南大西洋至幾內(nèi)亞灣冬季海浪傳播特性

徐福敏， 牙韓爭(zhēng)， 周昕偉， 朱冬琳

（1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.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；3.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

幾內(nèi)亞灣位于赤道附近的大西洋東部，氣候條件特殊，北部屬于赤道低氣壓帶，南部為南半球東南信風(fēng)帶，同時(shí)受南大西洋復(fù)雜氣候的影響［1-2］。獨(dú)特的氣候以及直面大西洋的地理?xiàng)l件，使得幾內(nèi)亞灣近岸頻繁遭受大西洋的海浪襲擊。2007年和2011年2次極端海浪事件造成了科特迪瓦多處房屋被摧毀和約12m岸線的侵蝕［3］。在海浪長(zhǎng)期影響下，幾內(nèi)亞灣海岸功能逐漸退化，高脆弱區(qū)和極高脆弱區(qū)分別可達(dá)整個(gè)岸線的26.98%和11.66%［4］。幾內(nèi)亞灣作為“一帶一路”倡議的重要節(jié)點(diǎn)，開(kāi)展南大西洋至幾內(nèi)亞灣海浪傳播特性研究對(duì)幾內(nèi)亞灣沿岸國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通航運(yùn)、海岸工程建設(shè)、海岸減災(zāi)防災(zāi)工作具有重要意義。

有關(guān)南大西洋至幾內(nèi)亞灣的海浪研究由來(lái)已久。在大洋尺度上，早在20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)就有南大西洋水文、氣候圖集的報(bào)道［5-6］。劉金芳等［7］根據(jù)1950—1995年間船舶氣象資料，對(duì)南大西洋風(fēng)、浪要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明南大西洋高緯度區(qū)（30°S以南）由于西風(fēng)帶的影響常年為暴風(fēng)區(qū)，大浪、大涌頻率分別為5%～25%、10%～35%；低緯度區(qū)（30°S以北）海浪和涌浪強(qiáng)度、頻率雖然均低于高緯度區(qū)，但其大浪、大涌依然不容忽視（尤其冬季）。Violante-Carvalho等［8］基于浮標(biāo)數(shù)據(jù)研究南大西洋長(zhǎng)周期涌浪對(duì)風(fēng)浪的影響。Liu和Zhao［9］基于SWAN（Simulating WAves Nearshore）海浪模型對(duì)全球海浪分布及傳播規(guī)律進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)南大西洋涌浪多集中于東部海域。近年來(lái)針對(duì)幾內(nèi)亞灣海浪的研究不斷取得進(jìn)展。Stive等［10］和Almar等［11］研究發(fā)現(xiàn)幾內(nèi)亞灣海域大部分時(shí)間風(fēng)浪和涌浪共存，其中涌浪起主導(dǎo)作用，這些涌浪通常被認(rèn)為來(lái)自于遙遠(yuǎn)的南大西洋咆哮西風(fēng)帶。Olagnon等［12］和Forristall等［13］結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)西非海域海浪特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)幾內(nèi)亞灣海浪為涌浪主導(dǎo)狀態(tài)。Ondoa等［14］認(rèn)為幾內(nèi)亞灣海浪主要由赤道信風(fēng)區(qū)域風(fēng)浪、咆哮西風(fēng)帶涌浪以及非洲西南海域涌浪組成。王科華和張軍［15］對(duì)幾內(nèi)亞灣若干碼頭項(xiàng)目海浪數(shù)學(xué)模型（MIKE 21）結(jié)果進(jìn)行分析，提出西非的幾內(nèi)亞灣屬長(zhǎng)周期涌浪作用為主的海灣。周昕偉等［2］基于SWAN海浪模型，研究幾內(nèi)亞灣海浪分布特征及傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)幾內(nèi)亞灣處于支配地位且發(fā)源于南大西洋咆哮西風(fēng)帶。近年來(lái)，再分析數(shù)據(jù)也逐漸使用于南大西洋相關(guān)海浪特征研究中，Gramcianinov等［16］使用ERA-5再分析數(shù)據(jù)研究南大西洋西部的極端海浪事件與溫帶氣旋之間的關(guān)系。ERA-5作為于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasting， ECMWF）最新推出的第五代再分析全球水文氣象數(shù)據(jù)集，其不僅提供了混合浪、風(fēng)浪和涌浪的常規(guī)海浪參數(shù)（波高、波周期、波向），還提供涌浪主成份分析等參數(shù)，目前常用于不同尺度的海浪特征研究中［16-19］。

