推估季節風波浪之參數與統計特性

第二章 推估季節風波浪之參數與統計特性

2-1 資料來源

本文的實測波浪及風速資料由交通部運輸研究所港灣技術研究 中心所提供。港灣技術研究中心於淡水河口南岸水深 15 米處打設海 上觀測樁，其位置為 25°10’44”N，121°22’41”E，如圖 2-1 所示。測 量波浪的儀器位於觀測樁水深 5 米處，測量儀器為 Inter Ocean 公司 之 S-4ADW 潮波流儀，此儀器可同時觀測潮位、海流、波浪以及波 向。測量風速的儀器，為安裝於觀測樁上離平均海平高 15 米處，

Young Brand 之測風儀觀測風速及風向。

圖 2-1 測站地理位置圖

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另外 報中心

(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)與國家大氣研究 enters for Atmospheric Research，NCAR)。兩單位在 1989 年開始合作發展氣候資料再分析計畫(NCEP/NCAR Reanalysis Project)，此計畫之目標為利用自 1948 年起之舊有氣候觀測資料重新

進行分析，並發展一氣候資料同化系统 ilation

system，CDAS)以分析大氣情況 此系統納入了許多不同類型之觀測 資料結果 括地面觀測、船艦觀測、飛機觀測、無線電探空觀測、

衛星觀測等，再經過數據品管(QC)步驟，集合成為此氣候資料同化系 系統分析資料進行真實氣象預報。

NCEP/NCAR Reanalysis Project提供資料自 1948 年迄今，資料時 距包含每日 6 小時、 影響波浪的參數。根據 SPM(Shore protection manual，1978)風浪成長 之經驗公式，顯示示性波高與風速、風域(Fetch)及延時(Duration)有關，

Donelan(1980)提出風向與主波向修正的公式。由此結果說明影響示性 波浪的參數有：

（1）風速(U)

風對波浪的形成極為重要，根據英國海軍上將蒲福(Admiral Sir rancis Beaufort)於 1805 年所訂定的蒲福風級(Beaufort Scale)，在 1838 年採用時蒲福風級僅有十二級，目前已延伸至十八級(包括 0 級)。蒲

，本文採用的 NCEP 風場資料係由美國國家環境預

中心(National C

(Climate data assim

。

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福風級表主要列出風速與其對應波高大小，得知波高與風速成正相關。

當風速越大時，則波高則越大，此法廣泛應用於氣象及航海界。

而為求更高精度的波浪推算，Sverdrup 和 Munk (1942～1947)將 波浪大小與風速、吹送距離作定量關係分析，這種方法是導入統計概 念來描述隨機海面波浪，探討示性波高及週期與風速、吹風歷時、吹 送距離、水深、延時等參數間的關係，使用於工程應用上是極為方便 的一種方法，其中以 Sverdrup 和 Munk (1947)及 Bretschneider (1952) 之 SMB 法較具代表性。

（2）風域(F)

根據 SMB 波浪預報法應用於開放水域中，基於有效有限風域 (Effective finite fetch)之概念，SMB 曲線可以由以下公式表示(Saville et al.1962)：

根據 SPM（Shore protection manual，1978）風浪成長之經驗公式，

描述深水波示性波

風速下，若波浪已發展成熟則

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圖 2-3 示性波高、實測風速與模式風速時間序列圖

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北港實測風速與示性波高關係圖 圖 2-4 臺

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2-5 臺北港模式風速與示性波高關係圖

，來建 立風速持續性對波高的影響。研究中分別使用相關係數（Correlation Coefficient，R）以及平均相互資訊（Average Mutual Information）兩 種指標方法來判斷相關程度。其中R 及 AMI（Abebe and Price,2004）

的表示式分別為

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圖 2-7 模式風速對示性波高延時的相關性 圖 2-6 實測風速與示性波高延時的相關性

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其中圖 2-6 示性波高與實測風速在延時約 2 至 3 小時的地方明顯 看出擁有最高的相關性，其相關係數R 為 0.42，AMI 約為 0.13 左右，

而在圖 2-7 中波高跟模式風速在前十個小時的延時相關性變動不大，

相關係數R 為 0.59 至 0.6，而 AMI 為 0.42 至 0.44。

若以實測及模式風場分別繪製示性波高與風向的關係圖，如圖 2-8 及圖 2-9 所示，其中資料點為風向所對照之實測示性波高。由圖 2-8 可得知波高與實測風向呈現比較散亂的關係，因而無法辦別出風 向與波高之關係性。圖 2-9 可以得知風向大約分佈在 30 到 60 度以及 210 到 240 度間，其間所對應的示性波高有比較明顯較高而集中之趨 勢。另外，當模式風向為 30 到 60 度時，其所對應之波高約在 0～3.5m 之間變化。而模式風向為 210 到 240 度時，其對應之波高則集中於 0

～1.5m 的範圍。

在本研究中模式的輸入參數會因為相關性的程度大小而影響到

模式的優劣， 性之後，則

選擇相關性比較大的模擬風速與風向作為輸入值，來建立季節風推算 波浪之模式架構。

所以在分析完風速與風向兩者跟波高的相關

圖 2-8 臺北港實測波高與實測風向關係圖

圖 2-9 臺北港實測波高與模式風向關係圖

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14 為波浪作用力平衡方程式(Wave action balance equation)，此方程式為 二維時變域之偏微分方程式，表示如下：

(wave energy density function)之關係為 N=E/σ；

v

SW 模式係以有限體積法(Finite Volume Method)將控制方程式在 空間上進行離散，所採用之格網系統為非結構性三角形格網系統，每