海上工程施工期波浪（涌浪）预报系统

杨振勇，吕迎雪，孔丛颖，李茂元

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津300461；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

海上工程施工期波浪（涌浪）预报系统

杨振勇1，吕迎雪2，孔丛颖2，李茂元1

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津300461；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

针对海上施工涌浪问题开发了波浪（涌浪）预报系统GWFS。首先针对涌浪的特点，包括涌浪的形成与传播、涌浪周期的特点以及涌浪在全球的分布进行了分析。然后，对涌浪预报程序、风场数据、外海及近岸波浪模型和模型的验证进行了详细说明。模型对太平洋两个实测数据点的波高和周期进行了详细对比验证，结果表明预报结果可靠。该系统的应用可有效提高海上工程可作业时间的利用率，避免或减少突变海况造成的损失。

海上工程；涌浪；波浪预报系统

0 引言

对于海上工程，包括海洋工程、海岸及港口工程，可靠的波浪数据是工程设计、施工以及项目运营的重要技术保障。波浪的推算可分为后报与预报，其中，波浪后报首先复演以往多年的波浪数据，对波浪各种分布进行分析，推算不同重现期极值波高等，其结果多用于设计阶段，基于可靠的波浪数据进行的设计可保证工程抵御设计年限内可能出现的各种极端海况。而波浪预报，则可使海上工程在施工期或运营期间事先预知未来几天的海况变化，据此可合理地安排作业。对于海上项目施工，波浪预报使得船舶作业的安排可有效地利用小波高海况窗口期，避免可能出现较大波浪或长周期波浪对海上作业的影响。因此，波浪预报可提高海上有限可作业时间的利用率，并可避免或减少突变海况造成的损失。

对于风暴天气产生的波浪，比如台风波浪，由于目前的气象预报对此可以预报，海上作业队伍很容易事先获知，因此这类风暴波浪不是本研究关注的重点。本文所介绍的波浪预报系统可预报各类波浪变化，但最突出的是对施工队伍比较关注的施工期涌浪海况的预报。该系统是在作者多年波浪后报研究工作基础上开发的，所采用的波浪数学模型WAVEWATCHIII[1]已在国际海洋波浪研究领域得到广泛应用。由于波浪预报系统的验证经常借用后报研究中的一些内容，本预报系统在世界各地的应用借鉴了不同海区波浪后报的许多经验。

由于涌浪具有和风浪显著不同的特点，对其特点的理解非常有助于预报模型的建立和结果分析。因此，在介绍波浪预报系统之前首先对涌浪的特点做简单分析。

1 涌浪的特性

1.1 涌浪的起源与传播

涌浪是指离开风暴中心区域继续传播的波浪。在风暴中心区域波浪具有典型的风浪特征，其波高大小、周期及方向的分布相当分散。当波浪传播离开风暴中心之后，波浪将不再从风中接受能量，不同的波浪成分将依据自身的特性传播。周期较长者，传播速度较快，在大洋环境中衰减相当缓慢。而周期较小者，传播速度较慢。随着距离的不断增加，长波与短波逐渐分离，波浪传播变化的这一过程即为频率分散。具体表现为在某一海岸地区，某一时段内所出现的涌浪周期相差不多。相似地，波浪传播也存在方向分散过程，即在海岸地区观察到某一时段的涌浪基本来自一个方向。由于涌浪的上述特点，当采用数学模型模拟涌浪的产生和传播变形时，模型的范围需要充分考虑原始风暴的区域，比如，涌浪可能是3 000 km之外的风暴产生的，那么模型范围只考虑了工程附近1 000 km范围的区域就不可能得到可靠的计算结果，这就是为什么涌浪研究一般要考虑一个大洋的范围。

1.2 涌浪的周期分布

对于影响某一工程地点的涌浪，其特性很大程度上取决于原始风暴。除原始风暴的强度之外，原始风暴与工程地点的距离等因素对抵达工程地点的涌浪影响很大。因此，抛开原始风暴而孤立地分析某一工程地点的涌浪特点有可能导致不准确的结论。由于涌浪起源的这些特点，一般涌浪的周期分布并不像风浪那样与波高的相关性很强，相反地，涌浪波高越大相对应的周期可能变小，主要原因是产生大波高的风暴与工程地点距离一般较近一些。图1为非洲西海岸刚果黑角港（Pointe Noire）实测波浪周期与波高的联合分布，该海区波浪属于典型的涌浪。图2则是北美安大略湖实测波浪周期与波高分布。可以看出波周期和波高相关性很好，这里属于典型的风浪特征。

