幾內亞灣海浪特性數值模擬研究

徐福敏，邢 添*，周昕偉，成澤霖

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210024；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210024；3.南京水利科學研究院，南京 210029)

幾內亞灣位于大西洋中部、非洲西部，是非洲最大的海灣。幾內亞灣沿岸油氣、礦物、農業和航運資源十分豐富。幾內亞灣直接面對大西洋，海浪為幾內亞灣主要海洋動力因素，復雜的大西洋以及赤道海域的大氣和海洋動力導致獨特的幾內亞灣海洋動力條件，對該海域海洋要素尤其海浪的深入研究也愈發緊迫。伴隨著油氣、海岸和航運工程的開發需要對幾內亞海域的海浪特性有系統深入的認識，研究該海域海浪分布及傳播特性對灣內港口、航道及海岸工程的建設開發意義重大。

迄今為止，許多學者已針對幾內亞灣的風、浪特性開展了研究。LAIBI等[1]和ALMAR等[2]認為幾內亞灣岸線受南大西洋高能涌浪的影響，同時驅動沉積物向岸輸移。SENECHAL等[3]以及YATES等[4]基于特定地點的波高季節性變化分析，認為赤道附近的波動呈現明顯的季節性和年際變化特征。PREVOSTO等[5]基于西非海域觀測資料分析發現年內涌浪來源存在差異，其中5～10月涌浪來源主要為南大西洋西風咆哮帶，10～4月涌浪來源主要為大西洋西北部。李慶紅等[6]將第三代海浪數值模型WAVEWATCH III應用于幾內亞灣及其附近海域，發現幾內亞灣冬季的波高值略小于夏季，分布規律則與夏季相似，灣內波高分布存在空間差異。王科華等[7]根據DHI波浪整體數學模型試驗報告，對比分析了兩種幾內亞灣近岸極值波要素的推算方法。周昕偉等[8]建立了大西洋至幾內亞灣雙層嵌套海浪模型，認為幾內亞灣海浪主要受南半球天氣系統的影響，灣內中部海域可能出現高強涌浪。馮海暴等[9]分析了幾內亞灣西端毛里塔尼亞友誼港海岸工程建設中長周期涌浪對于施工作業的影響。鄧夕貴等[10]對幾內亞灣防波堤穩定性物理模型試驗表明，現有的一些規范公式對于長周期涌浪為主海域的擋浪墻穩定性計算有待改進。涌浪作為影響嚴重的海洋災害之一，對海岸工程建設、近岸建筑物、在行船舶、石油平臺等海洋結構物具有很強破壞性[11]。

受限于南大西洋和西非沿岸實測波浪數據的匱乏，現有針對幾內亞灣沿岸的海浪研究僅依賴有限的實測數據或粗分辨率數值模型模擬，缺乏對幾內亞灣海域進行完整性和系統性的研究，對該海域海浪特性的研究尤其長周期涌浪特性研究不夠深入。因此，幾內亞灣乃至沿岸港口水域的海浪特性及傳播特征依然需要進一步研究機理，以更好地服務于當地的社會發展及工程建設。

本研究基于第三代海浪模型SWAN(Simulating Waves Nearshore)建立大西洋至幾內亞灣沿岸海域雙層嵌套海浪數值模型，研究幾內亞灣內的海浪特性，尤其對幾內亞灣內占主導作用的涌浪要素進行探究；以加納Moree港為例，揭示幾內亞灣沿岸港口外海的海浪情況，為沿岸國家海岸工程建設與防護提供參考依據。

1 海浪數值模型

1.1 SWAN模型

在大、中、小尺度海浪模擬研究中，WWIII、WAM和SWAN模型等均得到廣泛應用及認可。SWAN模型的隱式計算方式有利于模型計算的穩定，其機理尤其適用于近岸海域的波浪模擬。本研究使用第三代海浪數值模型SWAN進行大尺度至中小尺度范圍的嵌套模擬，研究幾內亞灣海域海浪及其機理特征。

1.2 模型設置

幾內亞灣海域橫跨赤道，海浪的產生、傳播及分布特性和南、北大西洋的風、浪緊密相關。本研究建立的SWAN嵌套海浪模型計算范圍為：外層為整個大西洋，范圍為83°W-22°E，75°N-75°S，空間分辨率為15′×15′，經、緯向網格節點數為420×600，內層范圍為20°W-15°E，30°N-15°S，空間分辨率為5′×5′，經、緯向網格節點數為420×540，內外層計算范圍見圖1。

