国家自然科学基金面上项目

正文：参照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，标题突出。请勿删除或改动下述提纲标题及括号中的文字。

1.立项依据与研究内容（4000-8000字）

1.1项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需

结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发

展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考

文献目录）

1.1.1 研究意义

具有理论研究意义。至今为止，极值波高计算方法并未统一，包含诸多不

确定因素，计算结果相差悬殊。本课题拟系统分析和定量确定极值波高计算方法的各种不确定因素，研发新理论/方法将不确定因素影响最小化。建立误差小、应用方便、统一化的极值波高计算模式。

具有工程应用价值。本课题拟计算中国沿海极值波高的空间分布，该成果

在海岸和海洋工程、深水港口和石油平台、沿海核电站等的工程设计、造价、结构安全、工程效益、环境影响等方面意义重大。尤其对中国正在推行的“一带一路”国家级顶层战略，项目成果将为中国沿海港口的科学选址和工程设计提供高质量的极值波浪数据，具有重要的工程应用价值。

具有领先性。本课题拟研究内容也是当今波浪推算研究领域的热点和难点，

研究成果将会进一步提高中国学者在该研究领域的学术影响力和先进性。

1.1.2 国内外研究现状及发展动态分析

当今国际学者们普遍接受的极值波高计算方法有三种：1）年N个大波法(ANL，Annual n-Largest method),是由经典的年大波法(n=1)延伸而来的（Sobey

n )，组和Orloff，1996）。该方法从实测波浪数据中每年提出n个独立的大波(1

成一个极值波浪数组，然后应用GEV极值函数来估算极值波高；2）阈值法（POT, Peaks-Over-Threshold method）（Hosking等，1987），该方法是设置一个阈值波高H o，将每个高于H o的波峰值从时间序列波浪数据中提出出来，组成一个极值波浪数组，然后应用GPD极值函数来计算极值波高；3）风暴波浪法（SAS, Storm-by-Storm Method）(Goda,1988)。该方法物理概念清楚，即每个风暴事件只提取一个波高峰值，组成一个风暴波峰值数组，然后应用概率函数(如Weibull, Pearson-III)来计算极值波高。但是，这三种方法通常给出不同的计算结果，其主要原因可能是：

首先，上述三种方法（ANL，POT，SAS）从同一组原始波浪数据中可能分析出不同的重现期波浪数据组。最近，Sartini等（2015）采用ANL和POT两种方法来计算百年一遇的极值波高，从作者的图2-8中可以发现，由GEV方法计算的百年一遇波高要比GPD计算的要小1m多。POT方法的难点是如何确定一个合适的阈值H0。Mendez等（2006，2009）建议了时间函数的阈值，Franck和Luc（2011）使用双阀值法计算极值波高。You(2012)探讨了如何正确地选择阈值，认为SAS是POT的一种特殊情况，当POT的阈值等于SAS的最小风暴波峰值时，这两种方法可以简化为一种。ANL方法每年提取n个最大波高，但不能保证每年的风暴波浪阈值一样。相比较而言，POT方法每年保持阈值相同，但每年获取的风暴波浪数不一样。图1-1给出了由POT和ANL两种方法生成的重现期波高数据的比较(You等，2016a)。由图1-1可以看出，只有当n取得充分大时（n≥16），这两种方法可能得到相近的结果，其中POT方法的阀值是3m。

图1-1.由POT和ANL两种方法获取的重现期波浪数据（Tr, H s）比较，其中ANL方法提取的年N最大波浪数从1增加到16，POT阈值是3m，等于最小风暴的波峰值。波浪数据来源于澳洲新洲的33年波浪观测数据，每个小时观测一次，每次持续约33分钟(You等，2016)。

其次，不同极值函数可能导致不同的计算结果。GEV和GPD是两种特殊极值函数，理论上GEV只能由ANL方法分析的极值波浪数据来计算极值波高，同样,GPD只能由POT方法提取的风暴波浪数据来推算极值波高。但是，普通概率函数(如Weibull, Pearson-III)也用来计算由ANL或者POT分析的风暴波浪数据的极值波高，只要提取的风暴波浪数据满足随机和独立条件就可以了。You 等（2016a）首先提出，GEV和GPD这两种特殊函数也可以改写成普通的指数函数和幂函数：

GEV函数：GPD函数：(1)

） 和|W-1|0.5，其中H 100(EXP),H 100(GPD-II)，GPD-III(α=9.303)α，y 坐标是不同的检验标准。 时也用来检查应用于计算极值波高的候选极值函数是否最佳。应用最多的检验

标准是平均差值的平方和：SSE=Σ[(测量波高-计算波高）2/n]0.5,其中n是样本的总量。基于澳大利亚新南威尔士州沿海的长期波浪数据，You(2016)应用了延伸LS方法来确定GPD中的三函数参数，比较了四种不同的检验标准。由图-2可见，线性回归系数R2、SSE和|W-1|都随着函数形状参数|a|的增加而极其缓慢地收敛，只有新建立的检验标准|W-1|0.5=0收敛最快，当a→→±0，|W-1|0.5值的增长率发生了符号的变化（见图1-2）。GPD-II函数没有上界，下界值是指数函数Exp或GPD-I。You(2007, 2013)研究发现，GPD-III是应用于澳洲海岸极值波高计算的最佳极值函数，而GPD-I和GPD-II不适合于极值波高的计算。同样，在GEV的三个函数中，也只有一个最佳函数适用于计算极值波高，You(2007)建议FT-I用于极值波高的计算。