雖然已有研究結(jié)果表明影響幾內(nèi)亞灣的海浪與南大西洋高緯度區(qū)的咆哮西風(fēng)帶（40°S ～60°S）涌浪有關(guān)［3，10-11］，但針對(duì)其影響過(guò)程的研究相對(duì)較少，其影響機(jī)理還尚未深入研究和探討。涌浪從咆哮西風(fēng)帶長(zhǎng)距離傳播至幾內(nèi)亞灣，其傳播機(jī)制仍有待深入研究。本文以南大西洋咆哮西風(fēng)帶至幾內(nèi)亞灣海域?yàn)檠芯繉?duì)象，建立SWAN雙層嵌套海浪模型，分析南大西洋至幾內(nèi)亞灣冬季海浪時(shí)空分布，揭示南大西洋至幾內(nèi)亞灣的海浪傳播特性，在南大西洋至幾內(nèi)亞灣海域混合浪和涌浪間關(guān)系、海浪能量組成和傳播以及幾內(nèi)亞灣涌浪溯源研究方面做進(jìn)一步探討。

1 海浪數(shù)值模型構(gòu)建

數(shù)值模擬是目前大洋海浪研究中普遍使用的方法之一，其除了提供與再分析數(shù)據(jù)類似的常規(guī)海浪參數(shù)外，還提供了一維和二維海浪譜等表述海浪組成和能量分布信息，使其廣泛地應(yīng)用于大洋海浪傳播特征的研究。本文采用第三代海浪模型SWAN對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行模擬。SWAN模型經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和改進(jìn)，目前廣泛應(yīng)用于大、中、小海域尺度的海浪模擬和應(yīng)用研究中［20-23］，其模型控制方程為

1.1 模擬區(qū)域設(shè)置及參數(shù)

考慮德雷克海峽以及北大西洋海域可能產(chǎn)生的涌浪影響，將模型外層計(jì)算范圍覆蓋整個(gè)大西洋（D1，75°N～ 75°S，83°W～22°E），內(nèi)層范圍為幾內(nèi)亞灣及附近海域（D2，30°N～15°S，20°W～15°E），模型計(jì)算范圍見(jiàn)圖1。水深數(shù)據(jù)采用ETOPO1全球地形模型數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)采用CCMP風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)空間范圍為78.375°S～78.375°N和0.125°E～359.875°E，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h。模型外層空間分辨率為0.25°×0.25°，計(jì)算步長(zhǎng)為15min，內(nèi)層空間分辨率為0.083°×0.083°，計(jì)算步長(zhǎng)為5min。譜頻率范圍為0.04～1.00Hz，相鄰離散頻率（f）間采用對(duì)數(shù)分布（fi+1=γfi，γ取1.106），共劃分33個(gè)。譜空間分布范圍為0°～360°，分辨率為10°。底摩擦采用Hasselmann等［24］的方法，系數(shù)為0.015；海浪破碎采用Battjes等［25］的方法，系數(shù)為0.73；風(fēng)能輸入采用Cavaleri 等［26］的方法；白浪耗散項(xiàng)采用Komen等［27］的方法；三波和四波非線性相互作用分別采用LTA法［28］和DIA算法［29］。

圖1 嵌套模型計(jì)算范圍、驗(yàn)證點(diǎn)及內(nèi)層Jason-3衛(wèi)星軌跡Fig.1 Nesting model calculation range, verification points, and tracks of validation Jason-3

