几内亚湾海浪特性研究

2021-09-28周昕伟徐福敏张继生

中国港湾建设 2021年9期

周昕伟，徐福敏，张继生

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098；2.华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014；3.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210098）

0 引言

几内亚湾位于非洲西部，作为直面大西洋的开敞海湾，易遭受大西洋的海浪袭击，由于观测数据的匮乏以及该海域独特的海浪特性，至今仍需要更细致的机理和模型研究，油气开采、航运以及海岸工程的兴起也使得该海域的海浪分布及传播特性研究具有重要实际价值。

几内亚湾以微潮和涌浪为主[1]，潮差在0.3~1.8 m[2-3]，风浪影响很小，多年月平均风浪波高不超过1.0 m；传播到几内亚湾的涌浪主要来源于南大西洋40毅S—60毅S区域的咆哮西风带，横跨大西洋在几内亚湾及附近海域破碎[4]；Toualy等[5]通过AVISO有效波高数据分析表明几内亚湾西北部海域的海浪振幅变化很大，出现的大振幅、长周期的波浪也起源于南大西洋40毅S—60毅S之间。

该地区实测数据较少，Koffi等[6]以及Kadio等[7]分析科特迪瓦（图1中c点）附近石油公司观测的逐日波浪数据，王科华等[8]利用该海域数学模型报告介绍了两种长周期涌浪海域波要素的推导方法。现阶段对几内亚湾海浪特性的认识依然需要进一步研究，本文建立大西洋至几内亚湾的双层嵌套SWAN海浪模型，研究典型海况下几内亚湾海浪特性，探究其海浪的分布及传播特性。

图1 外层大西洋计算区域Fig.1 Calculation area of the outer Atlantic Ocean

1 研究资料及方法

1.1 SWAN模型介绍

第三代谱波浪模型SWAN适用于大、中和小尺度海域海浪模拟，模型控制方程可表示为：

式中：N（σ，θ）为波作用量密度谱，N（σ，θ）=，E（σ，θ）为能谱密度；方程左边前3项分别为作用量谱密度随时间t、经度λ方向、纬度φ方向上的变化率；Cλ、Cφ分别为各自方向上的传播速度；第4项为流和水深变化引起的相对频率的频移；第5项为流和水深变化引起的折射和变浅作用；Cσ、Cθ分别为波浪在σ、θ空间上的传播速度；方程右边S为源汇项。

1.2 研究区域

几内亚湾西起利比里亚的帕尔马斯角（4毅22忆N，7毅44忆W，图1中a点），东止加蓬的洛佩斯角（0毅37忆S，8毅43忆E，图1中b点）。Ondoa等[9]和Melet等[2]的研究表明几内亚湾主要海浪影响因素：赤道信风区域的风浪影响，咆哮西风带西部产生的西南向涌浪以及东部（非洲西南海域）产生沿非洲西岸线北上的南向涌浪（图1）。为保证影响几内亚湾海浪能量不丢失，明确湾内西北部、中部和东南部近岸海域海浪分布特性，SWAN模型计算范围外层为整个大西洋（75毅N—75毅S，83毅W—22毅E）；内层嵌套计算区域为几内亚湾及附近海域（30毅N—15毅S，20毅W—15毅E），图1小方框所示。

1.3 模型设置

每年12月—次年3月[10]咆哮西风带对南大西洋北部影响最弱；4—5月和10—11月分别为南大西洋中部风场由弱转强和由强转弱时期；6—9月咆哮西风带对南大西洋影响为全年最大，同期几内亚湾也处于全年风场最强时段。

8月为几内亚湾及其附近海域全年海浪最活跃的时间段之一[11]，该时段海湾多年月平均有效浪高到达全年高点1.7 m，并且极端涌浪也多发生在该月，故选取2017年8月作为模拟时间段。

水深采用ETOPO1数据，采用CCMP数据作为驱动风场；外层计算区域空间分辨率为10忆，计算步长为15 min；内层计算区域空间分辨率为2忆，计算步长为5 min。谱方向分辨率为10毅，底摩擦采用Hasselmann等[12]的方法，系数为0.015；水深所致的波浪破碎采用Battjes等[13]的方法，系数为0.73；风能输入采用Cavaleri等[14]的方法；白冠耗散项采用Komen等[15]的方法；三波和四波非线性相互作用分别采用LTA方法[16]和DIA近似算法[17]。

