南麂岛重现期波高空间分布特征分析

郭敬，李尚鲁，李婷，王勤，朱业

（浙江省海洋监测预报中心，浙江杭州310007）

1 引言

南麂列岛位于浙江省东南部海面，隶属平阳县鳌江镇。整个列岛由52 个（面积大于500 m2）大小岛屿组成。其中南麂岛为主岛，位于列岛中央，面积为7.64 km2，岸线长24.8 km；大沙岙、火焜岙和马祖岙、国姓岙4个海湾分置于东南和西北两个方向。南麂列岛海域水深一般在15～25 m 之间，南麂岛东北和西南两侧为深水通道，其水深在30 m 以上，最深处达45 m。

南麂岛水质良好，常年处于一类水质，气候条件适宜养殖大黄鱼。但南麂岛处于台风多发海域。根据1949——2016年的统计资料显示，每年影响该区的台风次数平均为3.3 个。在全球气候变化和海平面上升的背景下，台风灾害呈现出发生次数增加、强度加大、影响范围扩大的趋势。0216 号台风“森拉克”、0608 号台风“桑美”、1323 号台风“菲特”、1808号台风“玛莉亚”、1909号台风“利奇马”都严重影响南麂岛海域，台风引起的灾害性海浪造成养殖业损失惨重。因此，计算台风过程中南麂岛周围海域波高并分析海浪空间分布，对于海水养殖防灾减灾和空间规划布局尤为重要。

黄树生[1]通过分析南麂站30 a 的实测风浪资料，分析了波高、周期和风速的主要变化周期。潘晓东等[2]通过分析南麂站25 a 的波浪观测资料，分析了灾害性海浪的分布特征。邱桔斐[3]、徐亚男等[4]和沈旭伟等[5]分别对江苏沿海、斯里兰卡科伦坡港口海域和东南沿海开展了海浪数值模拟，获得了多年海浪的波高年极值，并通过Pearson 曲线（P-Ⅲ曲线）拟合，得到不同重现期的波浪场特征。

之前的研究由于模型计算能力及地形资料精细程度不足，只能得到大面波浪场分布特征[6-8]，无法满足实际生产需求。本文将在前人研究基础上，收集平阳县南麂岛海域最新1:10 000的岸线及水深数据，运用第三代近岸海浪数值计算模式（Simulating WAves Nearshore, SWAN），建立浙江沿海精细化海浪数值模型[9-10]。对严重影响南麂岛的台风进行模拟，计算南麂岛周围海域年极值海浪场，并进行P-Ⅲ曲线拟合，得到不同重现期海浪空间分布场。本文用到的波高均为有效波高，采用平面坐标系。

图1 南麂岛地形图

2 海浪数值模式

2.1 SWAN模式简介

SWAN 模式是国际上非常流行的第三代浅海海浪数值模式，由荷兰Delft 大学开发并维护。SWAN 模式采用了基于Euler 近似的作用量谱平衡方程，采用线性随机表面重力波理论，全面考虑了风能量输入、白浪耗散、底摩擦、水深诱导波破碎和非线性波-波相互作用，能够描述在浅水区特定的风、流和水下地形条件下的波浪场演化。控制方程如下：

式中：N为波作用量，σ为波的相对频率，θ为波向，S项为源汇项。式中左端第一项为波作用量的局地变化；第二、三项为波作用量在地理空间上的传播，其中Cx和Cy分别为波作用量在x和y方向上的传播速度；第四项为由于水深和水流变化造成的相对频率变化，其中Cσ为波作用量在频率空间中的传播速度；第五项为水深和流产生的波浪折射，其中Cθ为波作用量在波向空间中的传播速度。波作用量方程的离散基于迪卡尔坐标下的隐式差分，对于波的传播和源项采用固定的时间步长。