1.2 模型驗(yàn)證

1.2.1 模擬時(shí)段選擇

南大西洋海浪季節(jié)變化較為明顯，夏季（每年12月至次年3月）為海浪較弱的時(shí)期，冬季（6月至9月）為海浪最活躍的時(shí)期，此時(shí)低緯度區(qū)域的幾內(nèi)亞灣也處于一年中海浪最活躍的時(shí)期［2，7］。Toualy等［3］基于AVISO和NWW3日平均數(shù)據(jù)對(duì)幾內(nèi)亞灣科特迪瓦附近海域有效波高進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，結(jié)果表明8月為一年之中海浪最大波高出現(xiàn)頻率較大的月份。選取2017年8月為研究時(shí)段，考慮到模型計(jì)算穩(wěn)定和南大西洋海浪傳播時(shí)間，數(shù)值模擬起始時(shí)間在8月1日0時(shí)的基礎(chǔ)上提前9天，實(shí)際模型模擬時(shí)段為（2017年7月22日0時(shí)至2017年11月1日0時(shí)）。

1.2.2 浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

大西洋現(xiàn)有的海浪觀測(cè)浮標(biāo)大多位于北美和歐洲海域，赤道附近和南大西洋海浪觀測(cè)公開(kāi)數(shù)據(jù)匱乏。梁小力等［23］對(duì)國(guó)家海洋局全球海浪預(yù)報(bào)模型中大西洋海浪檢驗(yàn)時(shí)使用了美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心（https：//www.ndbc.noaa.gov/）包括浮標(biāo)41041（見(jiàn)圖1）的位于美國(guó)東岸的2個(gè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。浮標(biāo)41041為與南大西洋和幾內(nèi)亞灣最近且具有公開(kāi)數(shù)據(jù)的觀測(cè)站。基于41041號(hào)浮標(biāo)有效波高和平均波周期，選取2017年8月（冬季、海浪強(qiáng)）和2017年10月（冬夏轉(zhuǎn)換）對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖2、圖3分別為41041號(hào)浮標(biāo)8月、10月有效波高、平均波周期和主波向驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明模擬結(jié)果和浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，尤其2017年8月份有效波高、平均波周期和主波向均驗(yàn)證良好。季節(jié)轉(zhuǎn)換期的2017年10月模擬平均波周期和主波向與實(shí)測(cè)值略有偏差，但總體上模型計(jì)算結(jié)果與浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好。

圖2 41041號(hào)浮標(biāo)與SWAN模擬有效波高、平均波周期和主波向?qū)Ρ龋?017年8月）Fig.2 Comparison of SWAN stimulated significant wave heights, mean wave period, and dominant wave direction with Buoy 41041 in August, 2017

圖3 41041號(hào)浮標(biāo)與SWAN模擬有效波高、平均波周期和主波向的對(duì)比（2017年10月）Fig.3 Comparison of SWAN stimulated significant wave heights, mean wave period, and dominant wave direction with Buoy 41041 in October, 2017

1.2.3 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為彌補(bǔ)浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足，采用Jason-3衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。Jason-3是由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMESTAT）、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）聯(lián)合研制的海洋地形衛(wèi)星，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。選取經(jīng)過(guò)幾內(nèi)亞灣海域的6條衛(wèi)星軌跡，如圖1所示。模型模擬時(shí)段為2017年8月、10月，以衛(wèi)星數(shù)據(jù)（有效波高）進(jìn)行海浪模型驗(yàn)證（圖4、圖5）。由于衛(wèi)星經(jīng)過(guò)驗(yàn)證區(qū)域所需的時(shí)間極短（僅約20min），因此，在模型中設(shè)置3個(gè)計(jì)算時(shí)間節(jié)點(diǎn)（2個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，即2×15min）的線輸出結(jié)果，對(duì)輸出結(jié)果在時(shí)間和空間上采用線性插值的方法得出所需的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。由驗(yàn)證結(jié)果可知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，總體上吻合良好，表明模型可用于幾內(nèi)亞灣海浪數(shù)值模擬研究。

圖4 Jason-3衛(wèi)星觀測(cè)有效波高與SWAN有效波高模擬值對(duì)比（2017年8月）Fig.4 Comparison of SWAN stimulated significant wave heights with Jason-3 data in August, 2017

