基于信息扩散理论的浙江通航环境风场风险分析＊

吴力川 文元桥 陈佩燕

（武汉理工大学航运学院1） 武汉 430063） （上海台风研究所2） 上海 200030）

通航环境是指由船舶赖以安全航行、停泊和作业的，且是船舶自身条件以外的客观及社会的外部因素构成的一个系统.通航环境要素主要包括通航环境自然条件、通航环境基础设施和通航环境社会因素.在通航环境要素中，对航运生产影响最为直接的要素之一为风场要素.大风也是对航海的最大威胁之一，大风以及因大风导致的风浪可造成恶性水上交通安全事故［1］.

信息扩散原理是一种处理不完备信息的模糊方法，认为一定存在着一个适当的扩散函数，可以将传统的观测样本点集值化，以弥补资料不足带来的缺陷，达到提高精度的目的［2］.相关学者［3－6］将信息扩散理论应用到灾害风险分析当中并取得了较好的效果.本文以浙江省气象站风场数据为资料，统计了各个站点年最大风速、月最大风速以及大风天数等数据，利用信息扩散理论分析了各个站点最大风速以及大风天数的风险概率及其空间分布.

1 研究数据以及方法

本文采用浙江省气象观测站从建站到2007年的最大风速资料［7－8］，为保证结果精确性，选取的站点为2007年以前有10a以上连续数据的站点，不足10a的站点被舍去.

设风场要素（风速／大风天数）的指标论域为U＝｛u1，u2，u3，…，um｝.式中：m 为论域个数.

设风场要素的样本个数为Y＝｛y1，y2，y3，…，yn｝.式中：n为样本个数.

一个单值观测样本依据下式将所携带的信息扩散给u中的所有点

式中：h为扩散系数，可以根据样本的最大值a和最小值b以及样本个数n确定

对μyj（ui）进行归一化处理，令q（ui）＝其物理意义是：由｛y1，y2，y3，…，yn｝经信息扩散推断出，如果风险值只能取｛u1，u2，u3，…，um｝中的一个，那么在将yj均看作是样本点代表时，观测值为ui的样本个数为q（ui）.

以大风风险为例，根据最大风速历史数据统计，最大风速论域为［0，50］.将连续论域按照等间距取点，转变为离散论域.考虑到计算精度的要求，将论域数据的步长取2，则论域的个数共26个：U＝｛u1，u2，u3，…，um｝＝｛0，2，4，6，…，50｝.最大风速数据即为样本Y＝｛y1，y2，y3，…，yn｝.利用信息扩散理论计算各个站点超过ui的风险估计值，即为该站点风速超过ui的风险概率.将各个站点风险值为0.1（或者0.2）的离散论域离散值在空间上进行差值则为该区域10a（或者5 a）一遇大风分布.

2 大风风险分析

一般条件下，对内河水域，风力达到蒲式6级以上就会对港口作业以及内河航行船舶产生较大影响；对沿海水域，港口码头以及航行船舶的抗风能力一般设计值都在7级以上.考虑到风速对内陆通航环境和沿海通航环境影响的差异性，本文在大风风险分析中，对于内陆，蒲式6级及以上定义为大风；对于沿海，蒲式7级风及以上定义为大风.

2.1 年大风天数及其风险概率

从最大风速6级以上大风年平均分布图（图1）可以看出，浙江省沿海水域除台州沿海水域年6级以上大风天数平均为100d以上，其他沿海水域均为80d以下（杭州湾水域为20d以下）.内陆地区除绍兴及嘉兴部分地区6级以上大风天数在10d以上，其他大部分区域均在5d以下.大风对对嘉兴市内河航运生产的影响相比其他地区要严重些.

图1 6级以上大风年平均天数分布图

图2 年6级风以上

从图2a）可以看出，内河航道密集的杭州、嘉兴、湖州地区年6级以上大风天数超过20d的概率高于其他地区，千岛湖附近区域风险概率则较低.从图2b）可看出，除杭州湾以及温州市沿海水域外，浙江省其他沿海水域年7级风以上超过20d的风险概率均在0.3以上，台州沿海水域向外海方向的水域风险概率增加速度比其他水域要大.

表1和表2为沿海主要站点7级和6级以上大风天数风险概率分布，其中大陈岛站的大风天数风险概率最高.年7级以上大风天数超过50d的概率在玉环站几乎为0，在石浦站为0.215；全年有大约1／3天数最大风速为7级在大陈岛站的风险概率为0.311 6.年6级以上大风天数在一半以上（187d）的概率在嵊泗站和大陈岛都在0.45以上（嵊泗为0.493，大陈岛为0.617）.

表1 主要沿海站点年7级以上大风天数概率

表2 主要沿海站点年6级以上大风天数概率

2.2 月度大风风险分析

通过统计，浙江省内陆地区最大风速超过7级以上的时间很少，但是沿海地区则相对较多.以嵊泗、石浦、大陈岛和玉环为浙江沿海代表站点，分析沿海9级风以及11级风以上的风险概率如图3所示.

