基于ECMWF再分析數(shù)據(jù)的孟加拉灣風(fēng)浪特征分析

徐亞男， 王科華，袁洪濤，張亞敬*

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙 交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230； 3.天津東方泰瑞科技有限公司,天津 300456)

21世紀(jì)海上絲綢之路以中國泉州等地為起點(diǎn)，經(jīng)過孟加拉灣、阿拉伯海、波斯灣和地中海等海灣，其中從中國的沿海港口出發(fā)經(jīng)過南海海域到印度洋，再延伸到歐洲是21世紀(jì)海上絲綢之路的一個(gè)重點(diǎn)方向。孟加拉灣是21世紀(jì)海上絲綢之路的重要海區(qū)，同時(shí)孟加拉灣也是世界上風(fēng)暴潮多發(fā)的地區(qū)，因此深入研究分析孟加拉灣海域的風(fēng)浪特征，不僅可以為該海域重要的港口建設(shè)與航運(yùn)安全提供技術(shù)支持，而且可以為沿岸城市港口的防災(zāi)減災(zāi)提供可靠科學(xué)基礎(chǔ)條件，有利于為21世紀(jì)海上絲綢之路的工程建設(shè)提供重要的決策信息，推動(dòng)孟加拉灣海上工程的開展和實(shí)施。

國內(nèi)外學(xué)者基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)對(duì)全球海域的波浪、風(fēng)場(chǎng)特征開展了系列的研究工作。沈春[1]利用QUIKSCAT的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析我國南海海面風(fēng)場(chǎng)的變化特征，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)南海的風(fēng)場(chǎng)變化與年際的變化有一定的關(guān)系。鄭崇偉等[2-3]利用ECMWF的海浪數(shù)據(jù)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)北印度洋的波候、風(fēng)候特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該海域夏季以西南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，冬季以東北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，受季風(fēng)的影響季風(fēng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)向和波向基本一致。袁俊鵬等[4]人根據(jù)1981～2010 年JTWC的北印度洋熱帶氣旋路徑資料和NECP的風(fēng)場(chǎng)資料對(duì)北印度洋熱帶氣旋活動(dòng)時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析表明孟加拉灣的熱帶氣旋主要以偏西方向的路徑居多。崔開復(fù)等[5]利用1958～2010年的NCEP/NCAR風(fēng)場(chǎng)資料分析北印度洋海平面風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空特征，分析發(fā)現(xiàn)北印度洋的風(fēng)速分布存在著南北兩端小、中間大，東部小于西部的特點(diǎn)，同時(shí)存在著同一時(shí)期內(nèi)阿拉伯海的風(fēng)速要大于孟加拉灣風(fēng)速的特點(diǎn)。黃美玲等[6]利用工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了印尼爪哇島波浪的雙峰特征。 李培等[7]利用1950～1995年的北印度洋的氣象船舶資料進(jìn)行北印度洋的氣象特點(diǎn)分析，分析發(fā)現(xiàn)了風(fēng)場(chǎng)的分布特點(diǎn)及年際變化特征。梅勇等[8]利用1957～2002年ECMWF的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析北印度洋-南海海域海浪場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)的年際變化特征，分析表明印度洋海面有效波高的時(shí)空分布與風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布存在著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。劉金芳[9]等利用1980～1990年的北印度洋的氣象船舶資料分析北印度洋的風(fēng)浪場(chǎng)特點(diǎn)，分析表明在季風(fēng)期間風(fēng)向與波向基本一致。李汀等[10]利用NCEP/NCAR風(fēng)場(chǎng)資料分析孟加拉灣西南季風(fēng)與南海熱帶季風(fēng)的氣候特征，結(jié)果表明孟加拉灣盛行西南季風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)于南海盛行西南季風(fēng)的時(shí)間，同時(shí)孟加拉灣西南季風(fēng)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于南海季風(fēng)的強(qiáng)度。傅晨[11]等利用1979～2016年ECMWF中的海浪數(shù)據(jù)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析南海-北印度洋極端海浪場(chǎng)分布和變化特征，結(jié)果表明南海-北印度洋極端有效波高分布特征和極端風(fēng)速的分布特征高度一致。孟加拉灣海域受季風(fēng)影響顯著，且整個(gè)孟加拉灣波候的區(qū)域差異性明顯，目前多數(shù)研究針對(duì)于全球海域、印度洋和孟加拉灣整體海域。本研究對(duì)孟加拉灣不同區(qū)域的風(fēng)浪特征和代表性的港口的風(fēng)浪特征進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并與波候特征相似的阿拉伯海風(fēng)浪特征進(jìn)行對(duì)比分析。

