斯里兰卡海域海浪灾害危险性评估

席林通，李醒飞1,2，仲 伟，杨少波1,2

(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266003；3.天津大学青岛海洋技术研究院，山东 青岛 266200；4.上海启迪清青企业发展有限公司，上海 201799)

引 言

“21世纪海上丝绸之路”和“丝绸之路经济带”重大倡议自提出以来，迅速在国际上得到高度关注。此举有利于加强腹地战略支点的生存能力，加快一带一路沿线各国的经济建设和文化交流。与此同时，机遇与挑战并存。海上丝路沿线国家众多以及周边海洋环境复杂，加之海洋观测和探测的基础性研究十分匮乏，使得丝路经济带的建设并不会一帆风顺。而战略支点的建设能够平稳推进丝路发展，也会助力推进沿线国家走向经略海洋、探索海洋的崭新道路。另外，斯里兰卡是“21世纪海上丝绸之路”的关键节点之一，其位于印度洋中北部，与印度隔海相望[1]，东南向是重要海峡马六甲海峡，西北向是波斯湾和亚丁湾，扼守着波斯湾石油向东运输的通道，同时它还是东西方货物运输以及航运的必经之路，战略地位及其重要，被誉为东方海上十字路口；虽然如此，至今关于斯里兰卡海域海浪及波浪能的研究却凤毛麟角。郑崇伟[2]曾经使用35年ERA-interim再分析数据评估了斯里兰卡海域的波浪能；徐亚男[3]等对斯里兰卡科伦坡邻近海域进行过海浪数值模拟；关于斯里兰卡海域海浪的灾害危险性评估却一片空白。此外，近岸海域2.5 m以上或近海域大于4 m的有效波高被称为灾害性风浪；且长周期或巨大海浪可摧毁沿海堤岸、码头以及邻海建筑物，同时也是威胁近海民众及过往船只最突出的海洋灾害之一[4]。小波高长周期海浪对防波堤岸的影响比波高大周期小的波浪更具破坏力；此前，斯里兰卡、印度等国曾遭受海浪侵袭造成三十余万人丧生，因此对该海域海浪灾害的危险性评估就显得极为重要。本文首次对斯里兰卡海域海浪的危险性指数进行定量计算和定性分析，评估了波高和波周期单指标及双指标下的海浪灾害危险指数，并对海浪危险等级做了详细的概率统计，可为其沿海地区经济发展、海岸带的管理与规划及近海防灾减灾提供实际参考价值，同时也有利于海上丝绸之路的建设和发展。

1 数据及方法

ERA-interim再分析数据(available at：https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/browse-reanalysis-datasets)是ECMWF向全球使用者提供的最新的全球大气数值预报再分析资料，它由于使用4维变分同化方法不仅提高了系统的分辨率，而且还增强了物理系统的预测能力[5-7]；同时具有长时序的特性，提供了多年的海浪参数，时间范围从1979年1月1日0时至今[8-9]；此外，与早期的ERA-40数据相比，由于使用ERA-40和JRA数据改善了水文循环和平流层环流的质量，并对观测系统中的偏差和变化做出了处理，因此ERA-interim更加接近现场观测数据[10-11]。本次研究的区域主要为斯里兰卡周边海域(77 °E～84 °E,4 °N～11 °N)，时间跨度为1989年1月1日至2018年12月31日；通过计算每0.125 ° × 0.125 °网格上的海浪危险指数，对斯里兰卡海域的海浪灾害危险性进行评估；图1为斯里兰卡海域的水深地形图。

图1 斯里兰卡海域水深地形图

2 单指标海浪风险性分析

根据《海浪灾害风险评估与区划技术导则》中对波高的海浪灾害风险分析，本文分别对斯里兰卡海域基于波高和波周期单指标下的海浪危险等级进行概率统计并分析了单指标下不同强度等级的年平均海浪灾害危险指标；基于再分析资料，分别计算每个网格点上的I，II，III，IV级的浪高及波周期年平均次数，然后根据计算得到的海浪危险指数对海浪危险等级进行了概率统计，具体的海浪强度划分标准见表1；其中波高危险性指标及其指数的计算公式如下：