图3 不同月份9级风

石浦和玉环站9级以上大风风险在7～9月是最高的，全年中8月份9级风以上的风险概率最高（石浦0.544，玉环0.436）；嵊泗站的季节性变化比较明显，冬夏季节9级以上大风风险概率较低，春秋季节风险概率较高；大陈岛站9级以上大风风险概率在4～6月较低（小于0.4），其他月份均大于0.4，相比其他站点风险概率均较大且季节性变化不明显.空间分布上，除个别月份外各个站点9级以上大风的风险概率为：大陈岛＞嵊泗＞石浦＞玉环.（参考图3a））

沿海站点11级以上大风风险概率分布如图3b）.11级以上大风风险概率较高的月份为7～9月，除玉环站（7月份风险概率最高为0.109）外，其他站点均为8月份风险概率最高（大陈岛0.244，石浦0.212，嵊泗0.175）.

2.3 不同季节大风天数分布

由不同季节6级以上大风天数年平均分布图（图4）可以看出，浙江省内陆不同季节6级以上大风天数均小于7d.其中冬季6级以上大风天数为1～3d的区域为4个季节当中最少的，夏季最多，春秋季节1～3d的区域基本相同.从图中可以看出春冬季节台州市以东海域6级以上风速天数在50d以上的范围明显大于夏秋季节.

沿海各代表站点不同月份7级以上大风6d／月的风险概率如图5a）：玉环站和石浦为四个站中风险概率较低的站；嵊泗站在春季的风险最高，其他月份的概率均为0.6左右；大陈岛站在10月～次年3月的概率均在0.8以上（1月最高为0.987），而4～7月的风险概率则较低（最小为5月为0.259）；石浦站在冬季的风险概率较低，其他季节都在0.2左右；玉环站全年中7～9月的概率较高.

图4 不同季节6级以上大风天数年平均分布图（单位：d）

图5 7级以上大风6d／月

石浦和玉环站7级以上大风12d／月的风险概率均小于0.02，嵊泗和大陈岛的风险概率如图5b）：嵊泗站在春季的风险概率为全年中最高的季节，其季节的月份均在0.1左右；大陈岛站在11月～次年3月的概率较高（5个月的平均概率为0.445）.

2.4 多年一遇大风风险分析

浙江省及其沿海10a一遇大风以及5a一遇大风（即风险概率为0.1以及0.2的风速）分布如图6所示.浙江省内陆地区除绍兴市10a一遇大风为20～25m／s，其余地区的10a一遇最大风速均为15～20m／s.浙江省中部沿岸10a一遇大风为30～40m／s，而北部和南部沿岸则较小为20～25m／s.

从图6可以看出，从内陆向外海方向大风风险概率逐渐增大，在台州市沿海水域增加的速度要高于其他水域的增长速度.浙江省沿海水域10 a以及5a一遇大风在杭州湾水域最小，石浦附近水域的大风风险高于其他沿海水域.

图6 通航环境风场10a一遇

3 结果与讨论

1）浙江省内陆大部分区域10a一遇最大风速均为15～20m／s，中部沿岸10a一遇大风为30～40m／s，而北部和南部沿岸则较小为20～25 m／s.

2）沿海站点7～9月是大风发生风险概率较高的月份，嵊泗站的季节性变化比较明显，冬夏季节9级以上大风风险概率较低，春秋季节风险概率较高.除个别月份外沿海代表站点9级以上大风的风险概率为：大陈岛＞嵊泗＞石浦＞玉环.

3）内河航道密集的杭州、嘉兴、湖州地区年6级以上大风天数超过20d的概率高于其他地区，千岛湖附近区域风险概率则较低.台州沿海水域向外海方向水域年7级风以上天数超过20d的风险概率增加速度比其他水域要大.

4）浙江省内陆冬季6级以上大风天数为1～3d的区域为四个季节当中最少的，夏季最多，春秋季节1～3d的区域基本相同.春冬季节台州市以东海域6级以上风速天数在50d以上的范围明显大于夏秋季节.

5）不同月份7级以上大风6d／月和12d／月的风险概率有比较明显的季节性：嵊泗站的春季、大陈岛站在10～次年3月的风险概率较高.

港口单位以及相关航运企业应根据上述风险分布合理安排生产计划以及港口基础设计的维护等相关工作.

［1］程宏林，王宝才.江苏内河航运交通事故气象条件分析［J］.气象，1996，22（12）：52－53.

［2］黄崇福，王家鼎.模糊信息优化处理技术及其应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1995.

［3］张俊香，李平日，黄光庆.基于信息扩散理论的中国沿海特大台风暴潮灾害风险分析［J］.热带地理，2007，27（1）：11－14.

［4］杜晓燕，黄岁棵，赵庆香.基于信息扩散理论的天津旱涝灾害危险性评估［J］.灾害学，2009，24（1）：22－25.

［5］卢峰本，彭俊龙，黄 滢.基于信息扩散理论的热带气旋灾害风险评价［J］.气象研究与应用，2009，30（1）：23－25.

［6］刘引鸽.缪启龙，高庆九.基于信息扩散理论的气象灾害风险评价方法［J］.气象科学，2005，25（1）：84－89.

［7］候伟芬.浙江沿海大风形势及其对渔船安全的影响［J］.浙江海洋学院学报：自然科学版，2004，23（2）：130－133.

［8］江福才，吴力川，文元桥.浙江沿海通航环境风场要素气候变化特征分析［J］.武汉理工大学学报，2010，32（7）：173－177.