基于独立样本的设计波高推算及其应用

极值样本的选取和分布模型的确定是设计波高推算中的两个关键环节。使用阈值法选取波高过阈样本作为极值样本时,常用标准风暴长度法对超出量序列进行“去聚类”处理,以使样本符合独立性标准。然而标准风暴长度法中的标准风暴长度需要人为选择,增加了取样结果的不确定性。本文提出了一种自动的标准风暴长度估计方法,并基于该方法选取了粤西海域的波高过阈样本。波高过阈样本具有尖峰、厚尾的统计特征,为了更准确地拟合该样本,本文基于组合模型原理构建了一种新的分布模型——Gumbel-Pareto分布模型,并用该模型进行了粤西海域的设计波高推算,结果表明Gumbel-Pareto分布对波高过阈样本的拟合优度比Gumbel分布和广义Pareto分布更高,可以为大型海洋工程设计波高的确定提供参考。     

钦州湾台风浪的多年一遇极值推算

利用WAVEWATCH Ⅲ(WW3)和SWAN海浪模式模拟了1949—2005年间对钦州湾海域影响较大的台风浪.以模拟结果为基础,利用皮尔逊Ⅲ(P-Ⅲ)频率适线法推算了钦州湾湾外深水的累积频率波高和平均波周期(Tm)的多年一遇极值,同时模拟了其间在百年一遇高潮水位条件下的台风浪,以及在百年一遇高潮水位、百年一遇风暴潮增水共同作用下对钦州湾影响较大的台风产生的波浪场.使用P-Ⅲ法推算了在极端天气下,钦州湾湾内统计点的累积波高和平均波周期的多年一遇极值.研究结果表明,由于湾内浅滩较多,波浪在传播过程中水体底部摩擦使能量耗损明显,所以湾内波高较小,湾口处的波高大于内湾处的波高.近岸海区的波浪耗散、破碎等物理过程比较强烈,因此近岸统计点C1处的波高极值最小,其最大波高向岸边快速减弱并沿东向传播.在极端天气情况下,波浪在传播过程中发生破碎,波高衰减显著.     

耿贝尔逻辑模型在极值风速和有效波高联合概率分布中的应用

首先介绍了耿贝尔逻辑模型，采用该模型对南海海域的涠州岛海洋站的风速和有效波高实测数据进行了分析，结果表明耿贝尔逻辑模型较好地描述了年极值风速和有效波高两随机变量的联合分布；采用得到的极值风浪联合概率分布推算了不同重现期的极值风速和波高，表明考虑风速和波高相关性对设计荷载的确定有显著影响。由于耿贝尔逻辑模型具有函数结构简单，参数估计方便，因此有望成为极值风速和波高联合分布的较理想概率模型。     

海洋工程设计风速与波高的联合分布

选取我国渤海某处21a的风暴过程后报资料,考虑风暴发生频次的影响,提出泊松二维逻辑分布,并且将其用于海洋石油工程设计中极值风速与波高的联合概率计算,给出了计算海域的风浪设计参数,并与传统的设计标准进行了比较.计算结果表明,新的统计模式适用于受风暴影响海区的海洋工程结构设计,特别是边际油田的开发建设.     

湛江周边区域台风风速的长期极值预测

对湛江附近海域1974年至2006年33年的热带气旋过程观测资料进行统计分析.考虑到热带气旋发生频次的影响,建立Poisson-Weibull复合极值分布,对影响湛江地区的台风风速进行长期极值预测,推算出湛江周边区域的多年一遇设计风速,并与传统设计方法进行比较.计算结果表明,复合极值统计模式计算结果较稳定,该方法适用于受热带气旋影响区域的极值风速的长期统计分析.     