图1 刚果黑角外海实测波高Hs与周期Tp分布（涌浪为主）Fig.1Measured wave height Hsand wave period TpinPointe Noire,Congo(mainly in swell)

图2 安大略湖实测波高Hs与周期Tp分布（风浪）Fig.2Measured wave height Hsand wave period Tpin Lake Ontario(wind wave)

1.3 全球各地涌浪的分布及影响区域

从全球范围来看，经常出现大浪频率较高的地区主要是南北半球中高纬度的西风带（35°~ 60°）。西风带，又称暴风圈，该区域极易形成温带气旋，常常是一个气旋未完，另一个气旋生成。在此区域，西风一般比较强劲持久，因而在该海洋区域经常出现大浪。一般地，南半球波浪更强，且冬季大浪几率明显高于夏季。在北半球的冬季，位于北半球的西风带频繁出现大风或风暴。在南半球的冬季，南半球西风带风暴频繁风速强劲。这就是全球很多海岸地区经常或出现季节性涌浪的原因，其中包括我国参与建设的一些港口海岸工程项目所在国家和地区，如印尼印度洋海岸、斯里兰卡、阿拉伯海、非洲大西洋海岸、南美太平洋海岸等。我国海岸的涌浪主要由季风和西太平洋的风暴（台风）造成，与上述国家和地区相比，我国海岸涌浪的频率和强度要小许多。

2 波浪（涌浪）预报系统GWFS

2.1 预报模型系统GWFS

波浪预报系统GWFS由外海波浪模型、近岸波浪模型以及多个数据处理程序组成。对于不同大洋分别建立了不同的模型。该模型每日定时自动启动，每日计算1次（预报1次），每次预报未来1周的波况，预报数据间隔为1 h，输出结果包括有效波高、峰值周期和平均波向等数据。输出结果包括波浪参数变化图和结果文本文件，根据需要可自动发至网上或通过邮件发送给有关人员。

图3为波浪预报系统流程图。

图3 波浪预报系统（程序）流程图Fig.3Flow-chart of the wave forecasting system

2.2 风场

预报模型是通过输入风场变化数据计算波浪。本系统输入风场采用美国大气与海洋研究署环境预报中心（NOAA/NCEP）全球风场预报数据GFS（也可采用欧洲中期天气预报中心ECMWF的数据）。该数据可较好地预报未来6~7 d的全球风场变化。NOAA/NCEP同时提供超过7 d以上的天气预报数据，根据经验，超过7 d的海洋天气预报数据准确性较低，因此，本模型仅给出未来7 d的结果。风场数据间隔为1 h，空间网格为0.5°。经试算，模型可以在各大洋不同海岸给出可靠的波浪推算结果。

2.3 外海波浪模型

波浪数学模型采用Tolman的WAVEWATCHIII（Tolman，2009）。该模型可较好地模拟风浪生成及衰减过程、涌浪的传播、波浪的非线性相互作用、波浪的衰减等。该模型经海洋波浪工作者大量检验和应用，现已成为海洋波浪模型最可靠的模型之一，特别适合大洋波浪包括涌浪的传播变形的计算[2-4]。该模型所依据的控制方程可表示如下：

式中：N（k，θ；x，t）为波浪作用谱（wave action density spectrum）；k、θ为波数及方向；S为源项，包括风影响、波浪非线性作用、波能的各种损耗等。

2.4 近岸波浪传播模型

外海模型范围很大，因此一般模型网格较大（0.3°~1.0°）。此外，由于近岸区域地形和岸线走向的变化，近岸波浪的传播变形，比如港口附近，甚至港内水域，一般采用近岸模型对波浪自外海至近岸的传播变形进行推算。

在本文介绍的预报系统中，近岸波浪的传播变形采用MIKE21SW模型或SWAN模型[5]。对于某一项目地点，首先采用该模型对不同的波浪分布（波高周期波向水位的组合）进行计算，从而可得到各种波浪的传播变形系数。之后，结合外海波浪数据即可预报近岸甚至港内区域的波况变化。

2.5 预报模型验证

由于实测数据有限，本模型采用太平洋北美海岸部分测波仪实测数据对预报结果进行了验证，此外，对该模型在安哥拉项目的测试进行了简单介绍。需要说明的是，以下模型验证中各点的波浪均以涌浪为主。

