中國災害性海浪研究進展

最新 08-11

中國是海洋大國，同時也是海洋災害損失巨大的沿海國家。通過對2000—2015年的《中國海洋災害公報》統計分析發現，中國海洋災害導致的死亡或失蹤人數共2599人，其中，由波浪災害造成的佔比例為73.7%（圖1）。可見，海浪災害已成為威脅中國近海民眾生命安全最為突出的海洋災害。為貫徹落實海洋強國戰略部署，科技部會同國家海洋局、交通運輸部、教育部、中國科學院等部門以及部分地區科技主管部門，共同編製了「十三五」國家重點研發計劃《海洋環境安全保障》重點專項實施方案。在其支持的第一批項目中，明確強調需要研究包括海浪在內的重大動力災害風險評估與災害應對技術。基於以上背景，有必要對災害性海浪這一典型的海洋致災因素的研究發展現狀進行梳理和總結。本文將圍繞災害性海浪的定義與分類、中國災害性海浪特性有關的主要研究成果和災害性海浪的預報業務化成果這3個方面展開。

圖1 2000—2015年海洋災害導致的人員死亡或失蹤人數

災害性海浪的定義和分類

災害性海浪的定義

為獲得災害性海浪的定義，查閱了2000—2015年中國海洋災害數據權威的官方來源——《中國海洋災害公報》（簡稱公報）中有關災害性海浪的相關描述，發現公報本身對此的說法並不統一，從「波高大於等於4m」，到「有效波高大於等於4m」，再到只統計有效波高大於4m的災害性海浪，逐漸淡化了對災害性海浪的標準定義。2016年12月09日，以災害性海浪為關鍵詞在學術資料平台「中國知網」搜索得到183篇文獻，其中王智峰等用有效波高年極值來定義災害性海浪；邢闖等認為有效波高大於等於4 m的波浪為災害性海浪；張薇等認為1/10大波大於等於3 m的海浪為災害性海浪；王華等認為波高大於等於4 m的海浪為災害性海浪。可見，在學術論文中，災害性海浪的定義也是不一致的。究其原因，是由於災害性海浪作用的承災個體差異性導致的。例如小船的抗風浪能力低，2~3 m的海浪就能對其安全構成威脅，相對於千噸級輪船，3 m以上的海浪才會對其構成威脅，同樣對於在近海、中海乃至大洋中航行的輪船，波浪要達到4~5 m、7~8 m甚至更高才能對其構成威脅，所以災害性海浪沒有明確統一的範圍，通常意義上那些能夠在海上或者岸邊引起災害損失的海浪就可以稱之為災害性海浪。因此，災害性海浪本身包含了致災的內涵，而災害的後果是海浪本身的危險性和承災體的脆弱性共同的結果。

災害性海浪的分類

海浪是由風引起的海面波動現象，《中國海洋災害公報》依據誘發海浪的大氣擾動特徵將海浪劃分為颱風浪、冷空氣浪和氣旋浪3種。此種分類方法簡明清楚的區分開了具有明顯特性區別的海浪，同時這幾種海浪也是造成現有人員傷亡的重要因素。

可是，還有兩類海浪也引發了嚴重的傷人事件。低頻涌浪可使艦船發生中拱、中垂、螺旋槳空轉失速，使海洋平台發生傾斜、搖晃等現象。2012年4月24日，欽州駁區實施船靠船駁載作業時，受西南強涌浪影響，造成了子船5根橫纜琵琶頭相繼斷裂的事故；「海洋石油201」號等多艘鋪管船在東海海域進行鋪管施工時受低頻涌浪環境影響橫搖運動強烈，正常鋪管作業受到了嚴重影響；針對涌浪研究，周延東等、裴曄等做了相關綜述。同時，畸形波也已經成為一種公認的海洋災害，中國學者陶愛峰、高志一等和劉首華針對畸形浪的研究做了相關綜述。

相關資料和研究表明，涌浪和畸形浪兩種海浪雖然不常見，甚至鮮為人知，但往往出現就造成無法挽回的損失。因此，本研究認為如若將涌浪和畸形浪也歸於災害性海浪，可以對海浪引起的人員傷亡研究進行有效的補充，進而能夠更全面的概述海浪災害的致災因子。

「災害性海浪」特性研究進展

「災害性海浪」不是某種具體的海浪，它的特性研究亦即颱風浪、冷空氣浪、氣旋浪、涌浪和畸形波的特性研究進展。20世紀60年代，中國開始對典型海浪的時空特性進行記錄觀測。20世紀90年代，許富祥，高志華等對中國近海災害性海浪的時空特性及其特徵進行了統計分析，接下來將分別評述以上5種類型海浪的特性研究進展。