圖5 Jason-3衛(wèi)星觀測(cè)有效波高與SWAN有效波高模擬值對(duì)比（2017年10月）Fig.5 Comparison of SWAN stimulated significant wave heights with Jason-3 data in October, 2017

2 代表性時(shí)刻大西洋至幾內(nèi)亞灣海浪、涌浪分布特征

根據(jù)南大西洋東西岸線呈喇叭形狀、幾內(nèi)亞灣橫跨赤道且南大西洋氣旋呈順時(shí)針的特點(diǎn)，以幾內(nèi)亞灣典型（最大）有效波高為基點(diǎn)進(jìn)行研究分析。模擬結(jié)果表明，研究時(shí)段內(nèi)幾內(nèi)亞灣海浪最大有效波高為2.8m，出現(xiàn)于8月7日18時(shí)。因此，選取8月7日18時(shí)作為代表性時(shí)刻對(duì)大西洋至幾內(nèi)亞灣海浪特征進(jìn)行分析。

2.1 風(fēng)場(chǎng)、海浪場(chǎng)分布特征

圖6、圖7分別為8月7日18時(shí)模型驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和大西洋至幾內(nèi)亞灣海浪分布圖。整體上，南大西洋和北大西洋風(fēng)場(chǎng)相對(duì)獨(dú)立，而北大西洋東部直至包括西撒哈拉的北非沿岸海域依然受到南大西洋海浪的影響；南大西洋風(fēng)、浪均強(qiáng)于北大西洋，南大西洋海浪有效波高呈咆哮西風(fēng)帶自高緯度向低緯度海域遞減；幾內(nèi)亞灣海域海浪基本上只和南大西洋海浪相關(guān)。南大西洋至幾內(nèi)亞灣有效波高為8.0～2.8m；咆哮西風(fēng)帶中部有效波高最高，此時(shí)海域有約25m·s-1的強(qiáng)氣旋；由于局部氣旋（最大風(fēng)速約20m·s-1）的影響，南大西洋中部35°S處有約5.0m的有效波高；35°S以北至幾內(nèi)亞灣大部分海域有效波高為2.0～2.8m。

圖6 大西洋風(fēng)場(chǎng)Fig.6 Wind field of Atlantic

圖7 大西洋海浪場(chǎng)Fig.7 Wave field of Atlantic

對(duì)比圖6及圖7中海浪傳播方向和風(fēng)場(chǎng)可見(jiàn)，高緯度海域海浪傳播方向基本與風(fēng)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明高緯度海域海浪形成及傳播與當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)有關(guān)。低緯度海域海浪傳播方向與風(fēng)場(chǎng)差異明顯，海域風(fēng)場(chǎng)總體為SE風(fēng)，而海浪基本為S—SW浪，表明低緯度海域除當(dāng)?shù)仫L(fēng)浪外，還有來(lái)源于南大西洋高緯度區(qū)的S—SW涌浪。

2.2 涌浪場(chǎng)分布特征

圖8為8月7日18時(shí)大西洋涌浪分布圖。涌浪波高最大值出現(xiàn)于南大西洋咆哮西風(fēng)帶中部，波高超過(guò)6.0m；咆哮西風(fēng)帶以北涌浪波高明顯下降，除南大西洋中部因氣旋產(chǎn)生局部涌浪高值外，大部分海域涌浪波高為2.0～3.0m；幾內(nèi)亞灣此時(shí)有約2.5m高的涌浪。對(duì)比圖7、圖8可發(fā)現(xiàn)，南大西洋涌浪與混合浪波高分布高度相關(guān)，高緯度區(qū)涌浪波高明顯大于低緯度區(qū)。通過(guò)模擬時(shí)段內(nèi)涌浪波高變化分析得知，低緯度區(qū)的幾內(nèi)亞灣有效波高最大時(shí)刻同樣為涌浪波高最大的時(shí)刻，表明南大西洋涌浪在混合浪中所占比例較大，尤其在風(fēng)速較小的低緯度海域尤為顯著。根據(jù)海浪能量與有效波高平方成正比的關(guān)系［30］，此時(shí)幾內(nèi)亞灣涌浪（有效波高約2.5m）能量可達(dá)混合浪（有效波高約2.8m）總能量的約80%，可見(jiàn)，涌浪對(duì)低緯度的幾內(nèi)亞灣海浪有顯著的影響。

