周昕偉，徐福敏，張繼生

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

0 引言

幾內(nèi)亞灣位于非洲西部，作為直面大西洋的開敞海灣，易遭受大西洋的海浪襲擊，由于觀測數(shù)據(jù)的匱乏以及該海域獨(dú)特的海浪特性，至今仍需要更細(xì)致的機(jī)理和模型研究，油氣開采、航運(yùn)以及海岸工程的興起也使得該海域的海浪分布及傳播特性研究具有重要實(shí)際價(jià)值。

幾內(nèi)亞灣以微潮和涌浪為主[1]，潮差在0.3~1.8 m[2-3]，風(fēng)浪影響很小，多年月平均風(fēng)浪波高不超過1.0 m；傳播到幾內(nèi)亞灣的涌浪主要來源于南大西洋40毅S—60毅S區(qū)域的咆哮西風(fēng)帶，橫跨大西洋在幾內(nèi)亞灣及附近海域破碎[4]；Toualy等[5]通過AVISO有效波高數(shù)據(jù)分析表明幾內(nèi)亞灣西北部海域的海浪振幅變化很大，出現(xiàn)的大振幅、長周期的波浪也起源于南大西洋40毅S—60毅S之間。

該地區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)較少，Koffi等[6]以及Kadio等[7]分析科特迪瓦（圖1中c點(diǎn)）附近石油公司觀測的逐日波浪數(shù)據(jù)，王科華等[8]利用該海域數(shù)學(xué)模型報(bào)告介紹了兩種長周期涌浪海域波要素的推導(dǎo)方法?，F(xiàn)階段對(duì)幾內(nèi)亞灣海浪特性的認(rèn)識(shí)依然需要進(jìn)一步研究，本文建立大西洋至幾內(nèi)亞灣的雙層嵌套SWAN海浪模型，研究典型海況下幾內(nèi)亞灣海浪特性，探究其海浪的分布及傳播特性。

圖1 外層大西洋計(jì)算區(qū)域Fig.1 Calculation area of the outer Atlantic Ocean

1 研究資料及方法

1.1 SWAN模型介紹

第三代譜波浪模型SWAN適用于大、中和小尺度海域海浪模擬，模型控制方程可表示為：

式中：N（σ，θ）為波作用量密度譜，N（σ，θ）=，E（σ，θ）為能譜密度；方程左邊前3項(xiàng)分別為作用量譜密度隨時(shí)間t、經(jīng)度λ方向、緯度φ方向上的變化率；Cλ、Cφ分別為各自方向上的傳播速度；第4項(xiàng)為流和水深變化引起的相對(duì)頻率的頻移；第5項(xiàng)為流和水深變化引起的折射和變淺作用；Cσ、Cθ分別為波浪在σ、θ空間上的傳播速度；方程右邊S為源匯項(xiàng)。

1.2 研究區(qū)域

幾內(nèi)亞灣西起利比里亞的帕爾馬斯角（4毅22憶N，7毅44憶W，圖1中a點(diǎn)），東止加蓬的洛佩斯角（0毅37憶S，8毅43憶E，圖1中b點(diǎn)）。Ondoa等[9]和Melet等[2]的研究表明幾內(nèi)亞灣主要海浪影響因素：赤道信風(fēng)區(qū)域的風(fēng)浪影響，咆哮西風(fēng)帶西部產(chǎn)生的西南向涌浪以及東部（非洲西南海域）產(chǎn)生沿非洲西岸線北上的南向涌浪（圖1）。為保證影響幾內(nèi)亞灣海浪能量不丟失，明確灣內(nèi)西北部、中部和東南部近岸海域海浪分布特性，SWAN模型計(jì)算范圍外層為整個(gè)大西洋（75毅N—75毅S，83毅W—22毅E）；內(nèi)層嵌套計(jì)算區(qū)域?yàn)閹變?nèi)亞灣及附近海域（30毅N—15毅S，20毅W—15毅E），圖1小方框所示。

1.3 模型設(shè)置

每年12月—次年3月[10]咆哮西風(fēng)帶對(duì)南大西洋北部影響最弱；4—5月和10—11月分別為南大西洋中部風(fēng)場由弱轉(zhuǎn)強(qiáng)和由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱時(shí)期；6—9月咆哮西風(fēng)帶對(duì)南大西洋影響為全年最大，同期幾內(nèi)亞灣也處于全年風(fēng)場最強(qiáng)時(shí)段。

8月為幾內(nèi)亞灣及其附近海域全年海浪最活躍的時(shí)間段之一[11]，該時(shí)段海灣多年月平均有效浪高到達(dá)全年高點(diǎn)1.7 m，并且極端涌浪也多發(fā)生在該月，故選取2017年8月作為模擬時(shí)間段。

