徐秀枝 熊巧文 田秋實 艾紅霞

摘 要：利用歐洲中尺度天氣預(yù)報中心（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和風(fēng)場數(shù)據(jù)，分析北大西洋海域海浪場和風(fēng)場的時空變化特征，然后進行海浪場和風(fēng)場相關(guān)性分析，為北大西洋深水區(qū)石油平臺建設(shè)的設(shè)計和管理提供參考。

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

中圖分類號：U445.3? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0106-02

21世紀，隨著世界經(jīng)濟的飛速發(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、最重要的動力要素之一，海洋中的波動是海水重要的運動形式之一[1]。大西洋作為世界上的第二大洋，是世界海上航運的中心之一，集中了諸多世界海運航線，貨運量居各大洋之首。對各國經(jīng)濟發(fā)展、海洋開發(fā)、國防安全等都具有極為重要的意義。

前人對海浪早有研究，19世紀主要是將復(fù)雜而隨機的海浪運動表示為確定的函數(shù)形式，通過流體動力學(xué)運動規(guī)律來進行描述。到20世紀50年代，隨機海浪理論發(fā)展起來，它將海浪運動表達為隨機過程，通過隨機過程理論分析給出不同情況下海浪運動的統(tǒng)計特征。但是由于觀測手段和計算機條件的限制，缺乏長時間的海浪觀測數(shù)據(jù)，對廣闊的大西洋長期的氣候變化研究更少。直到20世紀80年代，隨著計算機和衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，推動了對地觀測技術(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資料，一系列數(shù)據(jù)同化[2]算法被相繼提出。目前實測數(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、計算機數(shù)值模擬等技術(shù)手段使得海洋氣候的研究進入一個新的階段。

從19世紀70年代開始，歐洲科學(xué)家Rye[3]、Lamb等就開始對波候的變化情況進行研究，利用當(dāng)時僅有的北大西洋和歐洲北海的觀測數(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。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始以一定的速度在增加。國內(nèi)也有不少學(xué)者對該海域波候進行研究，像劉金芳、韓樹宗等等[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)場數(shù)據(jù)分析北大西洋波候變化，其時間分辨率為6小時，空間分辨率為0.75°×0.75°，時間范圍從1979年1月-2014年12月。

1北大西洋海浪場變化特征

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），波高值又開始回增，到了10月，亞速爾群島附近波高已經(jīng)達到了3.5m左右。

2北大西洋風(fēng)場月變化特征

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

整體來看，北大西洋四季風(fēng)場與海浪場的分布基本一致，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)速帶的浪場與風(fēng)場并不完全對應(yīng)，只是在夏季有一對應(yīng)較好的低值區(qū)呈帶狀分布，與低值風(fēng)速帶對應(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)場存在一個逆時針旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，且四季都存在。

3北大西洋海浪場和風(fēng)場相關(guān)性分析

上節(jié)分析得出海浪場和風(fēng)場都具有很強的季節(jié)性變化特點，所以本節(jié)分析海浪場和風(fēng)場的季節(jié)性變化幅度來判斷風(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)速都有很強的相關(guān)性。這說明風(fēng)場變化對北大西洋海浪場有很大的影響。在亞速爾群島附近海域相關(guān)系數(shù)大多在0.9以上，這說明該海域的波動主要是由風(fēng)場引起的，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月的海浪場和風(fēng)場數(shù)據(jù)，分析北大西洋海域海浪場和風(fēng)場月平均的時空變化特征。發(fā)現(xiàn)有效波高和風(fēng)速有明顯的季節(jié)性變化特征，且它們存在很強的相關(guān)性。說明風(fēng)速變化對北大西洋海浪場有很大的影響。冬季有效波高為全年最大，有效波高變化和風(fēng)場對應(yīng)，春秋季為過渡期，風(fēng)速減弱，波高也相應(yīng)變化，所以說北大西洋海浪以風(fēng)浪為主，這可為北大西洋深水區(qū)石油平臺建設(shè)的設(shè)計和管理提供參考。

參考文獻：

[1] 單瑞， 劉焱雄， 趙鐵虎， 等. 單點 GPS 測速應(yīng)用于海浪監(jiān)測之研究[J]. 中國地球物理學(xué)會第二十七屆年會論文集， 2011，715.

[2] Komen G J， Cavaleri L， Donelan M， et al. Dynamics and modelling of ocean waves[M]. Cambridge university press， 1996， 362-363.

[3] Rye H. Long-term changes in the North Sea wave climate and their importance for the extreme wave predictions[J]. Marine Science Communications， 1976， 2（6）： 419-448.

[4] Carter D J T， Draper L. Has the north-east Atlantic become rougher？[J]. Nature， 1988， 332-494.

[5] Bacon S， Carter D J T. Wave climate changes in the North Atlantic and North Sea[J]. International Journal of Climatology， 1991， 11（5）： 545-558.

[6] 韓樹宗， 趙喜喜， 朱大勇， 等. 大西洋波高分布及變化規(guī)律研究[J]. 海洋湖沼通報， 2003 （4）： 22-29.

[7] 劉金芳， 梁玉清. 北大西洋風(fēng)場和海浪場特點分析[J]. 海洋通報， 2000， 19（5）： 12-20.

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