颱風浪

颱風浪是指受熱帶氣旋（熱帶低壓、颱風和強颱風）擾動形成的海浪。東海和南海為中國颱風多發地帶，每年的7~10月份江蘇、浙江、上海和福建等沿海地區容易遭受颱風侵襲。在中國海洋資料有記載以來颱風造成的影響最大，相關研究也最多。颱風浪的研究，集中在颱風浪傳播演變特性、典型受災區域和颱風浪與典型承災體相互作用這3個方面。

颱風浪的傳播、演變特性。中國颱風以西北行路徑為主，統計1949—2013年西北太平洋2157個颱風過程，根據颱風的路徑分布特點做以下歸納，將颱風分為正面登陸型、登陸北上型、不登陸型和無規律型。正面登陸型指由江蘇、浙江、上海、福建、廣東、廣西和海南省等沿海地區地登陸後，影響繼續向省內腹地延伸的颱風；登陸北上型指在沿海地區登陸後向北偏轉，影響範圍擴及多省，此類颱風往往會引發諸多陸地災害；不登陸型指颱風僅在外海活動，不會登陸；無規律型指無論颱風路徑及其變化規律無序，無法預測。

典型受災區域颱風浪特性。受颱風傳播特性影響，中國颱風浪典型受災區域集中在南方地區，各省的颱風浪特性又不盡相同。在浙江登陸的颱風，受近岸區海島阻擋作用和等深線減小緣故，波浪周期遠小於外海波浪，而且在舟山島E向產生的有效波高最大，N向最小；在江蘇登陸或未登陸的颱風往往呈現出在126°N附近由南向北移動特點；福建受颱風主要為西北行颱風，受台灣島阻擋效果，颱風登陸時等級降低波浪危害減弱；近年來廣東省針對強颱風「珍珠」的演變造成的危害做了研究調查，但是在其餘情況研究尚少；而浙江、海南省和廣西壯族自治區的受災情況較其他省份嚴重，相關研究較其他省市更少，該方面研究有待加強。

颱風浪與典型承災體相互作用機理。颱風浪作用的主要承災體有海堤、船舶、航道和掠海飛行器等。針對防波海堤建築主要通過加大塊體重量和空間構造的防浪措施，同時通過合理布局確保防浪固堤效果最佳；在颱風影響期間，作業船隻會產生搖擺，使儀器受影響，輪機速度不穩，嚴重者超過安全盆甚至會造成傾覆，停泊船隻則要做好避風防浪的錨固措施；颱風不僅可以對水上、陸地作業造成嚴重影響，颱風期間還會造成人工航道的嚴重回淤；在國防安全中，颱風浪的強度與空間特性對不同掠海飛行器的擊水概率大不相同。

氣旋浪和冷空氣浪

氣旋浪主要是由於溫帶氣旋擾動引起，雖然和寒潮大風導致的冷空氣浪不同，但是在冷暖交替的10~12月、2~4月交互出現，發生頻繁。通過對《中國海洋災害公報》2010—2015年海浪造成的人員傷亡資料統計（圖2）發現，除2013年由颱風蝴蝶直接造成了63人死亡外，其餘年份造成傷亡的比例，均以冷空氣浪為主，冷空氣浪和氣旋浪在海浪傷人中比例最大。

圖2 2010—2015年中海洋災害公報颱風浪、氣旋浪和冷空氣浪傷亡統計

中國氣旋浪和冷空氣浪資料在20世紀60年代開始收集，到20世紀80年代逐步開始相關研究，現有研究主要集中在時空分布特性和生成機理。2016年12月14日在「中國知網」中分別搜索全文中含氣旋浪和冷空氣浪文章有142和70篇，以氣旋浪為主題的文章為12篇，而以冷空氣浪或寒潮浪為主題的僅有4篇。在該領域的研究有待加強。

氣旋浪受近海氣候影響，尤其是中國黃海和東海常有溫帶氣旋通過。基於1976—1985年這10年的海浪實況圖中的87個氣旋過程分析，氣旋浪場具有三部分波高、波向不同的結構，波高相對於氣旋中心具有不對稱性；郭佩芳等通過分析衛星海面軌跡斷面，發現相對於風速，溫帶氣旋的內圍波高明顯大於外圍，波高與風速成中空反旋結構。

