江苏沿海海浪模拟研究和灾害特征分析

梁晓红，张婕，肖文军，张慧，陈珂

（1.江苏省海涂研究中心 江苏 南京 210036；2.自然资源部东海预报减灾中心 上海 200136）

海浪不仅影响海洋运输、渔业捕捞、油气开采等各种海上活动作业安全，也是诱发海岸和海洋灾害、威胁工程结构安全的重要动力因子[1]。江苏省地处中纬度的海陆相过渡带和气候过渡带，兼受西风带、副热带和低纬东风带天气系统的影响，沿海地区极易受热带气旋、冷空气和温带气旋等灾害性天气系统的影响，而江苏海域地形地貌特殊，海洋环境脆弱，滩涂、浅海面积大，掩护条件差，导致海浪灾害频发。与此同时，江苏海洋产业发达，除了海洋渔业、滨海旅游业和交通运输业等海洋支柱产业，海洋生物医药、海洋可再生能源利用、海洋电力业等新兴产业发展迅速[2]，因此海浪灾害频发会给人民群众生命财产和海洋经济发展造成巨大损失。据《中国海洋灾害公报（2003－2012）》和《江苏省海洋灾害公报（2013－2022）》统计显示，近20 年江苏省因海浪灾害造成的死亡（含失踪）人数达183 人，造成的直接经济损失超过1.37亿元[3-4]。

海浪灾害一般发生在海上，直接承灾体一是海上交通、生产设施包括海上平台、海洋电站、船舶以及养殖设备等，二是各类海上设施上的工作人员[5]。江苏海洋灾害中人员伤亡主要来源于由台风、温带气旋和冷空气引起的海浪过程[6]。海浪灾害的时空分布特征研究对于灾害应急防御和海洋经济活动空间布局具有重要意义，Wang 等[7]结合极值分布规律计算了中国近海的多年一遇风暴增水与浪高。Li等[8]分析了百年重现期下中国近海的极端浪高，表明中国近海的浪高一般在7 m以下，并且沿向北与向岸方向减少。彭冀等[9]依据2002－2011年中国的海浪灾害的统计数据对中国的海浪灾害特征进行了分析，发现我国沿海由海浪灾害造成的损失有整体上升的趋势。陈剑桥等[10]研究了浙江东部海域海浪灾害性特征与沉船海难之间的关系。张坤兰等[11]对河北沿海波浪特征进行了统计分析以掌握本地区的海浪特征。韩雪等[6]统计了1949－2013年的海浪数据资料，得出不同程度影响江苏海域的台风近200个。石世安[12]通过数值模拟和统计分析方法，对经过江苏海域多年的台风浪进行模拟和分析，推算出江苏沿海50 年一遇台风产生的台风浪波高在滨海港和吕四港较大，分别为4.97 m和4.91 m。梁晓红等[13]结合海上观测数据对影响江苏海域的气旋浪过程进行了天气学分析。文先华等[14]以一年期海上实测资料为主，对江苏省南部海区的海浪进行统计分析，给出其波高、波向、周期等要素的统计特征。

综上所述，已有研究以有限的数据统计分析为主，为进一步细化江苏海浪灾害时空分布特征分析，本研究整理了2003－2022年共计20年的海浪灾害损失数据和江苏海域多年实测海浪数据，采用第三代海浪模型SWAN对江苏海域海浪特征进行模拟，定量分析了江苏海域不同月份的浪高和浪向频率分布，并给出江苏沿海不同重现期的波高等值线分布图，为江苏海域的海上生产作业和工程建设以及灾害防御等多个领域提供重要参考。

1 研究方法

1.1 观测数据

本研究采用的江苏省海浪灾害损失数据（包括海浪灾害直接经济损失、海浪灾害死亡失踪人数等数据）来源于《中国海洋灾害公报（2003－2012）》和《江苏省海洋灾害公报（2013－2022）》。江苏沿海站点的逐时潮位和有效波高数据，包括连云港、洋口港、吕四潮位站的逐时潮位数据以及盐城外、苏北浅滩浮标的有效波高数据来源于自然资源部在江苏沿海海域布设的验潮站和波浪浮标现场观测。

1.2 数值模型

1.2.1 模型及计算范围

本研究采用第三代海浪模型SWAN，该模型由于合理设计了浅水域中的各种能量源项，尤其适用于近岸，并且因为丰富了深水能量源项和引入了高阶计算格式[15]，与传统采用显式格式的波浪模型相比，即使很浅的水域其计算步长也可以很大，模式适合浅滩分布广泛、水深地形变化复杂的江苏海域。本研究为了更加准确地模拟不同天气系统的影响，网格覆盖了整个中国海海域，计算范围为105°E－136°E，9°N－41°N，并且由外到内逐渐加密，近岸岸段的网格最高分辨率为50 m，时间步长为10 min，模型水深采用海事测绘海图与实测数据相结合（图1）。