综上所述，该项目拟定开展以下几个方面的工作：1）系统地分析和定量地确定极值波高计算过程中存在的主要不确定因素；2）完善极值波浪分析理论，减小这些不确定因素影响，建立一个误差小、应用方便和统一化的极值波高计算方法；3）应用ERA-Interim全球波浪再分析数据（1977-2016），获取并验证中国沿海波浪数据（空间分辨率，0.125o x0.125o），分析中国海域波浪的特征；4）应用该项目研发的新极值波高计算方法，建立整个中国沿海极值波高的空间分布，解决中国沿海某些区域和岛屿缺少波浪数据的现状。

1.1.3 参考文献

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1.2项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题（此部分

为重点阐述内容）

1.2.1 项目研究内容

基于国内外的长期波浪观测数据，系统分析和定量确定极值波高计算方法

中的各种不确定因素；研发新理论/方法来减少这些不确定因素的影响，尤其是数据丢失率、数据采集长度、极值数据提取方法等因素的影响；建立一个误差小、应用方便和统一化的极值波浪计算方法。

研发/完善波浪数据同化技术，应用本项目参与单位（烟台和南通海洋中

心站）提供的19个沿海波浪观测点数据以及获取的其它沿海波浪观测点数据，分析和同化40年ERA-Interim全球波浪再分析数据（1977-2016），研究中国沿海波浪的时空变化。

基于该项目研发的新计算方法和同化后的中国沿海40年ERA-Interim波

浪分析数据，研究中国沿海极值波高的空间分布。

1.2.2 项目研究目标

定量地确定极值波高计算方法的各种影响因素，减小不确定因素对极值波

高计算的影响，建立一个误差小、应用方便和统一化的极值波高计算方法。

推导平均极值波高的计算方法（大于和等于一个极值波高的其它极值波高

的平均值)，更精确地估算极值波高的取值范围，提高海洋工程结构的安

全度、减少工程造价。

建立/完善波浪数据同化技术，分析国际常用的ERA-Interim全球波浪再

分析数据（1977-2016），同化中国沿海波浪数据；解决中国沿海部分区域和岛屿缺少长期波浪数据的实际问题，推动国家海洋大数据库的建设。

提供中国沿海极值波高数据的空间分布，为中国海岸和海洋的工程设计、

海岸带防灾减灾等研究工作提供良好的科学依据。

加强国内外科研合作和学术交流，发表高质量的科研论文，培养年轻科研

骨干和研究生，参加国内外的重要学术会议，提高该研究领域在国际学术界的领军作用。

1.2.3 解决的关键科学问题

极值波高影响因素的确定：可能的主要影响因素包括，1）波浪数据的自

身特性（如数据长度、风暴波浪丢失率等）；2）分析极值波浪数据的不同方法；3）计算极值波高的不同极值函数；4）确定极值函数的不同参数估算法。该项目的研究重点将分析波浪数据采集长度和极值波高数据的分析方法对计算结果的影响。

极值波浪影响因素的最小化：在极值波高计算的每一个步骤中，研发/优

化最佳计算方法，使得整个计算步骤中的不确定因素影响最小化。本项目重点解决以下几个问题：1)如何修复波浪数据中丢失的波浪数据，2）如何定量确定波浪数据采集长度对计算结果的影响；3）如何正确获取极值波浪数据；4)如何合理选择候选极值函数；5)如何选择最佳参数估算法。

新计算方法的建立：基于前两个关键问题的解决，建立一个误差小、应用

方便和统一应用的极值波高计算方法，完善现今极值波浪计算方法。

建立/完善波浪数据同化技术：应用该课题参与单位采集的烟台-南通19

个沿海波浪观测站数据以及获取的其它沿海波浪观测站数据,研发/完善波浪数据同化技术，同化ERA-Interim全球波浪再分析数据（1977-2016），计算中国沿海极值波高的空间分布。

1.3拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究方法、技术路线、实验

手段、关键技术等说说明）

1.3.1 研究方法和技术路线

至今为止，极值波高计算方法不统一，存在着诸多不确定因素，造成较大计算误差。再者，中国沿海缺乏共享的、长期的、空间覆盖广的时间序列波浪数据，直接影响了极值波高计算的精确度。本项目拟定解决以上这两个问题。

该申请项目的研究技术路线是：首先系统和定量地分析研究极值波高计算方法中存在的各种不确定因素、研发新方法来减少这些不确定因素对推算结果的影响、建立极值波高计算的新方法。然后，系统分析国际学者常用的40年时间序列的ERA-Interim全球波浪再分析数据（1977-2016），提取并验证整个中国沿海的长期时间序列波浪数据。最后，应用本项目新建立的极值波高计算方法和验证后的40年ERA-Interim波浪数据，计算中国沿海极值波高的空间分布，实现数据共享。图1-3给出了该项目研究方案和技术路线，并简单叙述如下：

