黃山 鄔曉冬 王囝囝 周天嬌 王巖 ?；哿?/p>

(大連市氣象服務(wù)中心，遼寧大連 116001)

引言

隨著中國及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年，橫跨渤海海峽的客滾船運(yùn)輸航線，已成為環(huán)渤海地區(qū)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分?？蜐L船通航密度增大，航行和避讓難度也隨之增大。海上航運(yùn)具有高風(fēng)險(xiǎn)性，航運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)評估是氣象及航運(yùn)交通管理部門提供的重要航運(yùn)參考。

已有評估分析表明，海浪是影響船舶航行安全的重要因素之一[1-3]。近年的海浪要素調(diào)查和研究利用多年船舶氣象資料，分別對南、北太平洋海浪的時空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明太平洋海浪場存在明顯的季節(jié)變化[4-5]。隨數(shù)值模式的應(yīng)用與發(fā)展，利用模式產(chǎn)品對海浪進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[6-7]。莊曉宵和林一驊[8]利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心大氣和海洋全球再分析數(shù)據(jù)提供的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集，對1982—2011年全球各海浪要素進(jìn)行分析，并定義了一種季節(jié)變率的算法，其研究表明北半球大洋比南半球大洋季節(jié)變化更明顯，印度季風(fēng)區(qū)例外，可見海浪要素的季節(jié)變化特征顯著。也有研究利用Seast和GEOS衛(wèi)星高度統(tǒng)計(jì)資料等對比分析了不同海域海表面風(fēng)速和有效波高的分布特征，其結(jié)論表明風(fēng)場是影響海浪時空分布的重要因素[9-11]。周媛媛等[13]利用WAVEWATCH III海浪模式對1993—2011年中國東部冬季風(fēng)場與海浪場的關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行分析表明，中國東部海域海浪受多種天氣系統(tǒng)的大風(fēng)擾動影響顯著。

以往海浪的研究大多為混合浪，較少將風(fēng)浪和涌浪分別進(jìn)行討論。Chen等[14]定義了風(fēng)浪、涌浪指標(biāo)以分析全球各海域兩者的分布情況。Semedo等[15]利用多年海浪再分析資料，統(tǒng)計(jì)了全球風(fēng)浪和涌浪的氣候態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)混合浪、風(fēng)浪及涌浪的有效波高均為赤道外海域大于赤道海域，并且均在冬季達(dá)到最大。鄭崇偉等[16-17]對不同海區(qū)的風(fēng)浪、涌浪和混合浪場的時空特征、涌浪指標(biāo)等分析表明，混合浪以涌浪為主。盡管對不同海區(qū)風(fēng)浪、涌浪的研究較多，但針對大連近海海域的波浪指數(shù)及風(fēng)浪、涌浪分布特征等分析較少，且現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)分析大多基于渤海沿岸觀測數(shù)據(jù)[18-19]。大連市三面環(huán)海，海岸線總長度達(dá)2211 km，海洋氣象服務(wù)是大連氣象服務(wù)的重要部分，其中的港航氣象服務(wù)是航運(yùn)交通的重要參考[20-22]。因此，深入研究大連近海各海域的海浪特征，尤其是風(fēng)浪和涌浪的特征，具有重要意義。本文利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的ERA5海表面風(fēng)場及海浪高分辨率再分析資料，對2010—2019年大連近?？瓦\(yùn)航線海域各海浪要素的年平均、季節(jié)平均分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為大連近海及中國沿海地區(qū)海浪要素預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域劃分

研究區(qū)為大連近?？瓦\(yùn)航線海域(簡稱大連近海)，范圍為37°～41°N，117°～127°E，覆蓋了整個渤海和部分黃海區(qū)域。為便于對比各海域海浪要素差異，將研究區(qū)域自定義為4部分(圖1)，自西北向東南依次為：遼東半島南端的旅順老鐵山與山東半島北端的蓬萊的連線以西為渤海；渤海東部邊界至遼東半島東南端的大窯灣港與山東半島東端的成山頭的連線為渤海海峽；渤海海峽東部邊界至山東半島東端的成山頭與朝鮮最西南角的龍淵郡的連線為黃海北部；黃海北部的東南邊界至山東半島東端的成山頭與韓國西端的泰安郡的連線為黃海中部。

虛線為研究區(qū)域分割線圖1 研究區(qū)域劃分Fig.1 Division of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

