北大西洋海浪特征分析

徐秀枝 熊巧文 田秋实 艾红霞

摘 要：利用欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）ERA-Interim数据集提供的1979年1月-2014年12月一日四次的海浪场和风场数据，分析北大西洋海域海浪场和风场的时空变化特征，然后进行海浪场和风场相关性分析，为北大西洋深水区石油平台建设的设计和管理提供参考。

关键词：ERA-Interim;北大西洋;海浪场;风场

中图分类号：U445.3           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）01-0106-02

21世纪，随着世界经济的飞速发展，陆地资源逐渐匮乏，越发体现出海洋的重要性，但沿海地区也是海洋自然灾害的频发区。在海洋工程中，海浪是最活跃、最重要的动力要素之一，海洋中的波动是海水重要的运动形式之一[1]。大西洋作为世界上的第二大洋，是世界海上航运的中心之一，集中了诸多世界海运航线，货运量居各大洋之首。对各国经济发展、海洋开发、国防安全等都具有极为重要的意义。

前人对海浪早有研究，19世纪主要是将复杂而随机的海浪运动表示为确定的函数形式，通过流体动力学运动规律来进行描述。到20世纪50年代，随机海浪理论发展起来，它将海浪运动表达为随机过程，通过随机过程理论分析给出不同情况下海浪运动的统计特征。但是由于观测手段和计算机条件的限制，缺乏长时间的海浪观测数据，对广阔的大西洋长期的气候变化研究更少。直到20世纪80年代，随着计算机和卫星遥感技术的发展，推动了对地观测技术和地球系统科学研究的发展，随之涌现出了大量的高分辨率海洋观测资料，一系列数据同化[2]算法被相繼提出。目前实测数据分析、反演或同化数据分析、卫星遥感数据分析、计算机数值模拟等技术手段使得海洋气候的研究进入一个新的阶段。

从19世纪70年代开始，欧洲科学家Rye[3]、Lamb等就开始对波候的变化情况进行研究，利用当时仅有的北大西洋和欧洲北海的观测数据资料，他们首先提出了波浪环境可能存在变化的趋势。1988年，Carter et al.[4]指出东北大西洋波高存在显著的增加。随后，Bacon et al.[5]整理所有可能得到的北大西洋和北海的观测数据资料，分析发现北大西洋海域可能从五十年代起有效波高就开始以一定的速度在增加。国内也有不少学者对该海域波候进行研究，像刘金芳、韩树宗等等[6-8]。本文主要采用ECMWF的ERA-Interim数据集中的有效波高和风场数据分析北大西洋波候变化，其时间分辨率为6小时，空间分辨率为0.75°×0.75°，时间范围从1979年1月-2014年12月。

1北大西洋海浪场变化特征

图1给出了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间分布图。

从图中可以看出，北大西洋地区波高介于0～4米范围内，有明显的季节变化特征。其中冬季（即11月到次年3月）的波高明显高于其他季节，出现环状分布的最大值，大值区域大致位于亚速尔群岛西北部海域，即在50°N～60°N， 50°W～15°W范围内，波高由此区域向西南方向递减，最大有效波高值出现在12月，达到了4m。到了春季（4月-5月）环状大值区域收缩减小，波高也迅速下降，只有在亚速尔群岛附近的波高值还保持在3m左右，其他地区都在2m以下。到了夏季（6月-8月），波高值继续减小，大约在7月份达到全年最小值，波高大多在1.5m以下。到了秋季（9月-10月），波高值又开始回增，到了10月，亚速尔群岛附近波高已经达到了3.5m左右。

2北大西洋风场月变化特征

图2是北大西洋典型月份（春、夏、秋、冬四季）风场（风速、风向）的平均图，为了和上文的波高做对比，这里只分析海洋上的风速，覆盖掉陆地上的风速。

整体来看，北大西洋四季风场与海浪场的分布基本一致，也具有明显的季节变化特征，海表风速变化范围较大，大多数在0～11米范围。风速出现了两个大值区，分别位于加勒比海及其东南海域和亚速尔群岛附近海域。在亚速尔群岛附近海域冬季风速最大，达到了11m/s，夏季（6月-8月）风速最小，最大值只有8m/s左右，而春秋季为过渡季节，最大风速约为9m/s。在加勒比海及其以东海域风速相比于亚速尔群岛海域要小得多，冬季最大风速也只有8.5m/s。此外，在大约20°N～30°N存在一低值风速带，四季均存在，只是在夏季位置稍微偏北，此低值风速带的浪场与风场并不完全对应，只是在夏季有一对应较好的低值区呈带状分布，与低值风速带对应较好。

从图中我们还可以看出在30°N～70°N海域，风向四季皆以西南风为主，0°N～30°N海域，东部海域以东北风为主，中西部海域以偏东风为主。在亚速尔群岛附近风场存在一个逆时针旋转系统，且四季都存在。

3北大西洋海浪场和风场相关性分析

上节分析得出海浪场和风场都具有很强的季节性变化特点，所以本节分析海浪场和风场的季节性变化幅度来判断风、浪的相关性。图3给出了有效波高和风速季节平均变化幅度的相关系数空间分布图。

从图中我们可以看出，四个季节中只有加勒比海以东部分区域相关性较差，其他区域有效波高和风速都有很强的相关性。这说明风场变化对北大西洋海浪场有很大的影响。在亚速尔群岛附近海域相关系数大多在0.9以上，这说明该海域的波动主要是由风场引起的，其海浪以风浪为主。

4结论

利用ERA-Interim数据集提供的1979年1月-2014年12月的海浪场和风场数据，分析北大西洋海域海浪场和风场月平均的时空变化特征。发现有效波高和风速有明显的季节性变化特征，且它们存在很强的相关性。说明风速变化对北大西洋海浪场有很大的影响。冬季有效波高为全年最大，有效波高变化和风场对应，春秋季为过渡期，风速减弱，波高也相应变化，所以说北大西洋海浪以风浪为主，这可为北大西洋深水区石油平台建设的设计和管理提供参考。

参考文献：

[1] 单瑞， 刘焱雄， 赵铁虎， 等. 单点 GPS 测速应用于海浪监测之研究[J]. 中国地球物理学会第二十七届年会论文集， 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] 韩树宗， 赵喜喜， 朱大勇， 等. 大西洋波高分布及变化规律研究[J]. 海洋湖沼通报， 2003 （4）： 22-29.

[7] 刘金芳， 梁玉清. 北大西洋风场和海浪场特点分析[J]. 海洋通报， 2000， 19（5）： 12-20.

[8] 俞慕耕， 周雅静. 大西洋欧洲沿海的海浪特点[J]. 海洋通报， 1999， 18（4）： 11-20.