基于广义极值分布的设计波高推算

简介了广义极值分布函数及其3种参数估计方法,包括极大似然(ML)、线性矩(LM)和间隔最大积(MPS)估计的计算方法。使用广义极值分布函数推算了北部湾涠洲岛海域3个波向的年波高极值序列设计波高,并与Weibull分布、Gumbel分布和皮尔逊Ⅲ型分布的推算结果加以对比。分析表明,涠洲岛海域极值波高服从于广义极值Ⅲ型分布,拟合优度检验结果表明广义极值分布能更好地拟合极值波高;MPS方法是一种优良的参数估计法,推算的设计波高可作为海岸环境工程设计的首要参考值。     

渤、黄海天文潮—风暴潮相互作用及其对极值水位的贡献

基于Delft3D模型建立了中国渤、黄海风暴潮数值模型,选取1979—2020年影响该海域的93场风暴过程（包括台风、寒潮和温带气旋）,模拟了所产生的风暴增水和风暴潮总水位。采用泊松—皮尔逊复合极值分布理论,推算了渤、黄海对应不同重现期的极值水位;通过数值试验,对天文潮—风暴潮非线性相互作用对极值水位的贡献进行了量化分析。研究结果表明,渤海的莱州湾、渤海湾,以及黄海的江华湾、西朝鲜湾风暴增水最大,其中江华湾北侧和渤海湾西南侧的百年一遇风暴增水可达4 m;天文潮—风暴潮非线性相互作用在潮差较大、水深较浅的河口、湾顶区域更为显著,与耦合模型结果相比,非线性作用使极值水位值偏小,天文潮、风暴潮增水的线性叠加可显著高估极值水位,高估的幅值可达0.5~0.8 m。考虑重现期极值水位是海岸灾害防护工程的关键设计参数之一,对海岸构筑物的安全和建造成本影响极大,应重视天文潮—风暴潮非线性相互作用对重现期水位的影响。     

1979—2018年长江口及邻近海域风速和波高的分布特征与变化趋势

本文基于欧洲中期天气预报中心 （ECMWF） 的 ERA5 与 ERA-Interim 再分析资料,提取长江口及其邻近海域1979— 2018 年间共 40 年的风场和海浪场数据,探讨该海域风浪和波高的时空变化特征,EOF 经验正交函数分解法分析结果显示风速与波高的数值在外海普遍高于近岸,且符合长江口所在东海海域受盛行东亚季风影响的特征。Mann-Kendall 检验法分析结果显示,在 1979—2018 年间该海域海表面年均风速呈增长趋势,平均增长速率为 0.228 cm/（s·a）,累计增长 1.6 %;年均有效波高呈增长趋势,平均增长速率为 0.120 cm/a,累计增长 5.4 %;年风速和波高的极端值也呈不同程度的增长趋势。     

海洋重现期波高统一化计算方法

重现期波高是港口海岸及海洋工程设计中不可回避的一个重要设计参数,尤其对深水海港、海上平台、海底油气管道、沿海核电站等重大涉海工程设计具有巨大的经济价值和深远的社会效益。但是,现有重现期波高推算缺乏统一的计算方法,导致计算结果相差悬殊。研究重现期波高的统一化计算方法,分析重现期波高计算中存在的各种不确定因素,提出减少这些不确定因素的新方法,建立误差小、应用方便、方法统一的重现期波高计算方法。基于澳大利亚悉尼站的长期连续观测波浪数据,研究发现:广义帕累托函数(generalized Pareto distribution III,GPD-III)和威布尔(Weibull)是重现期波高计算的最佳候选极值分布函数,新推导的函数形状参数计算公式较好提高重现期波高的计算精度,极值波高数据的分析方法和样本大小是影响重现期波高计算精确度的两个重要因素,短期波浪资料和年极值法可能高估重现期波高值。逐个风暴的极值波高数据分析法及最佳候选极值分布函数GPD-III和Weibull建议应用于涉海工程设计的重现期波高推算。     

中石化广西液化天然气项目灾害性海浪特征参数数值推算

以近30aWRF再分析风场作为驱动,利用SWAN数值模式对中石化广西液化天然气(LNG)项目海域的灾害性海浪特征参数进行数值模拟,并与设计波浪要素进行对比。通过模拟结果与T/P高度计波浪资料、浮标及海洋站观测资料的对比验证,表明波浪模拟结果较好。项目外海海域有效波高极值集中在E～SE向,强浪向为SE(SSE)向。项目工程本身主要受到SSE、S和SSW向波浪的影响,其中S向影响最大。项目海域100a一遇极端高潮位和设计高潮位下SSE向波高的评估值均大于设计值,除极端高潮位下有效波高外SW向的评估值与设计值相当,其他方向波高的评估值低于设计值。     

