中国灾害性海浪研究进展

2018 年 8 月 8 日 科技导报

中国是海洋大国，同时也是海洋灾害损失巨大的沿海国家。通过对2000—2015年的《中国海洋灾害公报》统计分析发现，中国海洋灾害导致的死亡或失踪人数共2599人，其中，由波浪灾害造成的占比例为73.7%（图1）。可见，海浪灾害已成为威胁中国近海民众生命安全最为突出的海洋灾害。为贯彻落实海洋强国战略部署，科技部会同国家海洋局、交通运输部、教育部、中国科学院等部门以及部分地区科技主管部门，共同编制了“十三五”国家重点研发计划《海洋环境安全保障》重点专项实施方案。在其支持的第一批项目中，明确强调需要研究包括海浪在内的重大动力灾害风险评估与灾害应对技术。基于以上背景，有必要对灾害性海浪这一典型的海洋致灾因素的研究发展现状进行梳理和总结。本文将围绕灾害性海浪的定义与分类、中国灾害性海浪特性有关的主要研究成果和灾害性海浪的预报业务化成果这3个方面展开。

图1 2000—2015年海洋灾害导致的人员死亡或失踪人数

灾害性海浪的定义和分类

灾害性海浪的定义

为获得灾害性海浪的定义，查阅了2000—2015年中国海洋灾害数据权威的官方来源——《中国海洋灾害公报》（简称公报）中有关灾害性海浪的相关描述，发现公报本身对此的说法并不统一，从“波高大于等于4m”，到“有效波高大于等于4m”，再到只统计有效波高大于4m的灾害性海浪，逐渐淡化了对灾害性海浪的标准定义。2016年12月09日，以灾害性海浪为关键词在学术资料平台“中国知网”搜索得到183篇文献，其中王智峰等用有效波高年极值来定义灾害性海浪；邢闯等认为有效波高大于等于4 m的波浪为灾害性海浪；张薇等认为1/10大波大于等于3 m的海浪为灾害性海浪；王华等认为波高大于等于4 m的海浪为灾害性海浪。可见，在学术论文中，灾害性海浪的定义也是不一致的。究其原因，是由于灾害性海浪作用的承灾个体差异性导致的。例如小船的抗风浪能力低，2~3 m的海浪就能对其安全构成威胁，相对于千吨级轮船，3 m以上的海浪才会对其构成威胁，同样对于在近海、中海乃至大洋中航行的轮船，波浪要达到4~5 m、7~8 m甚至更高才能对其构成威胁，所以灾害性海浪没有明确统一的范围，通常意义上那些能够在海上或者岸边引起灾害损失的海浪就可以称之为灾害性海浪。因此，灾害性海浪本身包含了致灾的内涵，而灾害的后果是海浪本身的危险性和承灾体的脆弱性共同的结果。

灾害性海浪的分类

海浪是由风引起的海面波动现象，《中国海洋灾害公报》依据诱发海浪的大气扰动特征将海浪划分为台风浪、冷空气浪和气旋浪3种。此种分类方法简明清楚的区分开了具有明显特性区别的海浪，同时这几种海浪也是造成现有人员伤亡的重要因素。

可是，还有两类海浪也引发了严重的伤人事件。低频涌浪可使舰船发生中拱、中垂、螺旋桨空转失速，使海洋平台发生倾斜、摇晃等现象。2012年4月24日，钦州驳区实施船靠船驳载作业时，受西南强涌浪影响，造成了子船5根横缆琵琶头相继断裂的事故；“海洋石油201”号等多艘铺管船在东海海域进行铺管施工时受低频涌浪环境影响横摇运动强烈，正常铺管作业受到了严重影响；针对涌浪研究，周延东等、裴晔等做了相关综述。同时，畸形波也已经成为一种公认的海洋灾害，中国学者陶爱峰、高志一等和刘首华针对畸形浪的研究做了相关综述。

相关资料和研究表明，涌浪和畸形浪两种海浪虽然不常见，甚至鲜为人知，但往往出现就造成无法挽回的损失。因此，本研究认为如若将涌浪和畸形浪也归于灾害性海浪，可以对海浪引起的人员伤亡研究进行有效的补充，进而能够更全面的概述海浪灾害的致灾因子。

