基于FHDI-GNWM 數(shù)據(jù)的全球波浪宏觀分布特征初步分析成果

鐘雄華，王科華，任趙飛

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

波浪作為一種自然現(xiàn)象一直備受關(guān)注，研究波浪的空間分布特征對(duì)于港口建設(shè)和船舶航行安全等具有重要意義[1-2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于波浪的空間分布特征已做過大量的研究。2018 年，易風(fēng)等[3]基于ERA-Interim 的波浪再分析資料，分析了南海海域波浪的時(shí)空分布特征。2019 年，高林春等[4]基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的波浪數(shù)據(jù)，分析了波斯灣風(fēng)浪場(chǎng)的特征。2019 年，徐亞男等[5]利用ECMWF 再分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了多年孟加拉灣波浪場(chǎng)。2021 年，江森匯等[6]基于40 a 的ERA-Interim 再分析波浪資料，從總體分布特征上分析了廣東沿海波浪能資源及其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。2022 年，過瑞康等[7]基于ERA-5 再分析數(shù)據(jù)集中的波要素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)西非區(qū)域的混合浪、涌浪和風(fēng)浪的有效波高和周期的時(shí)空分布進(jìn)行了分析。2022 年，丁杰等[8]利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心近37 a 波浪再分析數(shù)據(jù)，分析了南海海域的波浪能資源時(shí)空分布特征。目前大部分的文獻(xiàn)主要是基于波浪再分析數(shù)據(jù)庫分析局部區(qū)域的波浪分布情況，很少有系統(tǒng)性分析全球波浪空間分布特征的文章。本文基于FHDI-GNMW 全球波浪后報(bào)數(shù)據(jù)庫[9]，詳細(xì)分析了全球波浪的空間宏觀分布特征，從而為系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)全球波浪特征提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源和分析總體思路

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2011—2015 年共5 a 的FHDI-GNWM全球波浪數(shù)據(jù)（包括有效波高Hs、譜峰周期Tp和主波向Dmain）作為全球波浪分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析全球有效波高Hs平均值、全球譜峰周期Tp和主波向的空間宏觀分布特征。

1.2 分析的總體思路

1） 分析Hs平均值在全球的分布規(guī)律主要是為了從宏觀的角度認(rèn)識(shí)波高在全球不同海域的分布特征；

2） 分析Tp在全球的分布特征主要是因?yàn)槿虿煌Ｓ虿ㄖ芷诖嬖诒容^大的差異，比如在中國近岸海域以風(fēng)浪為主，而在西非則主要以涌浪為主，通過對(duì)全球Tp分布特征進(jìn)行分析，有助于進(jìn)一步了解Tp在不同海域的分布規(guī)律；

3） 分析主波向Dmain在全球的分布規(guī)律主要是因?yàn)槿蛟诓煌暥人幍娘L(fēng)速帶不同，比如0°N—30°N 為東北信風(fēng)帶，30°N—60°N 為盛行西風(fēng)帶等，而不同風(fēng)速帶可能會(huì)造成不同海域的波向不同，因而分析主波向在全球的分布規(guī)律有助于理解波向分布特征。

2 全球有效波高Hs 平均值的空間宏觀分布特征

2.1 有效波高Hs 平均值在全球范圍的空間宏觀分布特征

有效波高Hs平均值在全球范圍的空間宏觀分布圖見圖1。由圖可知，Hs平均值整體上南半球大于北半球，且在南極繞極流區(qū)域形成了一條明顯的有效波高Hs平均值大于3.6 m 的高值區(qū)。不同緯度范圍內(nèi)，有效波高Hs平均值的全球空間分布特征見表1。

表1 不同緯度范圍內(nèi)有效波高Hs 平均值全球空間分布特征Table 1 Global spatial characteristics of average value of Hs at different latitudes

2.2 有效波高Hs 平均值在全球主要大洋的空間分布特征

為進(jìn)一步分析有效波高Hs平均值的空間分布特征，分別對(duì)全球主要大洋的有效波高Hs平均值的空間分布特征進(jìn)行分析。

西北太平洋有效波高Hs平均值的空間分布圖見圖2。由圖可知，從總體上看，波高隨著緯度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。不同緯度范圍內(nèi)，西北太平洋有效波高Hs平均值空間分布特征見表2。

圖2 西北太平洋有效波高Hs 平均值的空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of the average value of Hs in the Northwest Pacific

表2 不同緯度范圍內(nèi)西北太平洋有效波高Hs 平均值空間分布特征Table 2 Spatial characteristics of average value of Hs in the Northwest Pacific at different latitudes