表1 海浪强度等级划分标准

Hw=0.6N1+0.25N2+0.1N3+0.05N4

(1)

Hwn=(Hi-Hmin)/(Hmax-Hmin)

(2)

公式(1)中Hw为每个网格点上的波高危险性指标；N1，N2，N3，N4分别为每个网格点上面I，II，III，IV级海浪出现的次数。公式(2)中Hwn为每个网格点上的海浪危险指数，大小介于0到1之间；Hi为每个网格点上面的波高危险性指标；Hmin和Hmax分别为最小和最大的海浪危险性指标。然后根据同样的方法对波周期的年平均灾害危险等级进行概率统计，详细的海浪危险等级的概率统计见表2。

由表2可以看出，波高海浪危险等级为IV级的占比最大，达到78.90 %，危险等级为III级的占比为15.28 %，其他等级的海浪占比较小；反观波周期单指标海浪危险等级概率，危险等级为I级和IV级的占比较大，分别为64.67 %和23.21 %；整体来看，单指标危险等级概率分布间存在较大差异，且波高和波周期并不表现为一一对应关系，彼此间不能够相互替代，同时也不能单一的表征斯里兰卡海域的海浪的灾害危险等级分布情况，因此必须将影响海浪危险等级的波高和波周期同时纳入到分析当中。

表2 海浪危险等级概率统计

3 波高及波周期双指标海浪危险性分析

3.1 波高及波周期的联合分布特征

在海洋工程中，准确地描述海浪非常重要，大部分表面波在性质上是非线性的，波高和波周期并不是统计独立；此外，波高及波周期是描述在受力作用下海浪生成的两个重要参数，其联合概率分布在海况的分析中就显得极具工程价值[12-14]，为此本文统计了斯里兰卡海域30 a的波高和波周期联合概率分布，可视化了研究区域的波高和波周期之间的分布特征，波高及波周期联合概率分布如图2所示，图中数值均保留到小数点后两位。

图2 波高及波周期联合概率分布

由图2可知，波高和波周期之间并不是一一对应关系，但两者之间在统计上却相互影响而且同等重要；波高及波周期主要集中在0～3 m，5～11 s之间，占比达到80%以上，其他范围的海浪占比不足20%。此外，对于波高来说，近岸有效波高超过2.5 m，或近海海域4 m以上的波高均被视为灾害性风浪，就波周期而言，大于7 s的其海浪强度被视为I级[15]；刘文通[4]也曾表明波高小周期大的波浪对建筑物的破坏性远远大于波高大周期小的海浪；因此波高和波周期两个指标均应该体现在灾害危险性的评估中，且对该海域海浪的灾害性评估对于近岸船只安全活动提供指导价值。

3.2 四季波高及波周期双指标的海浪危险性分析

由前文分析可知，对于海浪危险指标的分析应同时考虑波高及波周期。为了深入研究波高及波周期对海浪危险等级的影响，本文根据谢欣[15]等的波高及波周期双指标危险指数计算公式，对斯里兰卡海域的四季海浪危险指标进行计算，并对海浪危险等级进行概率统计，如图3，图4所示；所涉及的计算公式如下：

图3 斯里兰卡海域四季海浪灾害危险指数的时空分布

图4 四季海浪危险等级的概率统计

D=A×Hwn+B×Twn

(3)

式中，D代表波高及波周期双指标危险指数，大小介于0到1之间；Hwn为波高单指标危险指数；Twn为波周期单指标危险指数；A，B表示权重系数，且A+B=1，另外，由于波高和波周期对于海浪灾害危险等级的评估同等重要，因此将A和B均设置为0.5。