1 數(shù)據(jù)來源及方法

本文根據(jù)利用的ECMWF的波浪和海表面10 m風(fēng)場(chǎng)再分析數(shù)據(jù)，分析孟加拉灣海域的風(fēng)浪特征。ECMWF是由奧地利、法國、德國等34個(gè)國家組成的國際性天氣預(yù)報(bào)研究的組織，其發(fā)布的數(shù)據(jù)包含全球海平面以上10 m處風(fēng)場(chǎng)的所有再分析數(shù)據(jù)以及波浪數(shù)據(jù)，其空間分辨率包括0.75°×0.75°、0.50°×0.50°、0.25°×0.25°、0.125°×0.125°等多種不同組合的精度，目前可以達(dá)到的最高精度為0.125°×0.125°。ECMWF采用的是UTC時(shí)間，時(shí)間分辨率為6 h，分別為每天的0時(shí)、6時(shí)、12時(shí)、18時(shí)4個(gè)時(shí)刻。本文選擇的區(qū)域?yàn)?°N～32.5°N，31.5°E～102.5°E，包括孟加拉灣和阿拉伯海海域，對(duì)2015年～2017年孟加拉灣的風(fēng)浪特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，此外還重點(diǎn)分析了孟加拉灣中的吉大港、欽奈港、實(shí)兌港3個(gè)代表性港口的風(fēng)浪特征。

2 波浪特征分析

2.1 波浪場(chǎng)的季度變化特征

一季度孟加拉灣盛行NE向季風(fēng)，孟加拉灣有效波高的平均值在0.95～1.55 m，海灣東側(cè)沿海有效波高略大于海灣西側(cè)沿海有效波高；當(dāng)海灣穿過安達(dá)曼群島-尼克群島進(jìn)入安達(dá)曼海，波高減弱明顯，緬甸沿海海域有效波高小于1 m。研究進(jìn)一步與阿拉伯海波候特征進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)阿拉伯海的有效波高的平均值處于0.8～1.25 m之間，相同緯度的孟加拉灣的有效波高平均值大于阿拉伯海的有效波高平均值(圖1-a)。灣頂沿海區(qū)域大于東西沿岸的波周期，受斯里蘭卡島的掩護(hù)，孟加拉灣西岸的波周期最小(圖2-a)。

二季度為孟加拉灣季風(fēng)過渡的季節(jié)，季風(fēng)由東北季風(fēng)過渡為西南季風(fēng)，該季度有效波高的平均值在1.1～2 m，波高值較一季度有明顯的增強(qiáng)。受地形影響，西北側(cè)灣頂海域波高特征值大于東側(cè)灣頂海域波高特征值，西側(cè)灣頂近海海域平均有效波高超過1.5 m，安達(dá)曼海受外側(cè)群島掩護(hù)作用明顯，近海區(qū)域平均有效波高小于1 m，與阿拉伯海波候特征進(jìn)行對(duì)比，整體孟加拉灣大于阿拉伯海的波浪特征值(圖1-b)。孟加拉灣東部沿海波周期最大約為8.5 s，西岸波周期最小小于8 s(圖2-b)。

三季度孟加拉灣盛行SW向季風(fēng)，孟加拉灣的有效波高平均值在1.6～2.4 m，受印度洋SW向涌浪影響，海灣東側(cè)沿海有效波高明顯大于海灣西側(cè)沿海有效波高，安達(dá)曼海近岸海區(qū)平均有效波高為1.3 m。對(duì)比阿拉伯海海域的波浪特征值發(fā)現(xiàn)，SW季風(fēng)期間索拉里海域大風(fēng)天氣頻率增強(qiáng)，阿拉伯海的平均有效波高處于1.8～3 m，大于孟加拉灣的平均有效波高(圖1-c)。最大波周期出現(xiàn)在西側(cè)灣頂大于8.5 s，其次是東部沿海海域約為8.5 s(圖2-c)。

四季度孟加拉灣海區(qū)盛行東北季風(fēng)，波候特征與一季度相似。由于該季風(fēng)力較弱，灣內(nèi)的波高呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，有效波高平均值在0.8～1.8 m之間變化，海灣西側(cè)沿海有效波高略大于海灣東側(cè)沿海有效波高。與阿拉伯海的有效波高進(jìn)行對(duì)比分析，有效波高處于1.1～1.5 m，相同緯度的孟加拉灣的有效波高平均值要大于阿拉伯海的有效波高平均值(圖1-d)。該季波周期為全年最大，灣頂海域及東部沿海海域波周期均超過9 s(圖2-d)。

通過對(duì)孟加拉灣不同季度的波浪場(chǎng)分析可以得出孟加拉灣的波浪條件具有季節(jié)性的變化特征，且在西南季風(fēng)的影響下有效波高的平均值大于在東北季風(fēng)影響下的有效波高的平均值。SW季風(fēng)期風(fēng)力較強(qiáng)且印度洋的涌浪影響，孟加拉灣東部沿海有效波高大于西部沿海的有效波高，受局部區(qū)域的大風(fēng)影響阿拉伯海波高特征值大于孟加拉灣的波高特征值；而NE季風(fēng)期孟加拉灣東部沿海有效波高略小于西部沿海的有效波高，同時(shí)孟加拉灣的波浪特征值大于阿拉伯海波浪特征值。而孟加拉灣北部灣頂受恒河流域影響淺灘與深槽交錯(cuò)分布，波浪傳播至灣頂波高將迅速減小。孟加拉灣波周期在灣頂及東部沿海區(qū)域較大，在西部沿海區(qū)域較小。