图1 模式计算网格区域和在江苏沿海加密情况

1.2.2 模型输入条件

（1）风场

模型输入风场采用ERA-5 1991－2000 年共10 年的再分析风场和中尺度模式WRF 计算的2001－2020年共20年的数值模拟风场。

（2）潮汐潮流

由于研究区域涉及海湾、河口，潮差大、潮流强，为了充分考虑潮位、潮流对近岸波浪的作用，模型计算流场采用三维海洋环流模型FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）数值模拟的30年逐时潮汐潮流结果。

模型计算区域覆盖整个东中国海，计算范围为115°E－134°E，16°N－42°N。外海空间分辨率约为50 km，江苏沿海海域最高空间分辨率为1.0 km。东海近岸空间分辨率约为2～5 km，时间步长为5 s。网格数为29 028 个，格点数为15 326个。

模式开边界天文潮取8个分潮，分别是M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1，由全球潮汐模式FES（Finite Element Solution）的结果插值到开边界网格点给出。长江口径流取各月的月平均径流量。

2 江苏省海浪灾害及大浪特征分析

2.1 海浪灾害特征分析

根据图2，统计分析2003－2022 年江苏省的海浪灾害损失数据得出，冷空气浪、气旋浪以及冷空气与气旋的配合浪在江苏海域发生次数最多，达到85%，台风浪占比仅为15%。从损失程度来看，海浪灾害的年平均经济损失为687.02 万元，其中气旋浪和台风浪占比较大，分别为37%和35%，主要承灾体包括海水养殖、海岸防护等以及海上船只；海浪灾害的年平均死亡人数达到了9人以上，其中气旋浪和冷空气浪占比较大，分别为48%和31%。综合来看，气旋浪对江苏海域的影响最大，仅2010 年一年，江苏省因为气旋及冷空气等过程浪造成的死亡失踪人数就达到53人。

图2 2003－2022年江苏省各类海浪灾害次数占比

近20 年，全省共计发生有灾害损失（包括经济损失和人员伤亡）的海浪灾害过程共计60 次。根据图3 所示，海浪灾害发生频率最高的是4 月，年均0.6 次，其次是5 月、9 月和8 月；6 月、7 月和12 月发生频率最低，年均0.1～0.2 次。4－5 月是黄海气旋、东海气旋、江淮气旋以及冷空气过程影响江苏海域最为频繁的月份，其中气旋浪发生过程快，影响范围小，预报难度大，重视程度低等导致气旋浪的致灾性很大。而8月和9月是台风过程影响江苏海域的重点月份，尤其是9 月，台风与冷空气配过的过程会明显加大海浪灾害的致灾性。综上分析，江苏省海浪灾害主要包括台风浪、冷空气浪和气旋浪以及配合浪，其中台风浪灾害集中发生在8－9 月，冷空气浪和气旋浪灾害主要发生在4－5 月，台风浪对江苏的影响主要体现在经济损失方面，而冷空气浪和气旋浪对沿海人民群众生命安全威胁更大，我们需要重点关注不同月份江苏海域的海浪特征分布，以达到有针对性的防浪减灾目的，同时因为致灾方向的不同，对于不同类型的海浪灾害，应有不同的防御和减灾对策。

图3 2003－2022年江苏省海浪灾害各月分布情况

图4 2005－2020年江苏省苏北浅滩浮标不同类型海浪过程大浪分布图

图5 2005－2020年江苏省盐城外浮标不同类型海浪过程大浪分布图

图6 潮位过程验证

2.2 大浪特征分析

为探讨不同类型海浪过程对江苏沿海海浪特征的影响，本研究收集了2015－2020 年江苏沿海海域海浪浮标的大浪数据（有效波高达到巨浪及以上的过程），包括盐城外浮标（122.6°E，33.1°N）的17 次大浪过程数据和苏北浅滩浮标（122.4°E，32.7°N）的20 次大浪过程数据，分析不同灾害过程在不同区域产生的大浪特征。盐城外海域有效波高达到巨浪及以上的海浪过程有台风浪9 次、冷空气浪过程8 次，台风浪最大有效波高平均值为4.9 m，冷空气浪最大有效波高平均值为5.0 m，最大有效波高达到6 m 及以上的两次过程，均由冷空气引起，20180305 过程最大波高达到10 m 以上。分析可知，由于纬度偏北，冷空气过程在盐城沿海会造成比台风浪更为显著的大浪过程。苏北浅滩有效波高达到巨浪及以上的海浪过程包括台风浪过程9 次、冷空气浪过程10 次、气旋浪过程1 次。台风浪最大有效波高平均值为4.8 m，气旋冷空气浪最大有效波高平均值为4.3 m。最大有效波高为5.5 m，由1810 号台风“安比”和1917号台风“塔巴”引起，南通沿海海域大浪过程中台风浪的影响更加显著。气旋浪过程在以上两个区域产生的大浪过程较少。