2） 東太平洋

東太平洋有效波高Hs平均值的空間分布圖見圖3。

圖3 東太平洋有效波高Hs 平均值的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of the average value of Hs in the East Pacific

由圖3 可知，從總體上看，Hs平均值呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)，在南極繞極流區(qū)域形成了一條明顯的平均波高大于3.6 m 的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶呈遞減分布。不同緯度范圍內(nèi)，東太平洋有效波高Hs平均值空間分布特征如表3所示。

表3 不同緯度范圍內(nèi)東太平洋有效波高Hs 平均值空間分布特征Table 3 Spatial characteristics of average value of Hs in the East Pacific at different latitudes

3） 南大西洋

南大西洋有效波高Hs平均值的空間分布圖見圖4，由圖4 可知，從總體上看，隨著緯度從0°S逐漸增大，波高變化規(guī)律為“先增大后減小”。不同緯度范圍內(nèi)，南大西洋有效波高Hs平均值空間分布特征見表4。

表4 不同緯度范圍內(nèi)南大西洋有效波高Hs 平均值空間分布特征Table 4 Spatial characteristics of average value of Hs in the South Atlantic at different latitudes

4） 北大西洋

第一，細(xì)化發(fā)展規(guī)劃。各科室對(duì)標(biāo)國內(nèi)本?？魄把丶夹g(shù)，擬訂發(fā)展項(xiàng)目，醫(yī)院組織專家結(jié)合該專科的實(shí)際情況進(jìn)行論證，最終確定個(gè)性化的發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施步驟。

北大西洋有效波高Hs平均值的空間分布圖見圖5。由圖5 可知，從總體上看，波高隨著緯度的增大呈現(xiàn)“先增大后減小”的變化規(guī)律。不同緯度范圍內(nèi)，北大西洋有效波高Hs平均值空間分布特征見表5。

圖5 北大西洋有效波高Hs 平均值的空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of the average value of Hs in the North Atlantic

表5 不同緯度范圍內(nèi)北大西洋有效波高Hs 平均值空間分布特征Table 5 Spatial characteristics of average value of Hs in the North Atlantic at different latitudes

5） 印度洋

印度洋有效波高Hs平均值空間分布圖見圖6。

圖6 印度洋有效波高Hs 平均值的空間分布圖Fig.6 Spatial distribution map of the average value of Hs in the Indian Ocean

由圖6 可知，從空間分布來看，Hs平均值呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱特點(diǎn)，在50°S 區(qū)域形成了一條明顯的平均波高大于4.2 m 的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶遞減分布。不同緯度范圍內(nèi)，印度洋有效波高Hs平均值空間分布特征見表6。

表6 不同緯度范圍內(nèi)印度洋有效波高Hs 平均值空間分布特征Table 6 Spatial characteristics of average value of Hs in the Indian Ocean at different latitudes

3 全球譜峰周期Tp 和主波向的空間宏觀分布特征

3.1 譜峰周期Tp 的空間宏觀分布特征

譜峰周期Tp平均值全球空間分布圖見圖7，超越概率為1%和10%的譜峰周期Tp全球空間分布圖分別見圖8 和圖9。

圖7 譜峰周期Tp 平均值全球空間分布圖Fig.7 Global spatial distribution map of average value of Tp

圖8 超越概率為1%的譜峰周期Tp 全球空間分布圖Fig.8 Global spatial distribution map of Tp with 1%exceedance

圖9 超越概率為10%的譜峰周期Tp 全球空間分布圖Fig.9 Global spatial distribution map of Tp with 10%exceedance

由圖7 可知，從整體分布來看，全球絕大部分海區(qū)Tp平均值大于12 s，并且Tp在各大洲的西海岸要明顯大于東海岸。Tp平均值的最大值出現(xiàn)在東太平洋20°N—20°S 范圍靠近墨西哥、哥倫比亞、厄瓜多爾、秘魯?shù)暮^(qū)，該海區(qū)Tp平均值超過14 s；其次為印度洋靠近馬來西亞、澳大利亞西海岸的海區(qū)，該海區(qū)Tp平均值超過13 s。Tp平均值相對(duì)較小、風(fēng)浪為主的海區(qū)基本位于各大洲的東海岸以及全球主要的內(nèi)海及海灣，主要分布在墨西哥灣、加勒比海、美國東海岸、地中海、紅海、波斯灣、馬達(dá)加斯加以北的非洲東海岸、西北太平洋第一島鏈以西海域、南太平洋各國大部分海域、澳大利亞北部海域等。

