两种海浪模式对一次冷空气海浪场过程的模拟比较*

胡秋良，郑崇伟，苏 勤，周欣欣

(1.海军北海舰队海洋水文气象中心 青岛 266003;2.92538部队气象台 大连 116041;3.海洋出版社 北京 100081;4.曲阜师范大学 曲阜 273165)

中国海位于西太平洋边缘，夏季常遭受台风侵袭，冬季常遭受冷空气的影响，台风浪的巨大破坏性已被大家所共识，但冷空气大浪却往往被轻视，研究表明冷空气带来的大浪往往具有严重的破坏性，1999年11月24日“大舜号”客混船从烟台驶往大连途中因遭遇寒潮大风而倾覆，全船304人仅22人生还，直接经济损失9000余万元，是新中国成立以来最大的一次海难事故［1－4］。且台风浪的频率远不如冷空气出现的频率高，因此，深入研究冷空气所致大浪对于防灾减灾具有重要的现实意义。

对于台风浪的数值模拟已有不少，但对于冷空气大浪的数值模拟则相对较少。周兆黎等［5］曾利用NCEP风场驱动WW3模式，对影响南海的三次冷空气过程进行过模拟，并将模拟结果与Jason－1卫星高度计反演的SWH进行比对，发现模拟的SWH与Jason－1卫星高度计的观测资料一致性较好，还发现在冷空气活动末期以及近岸地区，模拟效果略偏差一些，但均方根误差和平均相对误差仍在可接受的范围内。本文利用两种海浪模式SWAN、WW3，分别对2011年3月发生在中国海的一次强冷空气所致的海浪场进行数值模拟，并对比分析模式的模拟效果，以期可为防灾减灾提供参考。

1 资料简介

1.1 风场资料

本研究以CCMP风场作为两种海浪模式的驱动场。CCMP风场资料来自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它结合了ADEOS－II、AMSR－E、QuikSCAT、SSM/I等几种资料，利用变分方法得到。CCMP风场的空间分辨率为0.25°×0.25°，空间范围为:78.375°S －78.375°N，0°－359.875°E，时间分辨率为6 h，时间范围从1987年7月至今，研究表明CCMP风场具有很高的精度［6－7］。

1.2 水深数据

本研究所用的水深数据来自NOAA的ETOPO1全球地形数据集，其分辨率为1＇×1＇，为目前全球分辨率最高的地形数据，具体下载地址为: http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/01mgg04.html。

1.3 海浪观测资料

利用来自韩国22108浮标站、中国台湾澎湖浮标站逐小时的海浪浮标数据，验证模拟海浪数据的有效性。济州岛站位于36.3°N，125.8°E，观测要素包括:有效波高、波向、波周期、最大波高、平均风速、风向、阵风、海温、气温、气压、湿度;澎湖浮标站位于 23.6°N，119.6°E，观测要素包括:有效波高、波向、波周期、平均风速、风向、阵风、海温、气压。两个站点的观测数据均为每小时一次。

2 模拟方法及数据验证

2.1 模拟方法

以CCMP风场分别驱动SWAN模式、WW3模式，对2011年3月发生在中国海的一次强冷空气所致的海浪场进行数值模拟，分析此次冷空气海浪场的分布特征，并就两个模式的模拟能力进行对比。两种模式均选取相同的计算范围:0°N －41°N，100°E －135°E，见图 1，空间分辨率取0.1°×0.1°，计算时间步长取为600 s，每小时输出一次结果，计算时间为2011年3月7日00:00时至2011年3月13日18:00时。

2.2 数据验证

将模拟的SWH插值到观测站点上，对比分析SWAN模式、WW 3模式的模拟效果。由图1的散点图可见，在韩国22108观测站处，无论WW 3模式还是SWAN模式，散点都基本围绕在对角线附近，表明两个模式的模拟有效波高都有较高精度，图1b的散点比图1a更贴近对角线，表明WW3模式的模拟效果稍好于SWAN模式。在澎湖观测站处，由图2a和图2b的散点都分布于对角线附近，表明两个模式模拟的有效波高在澎湖附近海域具有较高精度，图2b的散点比图2a更贴近对角线，表明WW3模式的模拟效果稍好于SWAN模式。

图1 韩国22108观测站模拟有效波高与观测有效波高的散点图

由图1a和图2a分析发现，多数散点在对角线以上，这表明SWAN模拟的有效波高略高于观测有效波高;从图1b、图2b可发现，对角线以上和以下散点的数量相当，表明WW3模拟的有效波高与观测有效波高相当。

