北大西洋海浪特征分析

徐秀枝 熊巧文 田秋實 艾紅霞

摘 要：利用歐洲中尺度天氣預報中心（ECMWF）ERA-Interim數據集提供的1979年1月-2014年12月一日四次的海浪場和風場數據，分析北大西洋海域海浪場和風場的時空變化特征，然后進行海浪場和風場相關性分析，為北大西洋深水區石油平臺建設的設計和管理提供參考。

關鍵詞：ERA-Interim;北大西洋;海浪場;風場

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

21世紀，隨著世界經濟的飛速發展，陸地資源逐漸匱乏，越發體現出海洋的重要性，但沿海地區也是海洋自然災害的頻發區。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。對各國經濟發展、海洋開發、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世紀主要是將復雜而隨機的海浪運動表示為確定的函數形式，通過流體動力學運動規律來進行描述。到20世紀50年代，隨機海浪理論發展起來，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據，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，隨著計算機和衛星遙感技術的發展，推動了對地觀測技術和地球系統科學研究的發展，隨之涌現出了大量的高分辨率海洋觀測資料，一系列數據同化[2]算法被相繼提出。目前實測數據分析、反演或同化數據分析、衛星遙感數據分析、計算機數值模擬等技術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，歐洲科學家Rye[3]、Lamb等就開始對波候的變化情況進行研究，利用當時僅有的北大西洋和歐洲北海的觀測數據資料，他們首先提出了波浪環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據資料，分析發現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。國內也有不少學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數據集中的有效波高和風場數據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，北大西洋地區波高介于0～4米范圍內，有明顯的季節變化特征。其中冬季（即11月到次年3月）的波高明顯高于其他季節，出現環狀分布的最大值，大值區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，波高由此區域向西南方向遞減，最大有效波高值出現在12月，達到了4m。到了春季（4月-5月）環狀大值區域收縮減小，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，其他地區都在2m以下。到了夏季（6月-8月），波高值繼續減小，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達到了3.5m左右。

2北大西洋風場月變化特征

圖2是北大西洋典型月份（春、夏、秋、冬四季）風場（風速、風向）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速，覆蓋掉陸地上的風速。

整體來看，北大西洋四季風場與海浪場的分布基本一致，也具有明顯的季節變化特征，海表風速變化范圍較大，大多數在0～11米范圍。風速出現了兩個大值區，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速最大，達到了11m/s，夏季（6月-8月）風速最小，最大值只有8m/s左右，而春秋季為過渡季節，最大風速約為9m/s。在加勒比海及其以東海域風速相比于亞速爾群島海域要小得多，冬季最大風速也只有8.5m/s。此外，在大約20°N～30°N存在一低值風速帶，四季均存在，只是在夏季位置稍微偏北，此低值風速帶的浪場與風場并不完全對應，只是在夏季有一對應較好的低值區呈帶狀分布，與低值風速帶對應較好。

從圖中我們還可以看出在30°N～70°N海域，風向四季皆以西南風為主，0°N～30°N海域，東部海域以東北風為主，中西部海域以偏東風為主。在亞速爾群島附近風場存在一個逆時針旋轉系統，且四季都存在。

3北大西洋海浪場和風場相關性分析

上節分析得出海浪場和風場都具有很強的季節性變化特點，所以本節分析海浪場和風場的季節性變化幅度來判斷風、浪的相關性。圖3給出了有效波高和風速季節平均變化幅度的相關系數空間分布圖。

從圖中我們可以看出，四個季節中只有加勒比海以東部分區域相關性較差，其他區域有效波高和風速都有很強的相關性。這說明風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系數大多在0.9以上，這說明該海域的波動主要是由風場引起的，其海浪以風浪為主。

4結論

利用ERA-Interim數據集提供的1979年1月-2014年12月的海浪場和風場數據，分析北大西洋海域海浪場和風場月平均的時空變化特征。發現有效波高和風速有明顯的季節性變化特征，且它們存在很強的相關性。說明風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，有效波高變化和風場對應，春秋季為過渡期，風速減弱，波高也相應變化，所以說北大西洋海浪以風浪為主，這可為北大西洋深水區石油平臺建設的設計和管理提供參考。

參考文獻：

[1] 單瑞， 劉焱雄， 趙鐵虎， 等. 單點 GPS 測速應用于海浪監測之研究[J]. 中國地球物理學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.