“灾害性海浪”特性研究进展

“灾害性海浪”不是某种具体的海浪，它的特性研究亦即台风浪、冷空气浪、气旋浪、涌浪和畸形波的特性研究进展。20世纪60年代，中国开始对典型海浪的时空特性进行记录观测。20世纪90年代，许富祥，高志华等对中国近海灾害性海浪的时空特性及其特征进行了统计分析，接下来将分别评述以上5种类型海浪的特性研究进展。

台风浪

台风浪是指受热带气旋（热带低压、台风和强台风）扰动形成的海浪。东海和南海为中国台风多发地带，每年的7~10月份江苏、浙江、上海和福建等沿海地区容易遭受台风侵袭。在中国海洋资料有记载以来台风造成的影响最大，相关研究也最多。台风浪的研究，集中在台风浪传播演变特性、典型受灾区域和台风浪与典型承灾体相互作用这3个方面。

台风浪的传播、演变特性。中国台风以西北行路径为主，统计1949—2013年西北太平洋2157个台风过程，根据台风的路径分布特点做以下归纳，将台风分为正面登陆型、登陆北上型、不登陆型和无规律型。正面登陆型指由江苏、浙江、上海、福建、广东、广西和海南省等沿海地区地登陆后，影响继续向省内腹地延伸的台风；登陆北上型指在沿海地区登陆后向北偏转，影响范围扩及多省，此类台风往往会引发诸多陆地灾害；不登陆型指台风仅在外海活动，不会登陆；无规律型指无论台风路径及其变化规律无序，无法预测。

典型受灾区域台风浪特性。受台风传播特性影响，中国台风浪典型受灾区域集中在南方地区，各省的台风浪特性又不尽相同。在浙江登陆的台风，受近岸区海岛阻挡作用和等深线减小缘故，波浪周期远小于外海波浪，而且在舟山岛E向产生的有效波高最大，N向最小；在江苏登陆或未登陆的台风往往呈现出在126°N附近由南向北移动特点；福建受台风主要为西北行台风，受台湾岛阻挡效果，台风登陆时等级降低波浪危害减弱；近年来广东省针对强台风“珍珠”的演变造成的危害做了研究调查，但是在其余情况研究尚少；而浙江、海南省和广西壮族自治区的受灾情况较其他省份严重，相关研究较其他省市更少，该方面研究有待加强。

台风浪与典型承灾体相互作用机理。台风浪作用的主要承灾体有海堤、船舶、航道和掠海飞行器等。针对防波海堤建筑主要通过加大块体重量和空间构造的防浪措施，同时通过合理布局确保防浪固堤效果最佳；在台风影响期间，作业船只会产生摇摆，使仪器受影响，轮机速度不稳，严重者超过安全盆甚至会造成倾覆，停泊船只则要做好避风防浪的锚固措施；台风不仅可以对水上、陆地作业造成严重影响，台风期间还会造成人工航道的严重回淤；在国防安全中，台风浪的强度与空间特性对不同掠海飞行器的击水概率大不相同。

气旋浪和冷空气浪

气旋浪主要是由于温带气旋扰动引起，虽然和寒潮大风导致的冷空气浪不同，但是在冷暖交替的10~12月、2~4月交互出现，发生频繁。通过对《中国海洋灾害公报》2010—2015年海浪造成的人员伤亡资料统计（图2）发现，除2013 年由台风蝴蝶直接造成了63 人死亡外，其余年份造成伤亡的比例，均以冷空气浪为主，冷空气浪和气旋浪在海浪伤人中比例最大。

图2 2010—2015年中海洋灾害公报台风浪、气旋浪和冷空气浪伤亡统计

中国气旋浪和冷空气浪资料在20世纪60年代开始收集，到20世纪80年代逐步开始相关研究，现有研究主要集中在时空分布特性和生成机理。2016年12月14日在“中国知网”中分别搜索全文中含气旋浪和冷空气浪文章有142和70篇，以气旋浪为主题的文章为12篇，而以冷空气浪或寒潮浪为主题的仅有4篇。在该领域的研究有待加强。

气旋浪受近海气候影响，尤其是中国黄海和东海常有温带气旋通过。基于1976—1985年这10年的海浪实况图中的87个气旋过程分析，气旋浪场具有三部分波高、波向不同的结构，波高相对于气旋中心具有不对称性；郭佩芳等通过分析卫星海面轨迹断面，发现相对于风速，温带气旋的内围波高明显大于外围，波高与风速成中空反旋结构。

