南海风浪环境统计特性分析方法研究

59卷第1期（总第225期) 2018年03月

中 国造船

SHIPBUILDING OF CHINA

Vol.59 No.l(Serial No. 225)

Mar.2018

文章编号：1000-4882 (2018) 01-0099-11

南海风浪环境统计特性分析方法研究

匡晓峰\赵战华、王智峰2，师超1

(1.中国船舶科学研究中心水动力学国防重点实验室，无锡214082;

2.中国海洋大学，青岛266100)

摘 要

利用WRF气象模式对南海风场进行了数值后报，并以此为驱动场，采用SWAN海浪模式对南海海浪进行了数值模拟研究，得到连续20年的南海风浪资料。通过与观测资料进行对比验证，发现模拟数据与实测

数据匹配较好。在此基础上，利用风浪后报数据分析了南海风浪长期统计特征。通过不同分布模型统计结果

对比分析，选取误差最小的P-III型方法对南海风浪极值条件进行了不同重现期推算，为南海海洋工程设计提

供基础数据和科学支持。

关键词：南海；风浪；分布模型；极值

中图分类号：U661.3 文献标识码：A

〇引言

近年来，国内外许多学者对中国南海波浪特征、分布以及波浪能进行了深入的研宄，利用数值模 拟技术对南海海浪等现象进行了模拟分析。余慕耕[1]统计了 14年内整个南海及邻近海域的波髙、周期、波向等要素，绘制了 1~12月的波浪分布玫瑰图。徐林之等[2]应用东亚地面天气图和北太平洋海浪实况 分析图讨论了南海波浪场在各类天气形势影响下的分布特征。Qiao Fangli等[3]根据75组影响北部湾的 热带气旋数据追算出了北部湾海面风力和波浪极值。周良明等[4]采用WAVEWATCH-I I I波浪模式，对 南海海域1976年至2005年的波浪场进行了数值计算。ZHOU Liangm ing等[5]利用第三代海浪模式 WAVEWATCH-III对2005年南海的23次台风过程中海浪对空气-海洋动量通量的影响进行了研宄。周 水华等[6]采用基于多卫星融合的AVISO有效浪高格点数据对南海浪髙的月变化特征进行分析，讨论南 海浪高的空间分布规律。CUILimin等[7]开发了一种新的X波段双极化（水平极化和垂直极化）雷达用 于探测南海波浪和海流。郑崇伟等[8]基于第三代海浪数值模式WAVEWATCH-III,以QuikSCAT/NCEP 混合风场为驱动场，得到南海1999年8月至2009年7月的海浪场，分析了 10年内南海的波候及波浪 能特征。ZHENG Chongwei等[9]利用第三代海浪模式WAVEWATCH-III对东海和南海从1988年1月至 2009年12月的波浪场进行了模拟并结合CCMP风场数据模拟出了风能密度和波浪能密度。GUAN Hao 等[1()]通过研宄两组南海台风数据开发了一种基于MM5、POM和WW3的地区性大气海浪耦合系统。WANG Zhifeng等[11]利用第三代海浪模式WAVEWATCH-III对1976年至2005年中国南海的波浪进行 了模拟，并研宄了该地区的波浪特征和工程环境。ZHENG C hongw ei等[12]利用第三代海浪模式 WAVEWATCH-III并结合CCMP风场数据对中国渤海、黄海、东海以及南海的长期季节性特征、海面

收稿日期：2017-06-05;修改稿收稿日期：2018-03-06

100中国造船学术论文

风速以及有效波高进行了研宄。

SW AN模式除了考虑第三代海浪模式共有的特点，它还充分考虑了模式在浅水模拟的各种需要。首先SWAN模式选用了全隐式的有限差分格式，无条件稳定，使计算空间在网格和时间步长上不会受 到牵制；其次在平衡方程的各源项中，除了风输入、四波相互作用、破碎和摩擦项等，还考虑了深度 破碎的作用和三波相互作用，是当今运用最为广泛的第三代海浪模式《WRF模式是由许多美国研宄部门 及大学科学家共同参与进行开发研宄的新一代中尺度预报模式和同化系统。WRF模式具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等特性。国家海洋环境预报中心分别用MM5和WRF模式进行了海面风 场的模拟试验，发现W RF预报的结果好于MM5, MM5模拟的结果与实际天气系统相比有一定的滞 后性，而WRF模拟的结果与实际的海面大风过程更接近，预报效果更好。

极值分布的计算方法最早由Fishei•和111)1)时[13]于1928提出，如果数据相互独立和具有相同的分布，那么一共有 3 种极值分布:Fisher-TippettType I，Fisher-TippettType II，Fisher-TippettType in型。Gumbel 极值分布也就是Fisher-Tippett I (简写成FT—I)型极值分布。由于Gumbel最早将之用于水文统计而 得名[14]。FT—II型极值分布也就是Frechet分布，也与二参数的W eibull分布具有相同的形式。而三参 数的W eibull分布与FT—III相似，但相差一个负号。除此之外，目前用得最普遍的分布函数还有皮尔 逊III型分布[15]，我国海港水文规范规定，对于年极值波高及其对应的周期的理论频率曲线，一般采用 皮尔逊III型曲线。该曲线是由英国生物学家皮尔逊在统计分析大量实际资料的基础上得到的。国内经 验表明，皮尔逊III型曲线与波高和周期的经验频率点一般都拟合良好，其次，年最大风速和河流的洪 水频率分析中通常也采用此种线型，已积累了相当经验。工程设计中通常采用Gumbel,Weibull、皮尔 逊III等一些极值分布式，以矩法、最小二乘法或极大似然估计确定分布参数并进行重现水平预测，得 到与某一重现期相对应波高的重现水平作为设计波高标准。

本文目的是利用W RF风场模式和SWAN海浪模式对南海风场和波浪进行数值后报，并在此基础 上对南海风浪长期统计特性和极值推算方法进行研宄。

1数值模拟方法

1.1风场计算

本文采用WRF模式进行南海风场计算。该模式主要特色包括完全可压缩静力平衡方程（带有静力 平衡选项)，包括4种类型地图投影（即极射赤面投影、兰勃特投影、墨卡托投影和经纬度投影)，适合 于区域和全球尺度，具有单向、双向和移动嵌套能力，垂直方向采用地形跟随坐标且垂直格距随高度 可变，水平离散采用ArakawaC网格，时间积分采取三阶龙格一库塔（Runge-Kutta)时间分离积分方案。此外，该模块中还包括了完整的物理过程选项，包括21种微物理过程方案、11种积云对流方案、7种辐 射方案、12种行星边界层方案、7种陆面过程方案。通量形式的欧拉方程可写为

f+(V.K)M-^|+(a/ad)A^f] = ^(1)

f+(V.K)v-^a|+(a/ad)A^M j= F F(2)

^-+ (V-V)w-g (a/a d)^--M d-Fw(3)