基于ERA-5 的西非海域波浪時(shí)空分布特征分析

過瑞康，鄧夕貴，范駿，李運(yùn)欽，陶愛峰*

（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，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

0 引言

西非指東起乍得湖，西至大西洋，南瀕幾內(nèi)亞灣，北臨撒哈拉沙漠的非洲西部地區(qū)，包含毛里塔尼亞、塞內(nèi)加爾、佛得角、利比里亞、尼日利亞等16個(gè)國家和地區(qū)[1-2]，如圖1 所示。

圖1 西非區(qū)域示意圖Fig.1 Map of West Africa region

西非海域的海岸線長達(dá)2 278 km，隨著西非地區(qū)的不斷發(fā)展，西非海域?qū)τ谖鞣堑貐^(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)意義不斷凸顯。一方面，西非國家與世界經(jīng)濟(jì)的聯(lián)系不斷加強(qiáng)，其對(duì)外主要貿(mào)易國為歐盟、中國、美國，而海運(yùn)為主要的貿(mào)易方式，對(duì)于碼頭、防波堤等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有著較高的要求；另一方面，西非海域成為世界油氣資源開發(fā)的三大熱點(diǎn)區(qū)域之一，特別是在深水油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域不斷有新的發(fā)現(xiàn)[3]，因?yàn)槠渚薮蟮陌l(fā)展?jié)摿ΓＩ鲜推脚_(tái)等海洋結(jié)構(gòu)物的建設(shè)力度也不斷加大。

海上石油鉆井平臺(tái)等海上浮式結(jié)構(gòu)物，以及碼頭防波堤等陸上建筑物都受到來自海浪的影響[4]，研究波浪的分布特征對(duì)海上航行、海洋資源開發(fā)利用、防止和減少海浪災(zāi)害都具有重要的意義。西非緊鄰大西洋，當(dāng)?shù)仫L(fēng)引起的風(fēng)浪較弱，來自北大西洋和南大西洋的涌浪較為強(qiáng)烈[5]。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)西非海域的波浪進(jìn)行了研究。Allersma等[5]對(duì)科特迪瓦和利比里亞附近海域的波浪進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)仫L(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)浪最大波高在1.25 m 以下，而涌浪最大波高可達(dá)3 m 以上。Olaniyan等[6]研究海洋氣象站的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大潮高潮位時(shí)的涌浪高度超過2.5 m。Forristall 等[7]通過實(shí)測和后報(bào)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)西非涌浪的能量趨近于正態(tài)分布。Akinsanya 等[8]發(fā)現(xiàn)可以用三參數(shù)威布爾模型較為準(zhǔn)確地預(yù)測西非涌浪的波高等參數(shù)。Nerzic 等[9]結(jié)合3 a 的實(shí)測數(shù)據(jù)，給出了西非局部地區(qū)風(fēng)、浪、流的聯(lián)合分布關(guān)系?？梢钥吹?，前人對(duì)于西非海域的波浪和風(fēng)、浪、流之間的關(guān)系已經(jīng)有了較為深入的研究，但是由于缺少長時(shí)間的連續(xù)觀測和后報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)更長時(shí)間，更大尺度的研究分析很少。