由于大連近海海域海浪要素觀測資料缺乏，選用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的大氣和海洋全球再分析數(shù)據(jù) (The 5th Generation European Center for Medium-Range Weather Forecasts Atmospheric Reanalysis of the Global Climate,ERA5)的風(fēng)場和海浪場數(shù)據(jù)。ERA5為ECMWF對過去40—70 a全球氣候和天氣再分析數(shù)據(jù)的第五代同化數(shù)據(jù)集，是取代ERA-Interim的新產(chǎn)品。ERA5提供水平分辨率為31 km、垂直137層的大氣變量每小時估算數(shù)據(jù)，比ERA-Interim有了較大的提升(水平分辨率為80 km，時間分辨率為8 h，垂直為60層)。ERA5以ECMWF開發(fā)的數(shù)據(jù)同化集合(EDA)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，解釋模型預(yù)報(bào)值與觀測值的誤差，將更多的歷史觀測數(shù)據(jù)尤其是衛(wèi)星數(shù)據(jù)也應(yīng)用到數(shù)據(jù)同化和模式系統(tǒng)中，以便用戶更好的分析不同時空的海洋大氣參數(shù)，提高大氣狀況預(yù)報(bào)水平[23-24]。此外，ERA5提供的變量數(shù)由原來的100種增加至240種，包括耦合海浪模式提供的海浪有效波高、波向及平均周期等(https://www.ecmwf.int/en/newsletter/147/news/era5-reanalysis-production.)，為分析海洋、大氣過去的狀態(tài)提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。ERA5可用的數(shù)據(jù)時間長度為1979年至今，每日更新(延遲約5 d)，包括高空與地面逐小時及逐月的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

選取2010—2019 年逐月平均的海表面10 m風(fēng)場以及逐日4個時次(00 UTC、06 UTC、12 UTC、18 UTC)混合浪海浪場數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.5°×0.5°，其中的變量包括海表面10 m風(fēng)速、混合浪有效波高、混合浪平均周期、風(fēng)浪有效波高及總涌浪有效波高等。將逐月平均的海表面10 m風(fēng)場及逐日4個時次的混合浪海浪場格點(diǎn)數(shù)據(jù)分別處理為年平均以及季節(jié)平均數(shù)據(jù)，12月至翌年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

1.3 涌浪指數(shù)

由于風(fēng)浪和涌浪的形成條件和空間分布均不同，為分析二者對大連近海海浪場的作用，參考涌浪指數(shù)算法[11,14,16,25-26]，從能量的角度出發(fā)，計(jì)算2010—2019年大連近海涌浪指數(shù)(Swell Index，SI)的季節(jié)變化，并定量分析風(fēng)浪或涌浪在混合浪中的占比。

(1)

式(1)中，E為波浪能(kW·m-1)；H為有效波高(m)；T為平均周期(s)；下標(biāo)s為涌浪；下標(biāo)t為混合浪。

2 結(jié)果分析

2.1 大連近海風(fēng)場及海浪場特征

2.1.1 海表面10 m風(fēng)速

由2010—2019年大連近海平均海表面10 m風(fēng)速分布可知(圖2)，黃海海域整體風(fēng)速大于渤海及渤海海峽，其風(fēng)速最大值范圍為6.0～6.3 m·s-1，渤海北部也有一個風(fēng)速最大值區(qū)，但相較黃海海域略小，風(fēng)速最大值范圍為5.7～6.0 m·s-1。大連近海海域風(fēng)速最小值出現(xiàn)在山東北部沿海以及朝鮮半島西岸，風(fēng)速為4.0 m·s-1以下。

等值線及填色為海表面10 m風(fēng)速圖2 2010—2019年大連近海平均海表面10 m 風(fēng)速分布Fig.2 Distribution of wind speed at 10 m on average sea surface in Dalian offshore from 2010 to 2019

由2010—2019年大連近海的季節(jié)平均海表面10 m風(fēng)速分布可知(圖3)，大連近海冬季和春季風(fēng)速大值中心均出現(xiàn)在黃海海域，呈明顯的東強(qiáng)西弱分布，風(fēng)速最大值分別為7.8 m·s-1和6.3 m·s-1，與大連近海10 a平均風(fēng)速分布相近。但不同的是，夏季各海區(qū)風(fēng)速分布差異較小，風(fēng)速為4.5～4.8 m·s-1，秋季風(fēng)速大值中心出現(xiàn)在渤海北部，風(fēng)速最大值范圍為6.3～6.6 m·s-1。從圖3還可以看出，大連近海在冬季風(fēng)速達(dá)到最大值，然后逐漸減小，夏季達(dá)到最小值后再逐漸增大。其原因是冬季冷空氣作用明顯，偏北風(fēng)較強(qiáng)，春季溫帶氣旋活動頻繁，南風(fēng)增加[27]；夏季由于地形原因大連近海東南季風(fēng)不明顯[28]；秋季為冷空氣南下初期[29]，故風(fēng)速大值中心出現(xiàn)在渤海北部海域。

等值線及填色為海表面10 m風(fēng)速圖3 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大連近海季節(jié)平均海表面10 m 風(fēng)速分布Fig.3 Seasonal average wind speed distribution of 10 m in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d)at the sea surface in Dalian offshore from 2010 to 2019

