北大西洋海浪特征分析

徐秀枝 熊巧文 田秋實(shí) 艾紅霞

摘 要：利用歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）ERA-Interim數(shù)據(jù)集提供的1979年1月-2014年12月一日四次的海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析北大西洋海域海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空變化特征，然后進(jìn)行海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)相關(guān)性分析，為北大西洋深水區(qū)石油平臺(tái)建設(shè)的設(shè)計(jì)和管理提供參考。

關(guān)鍵詞：ERA-Interim;北大西洋;海浪場(chǎng);風(fēng)場(chǎng)

中圖分類號(hào)：U445.3? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0106-02

21世紀(jì)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，陸地資源逐漸匱乏，越發(fā)體現(xiàn)出海洋的重要性，但沿海地區(qū)也是海洋自然災(zāi)害的頻發(fā)區(qū)。在海洋工程中，海浪是最活躍、最重要的動(dòng)力要素之一，海洋中的波動(dòng)是海水重要的運(yùn)動(dòng)形式之一[1]。大西洋作為世界上的第二大洋，是世界海上航運(yùn)的中心之一，集中了諸多世界海運(yùn)航線，貨運(yùn)量居各大洋之首。對(duì)各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋開(kāi)發(fā)、國(guó)防安全等都具有極為重要的意義。

前人對(duì)海浪早有研究，19世紀(jì)主要是將復(fù)雜而隨機(jī)的海浪運(yùn)動(dòng)表示為確定的函數(shù)形式，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)進(jìn)行描述。到20世紀(jì)50年代，隨機(jī)海浪理論發(fā)展起來(lái)，它將海浪運(yùn)動(dòng)表達(dá)為隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)隨機(jī)過(guò)程理論分析給出不同情況下海浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征。但是由于觀測(cè)手段和計(jì)算機(jī)條件的限制，缺乏長(zhǎng)時(shí)間的海浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)廣闊的大西洋長(zhǎng)期的氣候變化研究更少。直到20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和地球系統(tǒng)科學(xué)研究的發(fā)展，隨之涌現(xiàn)出了大量的高分辨率海洋觀測(cè)資料，一系列數(shù)據(jù)同化[2]算法被相繼提出。目前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、反演或同化數(shù)據(jù)分析、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等技術(shù)手段使得海洋氣候的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段。

從19世紀(jì)70年代開(kāi)始，歐洲科學(xué)家Rye[3]、Lamb等就開(kāi)始對(duì)波候的變化情況進(jìn)行研究，利用當(dāng)時(shí)僅有的北大西洋和歐洲北海的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，他們首先提出了波浪環(huán)境可能存在變化的趨勢(shì)。1988年，Carter et al.[4]指出東北大西洋波高存在顯著的增加。隨后，Bacon et al.[5]整理所有可能得到的北大西洋和北海的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，分析發(fā)現(xiàn)北大西洋海域可能從五十年代起有效波高就開(kāi)始以一定的速度在增加。國(guó)內(nèi)也有不少學(xué)者對(duì)該海域波候進(jìn)行研究，像劉金芳、韓樹(shù)宗等等[6-8]。本文主要采用ECMWF的ERA-Interim數(shù)據(jù)集中的有效波高和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析北大西洋波候變化，其時(shí)間分辨率為6小時(shí)，空間分辨率為0.75°×0.75°，時(shí)間范圍從1979年1月-2014年12月。

1北大西洋海浪場(chǎng)變化特征

圖1給出了1979年-2014年典型月份（春、夏、秋、冬四季）北大西洋平均有效波高空間分布圖。

從圖中可以看出，北大西洋地區(qū)波高介于0～4米范圍內(nèi)，有明顯的季節(jié)變化特征。其中冬季（即11月到次年3月）的波高明顯高于其他季節(jié)，出現(xiàn)環(huán)狀分布的最大值，大值區(qū)域大致位于亞速爾群島西北部海域，即在50°N～60°N， 50°W～15°W范圍內(nèi)，波高由此區(qū)域向西南方向遞減，最大有效波高值出現(xiàn)在12月，達(dá)到了4m。到了春季（4月-5月）環(huán)狀大值區(qū)域收縮減小，波高也迅速下降，只有在亞速爾群島附近的波高值還保持在3m左右，其他地區(qū)都在2m以下。到了夏季（6月-8月），波高值繼續(xù)減小，大約在7月份達(dá)到全年最小值，波高大多在1.5m以下。到了秋季（9月-10月），波高值又開(kāi)始回增，到了10月，亞速爾群島附近波高已經(jīng)達(dá)到了3.5m左右。