1.4 模型验证

41041号浮标（14.311毅N，46.093毅W）为距几内亚湾最邻近的可用观测数据，位于大西洋中北部（图1）；图2为2017年8月1—31日浮标的模型输出有效波高与41041号浮标实测数据对比。

图2 2017年8月有效波高验证结果对比Fig.2 Comparison of significant wave height in Aug.2017

图2中，模拟有效波高值与观测结果基本吻合，主要误差出现在8月的前5天（此时模型风场偏低）和第15—18日，此时风速（11~2 m/s）变化剧烈，其他验证结果显示，CCMP风速数据与浮标观测数据基本吻合；平均波周期模拟结果与实测数据吻合良好，只是在风速急剧变化时段模拟波周期值略高于实测值，总体可见模型设置合理可行。

2 模拟结果分析

2.1 大西洋风、浪分布特征

几内亚湾海浪取决于大西洋的风、浪及其传播特性。几内亚湾海浪模拟显示，8月7日和14日0时海湾波场为本月极大值附近，24日0时为极小值，故对上述时刻的大西洋风场和海浪场进行分析。

图3中咆哮西风带风场变化较大，出现超过20 m/s的大风，并伴随顺时针运动的气旋；24日最大风区出现在西风带东部非洲西南部海域。

图3 大西洋2017年8月7日0时风场Fig.3 Wind field of the Atlantic（0000 UTC Aug.7,2017）

图4中3个时刻南大西洋有效波高明显大于北大西洋，咆哮西风带出现8 m以上海浪，大浪集中在西风带西部和东部，与风场极值分布一致，中部海域浪向多变，出现南向浪向大洋低纬海域运动，非洲西南部海域大浪受风向影响，沿岸线北上，影响几内亚湾及其附近海域。

图4 大西洋2017年8月7日0时混合浪场Fig.4 Mixed-wave field of the Atlantic（0000 UTC Aug.7,2017）

2.2 几内亚湾海浪场分布

图5为几内亚湾风场，湾内风向以西南向为主，24日局部出现西向风，湾内大风集中在西北湾角及中部海域，最大风速6 m/s；7日和24日湾外北部海域出现10 m/s以上大风，科特迪瓦和加纳（图1中d点）岸线出现2 m/s左右弱风。海湾风速变化不剧烈，平均风速在4~6 m/s。

图5 几内亚湾2017年8月7日0时风场Fig.5 Wind field of the Gulf of Guinea（0000 UTC Aug.7,2017）

1）浪场特征

混合浪场见图6，海浪向湾内传播，波高呈衰减趋势，西北部海域衰减程度弱于东南部；14日海湾出现异常波高等值线2.6 m明显高于周围其他海域，该时刻海湾出现大范围6 m/s左右的大风，影响海浪分布。湾内浪向为南向和西南向，2个湾角海域易遭受大浪影响，西北湾角严重于东南湾角，东南湾角岸线凸起，且有群岛掩护，故后方东南部海域海浪强度为湾内最弱，科特迪瓦和加纳岸线部分凸起，海浪较小，其他西北部和中部海域海浪强度基本一致。

图6 几内亚湾2017年8月7日0时混合浪场Fig.6 Mixed-wave field of the Gulf of Guinea（0000 UTC Aug.7,2017）

由计算结果可以看出其他波要素特征，涌浪有效波高等值线从湾外南部海域衰减，14日0时有较大差异是受风场影响，西北部海岸线最易遭受超过2 m的涌浪袭击，东南湾角外侧也存在，但往湾内传播中受岛屿掩护、地形以及岸线走向的原因，对近岸的影响远弱于西北部，中部海域也易出现2 m以上的涌浪。

2）平均波周期特征

24日湾内大部分海域受波周期超过6 s的海浪影响，其他2个时刻多处于8 s以上；7日和14日最大波周期出现在南大西洋0毅—15毅S的非洲西海岸，同期湾内部分海域（加纳岸线）也出现波周期超过10 s，最小区域集中在湾内东南部，为掩护海域；24日西北湾角海域出现低于6 s的海浪，是受海湾外侧北部的风场影响。

