幾內(nèi)亞灣海浪特性數(shù)值模擬研究

徐福敏，邢 添*，周昕偉，成澤霖

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210024；3.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

幾內(nèi)亞灣位于大西洋中部、非洲西部，是非洲最大的海灣。幾內(nèi)亞灣沿岸油氣、礦物、農(nóng)業(yè)和航運(yùn)資源十分豐富。幾內(nèi)亞灣直接面對(duì)大西洋，海浪為幾內(nèi)亞灣主要海洋動(dòng)力因素，復(fù)雜的大西洋以及赤道海域的大氣和海洋動(dòng)力導(dǎo)致獨(dú)特的幾內(nèi)亞灣海洋動(dòng)力條件，對(duì)該海域海洋要素尤其海浪的深入研究也愈發(fā)緊迫。伴隨著油氣、海岸和航運(yùn)工程的開發(fā)需要對(duì)幾內(nèi)亞海域的海浪特性有系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí)，研究該海域海浪分布及傳播特性對(duì)灣內(nèi)港口、航道及海岸工程的建設(shè)開發(fā)意義重大。

迄今為止，許多學(xué)者已針對(duì)幾內(nèi)亞灣的風(fēng)、浪特性開展了研究。LAIBI等[1]和ALMAR等[2]認(rèn)為幾內(nèi)亞灣岸線受南大西洋高能涌浪的影響，同時(shí)驅(qū)動(dòng)沉積物向岸輸移。SENECHAL等[3]以及YATES等[4]基于特定地點(diǎn)的波高季節(jié)性變化分析，認(rèn)為赤道附近的波動(dòng)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性和年際變化特征。PREVOSTO等[5]基于西非海域觀測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)年內(nèi)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(fēng)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(shù)值模型WAVEWATCH III應(yīng)用于幾內(nèi)亞灣及其附近海域，發(fā)現(xiàn)幾內(nèi)亞灣冬季的波高值略小于夏季，分布規(guī)律則與夏季相似，灣內(nèi)波高分布存在空間差異。王科華等[7]根據(jù)DHI波浪整體數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)比分析了兩種幾內(nèi)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(nèi)亞灣雙層嵌套海浪模型，認(rèn)為幾內(nèi)亞灣海浪主要受南半球天氣系統(tǒng)的影響，灣內(nèi)中部海域可能出現(xiàn)高強(qiáng)涌浪。馮海暴等[9]分析了幾內(nèi)亞灣西端毛里塔尼亞友誼港海岸工程建設(shè)中長周期涌浪對(duì)于施工作業(yè)的影響。鄧夕貴等[10]對(duì)幾內(nèi)亞灣防波堤穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)表明，現(xiàn)有的一些規(guī)范公式對(duì)于長周期涌浪為主海域的擋浪墻穩(wěn)定性計(jì)算有待改進(jìn)。涌浪作為影響嚴(yán)重的海洋災(zāi)害之一，對(duì)海岸工程建設(shè)、近岸建筑物、在行船舶、石油平臺(tái)等海洋結(jié)構(gòu)物具有很強(qiáng)破壞性[11]。

受限于南大西洋和西非沿岸實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)的匱乏，現(xiàn)有針對(duì)幾內(nèi)亞灣沿岸的海浪研究僅依賴有限的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或粗分辨率數(shù)值模型模擬，缺乏對(duì)幾內(nèi)亞灣海域進(jìn)行完整性和系統(tǒng)性的研究，對(duì)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(nèi)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(jìn)一步研究機(jī)理，以更好地服務(wù)于當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)發(fā)展及工程建設(shè)。

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

1 海浪數(shù)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(yīng)用及認(rèn)可。SWAN模型的隱式計(jì)算方式有利于模型計(jì)算的穩(wěn)定，其機(jī)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(shù)值模型SWAN進(jìn)行大尺度至中小尺度范圍的嵌套模擬，研究幾內(nèi)亞灣海域海浪及其機(jī)理特征。