2.1.2 混合浪有效波高

由2010—2019年大連近海混合浪平均有效波高分布可知(圖4)，與海表面10 m風(fēng)速分布相似，混合浪有效波高也呈明顯的東強(qiáng)西弱分布，黃海海域整體有效波高大于渤海及渤海海峽，有效波高最大值出現(xiàn)在黃海中部，其范圍為1.0～1.1 m。渤海和渤海海峽比較相近，有效波高最大值范圍為0.7～0.8 m?？梢姶筮B近海的有效波高受風(fēng)場影響明顯，與以往研究一致[30]。

等值線及填色為混合浪有效波高圖4 2010—2019年大連近?；旌侠似骄行Рǜ叻植糉ig.4 Mean effective wave height distribution of mixed waves in Dalian offshore from 2010 to 2019

由2010—2019年大連近海的季節(jié)平均混合浪有效波高分布可知(圖5)，四個季節(jié)的有效波高大值中心均出現(xiàn)在黃海中部海域，有效波高最大值分別為1.4 m、0.9 m、0.8 m和1.0 m。除此之外，渤海海域中部四個季節(jié)同樣也均有一個有效波高大值中心，其數(shù)值比黃海中部偏小，有效波高最大值分別為1.0 m、0.7 m、0.5 m和0.9 m。與海表面10 m風(fēng)速季節(jié)變化一致，大連近海各海域在冬季有效波高達(dá)到最大值，然后逐漸減小，在夏季達(dá)到最小值后再逐漸增大，黃海海域的有效波高季節(jié)變化最明顯，其他海域變化幅度稍弱。

等值線及填色為混合浪有效波高圖5 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大連近海季節(jié)平均混合浪有效波高分布Fig.5 Seasonal average effective wave height distribution of mixed wave in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d) from 2010 to 2019 in Dalian offshore

2.1.3 混合浪平均周期

由2010—2019年大連近海平均混合浪周期分布可知(圖6)，黃海海域平均周期比渤海和渤海海峽大，平均周期大值中心位于黃海中部海域，其范圍為4.8～5.0 s，與風(fēng)場及有效波高場相一致，整體呈東強(qiáng)西弱分布，但混合浪平均周期季節(jié)變化(圖7)與風(fēng)場及有效波高場存在差異?；旌侠似骄芷诟骷境蕱|強(qiáng)西弱分布，四個季節(jié)的平均周期大值中心均出現(xiàn)在黃海中部海域，平均周期最大值范圍分別為4.8～5.0 s、4.4～4.6 s、5.2～5.4 s和4.6～4.8 s。春、秋季的平均周期分布與10 a平均分布一致，表明相對于年平均，冬、春、秋季變化較小，夏季變化較大[8]。夏季平均周期分布的變化具體表現(xiàn)為，大連近海全年平均周期最大值出現(xiàn)在夏季的黃海中部，而平均周期的最小值出現(xiàn)在夏季的渤海海域，其最小值范圍為3.0～3.2 s。以往研究表明并非波高越大，平均周期越大[31]，由本文可知，大連近海夏季黃海海域以涌浪為主，而涌浪相對于風(fēng)浪具有周期更長的特點(diǎn)[32]，這些可能是夏季大連近海東西兩側(cè)平均周期差距明顯的原因。

等值線及填色為混合浪平均周期圖6 2010—2019年大連近海混合浪平均周期分布Fig.6 Mean period distribution of mixed waves in Dalian offshore from 2010 to 2019

等值線及填色為混合浪平均周期圖7 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大連近海季節(jié)平均混合浪周期分布Fig.7 Seasonal average period distribution of mixed waves in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d) from 2010 to 2019 in Dalian offshore

2.2 大連近海風(fēng)浪及涌浪特征

海浪按成因可以分為風(fēng)浪、涌浪及混合浪3種。風(fēng)浪指由本地風(fēng)產(chǎn)生的，且持續(xù)處于風(fēng)作用下的海面波動狀態(tài)。涌浪指由海面上其他海區(qū)傳來的或本地風(fēng)力迅速減小、平息，或風(fēng)向改變后海面上的波動[8]。由于資料獲取手段不同，以往研究多將風(fēng)浪和涌浪分離成獨(dú)立的海浪[11,14]，但實(shí)際上兩者往往是同時存在的[33]。