本文使用ERA-5 數(shù)據(jù)集對(duì)西非地區(qū)的風(fēng)浪、涌浪以及混合浪的時(shí)空變化進(jìn)行研究。ERA-5 是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Center for Medium-Range Weather forecasts，ECMWF）發(fā)布的第五代全球氣象再分析數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)覆蓋時(shí)間從1950年至今，前代的數(shù)據(jù)集有ERA-Interim、ERA-40、ERA-15 等。ERA-5 數(shù)據(jù)集及其前代產(chǎn)品都得到了國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可和廣泛運(yùn)用。李榮波等[10]通過ERA-40 資料采用MK 突變檢驗(yàn)方法計(jì)算1957—2002年南海海表風(fēng)速、波高的空間分布特征與長期變化趨勢，發(fā)現(xiàn)南海風(fēng)速場和海浪場在該年段間存在下降的趨勢。Wu 等[11]利用ERAInterim 與ERA-40 的波浪數(shù)據(jù)結(jié)合美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）發(fā)布的20 世紀(jì)再分析資料（20CR）構(gòu)建了1911—2010年間中國海域海平面壓力和波高（Hs-SLP）多元回歸模型，較好地再現(xiàn)了南海區(qū)域最大和平均有效波高的季節(jié)變化。全球范圍內(nèi)，Semedo 等[12]結(jié)合ERA-40、ERAInterim等數(shù)據(jù)計(jì)算出全球風(fēng)浪、涌浪場能量的季節(jié)空間分布，發(fā)現(xiàn)全球波浪場以涌浪為主導(dǎo)。莊曉宵等[13]通過采用ERA-Interim 數(shù)據(jù)集對(duì)全球海表風(fēng)場與波高等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出了涌浪及風(fēng)浪的分布特征。前人的研究都證明ERA-5 數(shù)據(jù)集可靠性強(qiáng)，適用范圍廣。本文選用ERA-5 相關(guān)參數(shù)，對(duì)西非海域波浪的空間變化、季節(jié)變化、危險(xiǎn)性等進(jìn)行研究，從而加強(qiáng)對(duì)其變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 ERA-5 數(shù)據(jù)集與研究范圍

1.1 ERA-5 數(shù)據(jù)集

本文采用ECMWF 發(fā)布的第五代全球氣象再分析數(shù)據(jù)ERA-5 數(shù)據(jù)集。ERA-5 數(shù)據(jù)集基于歐洲發(fā)布的IFS Cycle 41r2 系統(tǒng)模擬得到，并使用4維變量資料同化系統(tǒng)（4D-Var）整合了大量衛(wèi)星高度計(jì)、浮標(biāo)等觀測數(shù)據(jù)以及海浪模式數(shù)據(jù)[14]。本文選用數(shù)據(jù)覆蓋時(shí)間為1979年1 月—2020年12月，時(shí)間間隔為1 h，海洋再分析數(shù)據(jù)水平分辨率為0.5°×0.5°，具有時(shí)間和空間上的連續(xù)性。選用的數(shù)據(jù)有混合浪有效波高（SWH），涌浪有效波高（SHTS），風(fēng)浪有效波高（SHWW），混合浪平均周期（MWP），涌浪平均周期（MPTS），風(fēng)浪平均周期（MPWW）。

1.2 研究范圍

研究區(qū)域范圍為30°W—20°E，25°N—30°S，以保證該范圍能夠充分涵蓋整個(gè)西非海域。

西非地區(qū)是典型的熱帶型氣候，全年高溫，分為旱雨兩季，旱季為10 月—翌年3 月，雨季為4—9 月[15]，當(dāng)?shù)仫L(fēng)在西非地區(qū)產(chǎn)生的風(fēng)浪較小。在旱季，南大西洋40°S—60°S 之間的風(fēng)暴產(chǎn)生的涌浪從南部向西南方向進(jìn)入西非海域。在雨季，能觀察到來自北大西洋的西北涌浪[16-17]。

2 西非海域海浪的時(shí)空分布特征

2.1 波高的空間分布

將42 a 的混合浪、涌浪和風(fēng)浪的波高逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到了其平均有效波高的空間分布，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 1979—2020年混合浪、涌浪和風(fēng)浪平均有效波高的空間分布Fig.2 Spatial distribution of average significant wave height of combined wave,swell and wind wave from 1979 to 2020