模型采用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供的ETOPO1水深地形數據(https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/wcs-client/)。驅動風場采用多平臺海洋表面風速交叉校準風場(CCMP)(http://data.remss.com/ccmp/v02.0/)。空間分辨率和時間分辨率分別為0.25°×0.25°和6 h。風能輸入項采用CAVALERI和MALANOTTE-RIZZOLI[12]方法，三波相互作用項采用ELDEBERKY[13]的LTA方法，四波相互作用項采用HASSELMANN等[14]提出的DIA近似算法，白浪耗散項采用KOMEN等[15]方法，底摩擦耗散項采用HASSELMANN[16]方法，系數取0.015，水深變淺引起的破碎采用BATTJES和JANSSEN[17]方法，系數取0.73。

1-a 外層1-b 內層1-c Moree港和控制點圖1 模型外層計算范圍Fig.1 Model outer domain

2 模型驗證

受南大西洋海洋環境及地域發展等影響，幾內亞灣及其附近海域的實測數據匱乏，現有的浮標數據大多位于北美和歐洲海域，距離幾內亞灣較遠。衛星遙感觀測技術具有全天候、高分辨率、高空間覆蓋率等的特點，目前Jason系列衛星廣泛應用于各海域海浪研究。Jason-3是由歐洲氣象衛星組織(EUMESTAT)、NASA、法國國家空間研究中心(CNES)和NOAA聯合研制的海洋地形衛星，Jason-3經過完全校正的GDR數據集，數據準確度較高，本研究在采用Jason-3衛星觀測數據進行模型驗證[18]。經過熱帶大西洋海域的衛星軌道超過30條，本研究選取經過幾內亞灣海域的4條軌跡，如圖2所示。模型模擬時段為2017年8月，以衛星數據(有效波高)進行海浪模型驗證(圖3)，表1為模擬值與衛星觀測值均方根誤差。

圖2 經過幾內亞灣海域部分Jason-3衛星軌跡Fig.2 Jason-3 satellite tracks across the Gulf of Guinea

可見SWAN模擬海浪有效波高值與Jason-3觀測值整體變化趨勢一致，吻合良好，平均偏差介于0.05～0.28 m，均方根誤差介于0.17～0.42 m。SWAN海浪數值模型模擬結果與衛星高度計數據吻合度較高，表明模型可用于幾內亞灣海浪數值模擬研究。

表1 SWAN模擬有效波高與Jason-3衛星觀測有效波高均方根誤差分析Tab.1 Error statistics for the contrast between SWAN stimulated SWH and Jason-3 data

3-a 046軌道 3-b 059軌道 3-c 148軌道3-d 211軌道圖3 Jason-3衛星觀測有效波高與SWAN有效波高模擬值對比Fig.3 Comparison of SWAN stimulated significant wave heights (SWH) with Jason-3 data

3 幾內亞灣風浪、涌浪特性

海浪通常由風浪和涌浪組成，在風力直接作用下所形成的波浪稱為“風浪”；當風浪離開風的作用區域后在風力甚小或無風區中繼續傳播的波浪，或在風作用區內風力顯著減小或風停后繼續存在的波浪，均稱為“涌浪”。SWAN[19]用方向波譜來描述波浪能量密度，其表達式為

(1)

式中：E為波能密度；f為頻率；θ為方向。基于一維和二維海浪譜，可實現風浪、涌浪能量的分離[20]。

混合浪、風浪、涌浪波高的關系式為

(2)

式中：H混為混合浪波高；H風為風浪波高；H涌為涌浪波高。根據式(2)和SWAN輸出的混合浪有效波高、涌浪波高即可算出風浪波高，SWAN輸出的風向即為風浪方向。

8月幾內亞灣海域海浪為全年最活躍的時期，本研究選取2017年8月幾內亞灣海域的海浪作為研究對象，分析幾內亞灣的海浪特征。選取2017年8月最具代表性的兩個典型時刻(2017年8月7日0時和2017年8月24日0時)，分別對應灣內有效波高最大(3.41 m)、最小時刻(2.98 m)。