由2010—2019年大連近?；旌侠?、風(fēng)浪、涌浪有效波高及海表面10 m風(fēng)速的月際變化可知(圖8)，大連近?；旌侠恕L(fēng)浪、涌浪有效波高及海表面10 m風(fēng)速基本均呈U型月際變化特征。大連近海3—9月涌浪在混合浪中的占比較大；春夏季由于海區(qū)相對封閉，大連近海的季風(fēng)不明顯，海表面10 m風(fēng)速基本低于4 m·s-1，風(fēng)浪在混合浪中的占比相對??；10月至翌年2月秋、冬兩季在冷空氣影響下，海表面10 m風(fēng)速迅速增大，風(fēng)浪在混合浪中的占比大于涌浪。

圖8 2010—2019年大連近海混合浪、風(fēng)浪、涌浪有效波高及海表面10 m風(fēng)速月際變化Fig.8 Monthly variation characteristics of effective wave height of the mixed wave,wind wave,swell,and wind speed at 10 m in Dalian offshore from 2010 to 2019

2010—2019年大連近海各海區(qū)涌浪指數(shù)的季節(jié)分布及統(tǒng)計(jì)見圖9和表1。由圖9可知，大連近海各海區(qū)的涌浪指數(shù)均較高，4個海區(qū)的年平均涌浪指數(shù)均為64%以上，表明大連近海海浪中以涌浪為主，尤其是夏季，整個大連近海均為涌浪占主導(dǎo)，高值中心的涌浪指數(shù)達(dá)85%以上，出現(xiàn)在黃海北部及黃海中部。由于地形原因，夏季大連近海季風(fēng)不明顯，風(fēng)浪的影響較小，大連近海各海域夏季海浪主要為寬闊海區(qū)傳來或本地風(fēng)力迅速減小、平息，及風(fēng)向改變后海面上留下來的波動。

大連近海存在2個涌浪指數(shù)低值區(qū)，一個是冬季的大連近海幾乎整個區(qū)域，受冷空氣影響，大連近海涌浪指數(shù)為52.9%，低值中心在黃海北部，指數(shù)可達(dá)45.0%以下；另一個是秋季的渤海北部，低值中心的涌浪指數(shù)可達(dá)50.0%以下。從圖9涌浪指數(shù)低值區(qū)與圖3海表面10 m風(fēng)場大值區(qū)的對比可知，二者秋、冬季的空間分布較相似，表明受冷空氣影響，秋、冬季大連近海涌浪的主導(dǎo)作用減弱，有效波高受風(fēng)場影響顯著，與前文結(jié)論一致。以往研究表明[13]，大連近海風(fēng)場對海浪場的影響，主要基于貝加爾湖以東南下的反氣旋式偏北擾動大風(fēng)(或氣旋式偏南擾動大風(fēng))和中國東部平原入海的氣旋式擾動風(fēng)場(或反氣旋式擾動風(fēng)場)對中國東部海域海浪的擾動。

等值線及填色為涌浪指數(shù)圖9 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大連近海季節(jié)平均涌浪指數(shù)分布Fig.9 Seasonal average swell index distribution in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d) from 2010 to 2019 in Dalian offshore

表1 2010—2019年大連近海不同區(qū)域的季節(jié)涌浪指數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Seasonal swell index statistics in different areas of Dalian offshore from 2010 to 2019

大連近海涌浪的有效波高季節(jié)差異不明顯，大值中心位于黃海中部，自東南向西北渤海方向遞減，涌浪的傳播過程中，受傳播效應(yīng)和變淺效應(yīng)影響，黃海開闊海域的涌浪比渤海及渤海海峽等狹窄的區(qū)域高[8]，表明地形對大連近海涌浪分布的影響顯著。

3 結(jié)論

(1)2010—2019年大連近海平均混合浪有效波高與海表面10 m風(fēng)速分布一致，均呈明顯的東強(qiáng)西弱特征，混合浪有效波高場受風(fēng)場影響顯著。大連近?；旌侠擞行Рǜ吲c海表面10 m風(fēng)速呈明顯的季節(jié)變化，冬季最大、夏季最小，秋季的渤海北部存在大值中心。

(2)大連近海混合浪平均周期也呈東強(qiáng)西弱的分布特征。與風(fēng)場及有效波高場不同，平均周期最大值出現(xiàn)在夏季的黃海中部海域，而最小值出現(xiàn)在夏季的渤海海域。夏季大連近海的東西兩側(cè)平均周期差距十分明顯。

(3)大連近?；旌侠?、風(fēng)浪、涌浪有效波高及海表面10 m風(fēng)速基本均呈U型月際變化特征。3—9月涌浪在混合浪中的占比大于風(fēng)浪，受冷空氣影響，10月至翌年2月風(fēng)浪在混合浪中的占比大于涌浪。

(4)大連近海各海域春、夏季的混合浪以涌浪為主，而冬季各海域以及秋季的渤海北部，受冷空氣影響，以風(fēng)浪為主。大連近海的風(fēng)浪受海表風(fēng)場擾動明顯，涌浪則受地形作用影響顯著。