波浪数据的采集和收集

拥有长期和高质量的波浪数据是开展该项目研究的基本条件之一。波浪数据主要用途包括：定量确定极值波高的影响因素、完善波高计算方法、验证波浪模拟再分析数据、计算中国沿海极值波高的空间分布。

该项目的波浪数据主要来自于：1）澳大利亚新州环境部，2）国家海洋局烟台海洋环境观测中心站，3）国家海洋局南通海洋环境观测中心站，其中，澳大利亚新州环境部是申请人曾经的工作单位，国家海洋局烟台和南通海洋环境监测中心站是该项目的两个参与单位。

图1-3：项目拟采取的研究方法和技术路线 长期波浪观测

数据

SBS 极值波高数据组ANL 方法SBS 方法POT 方法POT

极值波高

数据组

ANL 极值波高

12

GPD

极值函数GEV 极值函数Weibull Pearson-III 概率函数参数确定后的极值函数3

函数参数估算法

ML, LS, MM 4确定后的

最佳函数确定最佳函数的标准

5

N 年一遇波高重现期

定义

6极值波高及

置信区间蒙特卡罗等方法

置信区计算7比较极值波高计算方法及影响因素分析

ERA-Interim 全球波浪再分析数据（1977-2016）40年时间序列的中国沿海波浪数据观测数据校

正中国沿海极值波高的空间分布中国沿海长期波浪数据获取和验证沿海极值波高空间分布计算及应用海洋和海岸工程应用

数据

分析完善后的极值波高计算方法海岸带灾害风险评估

图1-4：左图：澳大利亚新州的7个波浪连续观测点。右图：国家海洋局南通海洋环境监测中心站的7个波浪连续观测点（连云港、滨海、新洋港、大风港、洋口港、吕泗、连兴港）。

澳大利亚波新州浪资料：澳大利亚新南威尔士州2000多公里海岸线拥有7

个深水长期观测站（见图1-4）。波浪数据从1976年开始采集，连续至今。

1986年以前，波浪数据纪录在图表纸上，波高和波周期从图纸上直接读出。

至1986起，波高仪每0.5s自动测量一个波高数据,连续观测34min,每个小时重复一次（You和Lord，2008）。这7组澳大利亚新州波浪数据是全世界历时最长的数据之一，广泛应用于极值波高的研究（You和Nielsen,2013）。

南通沿海波浪观测资料：另外一部分现场波浪观测数据来自于该项目的一个

参与单位--国家海洋局南通海洋环境监测中心站。目前该中心站下辖连云港、滨海、新洋港、洋口港、吕四五个直属海洋环境监测站，2012年以来与地方共建大丰港、连兴港两个海洋环境监测站（见图1-4）。常年连续观测海浪、潮汐、气压、气温、风速风向、降水等要素，年均数据量820万组。其中，连云港海洋站波浪自1960年开始人工观测，2006年改进为人工观测与遥测重力测波仪自动观测相结合，截止2016年，已累积56年长序列波浪资料。滨海海洋站波浪自1995年开始人工观测，2015年改为遥测重力测波仪自动观测，已累积21年长时间序列波浪资料（曹兵等，2016）。

烟台沿海观测波浪资料：还有一部分现场波浪观测数据来自于该项目的另外

一个参与单位—国家海洋局烟台海洋环境观测中心站。目前该中心站沿辖区岸线在龙口（1965年）、蓬莱（1984年）、北隍城（1965年）、芝罘岛(1981年)、成山头(1965年)、石岛(1965年)设有6直属个海洋环境监测站/点，并自2000年来先后与滨州、东营、潍坊、寿光、威海、文登等地市共同建设了6个海洋环境监测站，连续观测潮汐、海浪等要素。

全球长期波浪再分析数据。这组波浪数据来自于欧洲中期天气预报中心

（ECMWF），是现在国际认可的科研和工程应用数据（You等，2016）。

ECMWF波浪数据是ERA-Interim波浪模拟的再分析数据，其空间分辨率为

0.1250×0.1250，时间分辨率6小时。ERA-Interim是ECMWF向全球用户提

供的最新全球大气数值预报再分析资料，是继早期资料ERA-40后的新产品，ERA-Interim使用了最新的4D-Var同化技术，对ERA-40等资料进行了完善，解决了ERA-40中存在的一些关键问题，预报准确性比ERA-40高，有效波H的均方根误差（RMSE）是0.4m。烟台和南通站采集的现场波浪资料高

s

用来验证中国海域的ERA-Interim波浪再分析数据。图1-5给出中国海域的

H的空间分布（尤再进等，2016）。

ERA-Interim季节平均有效波高

s

米，空间分辨率是0.125ox0.125o和时间分辨率是6小时（尤再进等，2016）。

确定极值波高的影响因素

在国际范围内，学者们至今还没有建立统一的极值波高计算方法，不同的学者应用不同计算方法（比如，不同的极值理论、不同的提取极值数据方法、不同的极值函数、不同的函数参数估算法等），引发了极值波高计算结果的差异。图1-4的左图中列出了每个计算步骤中可能采用的不同计算方法：1）应用不同的极值理论分析方法（POT，ANL，SBS），2）采用不同的极值数据组，3）选