水深采用ETOPO1數(shù)據(jù)，采用CCMP數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場；外層計(jì)算區(qū)域空間分辨率為10憶，計(jì)算步長為15 min；內(nèi)層計(jì)算區(qū)域空間分辨率為2憶，計(jì)算步長為5 min。譜方向分辨率為10毅，底摩擦采用Hasselmann等[12]的方法，系數(shù)為0.015；水深所致的波浪破碎采用Battjes等[13]的方法，系數(shù)為0.73；風(fēng)能輸入采用Cavaleri等[14]的方法；白冠耗散項(xiàng)采用Komen等[15]的方法；三波和四波非線性相互作用分別采用LTA方法[16]和DIA近似算法[17]。

1.4 模型驗(yàn)證

41041號(hào)浮標(biāo)（14.311毅N，46.093毅W）為距幾內(nèi)亞灣最鄰近的可用觀測數(shù)據(jù)，位于大西洋中北部（圖1）；圖2為2017年8月1—31日浮標(biāo)的模型輸出有效波高與41041號(hào)浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖2 2017年8月有效波高驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of significant wave height in Aug.2017

圖2中，模擬有效波高值與觀測結(jié)果基本吻合，主要誤差出現(xiàn)在8月的前5天（此時(shí)模型風(fēng)場偏低）和第15—18日，此時(shí)風(fēng)速（11~2 m/s）變化劇烈，其他驗(yàn)證結(jié)果顯示，CCMP風(fēng)速數(shù)據(jù)與浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)基本吻合；平均波周期模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好，只是在風(fēng)速急劇變化時(shí)段模擬波周期值略高于實(shí)測值，總體可見模型設(shè)置合理可行。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 大西洋風(fēng)、浪分布特征

幾內(nèi)亞灣海浪取決于大西洋的風(fēng)、浪及其傳播特性。幾內(nèi)亞灣海浪模擬顯示，8月7日和14日0時(shí)海灣波場為本月極大值附近，24日0時(shí)為極小值，故對(duì)上述時(shí)刻的大西洋風(fēng)場和海浪場進(jìn)行分析。

圖3中咆哮西風(fēng)帶風(fēng)場變化較大，出現(xiàn)超過20 m/s的大風(fēng)，并伴隨順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的氣旋；24日最大風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在西風(fēng)帶東部非洲西南部海域。

圖3 大西洋2017年8月7日0時(shí)風(fēng)場Fig.3 Wind field of the Atlantic（0000 UTC Aug.7,2017）

圖4中3個(gè)時(shí)刻南大西洋有效波高明顯大于北大西洋，咆哮西風(fēng)帶出現(xiàn)8 m以上海浪，大浪集中在西風(fēng)帶西部和東部，與風(fēng)場極值分布一致，中部海域浪向多變，出現(xiàn)南向浪向大洋低緯海域運(yùn)動(dòng)，非洲西南部海域大浪受風(fēng)向影響，沿岸線北上，影響幾內(nèi)亞灣及其附近海域。

圖4 大西洋2017年8月7日0時(shí)混合浪場Fig.4 Mixed-wave field of the Atlantic（0000 UTC Aug.7,2017）

2.2 幾內(nèi)亞灣海浪場分布

圖5為幾內(nèi)亞灣風(fēng)場，灣內(nèi)風(fēng)向以西南向?yàn)橹鳎?4日局部出現(xiàn)西向風(fēng)，灣內(nèi)大風(fēng)集中在西北灣角及中部海域，最大風(fēng)速6 m/s；7日和24日灣外北部海域出現(xiàn)10 m/s以上大風(fēng)，科特迪瓦和加納（圖1中d點(diǎn)）岸線出現(xiàn)2 m/s左右弱風(fēng)。海灣風(fēng)速變化不劇烈，平均風(fēng)速在4~6 m/s。

圖5 幾內(nèi)亞灣2017年8月7日0時(shí)風(fēng)場Fig.5 Wind field of the Gulf of Guinea（0000 UTC Aug.7,2017）

1）浪場特征

混合浪場見圖6，海浪向?yàn)硟?nèi)傳播，波高呈衰減趨勢，西北部海域衰減程度弱于東南部；14日海灣出現(xiàn)異常波高等值線2.6 m明顯高于周圍其他海域，該時(shí)刻海灣出現(xiàn)大范圍6 m/s左右的大風(fēng)，影響海浪分布。灣內(nèi)浪向?yàn)槟舷蚝臀髂舷颍?個(gè)灣角海域易遭受大浪影響，西北灣角嚴(yán)重于東南灣角，東南灣角岸線凸起，且有群島掩護(hù)，故后方東南部海域海浪強(qiáng)度為灣內(nèi)最弱，科特迪瓦和加納岸線部分凸起，海浪較小，其他西北部和中部海域海浪強(qiáng)度基本一致。