1.2 模型設(shè)置

幾內(nèi)亞灣海域橫跨赤道，海浪的產(chǎn)生、傳播及分布特性和南、北大西洋的風(fēng)、浪緊密相關(guān)。本研究建立的SWAN嵌套海浪模型計(jì)算范圍為：外層為整個(gè)大西洋，范圍為83°W-22°E，75°N-75°S，空間分辨率為15′×15′，經(jīng)、緯向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為420×600，內(nèi)層范圍為20°W-15°E，30°N-15°S，空間分辨率為5′×5′，經(jīng)、緯向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為420×540，內(nèi)外層計(jì)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(shù)據(jù)(https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/wcs-client/)。驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)采用多平臺(tái)海洋表面風(fēng)速交叉校準(zhǔn)風(fēng)場(chǎng)(CCMP)(http://data.remss.com/ccmp/v02.0/)。空間分辨率和時(shí)間分辨率分別為0.25°×0.25°和6 h。風(fēng)能輸入項(xiàng)采用CAVALERI和MALANOTTE-RIZZOLI[12]方法，三波相互作用項(xiàng)采用ELDEBERKY[13]的LTA方法，四波相互作用項(xiàng)采用HASSELMANN等[14]提出的DIA近似算法，白浪耗散項(xiàng)采用KOMEN等[15]方法，底摩擦耗散項(xiàng)采用HASSELMANN[16]方法，系數(shù)取0.015，水深變淺引起的破碎采用BATTJES和JANSSEN[17]方法，系數(shù)取0.73。

1-a 外層1-b 內(nèi)層1-c Moree港和控制點(diǎn)圖1 模型外層計(jì)算范圍Fig.1 Model outer domain

2 模型驗(yàn)證

受南大西洋海洋環(huán)境及地域發(fā)展等影響，幾內(nèi)亞灣及其附近海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏，現(xiàn)有的浮標(biāo)數(shù)據(jù)大多位于北美和歐洲海域，距離幾內(nèi)亞灣較遠(yuǎn)。衛(wèi)星遙感觀測(cè)技術(shù)具有全天候、高分辨率、高空間覆蓋率等的特點(diǎn)，目前Jason系列衛(wèi)星廣泛應(yīng)用于各海域海浪研究。Jason-3是由歐洲氣象衛(wèi)星組織(EUMESTAT)、NASA、法國國家空間研究中心(CNES)和NOAA聯(lián)合研制的海洋地形衛(wèi)星，Jason-3經(jīng)過完全校正的GDR數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，本研究在采用Jason-3衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證[18]。經(jīng)過熱帶大西洋海域的衛(wèi)星軌道超過30條，本研究選取經(jīng)過幾內(nèi)亞灣海域的4條軌跡，如圖2所示。模型模擬時(shí)段為2017年8月，以衛(wèi)星數(shù)據(jù)(有效波高)進(jìn)行海浪模型驗(yàn)證(圖3)，表1為模擬值與衛(wèi)星觀測(cè)值均方根誤差。

圖2 經(jīng)過幾內(nèi)亞灣海域部分Jason-3衛(wèi)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(cè)值整體變化趨勢(shì)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(shù)值模型模擬結(jié)果與衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)吻合度較高，表明模型可用于幾內(nèi)亞灣海浪數(shù)值模擬研究。

表1 SWAN模擬有效波高與Jason-3衛(wèi)星觀測(cè)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(wèi)星觀測(cè)有效波高與SWAN有效波高模擬值對(duì)比Fig.3 Comparison of SWAN stimulated significant wave heights (SWH) with Jason-3 data

3 幾內(nèi)亞灣風(fēng)浪、涌浪特性

海浪通常由風(fēng)浪和涌浪組成，在風(fēng)力直接作用下所形成的波浪稱為“風(fēng)浪”；當(dāng)風(fēng)浪離開風(fēng)的作用區(qū)域后在風(fēng)力甚小或無風(fēng)區(qū)中繼續(xù)傳播的波浪，或在風(fēng)作用區(qū)內(nèi)風(fēng)力顯著減小或風(fēng)停后繼續(xù)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(dá)式為

(1)

式中：E為波能密度；f為頻率；θ為方向?；谝痪S和二維海浪譜，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)浪、涌浪能量的分離[20]。

混合浪、風(fēng)浪、涌浪波高的關(guān)系式為

(2)

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

8月幾內(nèi)亞灣海域海浪為全年最活躍的時(shí)期，本研究選取2017年8月幾內(nèi)亞灣海域的海浪作為研究對(duì)象，分析幾內(nèi)亞灣的海浪特征。選取2017年8月最具代表性的兩個(gè)典型時(shí)刻(2017年8月7日0時(shí)和2017年8月24日0時(shí))，分別對(duì)應(yīng)灣內(nèi)有效波高最大(3.41 m)、最小時(shí)刻(2.98 m)。