2北大西洋風(fēng)場(chǎng)月變化特征

圖2是北大西洋典型月份（春、夏、秋、冬四季）風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)速、風(fēng)向）的平均圖，為了和上文的波高做對(duì)比，這里只分析海洋上的風(fēng)速，覆蓋掉陸地上的風(fēng)速。

整體來(lái)看，北大西洋四季風(fēng)場(chǎng)與海浪場(chǎng)的分布基本一致，也具有明顯的季節(jié)變化特征，海表風(fēng)速變化范圍較大，大多數(shù)在0～11米范圍。風(fēng)速出現(xiàn)了兩個(gè)大值區(qū)，分別位于加勒比海及其東南海域和亞速爾群島附近海域。在亞速爾群島附近海域冬季風(fēng)速最大，達(dá)到了11m/s，夏季（6月-8月）風(fēng)速最小，最大值只有8m/s左右，而春秋季為過(guò)渡季節(jié)，最大風(fēng)速約為9m/s。在加勒比海及其以東海域風(fēng)速相比于亞速爾群島海域要小得多，冬季最大風(fēng)速也只有8.5m/s。此外，在大約20°N～30°N存在一低值風(fēng)速帶，四季均存在，只是在夏季位置稍微偏北，此低值風(fēng)速帶的浪場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)并不完全對(duì)應(yīng)，只是在夏季有一對(duì)應(yīng)較好的低值區(qū)呈帶狀分布，與低值風(fēng)速帶對(duì)應(yīng)較好。

從圖中我們還可以看出在30°N～70°N海域，風(fēng)向四季皆以西南風(fēng)為主，0°N～30°N海域，東部海域以東北風(fēng)為主，中西部海域以偏東風(fēng)為主。在亞速爾群島附近風(fēng)場(chǎng)存在一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，且四季都存在。

3北大西洋海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)相關(guān)性分析

上節(jié)分析得出海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)都具有很強(qiáng)的季節(jié)性變化特點(diǎn)，所以本節(jié)分析海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)性變化幅度來(lái)判斷風(fēng)、浪的相關(guān)性。圖3給出了有效波高和風(fēng)速季節(jié)平均變化幅度的相關(guān)系數(shù)空間分布圖。

從圖中我們可以看出，四個(gè)季節(jié)中只有加勒比海以東部分區(qū)域相關(guān)性較差，其他區(qū)域有效波高和風(fēng)速都有很強(qiáng)的相關(guān)性。這說(shuō)明風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)北大西洋海浪場(chǎng)有很大的影響。在亞速爾群島附近海域相關(guān)系數(shù)大多在0.9以上，這說(shuō)明該海域的波動(dòng)主要是由風(fēng)場(chǎng)引起的，其海浪以風(fēng)浪為主。

4結(jié)論

利用ERA-Interim數(shù)據(jù)集提供的1979年1月-2014年12月的海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析北大西洋海域海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)月平均的時(shí)空變化特征。發(fā)現(xiàn)有效波高和風(fēng)速有明顯的季節(jié)性變化特征，且它們存在很強(qiáng)的相關(guān)性。說(shuō)明風(fēng)速變化對(duì)北大西洋海浪場(chǎng)有很大的影響。冬季有效波高為全年最大，有效波高變化和風(fēng)場(chǎng)對(duì)應(yīng)，春秋季為過(guò)渡期，風(fēng)速減弱，波高也相應(yīng)變化，所以說(shuō)北大西洋海浪以風(fēng)浪為主，這可為北大西洋深水區(qū)石油平臺(tái)建設(shè)的設(shè)計(jì)和管理提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 俞慕耕， 周雅靜. 大西洋歐洲沿海的海浪特點(diǎn)[J]. 海洋通報(bào)， 1999， 18（4）： 11-20.