圖6 幾內(nèi)亞灣2017年8月7日0時(shí)混合浪場Fig.6 Mixed-wave field of the Gulf of Guinea（0000 UTC Aug.7,2017）

由計(jì)算結(jié)果可以看出其他波要素特征，涌浪有效波高等值線從灣外南部海域衰減，14日0時(shí)有較大差異是受風(fēng)場影響，西北部海岸線最易遭受超過2 m的涌浪襲擊，東南灣角外側(cè)也存在，但往灣內(nèi)傳播中受島嶼掩護(hù)、地形以及岸線走向的原因，對(duì)近岸的影響遠(yuǎn)弱于西北部，中部海域也易出現(xiàn)2 m以上的涌浪。

2）平均波周期特征

24日灣內(nèi)大部分海域受波周期超過6 s的海浪影響，其他2個(gè)時(shí)刻多處于8 s以上；7日和14日最大波周期出現(xiàn)在南大西洋0毅—15毅S的非洲西海岸，同期灣內(nèi)部分海域（加納岸線）也出現(xiàn)波周期超過10 s，最小區(qū)域集中在灣內(nèi)東南部，為掩護(hù)海域；24日西北灣角海域出現(xiàn)低于6 s的海浪，是受海灣外側(cè)北部的風(fēng)場影響。

2.3 幾內(nèi)亞灣近岸的海浪特性

選取幾內(nèi)亞灣內(nèi)外共計(jì)9個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)信息見表1和圖7，1—3號(hào)控制點(diǎn)位于赤道線附近，緯度上處于最南端，4—9號(hào)控制點(diǎn)位于幾內(nèi)亞灣沿岸海域，涉及灣角、海港以及灣內(nèi)不同海域。

表1 控制點(diǎn)經(jīng)緯度及位置信息Table 1 The longitude,latitude and position information of control points

圖7 幾內(nèi)亞灣控制點(diǎn)位置示意Fig.7 Location of control points on the Gulf of Guinea

1）海灣近岸波高特性

圖8中只展示部分模型輸出結(jié)果，1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)8月混合浪有效波高變化一致，3號(hào)點(diǎn)有效波高小于1號(hào)和2號(hào)，最大差值1 m，3號(hào)點(diǎn)位于加蓬的Gentil外海域，位于地形凸起后方，對(duì)西南向來浪有削弱作用；4—9號(hào)點(diǎn)也呈現(xiàn)接近的變化，但9號(hào)點(diǎn)有效波高小于其他點(diǎn)，最大差值0.5 m，9號(hào)點(diǎn)位于有群島和岸線掩護(hù)的后方海域，波高較??；4號(hào)點(diǎn)在8月前半段最大波高達(dá)2.8 m，這時(shí)期5號(hào)、6號(hào)和8號(hào)點(diǎn)波高大小趨同，8月下旬8號(hào)點(diǎn)波高出現(xiàn)多處高于4號(hào)，其他點(diǎn)之間的相關(guān)性也沒有前半段高，24日左右5—8號(hào)點(diǎn)波高趨同，該時(shí)段海域風(fēng)速極低，主要為涌浪影響，波高一致；7號(hào)點(diǎn)位于海灣中部深處，與其他點(diǎn)有傳播的滯后性且處于大陸架較緩處，能量有損失；6號(hào)點(diǎn)位于西北部岸線凸起后方，地形對(duì)來浪有削弱，波高略低于同期其他點(diǎn)；8號(hào)點(diǎn)位于海灣中部岸線凸起處，外海無掩護(hù)，浪向直擊該區(qū)域，故波高與西北部海域接近。

圖8 部分控制點(diǎn)2017年8月混合浪有效波高變化Fig.8 Variations of the significant mixed-wave heights for part control points in Aug.2017

幾內(nèi)亞灣東南部海域有效波高低于西北部；中部海域波高與西北部持平，出現(xiàn)極值波浪時(shí)，近岸海域差異不明顯。

圖9中，各點(diǎn)涌浪有效波高趨勢變化基本一致，3號(hào)和9號(hào)點(diǎn)位于海灣東南部海域，受島嶼掩護(hù)和地形影響涌浪強(qiáng)度有明顯衰減，波高低于其他點(diǎn)。因?yàn)閭鞑シ较蛞约皞鞑r(shí)間的先后性，8月初3—9號(hào)點(diǎn)波高均出現(xiàn)極小值且4—6號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)段先于3號(hào)和7—9號(hào)點(diǎn)；8月27日左右也能看出該現(xiàn)象，特定浪向的涌浪影響海灣中部，強(qiáng)度明顯大于西北部海域。幾內(nèi)亞灣受同一涌浪影響，灣內(nèi)中部海域存在高強(qiáng)涌浪且涌浪在灣內(nèi)西北和中部海域傳播時(shí)能量損失極小。