图2 台湾澎湖站模拟有效波高与观测有效波高的散点图

为了更加准确地分析模拟SWH的精度，本文还计算了相关系数 (CC)、偏差 (Bias)、均方根误差(RMSE)以及平均绝对误差(MAE)。无论相关系数 (CC)、偏差 (Bias)、均方根误差 (RMSE)，还是平均绝对误差 (MAE)，WW 3的模拟效果均优于SWAN模式，由Bias误差也可发现，SWAN模式为正偏差，即SWAN模拟的波高稍大于观测波高，WW 3模式的Bias误差则很小，表明WW 3模拟的波高与观测值相当，与前面分析的结果完全一致。

3 海表风场、海浪场特征分析

冷空气给中国海带来了明显的大风、大浪过程。整个冷空气期间，波向与风向保持了较好的一致性，且向岸效应比较明显;波高与风速的分布特征也保持了较好的一致性，这应该是由于中国海位于大洋边缘，受大洋传播的涌浪影响较小，风浪在混合浪中所占比例较大所致。见图3～图5，为了便于观察，波向和风向均以单位矢量为代表，波高和风速的大小均以背景色的深浅为代表。

3月8日00时:冷空气进入渤海，虽然也相伴着出现了大风过程，但由于海域狭小，大风范围不是很大，大风中心的风速也仅12 m/s左右，相应波高也在1.0 m左右，这是由于渤海海域较小，海浪尚未充分成长，冷空气已经南下。SWAN模拟的波高小于WW3模拟的波高，与图1、图2的结果吻合。受冷空气影响，渤海的波向和风向均以东北向为主。

3月10日00时:冷空气南下进入黄海中部，黄海中南部大范围海域的风速在16 m/s以上，相应区域的波高在4.5 m以上，高值中心可达5.0 m以上;随着冷空气的远离，渤海的风速已降至6 m/s以内，波高基本降至1.0 m以内;东海和南海不在冷空气的影响范围之内，风速和波高都比较小，风速多在4 m/s以内，有效波高基本在1.0 m以内。黄海大部分海域的波向和风向都以北－东北向为主。WW3模拟的有效波高还是稍大于SWAN模式。

3月12日00时:冷空气南下行进至南海北部海域时，由于纬度较低，冷空气强度大为减弱，风速的大值区分布于台湾岛周边海域，尤其是台湾海峡、吕宋海峡、东沙群岛附近海域，风速在8～10 m/s左右，有效波高在2.7 m左右。大部分海域的波向和风向都以东北向为主。WW3模拟的有效波高还是稍大于SWAN模式。

图3 2011年3月中旬一次冷空气期间的海表风场

图4 SWAN模拟的海浪场

图5 WW3模拟的海浪场

4 结论

(1)以CCMP风场分别驱动WW3、SWAN海浪模式，可以较好地模拟发生在东中国海的冷空气海浪场过程。从相关系数、偏差、均方根误差、平均绝对误差来看，两个模式模拟的有效波高都具有较高精度，SWAN模拟的有效波高稍大于观测有效波高，WW3模拟的有效波高与观测有效波高更为相近。

(2)冷空气给中国海带来了明显的大风、大浪过程。整个冷空气期间，波向与风向保持了较好的一致性，且向岸效应比较明显;波高与风速的分布特征也保持了较好的一致性，海浪以风浪为主导。SWAN模拟的有效波高明显小于观测值和WW3模式的模拟值。

(3)冷空气进入渤海，相伴着出现了大风过程，但由于海域狭小，大风范围较小，大风中心的风速仅12 m/s左右，相应波高也在1.0 m左右，这是由于渤海海域较小，海浪尚未充分成长，冷空气已经南下。冷空气南下进入黄海中部时，黄海中南部大范围海域的风速在16 m/s以上，相应区域的波高在4.5 m以上，高值中心可达5.0 m以上，波向和风向都以北－东北向为主。冷空气南下行进至南海北部海域时，由于纬度较低，冷空气强度大为减弱，风速和波高的相对大值区分布于台湾岛周边海域，尤其是台湾海峡、吕宋海峡、东沙群岛附近海域。

［1］许富祥.海浪预报现状与未来［J］.海洋预报，2005，25(增刊):172 －175.

［2］朱福海，周立佳，邵利民，等.军事航海气象［M］.北京:海潮出版社，2002.

［3］刘金芳，孙立尹.西北太平洋风场和波浪场特点分析［J］. 海洋预报，2000，17(3):54－62.

［4］ZHENG CW，ZHUANG H，LIX，etal.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea［J］.Science China Technology Sciences，2012，55(1):163－173.

［5］周兆黎，杨显宇.WAVEWATCH－III有效性检验［J］. 热带海洋学报，2008，27(2):1 －6.

［6］郑崇伟，潘静，田妍妍，等.全球海域风浪、涌浪、混合浪波候图集［M］.北京:海洋出版社，2012.

［7］ZHENG CW，PAN J，LI J X.Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009［J］.Ocean Engineering，2013，65:39－48.