3 江苏省海浪数值模拟

3.1 潮位模拟结果验证

本研究在进行30 年的潮汐潮流计算前，利用江苏海域的连云港、洋口港、吕四3 个潮位站2020 年7 月的逐时潮位资料进行精度检验，误差分析见下图表。从比对结果来看，模型计算的江苏海域的3 个潮位站的天文潮过程曲线与实测资料吻合较好，各站潮位平均绝对误差均小于30 cm，能合理反映江苏海域的潮汐特征。由此可知，本研究所构建的FVCOM 模型可用于江苏海域的潮汐潮流模拟计算，其模拟结果可进一步提供海浪模型的输入条件。

表1 各验潮站天文潮比对误差表 单位：cm

3.2 海浪模拟结果验证

本研究收集了江苏沿海苏北浅滩和盐城外浮标实测海浪数据，对模型结果进行比对验证。选取2016－2020 年全年的观测数据对模型进行比对验证，统计每一个站点有效波高大于1.00 m 的绝对误差和相对误差，结果见图7 和图8。误差统计结果显示各站有效波高平均绝对误差均小于0.50 m，平均相对误差均小于25%。

图7 苏北浅滩浮标2016年波浪比对图

图8 盐城外浮标2020年波浪比对图

选取2015－2020 年对江苏沿海影响较大的15次台风过程进一步分析大浪过程的模拟误差。1818 号台风与1909 号台风模拟波浪与观测比对结果见图9、图10。模型较好地模拟出了台风过程海浪的增长以及消衰过程。

图9 苏北浅滩浮标1818号台风“温比亚”过程比对图

图10 盐城外浮标1909号台风“利奇马”过程比对图

图11 不同等级浪高4月平均频率分布图

图12 不同等级浪高5月平均频率分布图

图13 不同等级浪高8月平均频率分布图

图14 不同等级浪高9月平均频率分布图

图15 波浪玫瑰图

图16 10年一遇有效波高分布

图17 100年一遇有效波高分布

对影响江苏海域的主要台风过程进行模型误差统计，结果见表2。由表可见苏北浅滩浮标15次台风过程的模拟的平均相对误差为23%，平均绝对误差为0.50 m，盐城外浮标模拟的平均相对误差为22%，平均绝对误差为0.44 m，均满足海浪灾害风险评估和区划技术规范[16]。因此，本研究构建的海浪模型可以用于模拟计算江苏沿海的波浪极值过程。

表2 台风过程极值误差统计表

4 模拟结果分析

4.1 波高频率分布

由模拟得到的近30 年的海浪计算结果，提取每个0.5°×0.5°网格内的逐时有效波高的计算结果，分别计算网格内的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级浪高出现的次数，根据近岸海浪强度等级划分标准（表3），绘制江苏省海域出现Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级浪高的月平均频率，本研究重点关注4月、5月、8月和9月的浪高平均频率分布特征。

表3 近岸海浪强度等级划分标准

由不同等级浪高月平均频率分布图可见，江苏沿海海域各月的平均浪高基本以轻到中浪为主，占比80%以上，大浪的占比由西到东逐渐增大，东至124°E，大浪占比基本达到10%左右。各月变化比较明显：8月和9月大浪占比较大，说明大浪甚至巨浪主要由夏季台风影响产生，从分布来看，夏季台风的大浪区域主要分布在122°E 以东海域，南部比北部大浪出现比例更大，近岸海域只有南通近岸有大浪分布，这些区域的重要承灾体包括海水养殖区、滨海旅游区等需做好台风期间的防浪措施，避免重大灾害损失；而4月和5月是全年中轻浪占比较大的月份，近岸海域基本为轻浪，但连云港、盐城近海122°E 以东海域和南通近海122.5°E以东海域中浪比例较大，虽然大浪频率较低，但需特别关注在气旋、冷空气等小尺度过程中这些区域的发展动态，加密预警监测，确保生产作业人员安全。

4.2 海浪玫瑰图

通过对每一个1°×1°网格内的模拟结果进行统计，得到各个方向（16 方位）出现不同等级波高的次数，计算各方向、各等级波高的出现百分比，以及不同等级浪高频率分布与波向波高联合出现频率分布，绘制各个格点上的玫瑰图。从图中可见，整个江苏沿海基本以东北和东南向浪为主。大浪到巨浪主要出现在东到东南方向。