2.2 模式建立

海浪模型计算域西至广东汕尾、东至日本东部海域、南至台湾岛南端、北至渤海海域，计算区域涵盖了渤黄东海。计算范围为115°～134°E，18°～41°N（见图2a），采用三角网格，由215 407个单元和111 422个节点组成（见图2b），外部海域网格较疏，近岸逐渐加密，最密处南麂岛周边网格边长约15 m，可以较好地刻画南麂列岛岸线特征，满足项目计算需求。

3 资料与方法

3.1 台风风场模型

图2 海浪数值模型计算范围及网格

台风模型能快速、较准确地给出台风周围的气压和风场分布，模型气压场有众多模型供使用。台风场和气压场的计算是海浪模式计算中的重要环节，本次选用Jelesnianski 模型的风场和气压场。其风场公式和气压公式如下：

式中：R为最大风速半径；r为计算点到台风中心的距离；V0为台风移动速度；WR为台风最大风速；A=-［（x-xc）sinθ+（y-yc）cosθ］；B=（x-xc）cosθ-（y-yc）sinθ；（x，y）、（xc，yc）分别为计算点坐标和台风中心坐标；θ为流入角（计算中当r≤R时θ取10°，当r＞1．2R时θ取25°，其他情况下θ在10°～25°之间线性内插）；P0为台风中心气压，P∞为无穷远处的大气压（计算中取1 010 hPa）。

一般来说，在实际观测中，中心低压与最大风速相比后者的观测更加困难，误差也较大，因此模型使用Atkinson-Hollidy 提出的风-压关系式来计算最大风速：

另外一个待确定的台风参数为最大风速半径R。模型中采用黄冠鑫1994年利用美国西北太平洋上15 a的高空航测资料统计建立的一个适用于东海台风的经验公式：

式中：Rk为经验常数，模型中取40 km。

3.2 资料简介

浙江附近海域岛屿众多，岸线复杂。普通的岸线数据难以满足精细化模型的需求，因此本文所用的岸线为浙江近海调查测量数据。模式运行选用的外海地形资料来自于美国国家海洋和大气局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）公布的ETOPO2全球地形数据集，分辨率为2′×2′；南麂岛附近水深资料为温州市自然资源部门近2 a的现场测量数据；模型验证所需海浪资料来自于南麂岛波浪浮标观测；台风相关资料来自于中央气象局热带气旋最佳路径数据集。

3.3 模式验证

模型验证选取有海浪观测资料的、在浙江南部、福建北部登陆或近岸转向等对南麂岛影响较大的6场台风进行检验，台风组次见表1。

运用SWAN 模式对6 场台风进行计算，并利用南麂岛波浪浮标实测数据进行验证，实测数据及计算结果均为有效波高。通过图3 和表2 的验证结果可以看出，SWAN 模式对各组次台风的检验结果良好，模拟值与实测值符合较好，基本能反映南麂岛附近的台风浪分布特征。

4 海浪重现期分析

4.1 台风选择

根据2006——2016 年南麂岛浮标海浪观测年极值数据（见表3），南麂岛海浪年极值均发生在台风期间，所以在本文中只考虑台风过程，不再考虑冷空气和温带气旋。

表1 台风验证组次（登陆时间均为北京时，下同）

图3 海浪数值模型验证结果

表2 南麂岛台风海浪验证误差统计

选取1949——2016 年以南麂岛为中心、半径400 km（普通台风7 级风圈半径）内包含的所有台风，共筛选出201条台风路径。若同一年有若干场台风，则去掉强度明显偏弱的台风，或者去掉同等强度下距离南麂岛更远的台风；若不能明显判断孰强孰弱，则予以保留。最终选取68 a共118场台风进行模式计算，详细结果见表4。

