4.4 灾害性海浪风险评估
灾害性海浪到了近海和岸边，对海岸的压力可达到30～50 k N/m2。有记载，巨浪曾把1370t重的混凝土块移动了10m，20t的重物也被它从4m深的海底抛到了岸上。海浪作用于海岸工程及海洋工程产生波浪荷载，会影响结构物稳定性，因此要对灾害性海浪进行风险评估。
按照国家海洋局的规划，应综合考虑海浪灾害风险的自然过程、成灾机制、海域功能及行政边界等特点，开展海浪灾害风险综合区划，主要分为六个步骤。
1）资料收集
根据风险评估和区划的级别，确定工作区域，调研工作区域及相邻区域内海浪灾害的基本情况，收集、整理海浪观测资料和基础地理信息资料。
开展海浪灾害危险评估所需收集的资料包括历史海浪观测资料、历史海浪实况分析资料、历史再分析风场资料、卫星测波资料、水深及岸线数据等，其中水深及岸线数据，比例尺不小于1∶（1×106）；沿岸海洋观测站、浮标、船舶报、卫星高度计等历史海浪及气象观测资料，用以对模拟结果进行检验和订正。资料中还应包括极端天气过程的浪高等信息。
2）方法校验
对于选择的数值模拟方法，应采用多源观测资料或再分析数据，对模拟结果进行验证和评估。检验应包括强海况下的检验及一般状态下的检验。
（1）构建再分析风场数据集。
基于中尺度大气模式，通过典型过程的对比检验，构建中国近海的再分析风场数据集，为海浪数值计算提供强迫场数据，其中构建的风场数据集的长度不少于30年，空间分辨率不低于0.5°×0.5°。在分析风场构建时，为了消除边界效应的影响，应采取中尺度模式与全球模式嵌套的方式，并考虑中国海自身的特点。
由美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）研发的WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式，其动力框架和计算方案比较完善，对于中尺度天气现象的模拟有着较大的优势。WRF模式采用完全可压缩非静力欧拉方程组，水平网格为Arakawa C网格，垂直坐标为基于质量的地形追随η坐标。它重点考虑1～10 km的水平网格，结合先进的数值方法和资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力。它能很好地适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要，并具有便于进一步加强完善的灵活性。
目前，WRF模式系统已成为改进从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征模拟和预报精度的工具，已在国内外气象部门的短期天气预报及同化模拟中得到了广泛应用。WRF中考虑的物理过程选项包括微物理过程、积云参数化、行星边界层、陆面模式、辐射和扩散等，每一过程又有多种选项。
WRF模型的控制方程为可压缩非静压通量形式的欧拉方程，水平方向采用Arakawa C网格，垂直方向采用地形跟随的静压坐标，地形追随的静压垂直坐标η定义为
式中，p h为气压的静力平衡分量；μ=p hs-p ht，p hs和p ht分别为模型底边界（地形表面）和顶边界的气压。
通量形式的欧拉方程组可写成如下形式：
方程组满足静力平衡的诊断关系式（4-8）和气体状态方程式（4-9）：
其中，V=μv=μ（u，v，w），μ（x，y）代表模型格点（x，y）处单位面积空气柱的质量；Θ=μθ，θ为位温；φ=gz为位势；p为大气压强；α=1/ρ为空气比容；R d为干空气气体常数；p 0为参考压强（通常取为105 Pa）；γ=c p/c v=1.4，为干空气定压比热和定容比热之比。式（4-2）～式（4-5）等式右侧的FU、FV、FW和FΘ分别为由模型物理、紊流掺混、球面投影及地球旋转等产生的力源项。
时间积分采用Runge-Kutta时间分裂积分。近年来，WRF模型广泛应用于预测台风期间的大气参数，在对风速强度和台风路径的预测上都体现了其良好的预测能力。
在进行模型验证优化和改进过程中，开展侧边界和底边界选取敏感性试验、侧边界双向嵌套试验、物理过程参数化方案的选取和优化试验、并行计算方案的选取和优化试验、模式下垫面的边界层优化方案试验，最终确定适用于中国近海的风场重构方案。基于多源观测资料和再分析数据，对模拟结果进行验证和评估。检验应包括强冷空气和台风等典型天气系统过程的检验及一般状态下的检验。误差要求：风速大于等于8 m/s以上的，后报误差不大于3 m/s，风向误差不大于30°；输出要素为海面上10 m高度处的风速、风向；输出时间间隔为1 h。
（2）构建历史海浪场数据集。
以再分析风场为驱动，基于成熟的海浪数值模型，重建中国近海的历史海浪场数据集，构建的海浪场数据集的长度不少于30年，空间分辨率不低于0.5°×0.5°。
