基于FHDI-GNWM 數(shù)據(jù)的全球超越概率波高宏觀分布特征分析

鐘雄華，汪中琦，王科華，周智鵬

（1.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；

2.中交集團(tuán)國際直營業(yè)務(wù)事業(yè)部，北京 100000）

0 引言

波浪作為一種自然現(xiàn)象一直備受關(guān)注，研究累計(jì)頻率波高的空間分布特征對(duì)于港口建設(shè)和船舶航行安全等具有重要意義。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于累計(jì)頻率波高的空間分布特征已做過大量的研究，2010 年，張婕[1]利用ECMWF 提供的1957—2002 年全球數(shù)據(jù)資料同化集（ERA-40），研究了有效波高的全球平均分布。2012 年，束芳芳等[2]通過對(duì)廣東陽西近岸測(cè)站1 a 實(shí)測(cè)波浪資料及岸邊同期風(fēng)資料的整理與分析，探討了該海域的波浪特性，研究表明該海域不分方向H1/10年平均值為1.00 m。2012 年，謝冬梅等[3]運(yùn)用第三代海浪模式對(duì)東中國海進(jìn)行了連續(xù)60 a（1950—2009 年）的波浪后報(bào)模擬，研究結(jié)果表明：在渤海范圍內(nèi)5%累積頻率有效波高與平均有效波高之比約為2.75，黃海與東海大部該比值則分別約為2.50 和2.35。2013 年，周水華等[4]為提高對(duì)南海波浪場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，采用AVISO 有效浪高格點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)南海浪高的月變化特征進(jìn)行分析。2013 年，石小翠[5]運(yùn)用SWAN 模型對(duì)西太平洋海區(qū)的波浪情況進(jìn)行模擬，通過模擬計(jì)算得到了中國東部海區(qū)22 a 的波要素?cái)?shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，并以該數(shù)據(jù)庫資料得到了連云港、崇明、溫州各累計(jì)頻率波高。2014 年，HAN Shuzong 等[6]利用1992—2005 年連續(xù)13 a 的TOPEX/Poseidon 衛(wèi)星高度計(jì)資料對(duì)全球有效波高和海面風(fēng)速的時(shí)空分布特征及變化規(guī)律進(jìn)行了研究。2014 年，莊曉宵等[7]使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心近30 a（1982—2011 年）全球再分析資料中的風(fēng)場(chǎng)及海浪場(chǎng)資料，對(duì)全球海表10 m 風(fēng)場(chǎng)、有效波高、平均周期和平均波向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并定義了一種計(jì)算季節(jié)變率的方法。2016 年，吳萌萌等[8]基于第三代海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式WAVEWATCH III（V3.14），構(gòu)建了全球區(qū)域海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用1999 年9 月—2009 年7 月的OuikSCATNCEP混合風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，對(duì)模式進(jìn)行了10 a 的積分。2019 年，張揚(yáng)等[9]應(yīng)用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的全球尺度FVCOM 海浪模型，模擬了2012 年全球海洋海浪場(chǎng)的分布和演變，分析了海表面風(fēng)場(chǎng)、海浪場(chǎng)與混合層深度的全球尺度分布及相關(guān)性。本文基于FHDI-GNMW 全球波浪后報(bào)數(shù)據(jù)庫[10]，詳細(xì)地分析了不同超越概率有效波高Hs在全球和主要大洋的空間宏觀分布特征，從而為系統(tǒng)性地認(rèn)識(shí)全球波浪特征提供參考。

表1 不同緯度范圍內(nèi)不同超越概率的有效波高Hs 全球空間特征Table 1 Global spatial characteristics of Hs with the different exceedance probability in different latitudes

1 數(shù)據(jù)來源

本文基于2011—2015 年共5 a 的FHDI-GNWM（FHID-Global Normal Wave Model）全球波高數(shù)據(jù)Hs作為不同超越概率波高在全球的空間宏觀分布分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析不同超越概率（1%和10%）有效波高Hs在全球和主要大洋的空間宏觀分布特征。

2 不同超越概率有效波高Hs 在全球范圍的空間宏觀分布

不同緯度范圍內(nèi)，超越概率為1%和10%的有效波高Hs全球空間分布特征見表1。

超越概率為1%和10%的有效波高Hs全球空間分布圖分別見圖1 和圖2。由圖1 可知，從整體分布來看，超越概率為1%的有效波高Hs呈現(xiàn)出明顯的兩端強(qiáng)中間弱的特征，北緯30°以上和南緯30°以下海域?qū)?yīng)超越概率為1%的Hs基本在6～10 m 之間；30°N—30°S 之間海域?qū)?yīng)超越概率為1%的Hs較小，大部分區(qū)域Hs在2～6 m。由圖2 可知，超越概率為10%的有效波高Hs也呈現(xiàn)出明顯的兩端強(qiáng)中間弱的特征，北緯30°以上和南緯30°以下海域?qū)?yīng)超越概率為10%的Hs基本在3～5 m 之間；30°N—30°S 之間海域?qū)?yīng)超越概率為10%的Hs較小，大部分區(qū)域Hs在2～4 m。