取不同的候选极值函数，4）选用不同的函数参数确定法，5)应用不同的最佳极值函数判断标准，6）采用不同经验频率公式，7）采用不同的置信区域计算法。除了以上不同计算方法造成极值波高计算的不确定性以外，波浪数据的采集方法、数据组的长短、丢失的风暴波浪数据也会直接影响极值波高计算的精确度（You，2007）。基于澳大利亚新州环境部、烟台海洋站和南通海洋站采集的长期波浪资料，该项目将完善You等（2016）的方法，定量地比较极值波高计算的可能影响因素，并确定这些影响因素的大小排列顺序。研究的主要影响因素包括：波浪数据的丢失率、数据的采集长度、提取极值数据的分析方法、选择极值函数的标准、确定极值函数的参数估算方法、确定最佳极值函数的判断标准等。

极值波高不确定因素的最小化

如何减少极值波高计算的不确定性是该项目一个研究重点。该项目拟定从

以下几个重要方面来开展研究工作，建立新理论/方法来极大，减少极值波高计

算中存在的不确定性。

原始波浪数据不确定性:主要影响因素包括波浪数据的采集方法、数据的采集

长度、波浪数据的丢失率。初步的研究表明(You,2007；2011；2012)，波浪数据中包含多处丢失风暴数据是影响计算结果的最重要因素。这个影响因素可以通过比较实测波浪资料和验证后的波浪模拟数据来确定（You等，2012）。

连云港的长期波浪观测资料和ERA-Interim波浪模拟数据（1977-2016）将应用于研究数据丢失率对极值波高计算的影响，定量确定波浪数据的采集长度对极值波浪的影响是该研究的重点之一。

极值波浪数据不确定性的最小化：现有三种常用的极值数据分析方法是POT、

ANL和SBS。从原始波浪数据中把随机和独立的极值波浪数据分离出来，产生极值波浪数据。正如图-1所示，POT和ANL这两种方法有可能合并为一种方法。如果SBS和POT的阈值取值一样（You，2012），最后这三种极值分析方法有可能简化为一种，减少了极值数据分析方法的不确定性。如何取阈值以及研究阈值是否随空间位置变化是该项目的研究重点。

缩小多种极值函数的选择范围：学者们通常应用不同的极值函数来计算极值

波高，导致了不同的计算结果。现有可以用来计算极值波高的极值函数有十几种（You,2007），为什么应用这个极值函数而不是另外一个函数的理由也不充分。通常应用的极值函数可以分为三大类：与POT方法对应的极值函数GPD，与ANL方法对应的极值函数GEV，而与SBS方法对应的极值函数却是普通的概率函数(如Weibull,Pearson-III)。前两种由极值理论直接推导的极值函数：GEV和GPD，而后一种只是普通概率函数。但是，这三种概率函数都具有分布不对称以及右端尾巴长的特性。实际上，GEV和GDP也可以简化为普通的概率函数（见方程-1）。You(2011)建议四种极值函数，FT-I、

GPD-III、Weibull、Pearson-III,作为计算极值波高的候选极值函数。基于更多的中国沿海观测和模拟的波浪资料，该项目进一步证实You等（2015）的结论，提出适合于中国沿海的候选极值函数，进一步缩小可选极值函数的范围。

缩小多种参数估算法的选择范围：比较不同的函数参数估算法，缩小对多种

极值函数参数估算法的选择范围。常用的极值函数参数估算方法包括矩法(MOM)、最小二乘(LS)、极大似然(ML)、概率权重矩(PWM)或与其等价的线性矩(LM)、间隔最大积(MPS)等。You(2007,2011)和You和Callaghan(2013)讨论了几种常用极值函数参数的估算法，建议采用极大似然法（ML）和最小二乘法/线性回归法(LS)，并定量证明线性回归法是极大似然法的一种特殊情况。基于You(2012)和You等（2015,2016）的研究结果，该申请项目将继续研究极大似然法确定四种典型三参数极值函数（GEV，GDP，Weibull，Pearson-III）的收敛性，并与You(2011)延伸LS方法相比较，选择最佳的参数估算法。

中国沿海波浪数据同化及应用

波浪数据的获取：中国海域40年时间序列的波浪数据来自于国际认可的高

精度ERA-Interim全球波浪再分析数据（1977-2016），空间分辨率是

0.125o x0.125o，时间分辨率6小时。

波浪数据的同化：应用该项目参与单位采集的烟台-南通10多个沿海波浪资

料以及可能收集到中国沿海的其它波浪观测资料，建立/完善波浪数据同化计算，同化ERA-Interim波浪数据，具体方法参考You等（2012）。

极值波高的计算：应用该项目研发的极值波高计算方法以及验证后的

ERA-Interim波浪数据，计算中国沿海极值波高值的空间分布。

1.4项目的可行性分析

1.4.1 项目整体设计合理，技术手段可行

项目整体设计合理。该项目包括三大研究部分：定量地研究分析极值波高计

算中存在的各种不确定因素，研发新方法/理论来减少这些不确定因素的影响，应用新研发的计算模式来计算中国海域的极值波高。这三方面的研究内容密切相关，环环相扣，设计合理。