涌浪有效波高由近岸向離岸處逐漸變大。其最大值為2.19 m，位于西非海域的東南部。之前的研究表明受到北半球冬季風(fēng)暴的影響，涌浪從北大西洋傳入西非海域，南大西洋風(fēng)暴產(chǎn)生的涌浪從南部傳入西非海域[11]。赤道以北，風(fēng)浪波高由南向北逐漸增大；赤道以南，風(fēng)浪波高由南向北先增大后減小，在毛里塔尼亞海域北部達(dá)到最大值1.19 m?；旌侠耸秋L(fēng)浪和涌浪的相互作用。從混合浪的有效波高的空間分布中觀察到，它與涌浪具有非常相似的變化規(guī)律，混合浪的有效波高由近岸向離岸、低緯度向高緯度逐漸增加，其最大值位于西非海域東南部，達(dá)到2.50 m。而在毛里塔尼亞海域附近風(fēng)浪較為強(qiáng)烈，涌浪和風(fēng)浪的共同作用下，西非海域西北部也出現(xiàn)了2 m 以上波高的混合浪。

按照旱季（10 月—翌年3 月）和雨季（4—9月）的劃分，分別對(duì)42 a 的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到旱季和雨季的混合浪、涌浪和風(fēng)浪平均波高。

旱季涌浪的波高整體呈現(xiàn)從低緯度向高緯度不斷增大的趨勢。最大有效波高位于在毛里塔尼亞和塞內(nèi)加爾海域的北部，為2.34 m。在雨季，涌浪波高呈現(xiàn)由北向南不斷增大的趨勢，在西非海域東南部達(dá)到最大值2.63 m，旱季風(fēng)浪最大有效波高位于研究區(qū)域南部，為1.53 m。由于來自薩赫勒地區(qū)的東北季候風(fēng)影響研究區(qū)域北部也會(huì)出現(xiàn)波高1 m 以上的波浪。在雨季，由于南大西洋的西南季風(fēng)，西非海域南側(cè)和北側(cè)均有較大的風(fēng)浪，波高超過1 m。風(fēng)浪最大波高出現(xiàn)在毛里塔尼亞和塞內(nèi)加爾海域的北部，為1.39 m?；旌侠擞行Рǜ叩募竟?jié)空間分布與涌浪波的非常相似。在旱季，研究區(qū)域的混合浪波高從低緯度向高緯度呈現(xiàn)不斷增大趨勢，最大有效波高值2.58 m；在雨季，混合浪波高由北向南不斷增大，最大值為2.63 m。

2.2 波周期的空間分布

將42 a 的混合浪、涌浪和風(fēng)浪的周期逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到了其周期的空間分布，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 1979—2020年混合浪、涌浪和風(fēng)浪波平均周期的空間分布Fig.3 Spatial distribution of average period of combined wave,swell and wind wave from 1979 to 2020

從周期均值的空間分布來看，涌浪周期從西非海域中部向四周不斷增大。涌浪周期的范圍是3.5～10.5 s，最大值位于西非海域南部。風(fēng)浪周期在赤道以北由南向北不斷增大，而在赤道以南由南向北先增大后減小。風(fēng)浪周期的范圍是2.5～4.3 s，其中最大值位于西非海域東南部?；旌侠酥芷谑艿接坷酥芷诤突旌侠酥芷诘墓餐绊?，在西非海域中部向東側(cè)和南側(cè)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而向西側(cè)變化較小，向北側(cè)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?；旌侠酥芷诘姆秶?.1～9.8 s，其中最大值位于西非海域東部。