圖8 大西洋涌浪場(chǎng)Fig.8 Swell field of Atlantic

3 南大西洋至幾內(nèi)亞海浪譜特性

為研究南大西洋至幾內(nèi)亞灣海浪傳播特性，在南大西洋中部至幾內(nèi)亞灣附近海域取3個(gè)研究點(diǎn)，其中A點(diǎn)位于南大西洋30°S中部，B點(diǎn)位于南大西洋15°S中部，C點(diǎn)位于幾內(nèi)亞灣附近海域赤道上。繪制各研究點(diǎn)的二維海浪譜，A點(diǎn)、B點(diǎn)海浪譜由模型外層（D1）模擬輸出，C點(diǎn)海浪譜由內(nèi)層（D2）模擬輸出。各研究點(diǎn)位置如圖1及表1所示。

表1 南大西洋至幾內(nèi)亞灣海浪特征研究點(diǎn)Tab.1 Wave characteristics of research points from South Atlantic to Gulf of Guinea

圖9為8月7日18時(shí)各研究點(diǎn)的海浪譜。研究點(diǎn)A、B海浪譜呈多波峰的特性，表明該點(diǎn)位海浪由不同海浪組成成分構(gòu)成；C點(diǎn)海浪譜呈單峰狀態(tài)且高峰處NNW—NE有較高頻率能量分布。A、B和C點(diǎn)海浪譜的N—NE方位均存在低頻能量分布，該低頻能量分布集中，在空間和頻率分布范圍均較窄，說(shuō)明南大西洋中部至幾內(nèi)亞灣海域均存在穩(wěn)定的S—SW涌浪系統(tǒng)。從各點(diǎn)位及附近海域風(fēng)場(chǎng)來(lái)看，并沒(méi)有與主涌浪對(duì)應(yīng)的風(fēng)向，顯然該涌浪是由南大西洋高緯度海域傳播而來(lái)。

圖9 南大西洋至幾內(nèi)亞灣海浪譜特征Fig.9 Wave spectrum characteristics from South Atlantic to Gulf of Guinea

各研究點(diǎn)高頻區(qū)域均存在部分能量分布，其能量分布方向基本與風(fēng)向一致，此部分能量為當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)作用產(chǎn)生的風(fēng)浪。A點(diǎn)在海浪譜的ENE—W方位存在寬范圍的高頻能量分布，此為南大西洋中部氣旋引起的風(fēng)浪。B點(diǎn)在海浪譜的W—NNW方位存在高頻能量分布，此為局地風(fēng)生浪成分。從各點(diǎn)低頻、高頻區(qū)域能量及方位分布不難看出，南大西洋至赤道區(qū)域的幾內(nèi)亞灣海浪均包含長(zhǎng)周期涌浪成分，且為S—SW涌浪。南大西洋中部至幾內(nèi)亞灣由于頻繁的強(qiáng)順時(shí)針氣旋和風(fēng)切變，風(fēng)浪能量也不可忽視。

幾內(nèi)亞灣呈明顯的涌浪主導(dǎo)狀態(tài)。雖然C點(diǎn)海浪譜的高頻區(qū)域有能量分布，但能量相對(duì)低頻區(qū)域明顯較小，此時(shí)幾內(nèi)亞灣海域最大風(fēng)速僅為5.3m·s-1，大部分海域風(fēng)速僅為2 ～3m·s-1。從海浪分布場(chǎng)也可看出，幾內(nèi)亞灣有效波高約2.8m，但涌浪波高就可達(dá)2.5m。對(duì)比幾內(nèi)亞灣和南大西洋海浪譜發(fā)現(xiàn)，低頻能量集中方向十分相近（集中在N—NE方位），說(shuō)明幾內(nèi)亞灣海浪主要受南大西洋S—SW涌浪影響。