项目研究方法可行。本项目任务主要是进一步完善极值概率理论方法，尤其

在极值波浪数据的分析方法、极值函数的选择标准、极值函数参数的估算方法等方面，采用的研究方法是基于国际学者的最新研究成果以及申请人的多年研究工作积累（You，2007；You,2013;You和Nielsen，2013；You等，2014；

You等，2015；You等，2016）。

技术手段可行：图1-3清晰描绘了如何开展该项目的技术路线，清楚地展示

了影响极值波高计算的可能影响因素，系统地指出了如何减小这些影响因素的可能方法。

1.4.2 项目团队基础扎实，科研成绩良好

项目申请人，国家杰出青年基金获得者（B类），主要研究领域包括：物理海洋、港口和海岸工程、水力学和水资源、海岸防灾减灾等，发表论文100多篇。曾经主持与该申请项目相关的澳洲联邦政府重点基金项目，主要研究澳大利亚新洲极值波高、河口极值水位、风暴波浪和天文潮的联合发布、新洲海岸波浪数值模拟、近海波高的概率分布、海岸波浪爬高、风暴强度和气候指数SOI 的相关性、新洲沿海极值波浪的空间分布等。近几年，申请者发表了十多篇有关极值波高研究的高水平论文。

该项目团队有由10人组成，其中教授/研究员2名，副教授/高工2人、讲师/工程师4人、研究生2人。团队成员的研究领域和该项目具有相关性，拥有良好的科研和创新能力，具备承担该课题的专业背景和能力。因此，从人员配备上来看，课题组成员完全可胜任该课题的研究任务。

1.4.3 单位大力支持，支撑力量雄厚

项目申请人依托于鲁东大学港口与海岸研究中心。该研究中心是由项目申请人回国后组建的，依托重点学科有：物理海洋(国家杰出青年基金获得者)、港口海岸与近海工程（山东省重点学科）、物理海洋和海岸工程（山东省“泰山学者”人才岗位学科）、水利工程（鲁东大学重点学科）。鲁东大学给予了该研究中心大力度的财力与人力支持。

该研究中心现有科研人员16人，其中教授2人，副教授5人，具有博士学位的科研人员13人，拥有大型波浪水池、先进的波浪水槽、先进的海岸数据采集工具、多台台计算工作站，研究经费充足。

1.4.4 科研学术交流广泛，数据技术共享

项目申请人与澳大利亚新州环境部一直保持着科研合作，已经获取该项目需要的长期波浪观测数据。项目申请人还与国家海洋局的多个观测中心站和预报中心建立了科研合作关系（如烟台海洋监测中心站、南通海洋监测中心站、北海预报中心、海洋技术中心），共享合作单位的非原始数据资源。由于前期的紧密科研合作，烟台海洋站和南通中心站成为项目的参与单位，提供烟台-南通沿海10多个波浪观测点数据，为项目的顺利开展和完成提供了可靠的数据保障。

项目申请人与国外科研机构和知名大学开展了科研合作和学术交流（如澳大利亚的科学院、新南威尔士大学、昆士兰大学，美国NOAA，日本东京大学，荷兰Delft大学等），能够获取该项目需要的期刊文献和相关技术支持。

项目申请人担任两国际期刊的编辑和10多种国际期刊的论文审稿人，掌握该项目研究领域的最新科研动态。该项目拟定的研究内容既是该领域的研究热点和难点，又具有实际应用的工程价值。

综上所述，该课题团队能够保证该项目的顺利开展和完成。

1.5本项目的特色与创新之处

系统分析和定量确定波高计算中存在的各种影响因素，尤其是数据丢失率、

数据采集长度、极值数据分析法等因素，并研发相对应理论/方法减少这些不确定因素的影响，建立误差小、易应用和统一化的极值波高计算方法。

基于不同极值理论分析方法必须从同一组时间序列的波浪数据中提取出同

一组重现期波高数据的推论，提出现有三种极值波高分析方法（POT，ANL，SBS）可以融合为一种方法，从而消除了在极值波高数据分析中的最大不确定性因素，极大提高了计算精度。

引进“平均极值波高”新概念，更精确地估算极值波高的取值范围，提高海工

程结构设计的安全度、减少工程造价。

1.6年度研究计划及预期研究结果（包括拟组织的重要学术交流活动、

国际合作与交流计划等）。

1.6.1 项目年度研究计划

该项目计划于2018年1月开始，2021年12月前完成。图1-6描述了项目年度研究内容的计划任务，有些研究内容是交叉进行的。每年开展的项目研究内容简单描述如下：

2018.01-2018.12：基于国内外长期的时间波浪数据，综合评估极值/极值波

高的计算方法、分析不同方法的优缺点、定量地确定在极值波高的计算过程中所存在的各种不确定因素。根据欧洲ERA-Interim波浪再分析模拟数据(1977-2016)，提取中国沿海的长期波浪数据。同时，与国内外学者开展广泛的科学合作和学术交流，培养研究生和年轻的科研骨干力量。

2019.01-2019.12：结合第一年的研究结果，建立新理论/方法来减少在极值

波高计算过程中的不确定因素，重点放在如何合理确定POT阈值、确定波浪资料长度的影响、选取最佳概率函数、置信区计算等。同时，应用中国沿海采集的波浪数据来验证ERA-Interim波浪再分析数据，确定中国沿海波浪场的长期时空分布。发表相关的研究结果和参加重要的学术会议。

