中国近海工程勘察作业条件区划

闫庆勋

（中海油田服务股份有限公司，天津300459）

0 引言

海洋油气开发需依托海底和海床进行结构基础承载和固定，充分认识海洋水文气象条件变化，是安全可靠、经济合理地开发海洋油气资源的基本保证之一[1]。作为海洋经济发展的基础保障，海洋工程勘察是海洋工程建设的必要环节之一，利用好水文气象条件变化规律对于提高海洋工程勘察质量和技术管理水平、保证海洋工程质量安全和推动海洋经济可持续发展具有重要意义[2]。

海洋工程勘察是通过测量、测试、勘探、模拟、分析等手段为海洋工程建设提供必须的、可靠的海底地形、海底岩土和海洋环境特征等成果，对应地划分为海洋工程测量、海洋岩土勘察和海洋工程环境调查[3]。这其中涉及大量的海上调查与观测作业，如水深调查、侧扫声呐、高分辨数字地震、钻探取样、原位测试、海水和沉积物取样、验潮测流等。海洋环境条件（如风、波浪、海流、热带气旋等，又称水文气象条件）不仅影响调查资料质量，同时也会影响作业安全，提升对调查海区水文气象要素变化特征的认识，有助于评估工程作业周期、优化调查方案、提升勘察质量[4~6]。

风速、有效波高和热带气旋是海洋工程勘察现场作业最为关注的要素。本文通过分析中国近海海区风速和有效波高的时空变化特征，评估不同海区的作业条件，并对中国近海进行区域划分，为项目评估、勘察设计、作业安全等提供参考。考虑到南海北部易受到热带气旋的影响，本文统计了南海不同海区热带气旋的发生概率，为海洋工程勘察现场作业安排等提供参考。

1 数据和方法

1.1 数据来源

1.1.1 风和有效波高

ERA5是由欧洲中尺度天气预报中心提供的最新全球大气再分析数据集[7,8]。本文分析中使用了该数据集中的中国近海风速和有效波高数据，数据时间分辨率为1 h，时间跨度为2009年1月—2019年12月；空间分辨率为0.5°N×0.5°E。

1.1.1 热带气旋路径及强度

RSMC Best Track Data是日本气象厅区域特殊气象中心提供的西太平洋（含中国南海）的热带气旋路径及强度数据集[9]。本文分析中采用了2000—2020年期间影响南海海域的热带气旋路径及强度数据。

1.2 统计方法

本文首先分析了中国近海海区的风速和有效波高的均值（年平均和月平均）分布，在此基础上，定义在一个日历天内同时满足小于4级风和1.0 m有效波高作为适宜小型勘察船进行工程勘察作业的标准，计算不同区域（选取1°N×1°E作为分区标准，具体参考图1）每年的适宜作业天数与全年天数的比值，当该比值大于0.7时，意味着全年超过70%的时间适宜小型勘察船海上作业，并将该类海区我们定义为I类海区；当该比值介于0.4~0.7之间时，定义该类海区为II类海区；当该比值小于0.4时，定义该类海区为III类海区。

除小型勘察船舶外，结合作业经验，我们还定义了HYSY707船和NH503船或同等级别的作业船舶的适宜工程勘察作业标准，即同时满足小于5级风和1.5 m有效波高；HYSY708船或同等级别的作业船舶的适宜工程勘察作业标准，即同时满足小于6级风和2.0 m有效波高。

南海是热带气旋活动最频繁的海区之一，热带气旋不仅带来强风和巨浪，而且影响海区范围广。在南海海域进行工程勘察作业，不得不考虑热带气旋的影响。为分析热带气旋对南海北部海区的影响，定义热带气旋中心距离作业海区不大于370 km（约200海里）时，视为影响作业海区。在此基础上，我们基于2000—2020年期间的历史热带气旋数据统计了南海北部1°N×1°E范围内平均每年发生的影响该区域的历史热带气旋发生频次，以该数值作为未来一段时间内热带气旋对海洋工程勘察作业周期影响的评估依据。

2 作业条件区划

2.1 风速与有效波高分布

图1给出了中国近海年平均风速和有效波高的空间分布。由图可知，渤海海域年平均风速基本在6 m/s以内，有效波高基本在1 m以内，风速与有效波高表现出较好的相关性，即沿海较小，中部较大；黄海海域基本在6 m/s以内，有效波高基本在1.5 m以内，风速与有效波高分布特征均呈现从东南外海到近岸逐渐减小；东海海域年平均风速基本在8 m/s以内，有效波高基本在2 m以内，风速与有效波高从东部外海到西部沿岸逐渐减小，台湾海峡处平均风速较大；南海北部海域年平均风速基本在8 m/s以内，有效波高小于2 m，风速和有效波高均呈现从吕宋海峡到南海中部及近岸逐渐减小的特征。

