1、第 35 卷第 1 期 极地研究 Vol.35,No.1 2023 年 3 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH March 2023 收稿日期 2022 年 9 月收到来稿,2022 年 10 月收到修改稿 基金项目 极地考察业务化与科研项目(921117311)资助 作者简介 曹磊,男,1987 年生。硕士,工程师,主要从事极地信息化建设、海洋数据挖掘分析。E-mail: 通信作者 赵龙飞,E-mail: 面向海洋科考调查的南极宇航员海海浪风险分析 曹磊1,2 王子珂1,2 孟繁超1,2 郭灿文1,2 赵龙飞1,2(1国家海洋信息中心,天津 300171;
2、2自然资源部海洋信息技术创新中心,天津 300171)摘要 海浪风险分析是保障海洋科考调查活动安全的重要手段,现行海浪风险研究主要是面向沿海地区的海洋工程,利用波浪极值统计分析技术推算重现期,而海洋科考调查与海洋工程的波浪适应性区别较大,故现有极值方法不适用于海洋科考调查活动。本文提出了一种面向海洋科考调查的海浪风险分析方法,综合考虑了海浪事件危险性和海洋科考调查脆弱性,构建多级海浪事件危险性评价指标体系,研究海洋科考调查作业脆弱性分析方法,构建海浪综合风险评估模型,绘制形成海浪风险等级区划。该方法在南大洋宇航员海及其附近海域进行了应用验证,提出的模型方法可以有效地评估海浪风险,能为海洋科考调
3、查站位设计、作业窗口期规划、航线规划等工作提供有效支撑。关键词 海浪 风险分析 海洋科考调查 南极 宇航员海 doi:10.13679/j.jdyj.20220420 0 引言 近些年,随着海洋战略地位的不断提升,海洋科学技术快速发展,海洋资源勘查、海洋环境调查范围也从近海拓展到全球大洋和两极地区,随之而来的是海洋科考调查作业的复杂性、风险性不断增加,与其他海洋环境因素相比,海浪对科考调查影响较大。海浪风险评估是提高科考活动安全性和经济性的有效手段,一般来说,为了获取准确的测量数据,以及保证人员和仪器设备的安全,应提前开展海浪风险评估工作,合理规划调查站位和作业窗口期,制定最优航线和作业计划以
4、保障船舶航行安全可靠和科考活动安全高效。鉴于海浪事件可能带来的经济损失和活动影响,许多学者开展了海浪风险评估研究工作。申友利等1结合广西北海港石步岭港区海岸防御工程项目,将第 3 代海浪数学模型 SWAN 模型推算得到的波浪要素理论极大值与设计值进行对比,对海浪引起的风险进行评估,得到现有码头及防护工程岸段的风险情况;李雪等2、尹超3利用泊松-对数正态分布、P-型分布等极值统计模型,推算山东、海南沿海多年一遇的台风浪波高分布,为沿海省市的防灾减灾和海洋工程设计提供参考依据;Rangel-Buitrago 等4基于过去 30 年哥伦比亚加勒比海沿岸地区的 409 次极端海浪事件历史资料,从沿海地
5、区的海岸侵蚀、社会经济、生态环境、文化遗产等方面,对极端海浪事件影响进行了综合评估,并绘制了海岸线的风险等级图。谢欣等5建立了近海海浪危险性等级划分标准,提出了基于波高和周期双指标的近海海域海浪危险性分析方法。另外在海洋科考调查风险研究方面,孙雅哲和李守宏6明确海况条件对调查设备 第 1 期 曹磊等:面向海洋科考调查的南极宇航员海海浪风险分析 73 影响的重要性,通过提炼风险因子进行风险评价,但其以定性分析为主,缺乏定量数据支撑;在南大洋海浪研究方面,Babanin 等7认为南大洋是全球认知研究最少的区域,缺乏现场观测,更多采用数值模拟、遥感等方式进行海浪研究,秦听等8基于ECMWF 再分析数
6、据,统计分析了南极阿蒙森海域海况特征。从前人的研究成果可看出,目前海浪数据来源包括现场观测、遥感观测及数值模拟等方式,对于地理位置偏远的地区,遥感观测及数值模拟具有明显优势;海浪风险评估的研究方法主要是利用波浪极值分布理论推算多年一遇重现期极值,影响主体大都为沿海地区的海洋工程,而海洋科考调查有别于海洋工程,极端海浪固然有一定危害性,普通海浪也会对调查作业产生一定影响,故极值分布理论不适用于本文的海浪风险评估研究工作;另外,不同主体能承受的海浪程度不同,主体的脆弱性直接影响海浪风险评估结果,现有研究仅考虑了海浪自身属性,如波高、周期等,缺乏受海浪影响的主体属性指标分析。本文提出了一种面向海洋科