圖4為8月7號0時幾內亞灣風場、風浪場和涌浪場。西南海域風速較大，最大風速達到8 m/s，灣內盛行東南風，除了中部和東南部分區域，整體風速大于2 m/s；在風速較大西南海域，風浪波高達到最大，最大波高超過2.2 m，除了近岸區域，風浪波高均在1 m以上；與風浪的情況不同，涌浪在安哥拉沿岸達到最大并向西北方向遞減，最大波高在3 m左右，除西北海域，幾內亞灣涌浪波高在1.8 m以上，灣內近岸區域也存在波高2 m左右的涌浪。

4-a 風場 4-b 風浪場 4-c 涌浪場圖4 幾內亞灣2017年8月7號風場、風浪場、涌浪場Fig.4 Field of wind,wind wave,and swell in the Gulf of Guinea (2017-08-07)

圖5為8月24號0時幾內亞灣風場、風浪場和涌浪場。西南海域仍是風速較大區域，最大風速超過8 m/s，整個海域盛行東南風，風向呈順時針方向偏轉，幾內亞灣內除近岸區域外，整體風速大于4 m/s；受風場影響，中部海域有波高超過2 m等風浪，西非海域除部分近岸區域風浪波高在1.2 m以上，幾內亞灣內風浪整體波高超過1.4 m；涌浪分布與7號相比呈現較大不同，海域涌浪最大波高超過1.4 m，波高自南向北遞減，幾內亞灣內整體波高在0.7 m左右。

5-a 風場 5-b 風浪場 5-c 涌浪場圖5 幾內亞灣2017年8月24號風場、風浪場、涌浪場Fig.5 Field of wind,wind wave,and swell in the Gulf of Guinea (2017-08-24)

對比分析兩個典型時刻幾內亞灣的風場、風浪場、涌浪場可以看出，幾內亞灣受咆哮西風帶傳播而來的涌浪影響，風浪對該海域影響很小，涌浪占主導地位。海灣沿岸盛行南向海浪，波高等值線沿灣角向海灣深處衰減，灣內西北部和中部海域易出現2 m以上的涌浪，咆哮西風帶產生的大浪為傳播到幾內亞灣海域涌浪的主要來源。

4 加納Moree港近岸海浪特征

加納Moree港(1.198°W，5.130°N)位于幾內亞灣北側岸線中部(圖1)，加納海岸平均潮差約1.3 m，沿海平均潮流速度小于0.1 m/s，海浪為該海域主要動力因素。為準確確定Moree港海浪設計要素，需要對該港近岸動力條件有明確的了解，本研究依次在Moree外海域南側選取控制點a(1.167°W，4.868°N)和b(1.035°W，4.437°N)(圖1)，模擬a和b點的海浪特性，反映Moree港外海的典型海浪情況。

4.1 Moree港近岸特征點位海浪要素

表2和表3為模擬得到的控制點a和b的8月海浪要素特征值(最大值、最小值、平均值和最大出現頻率區間)。a和b控制點波浪要素的平均值較為接近，外側b點的有效波高明顯大于更近海岸線的a點，且頻繁出現波高超過2 m的海浪，而在平均波周期、峰周期上則小于a點，受近岸的地形變化的影響，a、b兩點的平均波向有3°左右的差異。綜合比較兩點的海浪要素特征，可以看出外側的b點較a點受到的波高更高、頻率更為頻繁的海浪影響。

表2 Moree外側a控制點海浪情況(2017-08)Tab.2 List of wave information at control point a outside Moree Port(2017-08)

表3 Moree外側b控制點海浪情況(2017-08)Tab.3 List of wave information at control point b outside Moree Port(2017-08)

圖6為a、b控制點8月的混合波有效波高和涌浪有效波高，兩點有效波高呈現較為類似的趨勢變化。由于兩點距離較近，所以沒有出現明顯的傳播時間滯后性；兩點均處于近岸淺水區并且存在一定的傳播時間和距離，因而波浪能量損失較多；8月初，a、b兩點波高出現極小值，8月25號左右兩點也出現極大值1.1 m，為整個8月出現的最大同一涌浪差；a點更接近近岸海域，水深較淺，能量損失嚴重，有效波高較低，與b點相差0.2 m左右，可見近岸的地形變化對波浪波高強度變化的影響較大，但涌浪波高最大值仍超過2 m，其影響不可忽視。