冷空氣浪即寒潮浪，冬季頻發，頻發區在黃海、東海和台灣海峽，引起的人員傷亡眾多，由於在汛期之外，未引起廣泛重視；劉佔英利用航空遙感試驗研究氣旋與冷空氣共同影響時風速與浪高關係，發現氣旋中心過後6~10 h浪達到最大值，其中冷風后偏北風風時最長、風力最強，易出現波浪最大值；通過對中國海洋1966—1990年大於等於6 m海浪統計分析發現，中國海域發生大浪的主要成因均有強冷空氣活動和冷空氣與氣旋共同作用，其中南海、台灣海峽、台灣以東以及巴士海峽中颱風也佔主要因素。

涌浪

涌浪是指風停止或削弱、轉向以後遺留在海上，或來自於其他海域的波浪。雖然相比於風浪而言，涌浪的波級較低，但因其周期較大、頻率較低，容易與在行船舶及海洋石油平台等海上建築物發生共振，使其無法正常工作，甚至造成結構破壞和人員的傷亡。因而，對於涌浪研究很有必要，對海上航行、海洋資源開發利用、防止和減少海浪災害都具有重要的意義。

前人對涌浪的特性研究主要在利用半理論半經驗公式討論涌浪在生成和傳播過程中的外觀特性演變，以及利用數值模擬計算分析極端天氣情況下涌浪在時間和空間上的特徵等方面。

1）涌浪的外觀特性演變

海浪成分複雜，大部分以不同成分的風浪和涌浪混合而成，涌浪的特性演變主要是指風涌浪相互作用及分離。程展在前人基礎上發現，風浪的能量及其分布受逆行涌浪影響，風浪譜擴寬；風區在涌浪對風浪的抑制中作用較小，而隨著波齡倒數以及涌浪波陡的增加而增加。由於風涌浪作用機制複雜，現場實測因素繁多，相關驗證存在很大難度，有待深入研究。

對於風涌浪分離，如何確定一個全面合理的分離參數作為判別標準，從而很精準的對風涌浪進行分離，這一方面的研究還存在很大發展空間。

2）涌浪的時、空特性

韓曉偉等發現颱風影響期間所產生的大浪主要為風浪，涌浪波高遠小於風浪波高，涌浪的大值區域基本分布在遠離颱風中心的外圍海域；陳曉斌等基於1109號颱風「梅花」，探討了發現混合浪的波高及其組成隨著颱風中心的移動而不斷變化。在接近颱風中心的區域，颱風比較大，因此產生的風浪比較大，涌浪較小；而在遠離颱風中心的區域，颱風影響較小，因此產生的風浪較小，涌浪較大。

這些模擬結果的分析都僅限於一次颱風過程的影響，那麼對於更多不同類型的颱風，這些結論還是否具有參考價值，還需要更多的對比計算和深入探討。

畸形波

畸形波一詞是楊冠生等對「Freak wave」這一獨特的災害性海浪名稱的直譯，後來一直為中國學者沿用。而「Freak wave」一詞最早是由Drauper於1965年提出的，用來描述一種突發的災害性海浪，其波高很大、持續時間較短、破壞性極強。該種海浪逐漸引起科研人員的關注，圍繞畸形波產生的動力學原因、畸形波運動學特性、畸形波的實驗室重構技術、畸形波與結構物的相互作用等方面開展了大量的研究工作。

中國台灣四周海岸幾乎每年都有畸形波發生的記錄，冬季以台灣東北角海岸發生的次數最多，夏季時西南海岸發生較頻繁，當地常稱此種突發性傷人怪浪為「瘋狗浪」。台灣學者曾收集1954至1998年共140例有關異常浪事件的報道，分析指出因異常浪事件而被摧毀的船隻達35艘，死亡人數343人以上，將畸形波事件列為台灣地區嚴重的經常性海洋災害之一。大陸雖還沒有人進行這方面的專門統計，但陶愛峰曾對2005—2006年的新聞中查到了6例因為突發海浪造成經濟損失或人員傷亡的報道，這些突發海浪基本都具備畸形波的主要特性。

中國大多數學者仍採用大於等於2倍有效波高來作為畸形波的判定依據。陶愛峰和王瑤基於實測資料探討了畸形波的發生概率和誘發原因；武雨晴指出了不同特性畸形波序列波譜的差異以及在畸形波發生時頻率、能量的分布特點；齊可仁通過多初始條件下的深水波長期模擬，研究了畸形波特性和發生概率情況；還有學者探討了兩種非線性機制下畸形波特性。

陶愛峰、劉首華等和高志一等就畸形波的生成特性和相關研究進展做了研究綜述。通過中國學者對畸形波的不懈研究，從其發生機理，演變特性到相關延伸均取得了一定成果，但是由於其突發性極其難以預測，相關理論研究有待深入。

