基于再分析数据的印尼西加里曼丹海域风速研究

2020-06-18顿昊天张银苗

水运工程 2020年5期

顿昊天，张银苗

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

目前，境外工程项目前期调研、投标设计阶段水文气象资料极度缺乏，多数项目完全没有实测风浪资料。如果前期风速、风向的分析评判与实际情况相差较大，将直接影响前期设计方案的输入参数，从而影响总平面布置、工程规模，甚至影响整个项目的工程量、工程进度及工程造价及项目可行性，对投标产生不利的影响。因此，工程前期阶段在工程地点获取较准确的当地风浪特征资料是前期设计咨询的关键所在。

再分析资料为融合多种卫星数据、散射计数据等的数值预报产品，能够提供时空分辨率高、资料时间长的气象水文数据，为工程前期设计基础参数的确定提供了相对合理的取值范围。本文以ECMWF(European Centre for Medium-range Weather Forecasts欧洲中期天气预报中心)及OWI(Oceanweather Inc海洋气象公司)再分析资料集为切入点，通过对比不同服务商提供的再分析资料，对ECMWF在印尼西加里曼丹海域风速特征进行分析以及对其整体后报表现作出相应评价，为未来在西加里曼丹海域开展项目以及应用ECMWF风速作为设计参数提供判断依据。

1 ECMWF资料集

目前，国际上主要的几家再分析中心有NCEP(美国气象环境预报中心)、ECMWF、JMA(日本气象厅)、NASA(美国国家航空航天局)等。然而，各中心的再分析资料都具有各自的优缺点，任何一种再分析资料在针对不同地区和时间段时的表现并不一致。

ECMWF全称为欧洲中期天气预报中心，提供全球范围内的大气数值预报再分析资料。赵天保等[1]就ERA-40与NCEP-2两种再分析资料各自与观测资料进行比较与分析后发现，ERA-40可信度要高于NCEP-2；黄刚[2]则利用中国探空资料与这两种再分析资料对比研究后指出，20世纪70年代以前，在研究东亚气候的年代际变化时，应用ERA-40资料更为准确，在20世纪70年代后，对于我国内蒙古和华北地区的温度研究上，NCEP资料比ERA-40更为准确。

2 OWI再分析资料

OWI是一家为海洋工程提供数值模拟等专业相关产品的咨询公司。根据其描述，OWI的后报技术与欧洲ECMWF与美国NCEP资料集不同，其着重于风速和压力场对海洋模型的驱动细节。同时，相比于ECMWF及NCEP资料，OWI资料的时距更短。

目前关于OWI资料集的相关研究较少，主要原因为OWI资料需有偿取得，区别于ECMWF和NCEP的无偿提供。Zhou等[3]基于台湾海峡沿岸漳浦县的实测波浪资料，对OWI台湾海峡内的后报点波浪数据做了对比分析，结果表明OWI与实测波浪数据具有良好的拟合度。在OWI数据的应用层面，张军等[4]利用OWI后报深水波浪，结合MIKE模型，计算了喀麦隆克里比项目波浪引起的不可作业时间；王科华等[5]利用OWI于西非几内亚湾内的后报点数据，推算了以长周期涌浪影响为主的海域近岸极值波浪。由此可以看出，OWI数据虽然相对ECMWF数据较难获取，在科研领域研究较少，但其时距精度更高，因此在实际工程的咨询、设计领域使用得更加广泛。

3 目标海域

本研究获取的OWI后报点位于西加里曼丹近岸海域，地理位置坐标为东经108.5°，北纬1.0°，距离海岸线约40 km。ECMWF数据选用ERA-Interim数据集细网格10 m风速。印尼加里曼丹及OWI后报点地理位置见图1。

图1 地理位置及OWI后报点

4 分析结果

4.1 风速转换

由于不同资料集提供风速资料的时距不同，则应对ECMWF及OWI的风速数据进行相关转换。ECMWF月均风速资料为日平均风速的月平均(monthly mean of daily means)，而OWI资料提供的风速资料时距为1 h，则基于OWI资料计算得出的月平均风速势必会与ECMWF资料提供的月平均风速有较大出入。对于风速的降维度研究，多数学者采用实测与分析数据对比的方法得出经验公式或采用统计方法拟合得出概率密度函数[6-7]。Guo等[8]通过拟合9年实测小时平均风速，提出了简易的日平均风速与小时平均风速的经验计算公式。

在记录有日最大风速的情况下，可采用：

(1)

式中：Wn为任意小时的小时平均风速；Wave为日平均风速；Wmax为日最大风速；n为时刻，取值范围0～23。若记录只有日平均风速，则式(1)为：

(2)

可同样得出小时平均风速值。

4.2 ECMWF与OWI风速对比

图2为通过式(2)修正后的近10年ECMWF小时平均风速的月均值与OWI资料集的对比。OWI资料集提供的小时平均风速进行月平均后在近10年表现非常平稳，风速在4～5 ms变化幅度基本可以忽略，而ECMWF资料集趋势与OWI资料集近乎相同，但波动明显。从当地实测风速资料来看，西加里曼丹近岸海域风速有明显的季节变化：受印度尼西亚-北澳大利亚季风季候的影响，全年分为雨季和旱季，旱季为5—10月。并且有1999—2009年相关卫星散射计探测的风场数据[9]表明，西加里曼丹海域的风速季节性变化与南海一致，都体现为半年周期变化。因此，ECMWF风场资料虽然相较于OWI资料时距较长，但其波动幅度与实测数据及卫星探测数据的变化一致，其后报表现更接近实际情况。

图2 ECMWF与OWI资料近10年月均风速变化

4.3 ECMWF月均风场

图3为西加里曼丹海域ECMWF各月月均风速分布。从图3可以看出，西加里曼丹海域月均风速在5—10月相较其他月较低，在2月达到最大。此变化趋势与当地实际降雨统计一致，能体现风速与降雨的相关性。

图3 西加里曼丹海域ECMWF的风场月平均分布(单位：ms)

整体来看，西加里曼丹海域风速在海域中央及海域西侧为较大值区域，近岸海域风速减小明显。月平均风速最大出现在2月，约为6 ms。月平均风速最小出现在5月，近岸海域小于2 ms。这种变化趋势与南海风场的卫星散射计探测结果一致[10]。海域内全年的风速变化特征主要体现在6—8月增大、12—2月增大，与南海风场风速的变化趋势一致。