圖9 部分控制點(diǎn)2017年8月涌浪有效波高變化Fig.9 Variations of the significant swell heights for part control points in Aug.2017

2）海灣近岸波周期特性

各點(diǎn)平均波周期走向多變，1—3號(hào)波周期關(guān)聯(lián)性較低，4—9號(hào)點(diǎn)相關(guān)性也不明顯。3號(hào)點(diǎn)平均波周期低于其他點(diǎn)，月平均值在6 s左右，其他點(diǎn)可以達(dá)到7 s以上，9號(hào)點(diǎn)也略低于其他點(diǎn)，但9號(hào)點(diǎn)波周期高于3號(hào)，9號(hào)位于灣內(nèi)海浪最弱的東南部海域，主要受長周期的涌浪影響，3號(hào)點(diǎn)為東南灣角岸線凸起掩護(hù)后方，涌浪衰減厲害，故平均波周期最低。

圖10中各點(diǎn)譜峰周期呈現(xiàn)極高的相關(guān)性，24日之前，9個(gè)點(diǎn)譜峰周期變化趨同，最大譜峰周期達(dá)到20 s，并且出現(xiàn)極大值時(shí)各點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)明顯的時(shí)間先后性；28日左右出現(xiàn)差異，1號(hào)、4號(hào)和5號(hào)點(diǎn)未出現(xiàn)其他點(diǎn)出現(xiàn)的極大值，譜峰周期超過20 s的高強(qiáng)涌浪影響海灣中部和東南部海域，而對(duì)西北部海域影響很小。

圖10 部分控制點(diǎn)2017年8月譜峰周期變化Fig.10 Variations of the peak wave periods for part control points in Aug.2017

3）海灣近岸平均波向特性

波向是以指向正東向（去向）為0毅軸，逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，3號(hào)點(diǎn)平均波向在45毅左右；7—9號(hào)點(diǎn)平均波向集中在60毅；4—6點(diǎn)波向在80毅附近波動(dòng)；中部及西北部海域分別易遭受西南向和接近南向來向的海浪影響，浪向與這些海域岸線均成較大夾角，對(duì)海岸線更易造成破壞且破壞更嚴(yán)重。25日左右7—9號(hào)點(diǎn)波向小幅減小，與譜峰周期在該時(shí)段出現(xiàn)下降相關(guān)，之后7號(hào)和8號(hào)點(diǎn)波向又小幅增大，6號(hào)點(diǎn)略微變化，與出現(xiàn)在中部的高強(qiáng)涌浪有關(guān)。

3 結(jié)語

本文采用雙層嵌套SWAN模型模擬典型海況下大西洋至幾內(nèi)亞灣海域的海浪，并分析其海浪分布及傳播特性，主要結(jié)論如下：

1）南大西洋咆哮西風(fēng)經(jīng)常出現(xiàn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的氣旋，中心風(fēng)速超過20 m/s，非洲西南海域會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)集聚，風(fēng)向以南向和東南向?yàn)橹?；幾?nèi)亞灣平均風(fēng)速在6 m/s以下，灣內(nèi)大風(fēng)區(qū)集中在西北部及中部海域，東南部海域最弱，中部海域風(fēng)速變化較為明顯，但風(fēng)向穩(wěn)定，西南向?yàn)橹鳌?/p>

2）咆哮西風(fēng)帶產(chǎn)生的涌浪往南大西洋低緯海域傳播過程中受副熱帶高壓區(qū)影響很小，浪向在該區(qū)域多變，易出現(xiàn)西南向海浪向幾內(nèi)亞灣及其附近海域傳播；出現(xiàn)在非洲西南海岸的大浪，受風(fēng)向的影響，會(huì)沿岸線北上到達(dá)幾內(nèi)亞灣。

3）灣內(nèi)東南部海域受群島掩護(hù)以及地形岸線影響，海浪能量損失嚴(yán)重，波高最小，受涌浪影響也最弱；因?yàn)槔讼蚝惋L(fēng)場的關(guān)系，西北灣角附近海域受混合浪影響最嚴(yán)重；中部海域波高不弱于西北部，很有可能出現(xiàn)高強(qiáng)涌浪，強(qiáng)度大于同期灣內(nèi)其他海域。

4）幾內(nèi)亞灣涌浪處于支配地位且發(fā)源于南大西洋咆哮西風(fēng)帶，盡管灣內(nèi)會(huì)出現(xiàn)6 m/s的大風(fēng)，但不能影響該海域的海浪組成，況且海灣中部的大風(fēng)區(qū)遠(yuǎn)離近岸，產(chǎn)生的風(fēng)浪影響有限，涌浪往灣內(nèi)中部和西北部海域傳播能量損失較小，對(duì)沿岸的影響不弱于西北部。