2020.01-2020.12：紧密结合前一年的研究成果，建立和完善极值波高计算的

新模式、统一计算步骤。应用新的一整套极值波高计算方法和计算步骤，计算中国沿海几种极值波高值（H10,H25,H50,H75,H100）的空间分布。在这同时，积极与国内外相关学者开展交流和讨论。

2021.01-2021.12：继续计算中国海域极值波高得空间分布，并将研究成果应

用于海洋工程中，在线呈现中国海域极值波高分布情况，实现数据共享，发表论文和参加学术会议。最后按照基金委的正常程序，完成项目结题。

图1-6：项目年度研究计划进度表（2018.01-2021.12）

1.6.2 预期的研究结果

建立一个误差小、应用方便和统一化的极值波高计算方法，减少不确定影

响因素的影响，提高极值波高的计算精度。

同化中国整个沿海深水波浪的ERA-Interim长期数据，解决中国沿海部分区

域和岛屿波浪数据短缺的实际问题，实现数据共享。

提供中国沿海极值波高的空间分布图（比如H

,H25,H50,H100），为中国海岸

和海洋的工程设计、海岸带灾害风险评估等工作提供波浪数据。

培养年轻的2名科研骨干人员和2~3名研究生，发表5-8篇SCI论文，加强

国内外科研合作和学术交流，提高研究成果在国内外的应用和推广。

2.研究基础与工作条件

2.1研究基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）

2.1.1 相关的专业知识

项目申请者1986年毕业于天津大学水利系港口工程专业，1993年获新南威尔士大学博士学位，博士期间的研究内容是关于波浪边界层、波流相互作用，导师是国际著名的海岸动力学和泥沙输运研究大师Nielsen教授。博士后研究工作是在魁北克大学物理海洋所完成的，主要研究工作是关于非线性波作用下海底沙垻的形成、波流相互作用、风波形成机理的课题。从2000年开始，项目申请者同步开始了对极值水位和波高的研究工作，一直持续至今。

2.1.2 相关的研究经历：

1994-2014年，项目申请人先后任职于维洲海洋和淡水研究所和新南威尔士州环境部，担任高级研究员，从事海岸动力学和海岸灾害方面的相关研究工作。2014年全职任职于鲁东大学，担任港口与海岸研究中心主任、教授。

曾经主持了多项与该申请项目相关的国内外科研项目：澳大利亚联邦政府海岸重点基金项目（见表-1）、国家杰出青年基金项目（B类）“波浪边界层和海岸泥沙起动”、中国科学院知识创新项目“不规则波浪和水流作用下泥沙起动”、国家海洋局公益专项“中国典型海域波浪能再生能源变化趋势”。近期，正在开展山东省人才工程项目“海岸侵蚀和淹没灾害数据采集和预测技术”。

荣获多项人才工程，国家杰出青年基金获得者（B类）、中科院王宽诚教育基金获得者、中国科学院知识创新项目获得者、山东省泰山学者海外特聘专家、烟台市双百计划特聘专家、鲁东大学高层次人才等。曾受聘为河海大学特聘教授、中科院客座教授，担任两国际期刊编辑和10多种国际期刊的论文审稿人，发表论文100多篇（请见简历）。

2.1.3 相关的基金项目：

申请人积累了丰富的科研经验，曾主持/参与了澳洲联邦政府、州政府、地方政府的应用科研和咨询项目（见表1-1），主要用来解决海洋工程、海岸带、海河口的一些重大工程和灾害问题:比如，极大风暴波高、海岸设计水位推算、海岸带侵蚀和淹没、海平面变化等。负责提供澳洲新洲沿海波浪数据采集和分析的技术指导，应用全球波浪模式WA VEWATCH-III和区域波浪模式SWAN来数值模拟新洲沿海波浪的时空分布。

曾经主持了国家杰出青年基金项目（B类）“波浪边界层和海岸泥沙起动”

和中国科学院知识创新项目“不规则波浪和水流作用下泥沙起动”，近期，主持了

国家海洋局公益专项的子课题“中国典型海域波浪能再生能源变化趋势”和“泰山学者”人才工程项目“海岸侵蚀和淹没灾害数据采集和预测技术”。

表1-1：曾经主持和参与的澳洲联邦政府基金项目 起止时间

项目性质和来源 经费总额 参与人数 主持

2013

2015

Australia Commonwealth Government Natural Disaster Resilience Program Grant--NDRP/澳大利亚联邦政府重点自然灾害基金。 题目:Combined impacts of storm tide and wave runup on NSW coastal erosion and inundation. AU$266,000/ RMB ￥154万 DOC005249 2人 You ZJ Hanslow, D 主持 （结题） 2012

2013

NDRP/联邦政府重点自然灾害基金。 题目:Coastal erosion risk assessment: Best Practice and Tools and Data. AU$318,352/ RMB ￥185万 (RM6.030) 2人 Hanslow, D You ZJ 首首席研究者 （结题） 2010