①模式选择。海浪推算采用的海浪模式主要是谱模式，它基于能量守恒原理的能量平衡方程的波浪谱模型。近年来，以第三代风浪为代表的波浪生成与演化的方向谱计算模型越来越多地在工程中得到应用。SWAN模式全面合理地考虑了波浪浅化、折射、底摩擦、破碎、白浪、风能输入等物理过程，可准确合理地模拟潮流、地形、风场环境下的波浪场，适用于风浪、涌浪和混合浪的预报。SWAN不仅能合理预报计算域中波高的变化规律，同时能合理预报计算域中波周期、波长、波陡、波浪行进方向、近底水质点的运动速度、波能传播方向、能量耗散率及单位水面所受波力等海岸工程所需要的重要的参数。由于应用了近年来最新研究成果，合理计入浅水波浪破碎效应，和其他模式相比，该模式尤其对破波带适用。SWAN模式采用全隐式有限差分格式，无条件稳定。近几年发展起来的非结构网格版本，为近海近岸精细化海浪预报的进一步开展提供了技术支持。
SWAN模型采用波作用谱平衡方程描述风浪生成及其在近岸区的演化过程。在直角坐标系中，波作用谱平衡方程可表示为
式中 σ——波浪的相对频率（在随水流运动的坐标系中观测到的频率）；
θ——波向（各谱分量中垂直于波峰线的方向）；
C x、Cy——x、y方向的波浪传播速度；
Cσ、Cθ——σ、θ空间的波浪传播速度。
式（4-10）左端第一项表示波作用谱密度随时间的变化率，第二项和第三项分别表示波作用谱密度在地理坐标空间中传播时的变化，第四项表示由于水深变化和潮流引起的波作用谱密度在相对频率σ空间的变化，第五项表示波作用谱密度在谱分布方向θ空间的传播（即由水深变化和潮流引起的折射）。右端S（σ，θ）是以波作用谱密度表示的源项，包括风能输入、波与波之间的非线性相互作用和由于底摩擦、白浪、水深变浅引起的波浪破碎等导致的能量耗散，并假设各项可以线性叠加。式（4-10）中的波浪传播速度均采用线性波理论计算。
式中 
=（k x，k y）——波数；
d——水深；
=（U x，U y）——流速；
s——沿θ方向的空间坐标；
m——垂直于s的坐标；
通过数值求解式（4-10）可以得到风浪从生成、成长直至风后衰减的全过程，也可以描述在给定恒定边界波浪时，波浪在近岸区的折射和浅水的变形。
②参数比选和优化。分别选取强冷空气和台风等典型天气系统，进行海浪过程数值模拟，开展关键物理过程的参数比选试验，通过参数优化确定适合于我国近海的参数化方案。开展初始条件、边界条件的敏感性试验，最终建立适合于我国近海的海浪数值后报系统。
③系统检验。为了能够准确模拟真实的海浪场，需要把模拟结果和实测数据进行对比，并通过进一步调整模式参数，如底摩擦、波浪破碎指标等，使模拟结果与实测数据的偏差控制在可接受的范围内。检验要求分别开展强冷空气和台风等典型天气系统下强海况的后报检验及一般海况下的检验。误差要求：有效波高大于2 m以上的，相对误差不高于25%；有效波高小于2 m的，绝对误差不高于0.8 m。
④数据输出要求。输出要素为有效波波高、浪向和周期；输出时间间隔为1 h。
3）风险评估
选择开展典型重现期（如2年、5年、10年、20年、50年及100年一遇等）年平均频率、月平均频率、海浪玫瑰图的风险评估工作。
（1）海浪典型重现期计算。
基于中国近海的海浪历史数据集，统计确定每个格点上海浪要素的年极值序列，然后分别用PearsonⅢ型或Weibull分布极值推算方法计算确定每个格点上典型重现期的有效波波高，其中重现期分别考虑2年、5年、10年、20年、50年、100年一遇的情况。根据重现期浪高计算结果，绘制我国近海分辨率为0.5°×0.5°典型重现期的浪高等值线分布图。
（2）海浪灾害危险性评估。
基于海浪历史资料，分别计算每个格点上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级浪高（表4-7）的年平均出现次数。海浪灾害危险指标H w如下计算：
其中，N 1、N 2、N 3、N 4分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级浪高的年平均出现次数。
表4-7 近海海浪强度等级划分标准
4）风险区划
依据风险评估结果，确定不同尺度风险区划空间单元，对风险评估结果进行空间综合及大小分级。
海浪灾害危险分为四级，根据式（4-15）计算每个格点的海浪灾害危险指标H w，并将其进行归一化处理，归一化后的危险指数表示为H wn，确定每个格点上的海浪灾害危险等级。基于GIS系统，制作完成我国近海海域的海浪灾害危险区划图，分辨率为0.5°×0.5°。
归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的数值经过变换，化为无量纲的数值，成为某种相对值关系，是缩小量值的有效办法。
采用线性归一化函数，转换公式如下：
其中，x、y分别为转换前、后的值；Max Value、Min Value分别为样本的最大值和最小值。
表4-8 海浪灾害危险等级划分标准
5）成果制图
选择开展典型重现期年平均频率、月平均频率、海浪玫瑰图等风险评估和区划成果制图。其中图集包括：
（1）我国近海不同重现期的浪高分布图。
（2）我国近海四级浪高的年平均频率分布图。
（3）我国近海四级浪高的月平均频率分布图。
（4）我国近海各级浪高出现频率的饼状分布图。
（5）我国近海海浪玫瑰图。
（6）我国近海海浪灾害危险区划图。
6）报告编制
编制海浪灾害风险评估和区划报告。