分別對(duì)42 a 的數(shù)據(jù)按照旱雨季進(jìn)行平均，得到旱季和雨季的混合浪、涌浪和風(fēng)浪平均周期空間分布。

旱季涌浪周期呈現(xiàn)從中部向四周不斷增大的趨勢，范圍為3.3～10.8 s，最大值位于毛里塔尼亞附近海域。雨季涌浪周期呈現(xiàn)西北向東南不斷增大的趨勢，范圍為3.1～11.2 s，最大值位于西非海域東南部。旱季時(shí)的風(fēng)浪周期從中部向周圍不斷增大后再不斷減小，周期范圍為2.3～4.9 s，最大值位于西非海域的東南部，而北部毛里塔尼亞附近海域的波周期也能達(dá)到4 s 以上。雨季風(fēng)浪周期范圍為2.3～4.8 s，最大值位于毛里塔尼亞附近海域，而西非海域西部和東南部都出現(xiàn)周期大于4 s 的波浪。旱季混合浪的波周期呈現(xiàn)從中部向四周不斷增大的趨勢，波周期范圍在3.0～10.1 s，最大值位于西非海域東部塞拉利昂、利比里亞附近海域。雨季混合浪的波周期從西北向東南方向呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，波周期范圍在2.8～11.0 s，最大值位于尼日利亞南部海域。

根據(jù)游客中心感知價(jià)值層次模型發(fā)現(xiàn)，由成本價(jià)值產(chǎn)生的游客感知價(jià)值鏈均呈負(fù)向影響。其中 “服務(wù)設(shè)施價(jià)值-成本結(jié)果-人際交流”“服務(wù)質(zhì)量價(jià)值-成本結(jié)果-人際交流”“服務(wù)設(shè)施價(jià)值-成本結(jié)果-成就感”“服務(wù)質(zhì)量價(jià)值-成本結(jié)果-成就感”的關(guān)聯(lián)度較強(qiáng)，即游客中心的員工服務(wù)質(zhì)量與服務(wù)設(shè)施直接影響游客對(duì)于成本的價(jià)值感知，游客的成本感知由時(shí)間成本、精力與經(jīng)濟(jì)成本3個(gè)維度構(gòu)成，其中經(jīng)濟(jì)成本價(jià)值感知僅為3.72。

2.3 涌浪、混合浪的月度變化

由于西非海域多由涌浪主導(dǎo)，將15個(gè)點(diǎn)位42 a 的混合浪、涌浪有效波高按月平均后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，混合浪以及涌浪有效波高有3 種具有代表性月度變化，點(diǎn)位選取見圖4。點(diǎn)1—點(diǎn)3 處的混合浪和涌浪有效波高42 a 的月度變化見圖5。

圖4 涌浪、混合浪月度變化研究的點(diǎn)位選取示意圖Fig.4 Point selection diagram of monthly variation study of swell and combined wave

圖5 西非海域代表性的3 種涌浪、混合浪有效波高月度變化曲線Fig.5 Monthly variation curves of significant wave heights of three typical kinds of swell and combined waves in West African

在點(diǎn)1（0°，25°W）為代表的西非海域西部受到北大西洋和南大西洋的涌浪共同作用，混合浪和涌浪沒有明顯的月度變化，為無峰值型，其最大值位于10—12 月的旱季。點(diǎn)2（15°N，20°W）為代表的西非海域西北部地區(qū)（尤其是佛得角和塞內(nèi)加爾附近的海域）受到北大西洋涌浪的影響，混合浪和涌浪有效波高有著較為明顯的月度變化，呈現(xiàn)倒Ω 形，其最小值出現(xiàn)在雨季的6—9 月，最大值出現(xiàn)在旱季的12 月—翌年2 月。點(diǎn)3（10°S，10°E）為代表的大部分（在15個(gè)研究點(diǎn)中占半數(shù)以上）西非南部海域，主要受到南大西洋咆哮風(fēng)帶傳出的涌浪影響。其混合浪和涌浪的月度變化呈現(xiàn)Ω 形，最大值出現(xiàn)在雨季的6—8 月，最小值出現(xiàn)在旱季的12 月—翌年1 月。

2.4 危險(xiǎn)性分布

本文所用波浪災(zāi)害性評(píng)估方法參考了國家海洋局2016年頒布的《海浪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定的方法和2019年世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）頒布的技術(shù)規(guī)范手冊[18]中對(duì)于海浪波高和周期的分級(jí)。基于波高和周期劃分格點(diǎn)處海浪強(qiáng)度等級(jí)，如表1 所示。

