基于FHDI-GNWM 数据的全球波浪宏观分布特征初步分析成果

钟雄华，王科华，任赵飞

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

波浪作为一种自然现象一直备受关注，研究波浪的空间分布特征对于港口建设和船舶航行安全等具有重要意义[1-2]。目前国内外学者对于波浪的空间分布特征已做过大量的研究。2018 年，易风等[3]基于ERA-Interim 的波浪再分析资料，分析了南海海域波浪的时空分布特征。2019 年，高林春等[4]基于欧洲中期天气预报中心的波浪数据，分析了波斯湾风浪场的特征。2019 年，徐亚男等[5]利用ECMWF 再分析数据，统计分析了多年孟加拉湾波浪场。2021 年，江森汇等[6]基于40 a 的ERA-Interim 再分析波浪资料，从总体分布特征上分析了广东沿海波浪能资源及其长期变化趋势。2022 年，过瑞康等[7]基于ERA-5 再分析数据集中的波要素数据，对西非区域的混合浪、涌浪和风浪的有效波高和周期的时空分布进行了分析。2022 年，丁杰等[8]利用欧洲中期天气预报中心近37 a 波浪再分析数据，分析了南海海域的波浪能资源时空分布特征。目前大部分的文献主要是基于波浪再分析数据库分析局部区域的波浪分布情况，很少有系统性分析全球波浪空间分布特征的文章。本文基于FHDI-GNMW 全球波浪后报数据库[9]，详细分析了全球波浪的空间宏观分布特征，从而为系统性认识全球波浪特征提供参考。

1 数据来源和分析总体思路

1.1 数据来源

本文选取2011—2015 年共5 a 的FHDI-GNWM全球波浪数据（包括有效波高Hs、谱峰周期Tp和主波向Dmain）作为全球波浪分析的基础数据，统计分析全球有效波高Hs平均值、全球谱峰周期Tp和主波向的空间宏观分布特征。

1.2 分析的总体思路

1） 分析Hs平均值在全球的分布规律主要是为了从宏观的角度认识波高在全球不同海域的分布特征；

2） 分析Tp在全球的分布特征主要是因为全球不同海域波周期存在比较大的差异，比如在中国近岸海域以风浪为主，而在西非则主要以涌浪为主，通过对全球Tp分布特征进行分析，有助于进一步了解Tp在不同海域的分布规律；

3） 分析主波向Dmain在全球的分布规律主要是因为全球在不同纬度所处的风速带不同，比如0°N—30°N 为东北信风带，30°N—60°N 为盛行西风带等，而不同风速带可能会造成不同海域的波向不同，因而分析主波向在全球的分布规律有助于理解波向分布特征。

2 全球有效波高Hs 平均值的空间宏观分布特征

2.1 有效波高Hs 平均值在全球范围的空间宏观分布特征

有效波高Hs平均值在全球范围的空间宏观分布图见图1。由图可知，Hs平均值整体上南半球大于北半球，且在南极绕极流区域形成了一条明显的有效波高Hs平均值大于3.6 m 的高值区。不同纬度范围内，有效波高Hs平均值的全球空间分布特征见表1。

表1 不同纬度范围内有效波高Hs 平均值全球空间分布特征Table 1 Global spatial characteristics of average value of Hs at different latitudes

2.2 有效波高Hs 平均值在全球主要大洋的空间分布特征

为进一步分析有效波高Hs平均值的空间分布特征，分别对全球主要大洋的有效波高Hs平均值的空间分布特征进行分析。

西北太平洋有效波高Hs平均值的空间分布图见图2。由图可知，从总体上看，波高随着纬度的增大呈现先增大后减小的变化规律。不同纬度范围内，西北太平洋有效波高Hs平均值空间分布特征见表2。

图2 西北太平洋有效波高Hs 平均值的空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of the average value of Hs in the Northwest Pacific

表2 不同纬度范围内西北太平洋有效波高Hs 平均值空间分布特征Table 2 Spatial characteristics of average value of Hs in the Northwest Pacific at different latitudes

2） 东太平洋

东太平洋有效波高Hs平均值的空间分布图见图3。

图3 东太平洋有效波高Hs 平均值的空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of the average value of Hs in the East Pacific