整体来看，危险指数的时空分布表现出明显的季节性差异，斯里兰卡西部及南部海域的危险指数相较于马纳尔湾及保克海峡大，保克海峡的危险指数常年维持在0.25以下，危险等级为IV级，且深海域的危险指数一般较浅海域的危险指数大。春季，大值区主要分布在斯里兰卡东南部，危险指数甚至达到了0.9，斯里兰卡首都科伦坡邻近海域的危险指数为0.5左右，危险等级达到了II级，且周边大范围海域的危险等级均达到了III级；夏季，斯里兰卡西部小范围海域的危险指数较大，基本维持在0.7到0.9之间，危险等级表现为I级，且周边海域的危险等级也达到了III级；秋季危险指数的时空分布与夏季较为相似，但大值区的危险指数却相对较小，危险等级主要为III级；冬季，大值区主要集中于斯里兰卡南部邻近海域，危险等级主要表现为II级和III级，其余大部分海域的危险指数为0.4左右，危险等级主要表现为III级。

另外，由四季海浪危险等级的概率统计来看，全年均存在危险等级为I级的海域，但危险等级为III级的海域占据主导地位，春季危险等级为I级的海域占比12 %左右，II级和III级的概率分别为30 %和54 %左右；夏季、秋季和冬季危险等级为I级的海域占比微乎其微，危险等级为III级的海域相对其他等级的大，占比分别为60%、80%及65%左右。

综上，海浪危险指数的时空分布表现出明显的季节性差异，四季均存在危险等级为I级和II级的海域，但III级的海域占比最大；大值区主要集中在斯里兰卡西部及南部；评估四季的海浪危险指数并对海浪危险等级进行概率统计对于今后海上丝绸之路的货物运输、近海工程及渔民活动都具有及其重要的指导价值。

3.3 波高及波周期双指标的年平均海浪危险性分析

为了综合评估斯里兰卡海域海浪的灾害危险等级，本文计算了斯里兰卡海域年平均的海浪危险指数，并绘制其时空分布图，如图5所示。整体来看，危险指数大值区主要分布在斯里兰卡西部及东南部小范围海域，其危险指数介于0.5和0.8之间，危险等级主要为II级；保克海峡及马纳尔湾海域的危险指数较低，主要分布于0.1到0.4之间，海浪危险等级较低；斯里兰卡周边海域的危险指数均为0.4，危险等级主要表现为III级。此外本文还对海浪危险等级进行了概率统计，如图6所示，可以看出海浪危险等级为I级的海域占1.57 %，II级和IV级海域占比分别为16.58 %和6.13 %，而危险等级为III级的海域占比最大，为75.72 %，与四季的海浪危险指标的时空分布均表明了斯里兰卡大范围海浪危险等级表现为III级，且双指标下的海浪危险指数分布比单指标考虑得更加全面，同时涵盖了波高和波周期的影响因素，因此更加贴近真实海况，对于海上丝绸之路海岸带管理以及沿岸防灾减灾提供了重要的参考价值。

图5 斯里兰卡海域年平均海浪危险指数的时空分布

图6 斯里兰卡海域年平均海浪危险等级的概率统计

4 结论

本文通过计算单指标下海浪危险指数概率，了解到在海浪灾害危险性评估中应将波高及波周期同时纳入到分析；经过对双指标的海浪危险指数的计算和对海浪危险等级的概率统计，得出以下结论：

(1)计算斯里兰卡海域波高及波周期单指标的海浪危险指数概率，并统计了波高和波周期的联合概率发现两者之间存在较大的差异，不存在一一对应关系；单一指标不能充分反映海域的海浪危险等级分布。

(2)通过计算双指标的海浪危险指数发现，斯里兰卡海域危险等级表现出明显的季节差异，四季均存在危险等级为I级和II级的海域，但III级的海域占比最大；危险指数大值区主要分布于斯里兰卡西部和南部小范围海域，马纳尔湾及保克海峡的危险指数常年处于较低水平。

(3)斯里兰卡海域年平均海浪危险指数的空间分布存在差异，危险等级为III级的海域占据主导，占比达到75.72 %，且波高及波周期双指标的海浪危险等级分布较单指标更具说服力，更加充分地反映真实海况，可为今后“21世纪海上丝绸之路”关键节点的防灾减灾、沿海开发及海岸带管理提供重要的指导价值。