考虑海平面上升影响的极值水位计算

本研究基于非平稳序列极值理论,定量分析极端水位事件年超越概率受海平面上升的影响;以工程设计使用年限内极端水位发生概率作为控制条件,构建考虑海平面上升的极值水位计算方法;结合平均海平面的长期变化过程,推算海平面上升下的极值水位。基于全球10个验潮站历史水位观测资料,验证历史平均海平面长期变化与高、低水位耿贝尔分布位置参数变化的一致性以及构建方法的合理性。结合政府间气候变化专门委员会对海平面上升的预测,推算和对比分析不同海平面上升情景下的极值水位,并评估相应极值水位在当前极值分布中的重现期。     

TOPEX卫星高度计有效波高数据分析与极值统计预报

利用 TOPEX卫星高度计测量的有效波高资料 ,对中国近海 9个海域进行卫星高度计的 C,Ku两波段测量值的比较分析与处理 ,得出合理的有效波高数值。利用三参数 Weibull分布 ,以渤海海域、上海附近海域和南海东部海域作为特定区进行有效波高的极值统计预报 ,并进行了统计分析     

“海上丝绸之路”的恶劣环境及应对——极值风速和波高

海洋环境不仅决定着工程及人员的安全,也决定着工程建设的效率和经济收益。由此,在海上丝路建设过程中,需要重视海洋环境对经济建设、岛礁建设和战略通道安全的影响,以达到更好更快地建设海上丝路。文章利用ERA-interim阵风资料、ERA-interim海浪再分析资料,采用Gumbel曲线法推算了海上丝路0.25°×0.25°逐网格点上的50年一遇极值风速、极值波高。另外,还计算了某边远海岛的1年一遇、2年一遇、10年一遇……1 000年一遇的极值风速、极值波高。期望可以为海上丝路建设提供参考。     

1988—2009年中国海波候、风候统计分析

利用高精度、高时空分辨率、长时间序列的CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场,驱动国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),得到中国海1988年1月～2009年12月的海浪场。对中国海的波候(风候)进行精细化的统计分析,分析了海表风场和浪场的季节特征、极值风速与极值波高、风力等级频率和浪级频率、海表风速和波高的逐年变化趋势,结果显示:(1)中国海的海浪场与海表风场具有较好的一致性,尤其是在DJF(December,January,February)期间;海表风速和波高在MAM(March,April,May)期间为全年最低,在DJF期间达到全年最大;MAM和JJA(June,July,August)期间,中国海大部分海域的波周期在3～5.5s,SON(September,October,November)和DJF期间为4.5～6.5s。(2)中国海极值风速、极值波高的大值区分布于渤海中部海域、琉球群岛附近海域和台湾以东广阔洋面、台湾海峡、东沙群岛附近海域、北部湾海域、中沙群岛南部海域。(3)吕宋海峡在MAM、SON、DJF期间均为6级以上大风和4m以上大浪的相对高频海域,JJA期间,6级以上大风的高频海域位于中国南半岛东南部海域,4m以上大浪主要出现在10°N以北。(4)在近22a期间,中国海大部分海域的海表风速、有效波高呈显著性逐年线性递增趋势,风速递增趋势约0.06～0.15m.s-1.a-1,波高递增趋势约0.005～0.03m.a-1。     

欧洲北海海域波高区间分布概率研究

为了研究欧洲北海海域的波高全区域概率分布情况,从而为海洋平台等海洋浮式结构物的选址和结构设计提供依据。首先基于Global Waves Statistics(GWS)提供的实测数据,确定典型计算工况的发生概率;同时考虑实测数据中极端波浪环境下的数据缺失导致大波高分布概率偏小的问题,利用三参数Weibull分布确定不同重现期下的极值风速,作为典型计算工况的补充。以不同风速、风向的定常风场为输入项,利用第三代海浪数值模型SWAN模型,对北海全区域波高进行数值模拟。将数值模拟的稳态形式依照各工况的发生概率进行归一化累加处理,认为其结果可以表征全区域的波高概率分布情况。以波高概率分布的计算结果为依据,分析北海海域波浪环境的统计学特征,发现有效波高为7 m以上的大波高频发区在北海北部区域有大范围分布;有效波高4～5 m为北海东北区域的多发海况,极端海况下的有效波高主要分布于7～14 m区间,在地形突变区域的波高发生显著变化。     