由图3 可知，从总体上看，Hs平均值呈现出明显的南强北弱的特点，在南极绕极流区域形成了一条明显的平均波高大于3.6 m 的高值区，然后向北沿纬度带呈递减分布。不同纬度范围内，东太平洋有效波高Hs平均值空间分布特征如表3所示。

表3 不同纬度范围内东太平洋有效波高Hs 平均值空间分布特征Table 3 Spatial characteristics of average value of Hs in the East Pacific at different latitudes

3） 南大西洋

南大西洋有效波高Hs平均值的空间分布图见图4，由图4 可知，从总体上看，随着纬度从0°S逐渐增大，波高变化规律为“先增大后减小”。不同纬度范围内，南大西洋有效波高Hs平均值空间分布特征见表4。

表4 不同纬度范围内南大西洋有效波高Hs 平均值空间分布特征Table 4 Spatial characteristics of average value of Hs in the South Atlantic at different latitudes

4） 北大西洋

第一，细化发展规划。各科室对标国内本专科前沿技术，拟订发展项目，医院组织专家结合该专科的实际情况进行论证，最终确定个性化的发展规划和实施步骤。

北大西洋有效波高Hs平均值的空间分布图见图5。由图5 可知，从总体上看，波高随着纬度的增大呈现“先增大后减小”的变化规律。不同纬度范围内，北大西洋有效波高Hs平均值空间分布特征见表5。

图5 北大西洋有效波高Hs 平均值的空间分布图Fig.5 Spatial distribution map of the average value of Hs in the North Atlantic

表5 不同纬度范围内北大西洋有效波高Hs 平均值空间分布特征Table 5 Spatial characteristics of average value of Hs in the North Atlantic at different latitudes

5） 印度洋

印度洋有效波高Hs平均值空间分布图见图6。

图6 印度洋有效波高Hs 平均值的空间分布图Fig.6 Spatial distribution map of the average value of Hs in the Indian Ocean

由图6 可知，从空间分布来看，Hs平均值呈现出明显的南强北弱特点，在50°S 区域形成了一条明显的平均波高大于4.2 m 的高值区，然后向北沿纬度带递减分布。不同纬度范围内，印度洋有效波高Hs平均值空间分布特征见表6。

表6 不同纬度范围内印度洋有效波高Hs 平均值空间分布特征Table 6 Spatial characteristics of average value of Hs in the Indian Ocean at different latitudes

3 全球谱峰周期Tp 和主波向的空间宏观分布特征

3.1 谱峰周期Tp 的空间宏观分布特征

谱峰周期Tp平均值全球空间分布图见图7，超越概率为1%和10%的谱峰周期Tp全球空间分布图分别见图8 和图9。

图7 谱峰周期Tp 平均值全球空间分布图Fig.7 Global spatial distribution map of average value of Tp

图8 超越概率为1%的谱峰周期Tp 全球空间分布图Fig.8 Global spatial distribution map of Tp with 1%exceedance

图9 超越概率为10%的谱峰周期Tp 全球空间分布图Fig.9 Global spatial distribution map of Tp with 10%exceedance

由图7 可知，从整体分布来看，全球绝大部分海区Tp平均值大于12 s，并且Tp在各大洲的西海岸要明显大于东海岸。Tp平均值的最大值出现在东太平洋20°N—20°S 范围靠近墨西哥、哥伦比亚、厄瓜多尔、秘鲁的海区，该海区Tp平均值超过14 s；其次为印度洋靠近马来西亚、澳大利亚西海岸的海区，该海区Tp平均值超过13 s。Tp平均值相对较小、风浪为主的海区基本位于各大洲的东海岸以及全球主要的内海及海湾，主要分布在墨西哥湾、加勒比海、美国东海岸、地中海、红海、波斯湾、马达加斯加以北的非洲东海岸、西北太平洋第一岛链以西海域、南太平洋各国大部分海域、澳大利亚北部海域等。

由图8 和图9 可知，上述Tp平均值相对较小、风浪为主的海区也会出现一定频率的大周期涌浪，因此全球绝大部分海区均存在大周期涌浪，但出现频率差异明显。Tp最大的海区依次为东太平洋、印度洋、大西洋东部海区，超越概率为1%的谱峰周期Tp分别为18～21 s、18～20 s、17～19 s，超越概率为10%的谱峰周期Tp分别为15～17 s、15～17 s、14～16 s。