圖4為8月7號(hào)0時(shí)幾內(nèi)亞灣風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪場(chǎng)和涌浪場(chǎng)。西南海域風(fēng)速較大，最大風(fēng)速達(dá)到8 m/s，灣內(nèi)盛行東南風(fēng)，除了中部和東南部分區(qū)域，整體風(fēng)速大于2 m/s；在風(fēng)速較大西南海域，風(fēng)浪波高達(dá)到最大，最大波高超過2.2 m，除了近岸區(qū)域，風(fēng)浪波高均在1 m以上；與風(fēng)浪的情況不同，涌浪在安哥拉沿岸達(dá)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(nèi)亞灣涌浪波高在1.8 m以上，灣內(nèi)近岸區(qū)域也存在波高2 m左右的涌浪。

4-a 風(fēng)場(chǎng) 4-b 風(fēng)浪場(chǎng) 4-c 涌浪場(chǎng)圖4 幾內(nèi)亞灣2017年8月7號(hào)風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪場(chǎng)、涌浪場(chǎng)Fig.4 Field of wind,wind wave,and swell in the Gulf of Guinea (2017-08-07)

圖5為8月24號(hào)0時(shí)幾內(nèi)亞灣風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪場(chǎng)和涌浪場(chǎng)。西南海域仍是風(fēng)速較大區(qū)域，最大風(fēng)速超過8 m/s，整個(gè)海域盛行東南風(fēng)，風(fēng)向呈順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)，幾內(nèi)亞灣內(nèi)除近岸區(qū)域外，整體風(fēng)速大于4 m/s；受風(fēng)場(chǎng)影響，中部海域有波高超過2 m等風(fēng)浪，西非海域除部分近岸區(qū)域風(fēng)浪波高在1.2 m以上，幾內(nèi)亞灣內(nèi)風(fēng)浪整體波高超過1.4 m；涌浪分布與7號(hào)相比呈現(xiàn)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(nèi)亞灣內(nèi)整體波高在0.7 m左右。

5-a 風(fēng)場(chǎng) 5-b 風(fēng)浪場(chǎng) 5-c 涌浪場(chǎng)圖5 幾內(nèi)亞灣2017年8月24號(hào)風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪場(chǎng)、涌浪場(chǎng)Fig.5 Field of wind,wind wave,and swell in the Gulf of Guinea (2017-08-24)

對(duì)比分析兩個(gè)典型時(shí)刻幾內(nèi)亞灣的風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪場(chǎng)、涌浪場(chǎng)可以看出，幾內(nèi)亞灣受咆哮西風(fēng)帶傳播而來的涌浪影響，風(fēng)浪對(duì)該海域影響很小，涌浪占主導(dǎo)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(nèi)西北部和中部海域易出現(xiàn)2 m以上的涌浪，咆哮西風(fēng)帶產(chǎn)生的大浪為傳播到幾內(nèi)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(nèi)亞灣北側(cè)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?jiǎng)恿σ蛩亍闇?zhǔn)確確定Moree港海浪設(shè)計(jì)要素，需要對(duì)該港近岸動(dòng)力條件有明確的了解，本研究依次在Moree外海域南側(cè)選取控制點(diǎn)a(1.167°W，4.868°N)和b(1.035°W，4.437°N)(圖1)，模擬a和b點(diǎn)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(diǎn)位海浪要素

表2和表3為模擬得到的控制點(diǎn)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(xiàn)頻率區(qū)間)。a和b控制點(diǎn)波浪要素的平均值較為接近，外側(cè)b點(diǎn)的有效波高明顯大于更近海岸線的a點(diǎn)，且頻繁出現(xiàn)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(diǎn)，受近岸的地形變化的影響，a、b兩點(diǎn)的平均波向有3°左右的差異。綜合比較兩點(diǎn)的海浪要素特征，可以看出外側(cè)的b點(diǎn)較a點(diǎn)受到的波高更高、頻率更為頻繁的海浪影響。