潍坊沿海波浪和风暴潮特征研究

本文首先利用高精度海面风场,基于潍坊近岸的水深地形数据,运行SWAN海浪模式得到了-15m等深线3个特征点的波浪参数,利用P-Ⅲ型极值分布推算得到了潍坊外海点不同方位波浪要素的重现期;分析了潍坊近海平均的4个季节的有效波高、波向及平均周期的分布特征。基于ADCIRC水动力模式,对1994-2013年连续20年的风暴过程进行模拟分析,得到每个风暴过程最大水位以及最大风暴增水,并分别用GUMBEL方法和P-III方法推算了不同重现期的水位和风暴增水。本文可以为潍坊沿海波浪和风暴潮特征研究提供参考,为海洋工程建设以及海岸建筑设计等提供科学依据。     

基于二元Gumbel-Logistic模型的石岛湾海区异常水位研究

本文利用石岛湾海洋站实测的连续20年的波高和风暴潮增水的数据资料,计算取得异常水位资料,以二元Gumbel-Logsitic分布模型为基础,考虑波高和增水的相关性,运用联合概率法,推算石岛地区多年一遇设计异常水位组合,并与均取极值方法的结果作对比。结果显示,石岛地区应采用以波高为主的同时性资料为主要分析资料,本文的方法更加接近实际情况,使用方便,结果可靠。     

极值分布的推算方法及其在黄河口海区的应用

本文介绍了以两种不同类型的样本求取多年一遇极值的推算方法。第一种类型是用长期资料的年极值为样本,分别依耿贝尔极值分市(矩法估算参数和最小二乘法估算参数)、第一极值分布、皮尔逊Ⅲ型分布,推算了多年一遇的风暴增水和水位;对所有这些分布的推算结果,用柯尔莫哥洛夫方法进行了测适度检验,给出了95%的可信度。第二种类型用短期连续资料力样本,以三个月的实测水位资料用Weibull分布推算了不同重现期的水位。用两种类型推算的结果是相同的。     

基于ERA5再分析数据的中国邻近海域极端波高特征分析

极端波浪对沿海地区基础设施有着深远的影响,了解它们的变化规律是进行海岸带风险分析和灾害预防的基础。文章基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting,ECMWF)第五代再分析数据集(ECMWF reanalysis v5,ERA5),对中国邻近海域1979~2018年间极端波高展开时空特征分析,并统计了40 a厄尔尼诺系数,利用广义极值分布(generalized extreme value,GEV)函数探究了近40 a厄尔尼诺现象对我国海域极端波高的影响,结果显示:统计1979~2018年整个研究区域前2%极端波浪年均值在6~10 m间浮动,且整体趋势递增,在四季趋势变化中,春夏极端波高增长趋势较秋冬高,且波动明显,在年际极端波高变化趋势中有较大波动时大多伴随着厄尔尼诺或是拉尼娜现象的发生,结合厄尔尼诺现象对GEV分布中位置参数的影响分布图和极端波高年、季节际趋势变化分布图,厄尔尼诺现象影响大的地区极端波高大多呈现增长趋势,表明厄尔尼诺现象对极端波高有较高影响。     

经略２１世纪海上丝路之海洋环境特征：极值风速和极值波高

极值风速和极值波高是海洋工程、海洋能开发、防灾减灾等极为关注要素。文章基于来自欧洲中期天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）的ＥＲＡ－ｉｎｔｅｒｉｍ 海浪再分析资料、ＥＲＡ 阵风资料,计算了“２１世纪海上丝绸之路”涉及海域的年极值风速、极值波高,并首次计算了不同季节的极值。结果表明：①南海的５０年一遇年极值风速大于孟加拉湾,孟加拉湾大于阿拉伯海;极值波高的分布特征与极值风速大体一致。②南海的极值风速在各个季节都大于孟加拉湾,孟加拉湾大于阿拉伯海;南海－ 北印度洋的极值风速在ＪＪＡ 和ＳＯＮ 期间明显大于ＭＡＭ 期间,ＤＪＦ期间最小。③南海各个季节的极值波高都大于北印度洋,阿拉伯海的极值波高在ＭＡＭ和ＪＪＡ 期间明显大于孟加拉湾;南海的极值波高在ＪＪＡ 和ＳＯＮ 期间明显大于ＭＡＭ 和ＤＪＦ期间;北印度洋的极值波高在ＪＪＡ 期间最大,ＭＡＭ 次之,ＤＪＦ最小。