验证实例1：太平洋测波仪数据验证。

图4所示两个测波仪分别为美国大气与海洋管理署NOAA下属浮标数据中心（NDBC）所有（测站编号分别为32012，46006）。图5为2016年10月19—29日预报数据和实测数据对比结果。对比结果表明，模型预报在6~7 d以内的结果可靠程度很高，而超过1周的结果则有很大的不确定性，这主要是受海洋天气预报数据准确程度的影响。换句话说，波浪模型结果可靠与否，取决于海洋区域天气预报结果的准确程度。因此，目前海洋天气预报水平基本上在6~7 d以内比较可靠，超过此期限可靠程度明显下降。当然，对于陆地天气预报，由于地形影响明显，陆地地形变化较大的区域准确程度则更低一些。

图4 太平洋波浪预报模型实测数据测波仪位置示意图Fig.4Location of wave buoys used in the Pacific Ocean wave forecasting model validation

46006测站

32012测站

需要说明，实测与预报波浪的周期均为峰值周期。由于大洋中的波浪谱经常为多峰波谱，不同谱峰的变化可造成最大峰值周期的跳跃性变化。

图5 太平洋不同位置波浪预报与实测波高对比结果Fig.5Comparison between measured wave height and forecasted results at different locations in the Pacific Ocean

验证实例2：安哥拉卡宾达海岸波浪预报。

安格拉卡宾达海岸波浪以来自南大西洋的涌浪为主，时间上和南大西洋西风带风暴强度变化一致，即南半球的冬季5—10月期间波浪较大，而11—翌年4月波浪偏小。本项目位于南纬6°，目前尚无波浪测量设施，但自2016年7月以来每日对岸边波浪进行目测，表明预报结果相当可靠。图6为2016年8—9月期间部分预报结果。现场观测显示，模型对9月3日之前的小浪期和9月3—4日出现的大浪期预报与现场观测十分吻合。

图6 安哥拉卡宾达海岸波浪预报结果（有效波高与峰值周期）Fig.6Forecasted wave height and period in Cabinda,Angola(effective wave height and peak period)

3 结语

本文首先对涌浪的一些特点进行了分析，包括涌浪的起源与传播、涌浪周期的特点以及全球不同海域的涌浪分布等。之后对作者开发的波浪（涌浪）预报系统GWFS进行了详细介绍。该系统可定时自动启动，自动下载风场数据然后进行计算和结果处理，计算结束后自动发布预报结果。模型验证和现场测试结果表明，该系统可较好地预报未来6~7 d的海况，可在全球各大洋和海域应用。本预报的应用将有助于提高海上项目有限可作业时间的利用率，避免或减少突变海况造成的损失。

[1]TOLMAN H.User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14[Z].NOAA/NWS/NCEP/MMAB Technical Note,2009.

[2]HANSON J,TRACY B,TOLMAN H.Pacific hindcast performance evaluation of three numerical wave models[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2009,26(26):1 614-1 633.

[3]LEE B,FAN Y,CHEN J.Verification on swell simulation of WAVEWATCH III wave modeling[C]//International conference on computational science&engineering,2011:65-74.

[4]PADILLA-HERNANDEZ R,SCOTT D.Inter-comparison of modern operational wave models[C]//8th international workshop on wave hindcasting and forecasting.Hawaii,2004:14-19.

[5]DHI.MIKE21 SW user manual[Z].Denmark:DHIGROUP,2012.

A wave(swell)forecasting system for marine works

YANG Zhen-yong1,LÜ Ying-xue2,KONG Cong-ying2,LI Mao-yuan1
（1.CCCC First Harbour Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Based on the swell problems during marine construction,we developed a wave（swell)forecasting system.First, swell properties,including swell generation and propagation,characteristics of swell period and global distribution of swells have been reviewed.Next,the wave forecasting system,input wind data,ocean wave model and nearshore wave model of the system,and detailed verification of the model system have been discussed.Detailed comparisons have been conducted to verify the model using two measured wave buoy datasets,and the result shows that the forecasting model is reliable.With the wave forecasting system,marine works can be reasonably scheduled,as a result,the working efficiency can be improved,and some unpredictable downtime or damage could be avoided.

marine works;swell;wave forecasting system

U655.11；P731.22

A

2095-7874（2017）05-0006-04

10.7640/zggwjs201705002

2016-09-28

2017-02-24

杨振勇（1963—），男，河北栾城人，高级工程师，主要从事海岸动力研究及国际工程管理。

E-mail：yangzhenyong2013@163.com