圖1 超越概率為1%的有效波高Hs 全球空間分布圖Fig.1 Global spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability

圖2 超越概率為10%的有效波高Hs 全球空間分布圖Fig.2 Global spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability

3 不同超越概率有效波高Hs 在全球主要大洋的空間分布特征

為進(jìn)一步分析全球不同超越概率有效波高Hs的空間分布特征，現(xiàn)分別對(duì)全球主要大洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs的空間分布特征進(jìn)行分析。

3.1 西北太平洋

西北太平洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖3 和圖4。由圖可知，從總體上看，兩種超越概率的有效波高變化規(guī)律相同，均為隨著緯度從0°N 逐漸增大，波高變化規(guī)律為“先增大后減小”。西北太平洋不同超越概率的有效波高Hs空間分布特征見表2。

圖3 西北太平洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the Northwest Pacific

圖4 西北太平洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the Northwest Pacific

表2 不同緯度范圍內(nèi)西北太平洋不同超越概率的有效波高Hs 空間分布特征Table 2 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Northwest Pacific at different latitudes

3.2 東太平洋

不同緯度范圍內(nèi)，東太平洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表3。東太平洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖5 和圖6。由圖可知，從整體分布來看，波高呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱特點(diǎn)，在55°S 附近形成了一條明顯的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶遞減分布。

圖5 東太平洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the East Pacific

表3 不同緯度范圍內(nèi)東太平洋不同超越概率的有效波高Hs 空間分布特征Table 3 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Eastern Pacific at different latitudes

3.3 北大西洋

北大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖7 和圖8。由圖可知，從總體上看，隨著緯度從0°N 逐漸增大，波高變化規(guī)律為“先增大后減小”。不同緯度范圍內(nèi)，北大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表4 和表5。

圖7 北大西洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.7 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the North Atlantic

圖8 北大西洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.8 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the North Atlantic

表4 不同緯度范圍內(nèi)北大西洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布特征Table 4 Spatial distribution characteristics of Hs with 1%exceedance probability in the North Atlantic at different latitudes

3.4 南大西洋

南大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖9 和圖10。

圖9 南大西洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.9 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the South Atlantic

圖10 南大西洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.10 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the South Atlantic

由圖可知，從總體上看，隨著緯度從0°S 逐漸增大，波高變化規(guī)律均為“先增大后減小”。不同緯度范圍內(nèi)，南大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表6。

表6 不同緯度范圍內(nèi)南大西洋不同超越概率的有效波高Hs 空間分布特征Table 6 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the South Atlantic at different latitudes

3.5 印度洋

印度洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖11 和圖12。由圖可知，從整體分布來看，超越概率為1%和10%的有效波高Hs均呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱特點(diǎn)，在50°S 海域附近均形成了一條明顯的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶遞減分布。不同緯度范圍內(nèi)，印度洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表7。

圖11 印度洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.11 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the Indian Ocean

圖12 印度洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.12 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the Indian Ocean

表7 不同緯度范圍內(nèi)印度洋不同超越概率的有效波高Hs空間分布特征Table 7 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Indian Ocean at different latitudes

4 結(jié)語

基于FHDI-GNWM 全球波浪數(shù)據(jù)庫，研究了不同超越概率在全球和主要大洋的空間宏觀分布特征，結(jié)論如下：

1） 不同超越概率的有效波高Hs在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的兩端強(qiáng)中間弱的特征，北緯30°N以上和南緯30°S 以下海域?qū)?yīng)超越概率為1%和10%的Hs分別在6～10 m 之間和3～5 m 之間。

2） 不同超越概率的有效波高Hs在全球主要大洋的空間分布特征各不相同。

3） 對(duì)于西北太平洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布規(guī)律相同，均為隨著緯度從0°N 逐漸增大，波高變化規(guī)律為“先增大后減小”；對(duì)于東太平洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布規(guī)律，從整體分布來看，波高呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱特點(diǎn)，在55°S 附近形成了一條明顯的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶遞減分布；對(duì)于北大西洋和南大西洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布規(guī)律，從總體上看，隨著緯度增大，波高變化規(guī)律為“先增大后減小”；對(duì)于印度洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間規(guī)律，從整體分布來看，超越概率為1%和10%的有效波高Hs均呈現(xiàn)出明顯的南強(qiáng)北弱特點(diǎn)，在50°S 海域附近均形成了一條明顯的高值區(qū)，然后向北沿緯度帶遞減分布。