2013

NDPR/联邦政府重点自然灾害基金。 题目：Tidal limits and flooding tailwater levels at NSW coastal entrances (1，2). AU$366,000/ RMB ￥212万 (RM6.033) 1人 You ZJ 主持 （结题） 2012

2013

NDRP/联邦政府重点自然灾害基金。 题目: Mapping NSW coastal hazards and indexing related risks(Stages-II). AU$189,000/ RMB ￥110万 (RM6.033) 2人 You ZJ Gibbs J 主持 （结题） 2010

2011

NDRP/联邦政府重点自然灾害基金。 题目: Mapping NSW coastal hazards and indexing related risks(Phase-I). AU$190,000/ RMB ￥110万 1人 You ZJ 主持 （结题） 2010

2011

New South Wales OEH Coastal Management Grant /新南威尔士州海岸管理基金。 题目:Batemans Bay wave climate study AU$39,600/ RMB ￥23万 1人 You ZJ 主持 （结题） 2011

2012

Australia Research Council Discovery Grant —ARC/联邦政府重大发现自然基金。 题目:Development of an adaptive statistical model for oceanic flooding hazards along East Australian Coast AU$263,000/ RMB ￥147万 LP100100375 UQ/Callaghan,P UQ/Baldock, T UQ/Nielsen, P OEH/YOU,ZJ 首首席研究者 （结题） 2008

2010 Australia Commonwealth Natural Disaster Mitigation Program:联邦政府重点自然灾害基金

题目:Coastal extreme storms & elevated water levels. AU$191,000/ RMB ￥111万

1人 YOU ，ZJ 主持 （结题） 2.1.4 相关的研究内容：

项目申请者一直从事研究长期海洋波高极值分布和短期海洋波高概率分布的研究工作，最有代表性的研究成果是You 和Nielsen （2013）和You （2011，2015，2016）。项目申请人开展的相关研究内容简单介绍如下：

You 和Yin(2006)以及You(2007)延伸了线性回归法来求解三参数极值函数: GEV ，GDP 和Weibull ，建立的三参数延伸的线性回归法要比常规的线性回归法更精确、收敛快。

You 和Lord （2008）研究了风暴波能和气候变化ENSO 指数参数SOI 之间的关系，发现风暴波浪和SOI 有相关性，但有一个相位差。风暴波高和极值SOI 都服从Gumbel 分布。这个研究结果表明，实测的波浪资料受年季节、气候El Nino 、已及其它各种时间尺度海洋动力因素的影响。所以计算极值波高的重现期和波浪资料的长度之比不能太大，一般要求在3~4范围内。

You(2011)建立了如何从多个候选极值函数中确定最佳极值函数的选择标准。

根据新建立的选择标准，发现FT-I和Weibull是计算澳洲新洲沿海深水极值波高的最佳极值函数。

You(2012)讨论了POT阈值的取值对极值波高计算的影响，以及如何确定

POT的阈值。研究发现，取多个阈值的方法并没有提高计算的精度，POT 方法的阈值可以用最小风暴的波浪峰值来代替。

You等（2012）研究了波浪增水对澳洲新洲海河口最高水位的影响，研究发

现波浪增水对深水河口水位的影响很小，但对浅水河口水位影响比较大，河口极值水位遵循FT-I分布。

You和Callaghan(2013)讨论和比较了极值波高计算的多种极值函数，以及如

何从多个候选极值函数中选择最佳函数，确定了4种极值函数FT-I、GPD、Weibul、Pearson-III作为计算极值/设计波高的最佳候选函数，缩小了从众多极值函数中挑选最佳函数的选择范围。

You和Nielsen（2013）在海岸灾害《Coastal Hazard》一书中，系统地介绍

了如何计算海岸工程极值波高、讨论了影响极值波浪计算结果的主要因素、定性地提出了一些如何提高计算精度的新方法。

You等（2015,2016）系统地研究了风暴类型对极值波高计算的影响（见图

1-7）,研究发现每年不同风暴发生的次数和强度都是不一样的。如果用来计算极值波高的原始波浪资料太短、需要计算的设计波高的重现期又太长，计算结果会不可靠。

图1-7:澳洲新洲沿海风暴类型对极值波浪计算的影响（You等，2015）,其中左图是8

种新洲沿海风暴类型和平均发生频率，右图是各种风暴强度沿新洲海岸的空间分布。

2.1.5 发表的第一作者相关论文：

[1]You, Z J, Yin, B S, Ji, Z.Z and Hu, C (2015). Minimization of the uncertainty in estimation of

extreme waves. Journal of Coastal Research，75:1277 – 1281.

[2]You, Z J and Yin, B S (2016). Standardized procedure for estimation of extreme ocean waves.

26th International Ocean and Polar Engineering Conference, Greece.

[3]You, Z J and Callaghan, D (2013). Modeling significant wave height distribution with quantile

functions for estimation of extreme waves: Discussion. Ocean Engineering, 70: 208-210.

[4]You, Z. J and Nielsen, P (2013). Chapter 22: Extreme coastal waves, ocean surges and wave

runup. Coastal Hazard Book edited by Charles W Finkl, Coastal Research Library 6, DOI

10.1007/978-94-007-5234-4-22. Netherlands Springer (Book).