上述波周期的全球空间分布特征与各大洋波浪主要源自南北纬30°—60°的盛行西风带、波浪长距离传播中经一系列物理过程后波浪能量向低频段转移、以及各海区的波浪掩护条件有关。

3.2 主波向的空间宏观分布特征

主波向Dmain全球空间分布图见图10。

图10 主波向Dmain 全球空间分布图Fig.10 Global spatial distribution map of main wave direction Dmain

对于东太平洋靠近北美洲、南美洲西海岸的海区，0°—20°N 范围内主波向Dmain为SSW 向，20°N—40°N 范围内主波向Dmain为WNW—W 向，40°N—60°N 范围内主波向Dmain为W—SW 向；0°—20°S 范围内主波向Dmain为SSW 向，20°S—40°S范围内主波向Dmain为SW 向，40°S—60°S 范围内主波向Dmain为W 向。

对于大西洋靠近北美洲、南美洲东海岸的海区，0°—20°N 范围内主波向Dmain为ENE—E 向，20°N—40°N 范围内主波向Dmain为E—ESE 向，40°N—60°N 范围内主波向Dmain变化较大，0°—20°S 范围内主波向Dmain为SE 向，20°S—40°S 范围内主波向Dmain为S—SSW 向，40°S—60°S 范围内主波向Dmain为SW 向。

对于大西洋靠近欧洲、非洲西海岸的海区，0°—20°N 范围内主波向Dmain为S—SSW 向，20°N—40°N 范围内主波向Dmain为NW—NNW 向，40°N—60°N 范围内主波向Dmain为WNW—W 向，0°—20°S范围内主波向Dmain为S—SSW 向，20°S—40°S 范围内主波向Dmain为S、SW 向。

对于印度洋靠近非洲东海岸的海区，0°—20°S范围内主波向Dmain为SSE—SE 向，20°S—40°S 范围内主波向Dmain为SSW—SW 向；阿拉伯海主波向Dmain为SSW—SW 向，孟加拉湾主波向Dmain为SSW 向。

对于西北太平洋，0°—20°N 范围内主波向Dmain为ENE 向，20°N—40°N 范围内主波向Dmain为E 向，40°N—60°N 范围内主波向Dmain变化较大。

对于南太平洋，0°—20°S 范围内主波向Dmain为NE 向及SE 向，20°S—40°S 范围内主波向Dmain为SE 向及SW 向。

4 结语

基于FHDI-GNWM 全球波浪数据库，研究了全球波浪空间宏观分布特征，结论如下：

1） 全球有效波高Hs的平均值总体上南半球大于北半球，在南半球对应于南极绕极流区域形成了一条明显的有效波高Hs平均值大于3.6 m 的高值区。

2） 有效波高Hs平均值在全球主要大洋的空间分布特征各不相同，对于西北太平洋和北大西洋而言，从总体上看，随着纬度从0°N 逐渐增大，波高变化规律为先增大后减小；对于东太平洋而言，有效波高Hs平均值呈现出明显的南强北弱的特点，在南半球对应于南极绕极流区域形成了一条明显的平均波高大于3.6 m 的高值区，然后向北沿纬度带呈递减分布；对于南大西洋而言，有效波高Hs平均值随着纬度从0°S 逐渐增大，波高变化规律为先增大后减小；对于印度洋而言，有效波高Hs平均值呈现出明显的南强北弱特点，在50°S 区域形成了一条明显的平均波高大于4.2 m的高值区，然后向北沿纬度带递减分布。

3） 全球谱峰周期Tp从整体分布来看，全球绝大部分海区Tp平均值大于12 s，并且Tp在各大洲的西海岸要明显大于东海岸，波周期的全球空间分布特征与各大洋波浪主要源自南北纬30°—60°的盛行西风带、波浪长距离传播中经一系列物理过程后波浪能量向低频段转移、以及各海区的波浪掩护条件有关。

4） 全球主波向分布规律不明显，不同海域的主波向存在明显差异。