4 幾內(nèi)亞灣涌浪溯源

為了驗(yàn)證前文影響幾內(nèi)亞灣涌浪來(lái)源于南大西洋高緯度區(qū)咆哮西風(fēng)帶的觀點(diǎn)，以幾內(nèi)亞灣有效波高較大的時(shí)刻（8月7日18時(shí)）為例對(duì)涌浪進(jìn)行溯源分析。圖10為8月1日6時(shí)至8月7日18時(shí)（6.5天）大西洋3個(gè)時(shí)刻（8月1日6時(shí)、8月4日18時(shí)、8月7日18時(shí)）的風(fēng)場(chǎng)，圖11和圖12為分別為相應(yīng)時(shí)刻的大西洋譜峰周期分布和涌浪有效波高分布。8月1日6時(shí)咆哮西風(fēng)帶存在最大風(fēng)速超過(guò)30m·s-1的順時(shí)針渦旋（圖10a），該渦旋在相應(yīng)海域引起波高6～10m、譜峰周期12～16s的S—SW強(qiáng)浪（圖11a、圖12a）。隨著時(shí)間的推移，此部分海浪不斷傳播并由于速度不同逐漸分離。8月4日18時(shí)，南大西洋中部海域已經(jīng)出現(xiàn)譜峰周期14～20s、波高2～3m的涌浪（圖11b、圖12b），譜峰周期等值線沿NW—SE方向規(guī)則排列，表明此部分涌浪均來(lái)源于同一個(gè)涌浪系統(tǒng)，即8月1日6時(shí)咆哮西風(fēng)帶生成的強(qiáng)浪傳出強(qiáng)風(fēng)區(qū)后的涌浪。至8月7日18時(shí)，該涌浪系統(tǒng)譜峰周期為14～16s的涌浪傳播至幾內(nèi)亞灣，由此產(chǎn)生了幾內(nèi)亞灣8月最強(qiáng)涌浪（圖11c、圖12c）。

圖10 3個(gè)時(shí)刻大西洋風(fēng)場(chǎng)Fig.10 Wind field of Atlantic in three moments

圖11 3個(gè)時(shí)刻大西洋譜峰周期分布Fig.11 Peak period distribution of Atlantic in three moments

圖12 3個(gè)時(shí)刻大西洋涌浪有效波高分布Fig.12 Swell significant wave height distribution of Atlantic in three moments

8月1日6 時(shí)至8月7日18時(shí)咆哮西風(fēng)帶間斷生成強(qiáng)氣旋并快速向東向移動(dòng)（2～3天內(nèi)即可橫向穿越大西洋），使得南大西洋咆哮西風(fēng)帶內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)海浪。咆哮西風(fēng)帶至20°S局部較強(qiáng)風(fēng)切變（如8月7日18時(shí)南大西洋中部35°S）或較小規(guī)模順時(shí)針氣旋（圖10c）也可能生成較大風(fēng)浪并形成小范圍涌浪。然而，其天氣系統(tǒng)規(guī)模生成的海浪乃至形成的涌浪均無(wú)法和咆哮西風(fēng)帶引起的強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)浪和涌浪相比。與此同時(shí)，自8月1日至8月7日18時(shí)6.5天內(nèi)幾內(nèi)亞灣及其鄰近海域均不具有形成幾內(nèi)亞灣高混合浪、涌浪的氣候條件，可以推斷8月7日18時(shí)幾內(nèi)亞灣涌浪高值是由約6.5天前南大西洋咆哮西風(fēng)帶海域的強(qiáng)風(fēng)浪傳播而來(lái)。