图1 中国近海海域年平均风速和有效波高分布

中国近海受亚洲季风影响，风速呈现较强的季节变化特征，限于篇幅，本文主要以南海为例给出了南海北部逐月平均的风速变化（见图2a），整体看来，冬季风强于夏季风，冬季风速较大的海区位于南海深水海盆区，到沿岸逐渐减小；有效波高分布（见图2b）与风速分布基本一致。

图2 南海北部逐月月平均风速和有效波高分布

2.2 作业条件区划

根据2.2节定义的适宜小型勘察船进行工程勘察作业标准，对中国近海1°N×1°E网格逐一进行统计，分别计算每一网格内全年适宜小型勘察船作业天数占比，具体如图3所示。由图3（a）易知，渤海海域水文气象条件较好，在西北部沿岸可以达到I类海区标准，即意味着全年大部分时间适宜小型勘察船作业，其他海区作业条件稍差，可以达到II类海区标准，基本有全年超过50%的时间可以满足作业条件；黄海和东海海域沿岸海区以二类海区为主，在长江口附近满足I类海区，向东随着水深增加，基本为III类海区[见图3（b）]；南海北部海区也呈现在近岸海区以I类和II类海区为主，50 m以深海区一般为III类海区[见图3（c）]。

对于I类海区，由于全年内作业条件较好，考虑作业成本，在不影响调查资料质量和安全作业的前提下，可优先考虑小型勘察船进行作业；III类海区，一般作业水深较大，水文气象条件较为恶劣，小型勘察船因作业能力有限（抗风浪能力差），作业时窗有限，建议采用大型勘察船进行作业；II类海区因全年适宜作业天数占比约在50%，这时需要具体分析不同月份的适宜作业天数分布情况。下文将以南海区块1（110°~111°E，17°~18°N）和区块2（115°~116°E，20°~21°N）海区为例进行说明。

由图3（c）可知，区块1属于II类海区，图4（a）展示了该海区不同月份分别适宜不同级别勘察船的作业天数。区块1内4—9月期间较为适宜作业，其中小型勘察船舶月平均适宜作业天数在17d以上，HYSY707船或该级别以上勘察船基本在全月范围内适宜作业（未考虑热带气旋影响，热带气旋影响参考2.3节）；除12月以外，其它月份内HYSY708船适宜作业天数也可达到12天以上。

由图3（c）可知，区块2属于III类海区，图4（b）展示了该海区不同月份分别适宜不同性能勘察船舶的作业天数。区块2对不同性能勘察船舶较为敏感，小型勘察船舶月平均适宜作业天数仅在4月和5月可达半个月，HYSY708船或该级别以上勘察船在4—9月期间适宜作业天数可达20天以上（未考虑热带气旋影响，热带气旋影响参考2.3节）。

图4 区块1和区块2逐月适宜作业天数统计

因此，结合中国近海不同海区的作业条件区划（见图3），可以对不同海区勘察作业条件进行初步评估，再结合具体海区不同月份适宜作业天数统计情况，就可以为项目评估、勘察设计、作业安全等提供指导和支持。

图3 中国近海海域工程勘察作业条件区划

统计标准分别为适宜小型勘察船、HYSY707或NH503同等级别勘察船、以及HYSY708同等级别勘察船。

2.3 热带气旋影响

根据2.2节定义的热带气旋影响勘察作业标准，我们统计了南海北部近岸海区不同区块平均每年发生的热带气旋频次（见图5）。由图可知，区块1平均每年发生热带气旋3.81次，区块2为4.90次。根据每年热带气旋发生的频次，对调查海区内的大型勘察项目工期估计、作业安排等具有重要的参考意义。

图5 南海北部近岸海区平均每年发生热带气旋次数统计

3 结语

本文基于多年的历史水文气象资料，结合海洋工程勘察作业特点，评估了不同海域作业条件优劣，并对中国近海海区的作业条件进行区域划分。根据划分结果，中国近海可以分为三类海区（I类、II类和III类），I类海区适宜小型勘察船舶作业，III类海区建议优选大型勘察船舶，II类海区则需根据不同月份的水文气象条件变化特征进行权衡。本文提供的作业条件区划可以为海洋工程项目评估、勘察设计、作业安全等提供科学指导和决策依据。

由于南海容易受热带气旋影响，本文同时分析了南海北部海区热带气旋的发生频次，对于大型勘察项目工期估计、作业安排等具有重要的参考意义。