[5]You, Z. J., Nielsen, P., Hanslow, D and Pritchard, T (2012). Elevated water levels at trained and

untrained river entrances on the east coast of Australia. International Coastal Engineering Conference, 1-6 July, Santander, Spain.

[6]You, Z. J (2012). Estimation of extreme water levels at NSW coastal entrances. 52nd Floodplain

Management Association Conference, 22-24 Feb, Eurobodalla.

[7]You, Z. J (2012). A multi-distribution approach to POT methods for determining extreme wave

heights: Discussion. Coastal Engineering, 61: 49-52.

[8]You, Z. J(2011). Extrapolation of historical coastal storm wave data with best-fit distribution

function. Australian Journal of Civil Engineering, 9: 73-82.

[9]You, Z. J (2011). Uncertainty in extrapolating a historical wave record to extreme wave heights.

The 2011 Australasian Coasts and Ports Conference, 28-30 September, Perth.

[10]You, Z J (2009). Statistical distribution of nearbed wave orbital velocity in intermediate coastal

water depth. Coastal Engineering, 56: 844-852.

[11]You, Z. J (2009). Statistical distribution of wave orbital velocity in finite water depth. Advances

in Water Resources and Hydraulic Engineering, 4: 1324-1329.

[12]You, Z.J and Lord, D (2008). Influence of the El Nino Southern Oscillation on the NSW coastal

storm severity. Journal of Coastal Research, 24: 203-207.

[13]You, Z.J(2007). Extrapolation of extreme wave height with a proper probability distribution

function. Australasian Coasts and Ports Conference, 17-20 July, Melbourne.

[14]You, Z.J and Yin, B.S (2006). Estimation of extreme coastal waves from time series of wave data.

China Ocean Engineering, 20: 225-241.

2.2 工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的

途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门重点实验室等研究基地的计划与落实情况）；

该项目的承担单位是鲁东大学港口海岸研究中心，该项目所需要的工作条件均已满足，不缺少任何实验条件和拟于解决的途径。该研究中心是由项目申请人回国后组建的，依托重点学科有：物理海洋(2005国家杰出青年基金)、港口海岸与近海工程（2014山东省重点学科）、物理海洋和海岸工程（2015山东省泰山学者海外专家人才岗位），现有科研人员16人，其中教授2人，副教授5人，具有博士学位的科研人员13人。拥有一栋15000平方米的海洋工程实验大楼，包括大型波浪水池、先进的波浪+水流+风水槽、室内波浪和水流测量仪器、现场数据采集工具（包括野外采集车、波浪测高仪、流速仪、多功能雷达探测

仪、高程仪（RTK-GPS）、数码照相机、数码摄像机、压力传感器、两台流速仪等）、多台计算工作站。

项目申请者回国后和国内外的相关大学和科研机构建立了广泛的科研合作

关系和学术交流活动，为开展该项目创建了良好的工作平台：比如和澳大利亚科学院、澳大利亚新南威尔士大学、澳大利亚昆士兰大学、Delft大学、华东师范大学、中国海洋大学、中科院海洋所、中科院海岸带所、浙江大学、天津大学、大连理工、河海大学、南京水科院、中山大学、四川大学等。

项目申请者和国家海洋局烟台海洋环境监测中心站以及南通海洋环境监测

中心站建立了正式的科研合作关系,能够获取该项目需要的波浪数据。烟台海洋中心站和南通海洋中心站多年从事管辖海域的海洋环境监测评价及海洋观测预报工作，自建站50年来，积累了大量资料：辖区海洋环境质量数据（水质、沉积物、生态）、辖区海洋水文气象资料（温盐、潮汐、海浪、气象）、辖区海洋预报及验证资料（风暴潮、潮汐、海冰、海温、海洋气象）、辖区海洋灾害现场资料等。

2.3正在承担的与本项目相关的科研项目情况（申请人和项目组主要参

与者正在承担的与本项目相关的科研项目情况，包括国家自然科学

基金的项目和国家其他科技计划项目，要注明项目的名称和编号、

经费来源、起止年月、与本项目的关系及负责的内容等）；

无

2.4完成国家自然科学基金项目情况（对申请人负责的前一个已结题科

学基金项目（项目名称及批准号）完成情况、后续研究进展及与本

申请项目的关系加以详细说明。另附该已结题项目研究工作总结摘

要（限500字）和相关成果的详细目录）。

申请人在国外工作期间，主持并完成了一项国内基金项目：

基金类别：国家杰出青年科学基金（B类，2005.01-2007.12,￥40万元）

基金题目：波浪边界层和海岸泥沙起动，项目批准号：40428001

申请人成功完成了该基金项目的研究内容和任务，研制了新型采集波浪边界层剪应力的新方法，建立了新型的海岸泥沙起动模式，发表了多篇高质量的期刊论文，培养了一名博士和两名硕士生，培养了年轻的科研骨干力量，加强了国内外的科研合作和学术交流。申请人一直从事该方面的研究工作，比如海岸风暴侵蚀问题的研究。完成的该基金项目（40428001）是海岸泥沙运动，而现在申请的面上项目基本是属于海洋波浪的极值概率分布问题。所以，现在申请的项目是申请人另外一个研究领域，和完成的国内基金项目基本上没有什么联系。