5 結(jié)論

建立大西洋至幾內(nèi)亞灣的SWAN雙層嵌套海浪模型，以模擬時(shí)段內(nèi)幾內(nèi)亞灣海浪有效波高最大時(shí)刻（2017年8月7日18時(shí)）為基點(diǎn)，對(duì)冬季代表性時(shí)刻南大西洋至幾內(nèi)亞灣海域海浪特征進(jìn)行研究，得到了風(fēng)、混合浪和涌浪間關(guān)系，明確了海浪、涌浪分布特征；基于模擬得到的南大西洋至幾內(nèi)亞二維海浪譜，表明幾內(nèi)亞灣海浪主要受南大西洋S—SW涌浪影響，揭示了南大西洋至幾內(nèi)亞灣的海浪傳播特性；對(duì)代表性時(shí)刻幾內(nèi)亞灣涌浪進(jìn)行溯源，發(fā)現(xiàn)內(nèi)亞灣涌浪是由約6.5天前南大西洋咆哮西風(fēng)帶海域的強(qiáng)風(fēng)浪傳播而來(lái)。主要結(jié)論如下：

（1）南大西洋海浪有效波高呈高緯度區(qū)咆哮西風(fēng)帶向低緯度區(qū)遞減的趨勢(shì)。南大西洋咆哮西風(fēng)帶中部有效波高最高可達(dá)約8.0m，除南大西洋中部因氣旋影響產(chǎn)生的局部浪高（約5.0m）外，至幾內(nèi)亞灣海域已降為2.0～2.8m。

（2）高緯度區(qū)海浪傳播方向與風(fēng)場(chǎng)關(guān)系密切，而低緯度區(qū)則與風(fēng)場(chǎng)差異明顯。低緯度海域風(fēng)場(chǎng)總體為SE風(fēng)，但海浪基本為S—SW浪，說(shuō)明低緯度海域不僅有局部風(fēng)浪，更大程度上還受南大西洋高緯度海域涌浪的影響。

（3）南大西洋涌浪與混合浪波高分布高度相關(guān)，且高緯度區(qū)涌浪波高明顯大于低緯度區(qū)。南大西洋咆哮西風(fēng)帶中部涌浪波高超過(guò)6.0m，除南大西洋中部海域因氣旋產(chǎn)生的局部涌浪高值外，低緯度大部分海域涌浪在2.0～3.0m間，幾內(nèi)亞灣涌浪波高已降至約2.5m。根據(jù)海浪能量—有效波高關(guān)系計(jì)算，幾內(nèi)亞灣涌浪能量可達(dá)混合浪總能量的約80%。

（4）位于南大西洋的A、B和C 3個(gè)海浪研究點(diǎn)二維海浪譜在N—NE方向能量分布集中，且空間和頻率分布范圍均較窄。南大西洋中部至赤道附近的幾內(nèi)亞灣海域均存在穩(wěn)定的S—SW涌浪系統(tǒng)，該涌浪由南大西洋高緯度海域傳來(lái)。

（5）影響幾內(nèi)亞灣的涌浪主要來(lái)源于南大西洋咆哮西風(fēng)帶。通過(guò)對(duì)幾內(nèi)亞灣有效波高最大時(shí)刻的涌浪進(jìn)行溯源分析發(fā)現(xiàn)，8月7日18時(shí)幾內(nèi)亞灣涌浪高值為約6.5天前的南大西洋咆哮西風(fēng)帶海域強(qiáng)風(fēng)浪傳播而來(lái)。

本文選取幾內(nèi)亞灣外海發(fā)生強(qiáng)海浪頻率較大的冬季8月進(jìn)行南大西洋至幾內(nèi)亞灣冬季海浪傳播特性研究，還需對(duì)夏季以及轉(zhuǎn)換期的海浪傳播特性進(jìn)行深入研究，以獲得對(duì)該海域海浪特性的較全面認(rèn)識(shí)；南大西洋的公開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)較為匱乏，需要更多和系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和機(jī)理研究，并在此基礎(chǔ)上采用不同海浪譜分離機(jī)理的譜海浪模型（比如WWIII等）進(jìn)行對(duì)比模擬研究，以確定模擬南大西洋復(fù)雜海浪組成、特性和傳播的合理模式。

作者貢獻(xiàn)聲明：

徐福敏：構(gòu)思框架、論文思路、模型指導(dǎo)、確定文稿。

牙韓爭(zhēng)：處理數(shù)據(jù)、撰寫(xiě)論文、修改論文。

周昕偉：構(gòu)建模型、審閱論文。

朱冬琳：數(shù)值模型技術(shù)支持。