表2 Moree外側(cè)a控制點(diǎn)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(cè)b控制點(diǎn)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(diǎn)8月的混合波有效波高和涌浪有效波高，兩點(diǎn)有效波高呈現(xiàn)較為類似的趨勢(shì)變化。由于兩點(diǎn)距離較近，所以沒有出現(xiàn)明顯的傳播時(shí)間滯后性；兩點(diǎn)均處于近岸淺水區(qū)并且存在一定的傳播時(shí)間和距離，因而波浪能量損失較多；8月初，a、b兩點(diǎn)波高出現(xiàn)極小值，8月25號(hào)左右兩點(diǎn)也出現(xiàn)極大值1.1 m，為整個(gè)8月出現(xiàn)的最大同一涌浪差；a點(diǎn)更接近近岸海域，水深較淺，能量損失嚴(yán)重，有效波高較低，與b點(diǎn)相差0.2 m左右，可見近岸的地形變化對(duì)波浪波高強(qiáng)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(diǎn)8月的平均波周期和峰周期，兩點(diǎn)的平均波周期和峰周期呈現(xiàn)極高的相關(guān)性。8月兩點(diǎn)平均波周期多變，峰周期有多個(gè)明顯的極值，峰周期的變化趨勢(shì)與有效波高趨同；8月7號(hào)最大峰周期達(dá)到20 s，與該時(shí)刻的有效波高情況一致；8月27號(hào)左右灣內(nèi)兩點(diǎn)出現(xiàn)超過18 s的極大峰周期，這與涌浪在該時(shí)刻出現(xiàn)極值一致，中部海域出現(xiàn)高能涌浪；在平均波周期和峰周期上a點(diǎn)都略大于b點(diǎn)，差異的可能原因是a點(diǎn)在b點(diǎn)的西北向。

圖6 2017年8月控制點(diǎn)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(diǎn)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(nèi)亞灣海浪月平均有效波高中涌浪占了大部分能量，灣內(nèi)易出現(xiàn)2 m以上的涌浪，波峰周期超過20 s，南大西洋咆哮西風(fēng)帶傳播而來的涌浪對(duì)幾內(nèi)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(nèi)亞灣介于最大最小海浪強(qiáng)度之間的海浪譜特性，增加了2017年8月14日0時(shí)(海浪強(qiáng)度介于最大最小之間)的海浪譜模擬。圖8為典型時(shí)刻(最大、中間、最小強(qiáng)度)a、b兩點(diǎn)的一維海浪譜。從兩個(gè)點(diǎn)一維波譜圖來看，能量集中在低頻區(qū)域，7號(hào)能量集中在更低頻率并且出現(xiàn)雙峰，24號(hào)0時(shí)灣內(nèi)海浪整體呈現(xiàn)較弱狀態(tài)，此時(shí)兩點(diǎn)的譜密度最大值出現(xiàn)在頻率0.07 Hz附近，7號(hào)0時(shí)a和b點(diǎn)有效波高均強(qiáng)于14號(hào)0時(shí)，在譜密度上也呈現(xiàn)出明顯的能量差，同時(shí)24號(hào)兩點(diǎn)的最大譜密度出現(xiàn)在0.1 Hz，對(duì)應(yīng)的周期在10 s左右，與峰周期在該時(shí)刻的值接近。聯(lián)系風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)以及8月的波高和波周期變化趨勢(shì)，可知在該港口外海域即使處于波高極低的情況下，涌浪對(duì)該海域的影響仍占主導(dǎo)地位，涌浪在該海域容易集聚形成較大的能量。

8-a 控制點(diǎn)a8-b 控制點(diǎn)b圖8 典型時(shí)刻控制點(diǎn)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(jié)論

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

(1)幾內(nèi)亞灣涌浪在海浪的組成中占主導(dǎo)，受咆哮西風(fēng)帶傳播而來的涌浪影響，幾內(nèi)亞灣附近海域以南向海浪為主，8月出現(xiàn)超過2 m的涌浪是常態(tài)，即使有灣內(nèi)群島的掩護(hù)，涌浪仍能傳播至掩護(hù)后方；幾內(nèi)亞灣風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度不大，8月出現(xiàn)在灣內(nèi)風(fēng)速為4～6 m/s，風(fēng)向以西南向?yàn)橹?，海域中部雖然存在大風(fēng)區(qū)，但對(duì)近岸風(fēng)浪影響甚小，風(fēng)浪近岸波高在1 m左右，對(duì)該海域影響很小。

(2)加納Moree港位于灣內(nèi)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(qiáng)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(diǎn)；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(qū)域，近岸涌浪能量仍居主導(dǎo)地位。

(3)南大西洋咆哮西風(fēng)帶產(chǎn)生的涌浪成南向(西南向)向大西洋中部低緯海域運(yùn)動(dòng)，以西南向?yàn)橹鞯挠坷藭?huì)襲擊整個(gè)幾內(nèi)亞灣；幾內(nèi)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(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，即使在近岸區(qū)域也存在波高超過2 m、峰周期超過20 s的涌浪，是當(dāng)?shù)睾０豆こ探ㄔO(shè)需要面對(duì)的困難；隨著該海域數(shù)據(jù)的增多，還要隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取進(jìn)行進(jìn)一步的研究。