7、考调查的海浪风险评估方法,综合考虑了海浪事件危险性和海洋科考调查脆弱性,从海浪强度、发生频次、持续时间 3 个方面构建形成多级海浪事件危险性评价指标体系,计算得到多级海浪危险性指数;研究海洋科考调查作业脆弱性分析方法,获得科考调查作业脆弱性指数;构建海浪综合风险评估模型,得到最终的海浪风险等级区划,可为海洋科考调查站位设计、作业窗口期规划、航线规划等业务提供有效支撑。1 面向海洋科考调查的海浪风险分析方法 1.1 总体框架 如图 1 所示,本文的海浪风险分析方法首先基于波浪再分析格网数据集,将海浪事件分为多个等级,并将海浪强度、发生频次和持续时间定义为海浪事件危险性指标因素集,利用概率统计方法
8、计算得到危险性指数矩阵;同时根据海上科考调查作业安全规则的海浪适应条件,按照其受海浪影响程度,对海洋科考调查作业脆弱性进行等级划分,并对调查作业脆弱性赋值,获得脆弱性指数矩阵,建立海浪综合风险评估模型,计算海浪综合风险指数,获得风险等级区划图。图 1 海浪风险分析技术路线图 Fig.1.Technology roadmap of wave risk analysis 1.2 多级海浪事件及参数定义 参照我国极地大洋科考调查作业安全要求,根据海浪的有效波高(Hs)大小,将海浪事件定义为 4 个等级,形成多级海浪事件(图 2)。从 L1 级至 L4 级,有效波高依次减小,海浪强度依次减弱。不同等级
9、的海浪事件对海洋科考调查作业影响程度不同,等级越高,影响程度越大。各等级海浪事件属性包括海浪强度、持续时间和发生频次3 个物理参数,也是影响海洋科考调查的重要指标,各参数意义说明如下。海浪发生频次是指在 1 个周期 m 内,各等级的海浪事件发生的次数,图 2 中“频次”及其数值表示第 1 个月中 L2 级事件发生的次数为 2 次。海浪持续时间是指在 1 个周期 m 内,各等级的海浪事件发生的持续时间,图 2 中“持续时间”及其数值表示第 1 个月中 L3 级事件发生的持续时间为 t 小时。74 极地研究 第 35 卷 图 2 多级海浪事件及参数定义 Fig.2.Multilevel wave
10、events and parameter definitions 海浪强度是指在 1 个周期 m 内,各等级的海浪事件的有效波高的平均值。1.3 多级海浪事件危险性分析 多级海浪事件危险性是指各级海浪事件对海域内人或物造成损害或影响的可能性大小,海浪事件等级越高,危险性越大。参考许富祥和余宙文9提出的波浪统计特征,结合极地海洋调查实际情况,将海浪事件的强度、发生频次和持续时间作为海浪事件危险性判断的主要标准,采用数据统计方法估计和评价各级海浪事件的危险性和规律性。1.3.1 建立海浪危险性指标因素集 从海浪事件的强度、发生频次和持续时间 3个方面,结合多年月平均的统计方法,对各等级海浪事件分别
11、建立危险性指标因素集 Ui=多年月平均海浪强度 Si,多年月平均发生频次 Ni,多年月平均持续时间 Ti,其中 i 表示海浪事件等级。海浪危险性指标因素集如表 1 所示。表 1 多级海浪危险性指标因素集 Table 1.Multilevel wave hazard index factor set 事件等级 多年月平均发生频次 多年月平均持续时间 多年月平均海浪强度L1级海浪事件U1 N1 T1 S1 L2级海浪事件U2 N2 T2 S2 L3级海浪事件U3 N3 T3 S3 L4级海浪事件U4 N4 T4 S4 1.3.2 指标因素数值计算 基于长时间序列的历史海浪网格数据,网格点排 p(x