冷空气浪即寒潮浪，冬季频发，频发区在黄海、东海和台湾海峡，引起的人员伤亡众多，由于在汛期之外，未引起广泛重视；刘占英利用航空遥感试验研究气旋与冷空气共同影响时风速与浪高关系，发现气旋中心过后6~10 h浪达到最大值，其中冷风后偏北风风时最长、风力最强，易出现波浪最大值；通过对中国海洋1966—1990年大于等于6 m海浪统计分析发现，中国海域发生大浪的主要成因均有强冷空气活动和冷空气与气旋共同作用，其中南海、台湾海峡、台湾以东以及巴士海峡中台风也占主要因素。

涌浪

涌浪是指风停止或削弱、转向以后遗留在海上，或来自于其他海域的波浪。虽然相比于风浪而言，涌浪的波级较低，但因其周期较大、频率较低，容易与在行船舶及海洋石油平台等海上建筑物发生共振，使其无法正常工作，甚至造成结构破坏和人员的伤亡。因而，对于涌浪研究很有必要，对海上航行、海洋资源开发利用、防止和减少海浪灾害都具有重要的意义。

前人对涌浪的特性研究主要在利用半理论半经验公式讨论涌浪在生成和传播过程中的外观特性演变，以及利用数值模拟计算分析极端天气情况下涌浪在时间和空间上的特征等方面。

1）涌浪的外观特性演变

海浪成分复杂，大部分以不同成分的风浪和涌浪混合而成，涌浪的特性演变主要是指风涌浪相互作用及分离。程展在前人基础上发现，风浪的能量及其分布受逆行涌浪影响，风浪谱扩宽；风区在涌浪对风浪的抑制中作用较小，而随着波龄倒数以及涌浪波陡的增加而增加。由于风涌浪作用机制复杂，现场实测因素繁多，相关验证存在很大难度，有待深入研究。

对于风涌浪分离，如何确定一个全面合理的分离参数作为判别标准，从而很精准的对风涌浪进行分离，这一方面的研究还存在很大发展空间。

2）涌浪的时、空特性

韩晓伟等发现台风影响期间所产生的大浪主要为风浪，涌浪波高远小于风浪波高，涌浪的大值区域基本分布在远离台风中心的外围海域；陈晓斌等基于1109号台风“梅花”，探讨了发现混合浪的波高及其组成随着台风中心的移动而不断变化。在接近台风中心的区域，台风比较大，因此产生的风浪比较大，涌浪较小；而在远离台风中心的区域，台风影响较小，因此产生的风浪较小，涌浪较大。

这些模拟结果的分析都仅限于一次台风过程的影响，那么对于更多不同类型的台风，这些结论还是否具有参考价值，还需要更多的对比计算和深入探讨。

畸形波

畸形波一词是杨冠生等对“Freak wave”这一独特的灾害性海浪名称的直译，后来一直为中国学者沿用。而“Freak wave”一词最早是由Drauper于1965年提出的，用来描述一种突发的灾害性海浪，其波高很大、持续时间较短、破坏性极强。该种海浪逐渐引起科研人员的关注，围绕畸形波产生的动力学原因、畸形波运动学特性、畸形波的实验室重构技术、畸形波与结构物的相互作用等方面开展了大量的研究工作。

中国台湾四周海岸几乎每年都有畸形波发生的记录，冬季以台湾东北角海岸发生的次数最多，夏季时西南海岸发生较频繁，当地常称此种突发性伤人怪浪为“疯狗浪”。台湾学者曾收集1954至1998年共140例有关异常浪事件的报道，分析指出因异常浪事件而被摧毁的船只达35艘，死亡人数343人以上，将畸形波事件列为台湾地区严重的经常性海洋灾害之一。大陆虽还没有人进行这方面的专门统计，但陶爱峰曾对2005—2006年的新闻中查到了6例因为突发海浪造成经济损失或人员伤亡的报道，这些突发海浪基本都具备畸形波的主要特性。

中国大多数学者仍采用大于等于2倍有效波高来作为畸形波的判定依据。陶爱峰和王瑶基于实测资料探讨了畸形波的发生概率和诱发原因；武雨晴指出了不同特性畸形波序列波谱的差异以及在畸形波发生时频率、能量的分布特点；齐可仁通过多初始条件下的深水波长期模拟，研究了畸形波特性和发生概率情况；还有学者探讨了两种非线性机制下畸形波特性。