影响南麂岛的台风过程，依照路径大致可分为4 类：一是在浙江沿海登陆；二是在福建北部登陆；三是在闽南至广东之间登陆；四是海上掠过，从近海北上或转向东北。

表3 南麂浮标海浪观测年极值及出现时间

由表5 的统计结果来看，登陆浙江、福建北部和近海北上的台风过程更容易对南麂岛产生影响。 其中登陆浙江的台风有36 个，占总数的30.5%；登陆福建北部的台风有37 个，占总数的31.4%，近海北上的台风有41个，占总数的34.7%。

表4 选择计算台风编号

表5 影响南麂岛的台风路径类型统计

4.2 重现期分析

将1949——2016 年118 场台风全部进行计算，输出每场台风过程的最大海浪场（每个网格点数据均取本次台风过程中最大波高），并将1 a 内包含2 个以上台风的进行再次计算，选出南麂岛周围海域1万余个网格点的当年海浪年极值，得到1949——2016年共68 a的年极值海浪场。

在南麂岛东、南、西、北、东南、东北、西南、西北共8 个方向挑选8 个代表点（位置见图4）采用P-Ⅲ曲线拟合，并进行重现期进行分析，结果见图5和表6。

图4 南麂岛周围代表点分布图

根据表6 结果可见：在各个重现期，南麂岛西向、北向和西北向3 个点的重现期波高值均明显低于其他代表点的波高值，其中西向d点波高最小，东向e 点波高最大。这说明在台风期间，南麂岛的海浪通常以东向和东南向的涌浪为主；南麂岛对海浪和风的削弱作用比较明显，并且随着台风强度的增强，南麂岛对海浪的削弱作用愈强。重现期为2 a一遇时，南麂岛东部海域波高可达4～5 m，西部海域波高为2～3 m。重现期为100 a 一遇时，南麂岛东部海域波高可达11～13 m，西部海域波高为4.5～5.5 m。

利用以上方法对南麂岛周围海域1万余个网格点全部采用P-Ⅲ曲线拟合，并进行重现期统计分析，得出2 a、5 a、10 a、20 a、50 a 和100 a 一遇的有效波高空间分布场，结果详见图6。

在各个重现期下，马祖岙、国姓岙海域的波高均明显小于其他海域的波高。重现期为2 a一遇时，南麂岛东南侧海域波高为4～5 m，马祖岙和国姓岙波高在2 m 以下；重现期为100 a 一遇，南麂岛东南侧海域波高为12 m 以上，马祖岙和国姓岙波高仅为3～5 m。

图5 各代表点P-Ⅲ曲线拟合

图5 （续）

表6 各代表点不同重现期波高值

当台风从南麂岛南部沿海登陆或近海转向时，马祖岙和国姓岙海域在南麂岛阻挡下波高明显偏小；当台风从南麂岛北部沿海登陆时，马祖岙、国姓岙受W-NW 向风时间较短，且风区较短，较难形成灾害性海浪。

马祖岙、国姓岙水深在5～15 m 之间，符合渔业养殖条件；而南麂岛东北和西南两侧为深水通道，其水深在30 m 以上，最深处达45 m，且海流速度偏大，不适宜开展渔业养殖。综上所述，马祖岙、国姓岙是南麂岛开展渔业养殖的最佳地点。

图6 南麂岛重现期有效波高空间分布场

5 结论

（1）基于台风模型风场和气压场的SWAN 海浪模式能很好地反映南麂岛海浪变化情况。根据多年数值模拟结果，采用P-Ⅲ曲线进行重现期统计，得到南麂岛海域不同重现期的海浪空间分布场，可为南麂岛当地渔业养殖空间规划布局提供参考。

（2）登陆浙江、福建北部和近海北上的台风过程容易对南麂岛产生影响。台风期间，由于南麂岛阻挡作用以及风时、风区不利，南麂岛马祖岙、国姓岙海域的波高明显小于其他海域的波高，在各个重现期其波高仅为南麂岛东南侧海域波高的1/2 以下。从海浪减灾角度考虑，马祖岙、国姓岙是南麂岛开展渔业养殖的最佳地点。