「災害性海浪」預報研究進展

中國對於海浪的預報研究取得的突破性進展主要以颱風浪為主。颱風浪的預測預報工作主要集中在海浪的數值預報模式和預報的業務化。

海浪的數值預報模式

早在20世紀60年代初期，中國成立專門小組開始了對沿海海區波浪的研究工作。20世紀80年代，文聖常較為詳細的討論了海浪計算模式和現代海浪理論，為中國海洋數值模擬研究提供了指導。中國科學院南海海洋研究所和香港理工學院於1982年對香港附近海區颱風波浪進行了研究，提出一種適用於深、淺海的海浪數值預報方法——BSCS方法，較精細地計算了香港附近海區的颱風浪。隋世峰等引入標誌著風浪成長程度的參數——平均波齡，建立了一種成長海浪譜模式的颱風波浪數值預報方法，簡稱CHGS，較好地完成颱風波浪數值計算。袁業立等根據O.M.Phillips提出的含波-流相互作用的能量平衡方程，提出了LGFD海浪數值預報方法模擬了南海的颱風波浪，計算值與實測值符合得很好。

夏璐一依據MIKE21 SW譜波浪模型對西北行路徑颱風進行數值模擬，結果表明颱風移動路徑上前眼壁處的有效波高大於後眼壁處；移動路徑以外區域有效波高經歷無規律的衰減過程，路徑兩側的有效波高與該點到颱風移動路徑距離成反比。鄒文峰依據白帽耗散項對深水波浪影響較大，對淺水波浪影響較小；在深水與淺水中底摩阻對波浪影響程度相當的特徵，建立國內海水域颱風浪計算模型，東南內海向黃、渤海傳播的颱風浪大小受颱風風速、颱風作用於水面的時間、颱風中心移動速度等因素制約，路徑只對近岸地區的波高數值有較大影響。

隨著颱風浪研究的深入，逐步形成了針對颱風演變特性，分布特性的幾類研究方向，均取得一定的研究成果。然而由於颱風的不確定性，理論解析推導過程複雜多變等，即便藉助計算機對颱風浪的傳播進行復演和預測，颱風浪的預警預報工作依然有待更深入的研究探索。

預報的業務化

隨著海浪研究的深入，沿海部分地區某些單位對周邊典型區域實現了精準業務化預報。目前國內外海浪數值預報主流是基於確定性海浪初始條件，給定風場驅動在第三代海浪模式下開展海浪相關要素的預報。廖學鵬等基於修正的Holland颱風模型風場，在同化Quik Scat/NCEP混合風場基礎上，結合高解析度水深和岸線資料，通過第三代近岸海浪SWAN模式，對台灣基隆港附近海域實施了精準化海浪預報；張學宏通過國家氣候中心的中長期風場資料，運用Wave Watch III建立了西北太平洋海浪數值預報業務化系統。

同時，隨著集合海浪預報的出現，該預報方法將傳統意義上單一的確定性預報變成不確定性預報，在充分考慮海浪數值模式中物理過程的不確定性基礎上，將傳統的確定性預報擴展至概率預報領域，進而提供單純確定性預報所不能提供的額外信息，儘可能使得到的海浪預報包含未來海浪變化可能出現的所有狀態，從而達到提高海浪預報技巧的目的。加拿大、日本和挪威等國家取得了一定進展，中國孫明華採用集合天氣預報系統的風場驅動海浪模式Wave Watch III，開展了全球集合海浪預報試驗並開展了初步檢驗。其研究表明，集合平均的預報水平要優於單一的確定性預報。由於中國在業務化預報領域起步較晚，與發達國家還存在較大差距，該方面研究有待加強。

結論

沿海的安全影響著眾多人的生活，海洋災害的預防預報研究越來越受到重視。災害性海浪作為威脅沿海地區的重要因素，明確不同類型的災害性海浪的作用機理、演化機制以及預報預警方法都將是長久科研任務中的重中之重。通過概述主要類型的災害性海浪的研究概況，評述了災害性海浪特性研究現狀，並對海浪預報研究進行了展望，希望可以對災害性海浪研究相關人員提供參考。

（2016001）

參考文獻（略）

本文作者：陶愛峰，沈至淳，李碩，徐嘯，張堯

作者簡介：陶愛峰，海岸災害及防護教育部重點實驗室（河海大學），教授，研究方向為水波動力學。

注：本文發表於《科技導報》2018 年第14 期，有刪節。敬請關注。

（責任編輯傅雪）