圖7為a、b控制點8月的平均波周期和峰周期，兩點的平均波周期和峰周期呈現極高的相關性。8月兩點平均波周期多變，峰周期有多個明顯的極值，峰周期的變化趨勢與有效波高趨同；8月7號最大峰周期達到20 s，與該時刻的有效波高情況一致；8月27號左右灣內兩點出現超過18 s的極大峰周期，這與涌浪在該時刻出現極值一致，中部海域出現高能涌浪；在平均波周期和峰周期上a點都略大于b點，差異的可能原因是a點在b點的西北向。

圖6 2017年8月控制點a和b混合波和涌浪有效波高頻率分布Fig.6 SWH frequency distribution of mixed wave and swell at control points a and b (2017-08)圖7 2017年8月控制點a和b平均波周期和峰 周期頻率分布Fig.7 Mean wave period and peak period frequency distribution at control points a and b (2017-08)

幾內亞灣海浪月平均有效波高中涌浪占了大部分能量，灣內易出現2 m以上的涌浪，波峰周期超過20 s，南大西洋咆哮西風帶傳播而來的涌浪對幾內亞灣及其附近海域造成顯著的影響。

4.2 Moree港近岸海浪一維海浪譜特性

為研究幾內亞灣介于最大最小海浪強度之間的海浪譜特性，增加了2017年8月14日0時(海浪強度介于最大最小之間)的海浪譜模擬。圖8為典型時刻(最大、中間、最小強度)a、b兩點的一維海浪譜。從兩個點一維波譜圖來看，能量集中在低頻區域，7號能量集中在更低頻率并且出現雙峰，24號0時灣內海浪整體呈現較弱狀態，此時兩點的譜密度最大值出現在頻率0.07 Hz附近，7號0時a和b點有效波高均強于14號0時，在譜密度上也呈現出明顯的能量差，同時24號兩點的最大譜密度出現在0.1 Hz，對應的周期在10 s左右，與峰周期在該時刻的值接近。聯系風場、浪場以及8月的波高和波周期變化趨勢，可知在該港口外海域即使處于波高極低的情況下，涌浪對該海域的影響仍占主導地位，涌浪在該海域容易集聚形成較大的能量。

8-a 控制點a8-b 控制點b圖8 典型時刻控制點a和b的一維波譜分布Fig.8 One dimensional spectral distribution of control points a and b at typical times

5 結論

本文基于第三代海浪模型SWAN對大西洋至幾內亞灣Moree港的海浪進行模擬，分析了幾內亞灣海域和近岸的海浪特性，并著重研究在該海域占主導作用的涌浪，主要結論如下：

(1)幾內亞灣涌浪在海浪的組成中占主導，受咆哮西風帶傳播而來的涌浪影響，幾內亞灣附近海域以南向海浪為主，8月出現超過2 m的涌浪是常態，即使有灣內群島的掩護，涌浪仍能傳播至掩護后方；幾內亞灣風場強度不大，8月出現在灣內風速為4～6 m/s，風向以西南向為主，海域中部雖然存在大風區，但對近岸風浪影響甚小，風浪近岸波高在1 m左右，對該海域影響很小。

(2)加納Moree港位于灣內西北岸線凸起的后方，其近岸浪高略低于周圍，但遭受的海浪強度并沒有明顯衰減，最大有效波高在2 m以上，在該海域新建港口工程需要特別注意該點；Moree港近岸海浪要素中，涌浪成分在整體海浪組成中占了大部分，從Moree港近岸海浪一維海浪譜可以看出，波浪能量多集中在低頻區域，近岸涌浪能量仍居主導地位。

(3)南大西洋咆哮西風帶產生的涌浪成南向(西南向)向大西洋中部低緯海域運動，以西南向為主的涌浪會襲擊整個幾內亞灣；幾內亞灣不論是在波高較大還是波高極小的情況下，涌浪都在該海域占據絕對主導地位，即使在近岸區域也存在波高超過2 m、峰周期超過20 s的涌浪，是當地海岸工程建設需要面對的困難；隨著該海域數據的增多，還要隨著觀測數據的獲取進行進一步的研究。