2.3 几内亚湾近岸的海浪特性

选取几内亚湾内外共计9个控制点，控制点信息见表1和图7，1—3号控制点位于赤道线附近，纬度上处于最南端，4—9号控制点位于几内亚湾沿岸海域，涉及湾角、海港以及湾内不同海域。

表1 控制点经纬度及位置信息Table 1 The longitude,latitude and position information of control points

图7 几内亚湾控制点位置示意Fig.7 Location of control points on the Gulf of Guinea

1）海湾近岸波高特性

图8中只展示部分模型输出结果，1号和2号点8月混合浪有效波高变化一致，3号点有效波高小于1号和2号，最大差值1 m，3号点位于加蓬的Gentil外海域，位于地形凸起后方，对西南向来浪有削弱作用；4—9号点也呈现接近的变化，但9号点有效波高小于其他点，最大差值0.5 m，9号点位于有群岛和岸线掩护的后方海域，波高较小；4号点在8月前半段最大波高达2.8 m，这时期5号、6号和8号点波高大小趋同，8月下旬8号点波高出现多处高于4号，其他点之间的相关性也没有前半段高，24日左右5—8号点波高趋同，该时段海域风速极低，主要为涌浪影响，波高一致；7号点位于海湾中部深处，与其他点有传播的滞后性且处于大陆架较缓处，能量有损失；6号点位于西北部岸线凸起后方，地形对来浪有削弱，波高略低于同期其他点；8号点位于海湾中部岸线凸起处，外海无掩护，浪向直击该区域，故波高与西北部海域接近。

图8 部分控制点2017年8月混合浪有效波高变化Fig.8 Variations of the significant mixed-wave heights for part control points in Aug.2017

几内亚湾东南部海域有效波高低于西北部；中部海域波高与西北部持平，出现极值波浪时，近岸海域差异不明显。

图9中，各点涌浪有效波高趋势变化基本一致，3号和9号点位于海湾东南部海域，受岛屿掩护和地形影响涌浪强度有明显衰减，波高低于其他点。因为传播方向以及传播时间的先后性，8月初3—9号点波高均出现极小值且4—6号点出现时段先于3号和7—9号点；8月27日左右也能看出该现象，特定浪向的涌浪影响海湾中部，强度明显大于西北部海域。几内亚湾受同一涌浪影响，湾内中部海域存在高强涌浪且涌浪在湾内西北和中部海域传播时能量损失极小。

图9 部分控制点2017年8月涌浪有效波高变化Fig.9 Variations of the significant swell heights for part control points in Aug.2017

2）海湾近岸波周期特性

各点平均波周期走向多变，1—3号波周期关联性较低，4—9号点相关性也不明显。3号点平均波周期低于其他点，月平均值在6 s左右，其他点可以达到7 s以上，9号点也略低于其他点，但9号点波周期高于3号，9号位于湾内海浪最弱的东南部海域，主要受长周期的涌浪影响，3号点为东南湾角岸线凸起掩护后方，涌浪衰减厉害，故平均波周期最低。

图10中各点谱峰周期呈现极高的相关性，24日之前，9个点谱峰周期变化趋同，最大谱峰周期达到20 s，并且出现极大值时各点会呈现明显的时间先后性；28日左右出现差异，1号、4号和5号点未出现其他点出现的极大值，谱峰周期超过20 s的高强涌浪影响海湾中部和东南部海域，而对西北部海域影响很小。

图10 部分控制点2017年8月谱峰周期变化Fig.10 Variations of the peak wave periods for part control points in Aug.2017

3）海湾近岸平均波向特性

波向是以指向正东向（去向）为0毅轴，逆时针运动，3号点平均波向在45毅左右；7—9号点平均波向集中在60毅；4—6点波向在80毅附近波动；中部及西北部海域分别易遭受西南向和接近南向来向的海浪影响，浪向与这些海域岸线均成较大夹角，对海岸线更易造成破坏且破坏更严重。25日左右7—9号点波向小幅减小，与谱峰周期在该时段出现下降相关，之后7号和8号点波向又小幅增大，6号点略微变化，与出现在中部的高强涌浪有关。