4.3 不同重现期波高分析

采用构建的SWAN 模型，模拟计算江苏海域1991－2020 年共计30 年的波浪场，基于此数据场分析10、100年一遇的有效波高分布。

不同重现期波高分析采用P-Ⅲ型曲线，其原理如下：

Pearson 从大量随机变量的数据中，综合概括出下列概率密度函数

这一函数为Pearson Ⅲ型曲线的函数式（以下简称P-Ⅲ）。式中包括两个参数α、β，分别由下式计算：

这里的-H，Cv，Cs分别代表均值、离差系数和偏差系数，可依实测资料按下式计算：

其中Ki=H∕-H为模比系数。

从有效波高等值线分布来看，江苏沿海波高沿着岸线呈南北向带状分布，西边靠岸波高值小，随着水深增加，经度东移，波高逐渐增大。因为波浪在向近岸传播的过程中，由于水深变浅和低摩擦等作用，波高和波陡增大，到达极限后发生破碎，导致波高迅速减少，因此近岸有效波高较小[17]。江苏北部沿海海域波高分布较规则，近岸的10 年一遇波高多在4.0 m以下，100年一遇波高多在5.0 m以下；但在南部沿海由于辐射沙洲区域水深较浅，有些海域低潮时为裸露滩涂，因此该区域模拟的多年一遇波高值较小，最小为2.0 m，一般在3.0～5.0 m。但是离岸距离稍远的辐射沙洲外围海域10 年、100 年一遇有效波高可迅速增长到7.0 m、9.0 m 以上，并且此处地形和水动力条件复杂，该区域作业船只需密切关注天气海况变化以及船只动态。

5 结论及建议

5.1 研究结论

本研究整理了2003－2022年共计20年的海浪灾害损失数据和江苏海域多年实测海浪数据，采用第三代海浪模型SWAN 对江苏海域海浪特征进行模拟，定量分析了江苏海域不同月份的浪高和浪向频率分布，得出的研究结论如下：

（1）整个江苏海域基本以东北和东南向浪为主。大浪到巨浪主要出现在东到东南方向。江苏沿海海域各月的平均浪高基本以轻到中浪为主，占到了80%以上，大浪的占比由西到东逐渐增大，东至124°E，大浪占比基本达到10%左右。

（2）江苏海域海浪灾害的经济损失致灾性最大的是气旋浪和台风浪。台风浪重点防御月份为8－9月；8－9月台风的大浪区域主要分布在122°E以东海域，南部比北部大浪出现比例更大，近岸海域只有南通近岸有大浪分布；气旋浪重点防御月份为4－5月。

（3）江苏海域海浪灾害的人口损失致灾性最大的是冷空气浪和气旋浪，重点防御月份为4－5月；4－5 月连云港、盐城近海122°E 以东海域南通近海122.5°E以东海域中浪比例较大。

（4）不同重现期波高分析可知，江苏南部沿海地形复杂，多年一遇有效波高径向梯度较大，海上作业危险性较高。

5.2 防灾减灾建议

（1）加强海洋观测网建设

海洋观测是开展预警预报和防灾减灾工作的前提和基础。江苏沿海海岸线绵延整个南黄海，但是海洋观测台站却分布稀疏且不均，观测能力薄弱，海浪观测更是少之又少。应进一步充实海洋观测站网布局，投入大型浮标、潜标等自动观测仪器，提升观测密度、频次和时空分辨率。特别是容易出现大浪的重灾区，需要特别布局。同时提高观测资料的实时获取能力，保障观测资料获取的时效和精度。

（2）加强海洋环境预警系统能力建设

开展海浪灾害的发生机理和发展规律研究。近几年海浪灾害情况表明，部分海浪越浪进入海堤以内水域，造成了堤内池塘养殖损失，建议着力提升海洋灾害精细化预报水平，在海浪灾害频发区、重要港湾（如通州湾江海联动开发示范区）、沿海重要基础设施、关键经济目标和典型人口密集区开展近海近岸精细化数值预报系统建设。针对江苏近海渔业生产安全、人员搜救、油气资源开发开展专题预报保障系统建设。加强港口及海洋工程现场环境安全保障系统技术的研究和应用。

（3）提升应对特大海浪灾害的能力和技术水平

针对海水养殖、渔港码头、海上平台、避灾设施等典型承灾体，开展重特大海浪灾害过程影响分析，风险评估及防控技术、应急响应程序、防灾标准等的研究，建立重特大海浪灾害典型承灾体防灾标准，提高江苏沿海应对重特大海浪灾害的风险防范水平。