表1 波浪強(qiáng)度劃分Table 1 Classification of wave intensity

分別計(jì)算基于波高和周期的波浪災(zāi)害危險(xiǎn)指標(biāo)Hw和Tw計(jì)算方法如下[19]：

式中：N1、N2、N3、N4為各等級(jí)波高波浪出現(xiàn)次數(shù)；N5、N6、N7、N8為各等級(jí)周期波浪出現(xiàn)次數(shù)。計(jì)算波浪災(zāi)害危險(xiǎn)指標(biāo)Hw和Tw后，對(duì)其進(jìn)行線性歸一化處理。計(jì)算公式為：

式中：Hwn和Twn為歸一化處理后的波浪災(zāi)害危險(xiǎn)指數(shù)，其取值范圍在0～1 之間，取值越大，代表該海域發(fā)生波浪災(zāi)害的危險(xiǎn)性更大。考慮到波高和周期的共同影響，海域海浪危險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：ω1和ω1為權(quán)重系數(shù)，ω1+ω2=1，取ω1=ω2=0.5[20-21]。

根據(jù)D 的大小，可以將波浪災(zāi)害劃分成4個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示，危險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

表2 海浪災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 2 Classification of wave hazard grade

圖6 波浪危險(xiǎn)指數(shù)分布Fig.6 Wave hazard index distribution

16°S 以南區(qū)域波浪危險(xiǎn)性多為Ⅰ和Ⅱ級(jí)。10°S—16°S 范圍之內(nèi)區(qū)域和17°N 以北區(qū)域、以及塞拉利昂、利比里亞西部海域波浪危險(xiǎn)性為Ⅱ級(jí)。17°N—10°S 范圍內(nèi)風(fēng)浪危險(xiǎn)性為Ⅲ、Ⅳ級(jí)。整體上來看，波浪危險(xiǎn)性從西非中部近岸區(qū)域向離岸，低緯度向高緯度逐漸增加，而危險(xiǎn)性最大的區(qū)域位于西非海域東南部。

3 結(jié)語

本文使用ERA-5 數(shù)據(jù)集中1979—2020年42 a 的逐時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)西非海域各波浪要素的空間分布、季節(jié)分布和典型的月度分布進(jìn)行分析，并計(jì)算了波高重現(xiàn)期和危險(xiǎn)性。結(jié)果表明：

1）空間分布上，西非海域的涌浪、混合浪有效波高由東部近岸向離岸處、低緯度向高緯度不斷增大?；旌侠艘约坝坷说闹芷谟芍胁繀^(qū)域向四周不斷增大。風(fēng)浪波高和周期在赤道以北，由南向北逐漸增大；赤道以南，由南向北先增大后減小。西非海域的涌浪及混合浪有明顯的季節(jié)性差異：旱季，涌浪和混合浪的波高、周期由中部區(qū)域向周圍不斷增大；雨季，涌浪和混合浪的波高、周期由北向南不斷增大。

2）涌浪和混合浪有效波高的月度分布主要呈現(xiàn)3 種特征，分別為月度變化較小的無峰值型以及月度變化明顯的Ω 形和倒Ω 形。其中Ω 形的波高月度分布最為廣泛，分布于西非海域南部，變化特征為最大值出現(xiàn)在雨季的6—8 月，最小值出現(xiàn)在旱季的12 月—翌年1 月。倒Ω 形的波高月度變化曲線常見于西非海域西北部，變化特征最小值出現(xiàn)在雨季的6—9 月，最大值出現(xiàn)在旱季的12 月—翌年2 月。而無峰值型的波高月度變化曲線出現(xiàn)在西非海域西部。

3）波浪危險(xiǎn)性從西非中部近岸區(qū)域向離岸、低緯度向高緯度逐漸增加，西非海域南部（16°S 以南）危險(xiǎn)性最高，北部的塞拉利昂、利比里亞附近海域以及佛得角北部海域的危險(xiǎn)性次之，其余地區(qū)波浪危險(xiǎn)性都較低。