12、,y)的海浪事件多年月平均发生频次 N、多年月平均持续时间 T 和多年月平均海浪强度 S分别由以下公式求得:1(,)(,)()Tiit TN x yN x y t TtTm=(1)121121(,)(,)(,)()TiiitTT x yT x y tT x y tttTm=-(2)(,)1(,)(,)Tit TSx y tiiS x yN x ym=|(3)上述公式中:(,)iN x y代表在m个月周期内,经纬度坐标(x,y)的位置点p,第i级海浪事件月平均发生频次;(,)iT x y代表在m个月周期内,经纬度坐标(x,y)的位置点p,第i级海浪事件月平均持续时间;(,)iS x y代表在m个
13、月周期内,经纬度坐标(x,y)的位置点p,第i级海浪事件月平均有效波高。1.3.3 海浪事件权重计算 采用德尔菲专家调查法,从海浪事件4个等级方面设计调查问卷,邀请极地大洋科考调查、观测/监测仪器设计等领域专家,凭借业务经验对海浪事件影响的相对重要性给出定量表示,两两事件比较打分,在赋值时采用“19标度法”。经多轮函询和共同研讨,最后获得具有较高准确率的集体判断。基于专家打分结果和层次分析法,构造层次中的判断矩阵,将各级事件的相对重要性进行比较,计算得到最大特征值max=4.0078。通过式(4)和式(5)检验判断矩阵的一致性指标CI和一致性比率CR:max1nCIn-=-(4)CICRRI=
14、(5)式(4)中,n为指标个数;式(5)中,当CR0.1时,就认为判断矩阵具有令人满意的一致性。根据上式计算得到一致性指标CI=0.0026,查表得RI=0.89,随机一致性比率CR=0.0030.1,通过一致性检验。最后,对最大特征值对应的特征向量进行归一化即可得到权重向量 w=0.53 0.26 0.14 0.07T。权重计算结果表明,L1级海浪事件影响因素最重要,L2级、L3级海浪事件次之,L4级海浪事件影响因素非常小。第 1 期 曹磊等:面向海洋科考调查的南极宇航员海海浪风险分析 75 1.3.4 海浪事件危险性指数矩阵计算 对多级海浪事件进行危险性评价分析,由以下公式计算得到网格点p
15、(x,y)海浪危险性指数矩阵:T1111222233334444(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)S x yN x yT x ySx yNx yT x ySx yNx yT x ySx yNx yT x y|=|(,)hazard x y(6)式(6)中,(,)hazard x y 为14阶海浪危险指数矩阵,i为第i级海浪事件的权重系数,Si为第i级海浪事件的海浪强度因素统计值,Ni为第i级海浪事件的发生频数因素统计值,Ti为第i级海浪事件的持续时间因素统计值。1.4 海洋科考调查作业脆弱性分析 脆弱性是有害事件危险性作用的下垫面,反映了承载体对有害事件的
16、承受能力。联合国相关机构将承载体脆弱性定义为在给定地区由于潜在损害现象可能造成的损失程度10。结合上述脆弱性的定义和观点,海洋科考调查脆弱性可理解为“由海洋科考调查作业本身特性决定在遭受海浪事件后受到影响的程度”,反映了调查作业自身抗击海浪的能力。1.4.1 海洋科考调查作业海浪适应条件定义 本文以海洋科考调查作业中的CTD采水样、底质取样、生物采样等作业方式为研究对象和评估单元,根据安全作业标准和仪器设备技术指标,将各类科考调查作业的海浪适应条件定义为集合C:C=C1,C2,C3Ci (7)式(7)中Ci表示第i类海洋科考调查作业的海浪适应条件阈值。1.4.2 海洋科考调查作业脆弱性等级划分 参照 海洋灾害风险评估和区划技术导则 第 1 部分:风暴潮(HY/T 02732019)脆弱性分级赋值原则,建立海洋科考调查脆弱性等级划分方法(表2),根据调查作业脆弱性判断标准,对调查作业脆弱性进行定级并量化赋值,分值越高,脆弱性越高。表 2 海洋科考调查作业的脆弱性等级划分表 Table 2.Classification of vulnerability level of marine sc
