级别为45 m/s的强台风；10 月4 日中午12 时经过P3 点，级别为50 m/s 的强台风。分别对应横坐标的区间13~14，区间18~19 和21，而在该段时间范围内，波峰出现时间与台风经过时间较为接近，说明风速和波高之间具有强相互作用关系。CCMP 风场P1、P2、P3 观测点台风期间的波高峰值分别是4.12 m、4.02 m、2.75 m，海域平均波高分别是2.15 m、2.14 m、1.55 m；ERA 风场台风期间的波高峰值分别为3.78 m、3.32 m、2.96 m，海域平均波高分别是1.78 m、1.79 m、1.48 m；高度计的有效波高峰值分别是3.26 m、3.17 m、2.70 m，而海域平均波高分别是2.24 m、2.06 m、1.83 m。比较发现，尽管台风从P1 点到P3 点间风速不断加强（较P1增加了17 m/s，等级由台风变为强台风），但是波峰及平均波高却都有所降低，因为P3 点为台风接近登陆的位置，水深较P1、P2 点浅，这直接反映了风速和波高之间不是简单的正相关关系，也从侧面反映了式（4），即有效波高还与地形、水流等其它因素密切相关。

观察表1：2 个风场的模拟有效波高与高度计反演的有效波高相关系数均在0.86 以上，两者呈显著相关关系。另外CCMP 风场的均方根误差平均为0.75 m，ERA 风场的均方根误差平均为0.67 m，2 个风场的均方根误差非常接近且平均绝对误差小，偏差多在依0.2 以内，说明2 个风场经过WW3模式模拟效果好。值得一提的是，本章计算的是某片海域的有效平均波高，应当与气象网站预测的最大波高加以区分。另外由于海上卫星高度计数据资料多为保密数据，获取途径有限，高度计反演波高为锯齿状是受到波高分辨率（24 h）限制。模拟波峰与实测波峰之间存在小于1 m 的最大误差，CCMP 风场的波峰误差较为明显，考虑到高度计分辨率不高的情况，认为这是CCMP 风场内部模型作用结果。

综上所述，在考虑波高变化趋势、最大误差、波高参数等结果后，认为ERA 和CCMP 风场模拟数据均可作为实际观测的补充，但ERA 风场在本次台风观测点模拟结果中更加接近真实情况。

2 海浪模拟分析

2.1 有效波高

在实际情况中，常常由于实测数据获取的条件及渠道受限，或者实测数据的分辨率不足，例如浮标的观测范围有限、卫星高度计的分辨率较低等情况，需要通过模拟数据来代替实际数据展开研究分析。因此，本章分别使用ERA 和CCMP风场的模拟有效波高来分析本次“彩虹”过程。有效波高（significant wave height）通常用Hs表示，其定义为海域最大波高Hmax过海面处的1/3 平均波浪高度[10]，即：

2.2 海浪场分析

验证分析2 种风场的良好相关性及较小误差，但由于篇幅限制无法列出台风期间所有时刻的模拟波高图，所以选择分别作出2 个风场计算范围内模拟的10 月3 日16 时、10 月4 日12 时以及10 月5 日3 时该海域的有效波高，见图3，其中图3（a），图3（b），图3（c）输入风场为ERA，图3（d），图3（e），图3（f）输入风场为CCMP。

1）纵向比较，10 月4 日12 时波高图图形结果最为接近，该时两者最大波高均在3~3.5 m 左右。观察图3（a）、图3（d）和图3（c）、图3（f），CCMP 和ERA 的波高数据分别有0.8 m 和0.4 m的最大偏差，考虑到高度也有10%的误差，两者这个偏差是合理的。模拟的波高中心几乎相同，影响范围接近，说明两者风场计算台风的峰值位置相似，WW3 模式模拟的效果很好，两者的区别在于各风场风速的测量方法不同而导致风速数值上的差异。

2）横向比较（视有效波高1 m 以上海域为本次台风影响范围），“彩虹”在10 月3 日的影响范围最大，而后范围整体减小，这也符合10 月3 日全海域波高峰值最大的特点，其中CCMP 的作用范围比ERA 更为完整。两者在10 月3 日的波高峰值大而等高线陡，4 日次之，5 日最缓。主要影响海域东起菲律宾群岛，北至台湾海峡，西至海南岛西北海域（北部湾），而这些时刻的海浪中心均集中在沿海海域或沿海附近，推测应该是风浪与浅海地形相互作用形成最大波高的结果。

综上所述，本次台风过程的海浪模拟，ERA风场的模拟波高极值较CCMP 更小，而CCMP 风场的台风作用范围更加完整，并且两者误差均在高度计10%的最大误差范围内，说明利用WW3模式的模拟方法和效果非常好，两者数据皆可作为实测数据补充。

图3 ERA 和CCMP 风场模拟有效波高Fig.3 The significant wave height simulated by ERA and CCMP wind field

3 结语

本文利用WW3 对2015 年10 月的台风彩虹通过输入风场进行模拟有效波高的计算，以及对资料和方法的介绍，模拟数据的有效性检验以及利用两个模拟风浪场数据作出有效波高图进行海浪分析，得到结论如下：

1）利用模拟数据与高度计反演的有效波高比较，对波浪参数进行有效性检验：其中，ERA 风场的相关系数0.867~0.932，偏差绝对值在0.043~0.347 m，平均绝对误差为0.359~0.508 m；CCMP风场的相关系数0.871~0.901，偏差绝对值0.076~0.271 m，平均绝对误差0.401~0.414 m，说明模拟数据与实测数据显著相关，偏差与误差较小，模拟海浪数据可作为台风现场观测不足的补充手段。

2）通过对ERA 和CCMP 风场数据的模拟波高进行分析，作出风场10 月3—5 日3 个时刻的模拟有效波高图，对比发现两种风场利用WW3模式模拟效果均较好，台风主要影响范围东起菲律宾群岛西北部，北至台湾海峡，西至北部湾海域，台风期间我国沿海的最大波高可超过10 m，故该期间不适合一般船舶出行。