陶爱峰、刘首华等和高志一等就畸形波的生成特性和相关研究进展做了研究综述。通过中国学者对畸形波的不懈研究，从其发生机理，演变特性到相关延伸均取得了一定成果，但是由于其突发性极其难以预测，相关理论研究有待深入。

“灾害性海浪”预报研究进展

中国对于海浪的预报研究取得的突破性进展主要以台风浪为主。台风浪的预测预报工作主要集中在海浪的数值预报模式和预报的业务化。

海浪的数值预报模式

早在20世纪60年代初期，中国成立专门小组开始了对沿海海区波浪的研究工作。20世纪80年代，文圣常较为详细的讨论了海浪计算模式和现代海浪理论，为中国海洋数值模拟研究提供了指导。中国科学院南海海洋研究所和香港理工学院于1982年对香港附近海区台风波浪进行了研究，提出一种适用于深、浅海的海浪数值预报方法——BSCS方法，较精细地计算了香港附近海区的台风浪。隋世峰等引入标志着风浪成长程度的参数——平均波龄，建立了一种成长海浪谱模式的台风波浪数值预报方法，简称CHGS，较好地完成台风波浪数值计算。袁业立等根据O.M.Phillips提出的含波-流相互作用的能量平衡方程，提出了LGFD海浪数值预报方法模拟了南海的台风波浪，计算值与实测值符合得很好。

夏璐一依据MIKE21 SW谱波浪模型对西北行路径台风进行数值模拟，结果表明台风移动路径上前眼壁处的有效波高大于后眼壁处；移动路径以外区域有效波高经历无规律的衰减过程，路径两侧的有效波高与该点到台风移动路径距离成反比。邹文峰依据白帽耗散项对深水波浪影响较大，对浅水波浪影响较小；在深水与浅水中底摩阻对波浪影响程度相当的特征，建立国内海水域台风浪计算模型，东南内海向黄、渤海传播的台风浪大小受台风风速、台风作用于水面的时间、台风中心移动速度等因素制约，路径只对近岸地区的波高数值有较大影响。

随着台风浪研究的深入，逐步形成了针对台风演变特性，分布特性的几类研究方向，均取得一定的研究成果。然而由于台风的不确定性，理论解析推导过程复杂多变等，即便借助计算机对台风浪的传播进行复演和预测，台风浪的预警预报工作依然有待更深入的研究探索。

预报的业务化

随着海浪研究的深入，沿海部分地区某些单位对周边典型区域实现了精准业务化预报。目前国内外海浪数值预报主流是基于确定性海浪初始条件，给定风场驱动在第三代海浪模式下开展海浪相关要素的预报。廖学鹏等基于修正的Holland台风模型风场，在同化Quik Scat/NCEP混合风场基础上，结合高分辨率水深和岸线资料，通过第三代近岸海浪SWAN模式，对台湾基隆港附近海域实施了精准化海浪预报；张学宏通过国家气候中心的中长期风场资料，运用Wave Watch III建立了西北太平洋海浪数值预报业务化系统。

同时，随着集合海浪预报的出现，该预报方法将传统意义上单一的确定性预报变成不确定性预报，在充分考虑海浪数值模式中物理过程的不确定性基础上，将传统的确定性预报扩展至概率预报领域，进而提供单纯确定性预报所不能提供的额外信息，尽可能使得到的海浪预报包含未来海浪变化可能出现的所有状态，从而达到提高海浪预报技巧的目的。加拿大、日本和挪威等国家取得了一定进展，中国孙明华采用集合天气预报系统的风场驱动海浪模式Wave Watch III，开展了全球集合海浪预报试验并开展了初步检验。其研究表明，集合平均的预报水平要优于单一的确定性预报。由于中国在业务化预报领域起步较晚，与发达国家还存在较大差距，该方面研究有待加强。

结论

沿海的安全影响着众多人的生活，海洋灾害的预防预报研究越来越受到重视。灾害性海浪作为威胁沿海地区的重要因素，明确不同类型的灾害性海浪的作用机理、演化机制以及预报预警方法都将是长久科研任务中的重中之重。通过概述主要类型的灾害性海浪的研究概况，评述了灾害性海浪特性研究现状，并对海浪预报研究进行了展望，希望可以对灾害性海浪研究相关人员提供参考。

基金项目：国家自然科学基金项目（51579091，41106001）；江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师项目；海岸灾害及防护教育部重点实验室开放基金项目

（2016001）

参考文献（略）