由圖8 和圖9 可知，上述Tp平均值相對(duì)較小、風(fēng)浪為主的海區(qū)也會(huì)出現(xiàn)一定頻率的大周期涌浪，因此全球絕大部分海區(qū)均存在大周期涌浪，但出現(xiàn)頻率差異明顯。Tp最大的海區(qū)依次為東太平洋、印度洋、大西洋東部海區(qū)，超越概率為1%的譜峰周期Tp分別為18～21 s、18～20 s、17～19 s，超越概率為10%的譜峰周期Tp分別為15～17 s、15～17 s、14～16 s。

上述波周期的全球空間分布特征與各大洋波浪主要源自南北緯30°—60°的盛行西風(fēng)帶、波浪長(zhǎng)距離傳播中經(jīng)一系列物理過程后波浪能量向低頻段轉(zhuǎn)移、以及各海區(qū)的波浪掩護(hù)條件有關(guān)。

3.2 主波向的空間宏觀分布特征

主波向Dmain全球空間分布圖見圖10。

圖10 主波向Dmain 全球空間分布圖Fig.10 Global spatial distribution map of main wave direction Dmain

對(duì)于東太平洋靠近北美洲、南美洲西海岸的海區(qū)，0°—20°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為SSW 向，20°N—40°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為WNW—W 向，40°N—60°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為W—SW 向；0°—20°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為SSW 向，20°S—40°S范圍內(nèi)主波向Dmain為SW 向，40°S—60°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為W 向。

對(duì)于大西洋靠近北美洲、南美洲東海岸的海區(qū)，0°—20°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為ENE—E 向，20°N—40°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為E—ESE 向，40°N—60°N 范圍內(nèi)主波向Dmain變化較大，0°—20°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為SE 向，20°S—40°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為S—SSW 向，40°S—60°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為SW 向。

對(duì)于大西洋靠近歐洲、非洲西海岸的海區(qū)，0°—20°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為S—SSW 向，20°N—40°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為NW—NNW 向，40°N—60°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為WNW—W 向，0°—20°S范圍內(nèi)主波向Dmain為S—SSW 向，20°S—40°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為S、SW 向。

對(duì)于印度洋靠近非洲東海岸的海區(qū)，0°—20°S范圍內(nèi)主波向Dmain為SSE—SE 向，20°S—40°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為SSW—SW 向；阿拉伯海主波向Dmain為SSW—SW 向，孟加拉灣主波向Dmain為SSW 向。

對(duì)于西北太平洋，0°—20°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為ENE 向，20°N—40°N 范圍內(nèi)主波向Dmain為E 向，40°N—60°N 范圍內(nèi)主波向Dmain變化較大。

對(duì)于南太平洋，0°—20°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為NE 向及SE 向，20°S—40°S 范圍內(nèi)主波向Dmain為SE 向及SW 向。

4 結(jié)語

基于FHDI-GNWM 全球波浪數(shù)據(jù)庫，研究了全球波浪空間宏觀分布特征，結(jié)論如下：

1） 全球有效波高Hs的平均值總體上南半球大于北半球，在南半球?qū)?yīng)于南極繞極流區(qū)域形成了一條明顯的有效波高Hs平均值大于3.6 m 的高值區(qū)。

2） 有效波高Hs平均值在全球主要大洋的空間分布特征各不相同，對(duì)于西北太平洋和北大西洋而言，從總體上看，隨著緯度從0°N 逐漸增大，波高變化規(guī)律為先增大后減?。粚?duì)于東太平洋而言，有效波高Hs平均值呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)，在南半球?qū)?yīng)于南極繞極流區(qū)域形成了一條明顯的平均波高大于3.6 m 的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶呈遞減分布；對(duì)于南大西洋而言，有效波高Hs平均值隨著緯度從0°S 逐漸增大，波高變化規(guī)律為先增大后減小；對(duì)于印度洋而言，有效波高Hs平均值呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱特點(diǎn)，在50°S 區(qū)域形成了一條明顯的平均波高大于4.2 m的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶遞減分布。

3） 全球譜峰周期Tp從整體分布來看，全球絕大部分海區(qū)Tp平均值大于12 s，并且Tp在各大洲的西海岸要明顯大于東海岸，波周期的全球空間分布特征與各大洋波浪主要源自南北緯30°—60°的盛行西風(fēng)帶、波浪長(zhǎng)距離傳播中經(jīng)一系列物理過程后波浪能量向低頻段轉(zhuǎn)移、以及各海區(qū)的波浪掩護(hù)條件有關(guān)。

4） 全球主波向分布規(guī)律不明顯，不同海域的主波向存在明顯差異。