1-a 一季度1-b 二季度

1-c 三季度1-d 四季度圖1 特征波高的季度特征Fig.1 Quarterly characteristics of wave height

2-a 一季度2-b 二季度

2-c 三季度2-d 四季度圖2 特征波周期的季度特征Fig.2 Quarterly characteristics of wave period

2.2 港口節(jié)點(diǎn)的波浪季度變化特征

圖3 孟加拉灣港口位置Fig.3 Location of port in Bay of Bengal

利用2015年～2017年波浪數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析孟加拉灣海域中涉及到重要節(jié)點(diǎn)的波浪特征，繪制了不同季度的波高(有效波高)玫瑰圖。選取21世紀(jì)海上絲綢之路涉及到的3個(gè)代表性港口，分別為吉大港、實(shí)兌港、欽奈港(圖3)。吉大港位于孟加拉灣的東北岸，是印度洋上的天然良港，也是孟加拉國的最大港口城市和人口第二大城市；欽奈港位于孟加拉灣西岸，是孟加拉灣的最大港口和印度的第二大集裝箱港口，因此欽奈港也被人們稱作為印度南部的門戶；實(shí)兌港位于孟加拉灣的東岸，是緬甸在孟加拉灣沿岸的最大海港。吉大港、欽奈港和實(shí)兌港作為21世紀(jì)海上絲綢之路的重要節(jié)點(diǎn)，同時(shí)3個(gè)港口分別位于孟加拉灣的不同方向(東北岸、西岸、東岸)，因此選擇以上3個(gè)港口作為代表性港口，并對(duì)代表性港口的波浪特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

一季度，孟加拉灣的3個(gè)重要節(jié)點(diǎn)港口主要以偏S向的浪為主：吉大港附近海域的強(qiáng)浪向?yàn)镾SW，常浪向?yàn)镾SW向，出現(xiàn)的頻率約為67%，其中出現(xiàn)頻率最高的是0.26～0.39 m的SSW向浪(29%)、0.39～0.52 m的SSW(20%)；實(shí)兌港的強(qiáng)浪向出現(xiàn)在NW方向，常浪向?yàn)镾SW向，出現(xiàn)的頻率約為33%；欽奈港E向浪出現(xiàn)的頻率最高，頻率高達(dá)26.57%，強(qiáng)浪向?yàn)镋SE方向(圖4)。

4-a 吉大港4-b 實(shí)兌港4-c 欽奈港圖4 一季度波高玫瑰圖Fig.4 Wave height rose in the first quarter

二季度，吉大港附近海域的強(qiáng)浪向與常浪向均處在SSW方向，出現(xiàn)的頻率高達(dá)91%，其中出現(xiàn)頻率最高的是0.5～0.75 m的SSW(27%)、0.75～1 m的SSW向浪(30%)；實(shí)兌港的常浪向出現(xiàn)在SW方向，出現(xiàn)的頻率約為62%，強(qiáng)浪向?yàn)镾SW；欽奈港SSE向浪出現(xiàn)的頻率最高，頻率高達(dá)40%，而強(qiáng)浪向?yàn)镾SW方向(圖5)。

5-a 吉大港5-b 實(shí)兌港5-c 欽奈港圖5 二季度波高玫瑰圖Fig.5 Wave height rose in the second quarter

三季度，吉大港附近海域的強(qiáng)浪向?yàn)镾方向。常浪向?yàn)镾SW，出現(xiàn)的頻率高達(dá)89%，其中出現(xiàn)頻率最高的是0.66～0.88 m的SSW(33%)、0.88～1.1 m的SSW向浪(22%)，1.1～1.32 m的SSW向浪(13%)；實(shí)兌港的常浪向出現(xiàn)在SW方向，出現(xiàn)的頻率約為45%，強(qiáng)浪向?yàn)閃SW；欽奈港的常浪向?yàn)镾方向，頻率為43%，強(qiáng)浪向?yàn)镾W方向(圖6)。

6-a 吉大港6-b 實(shí)兌港6-c 欽奈港圖6 三季度波高玫瑰圖Fig.6 Wave height rose in the third quarter

四季度，吉大港附近海域的強(qiáng)浪向和常浪向?yàn)镾SW方向， SSW方向波浪出現(xiàn)的頻率約為65%，其中出現(xiàn)頻率最高的是0.23～0.46 m的SSW(33%)、0.46～0.69 m的SSW向浪(26%)；實(shí)兌港的常浪向出現(xiàn)在SSW方向，出現(xiàn)的頻率約為45%，強(qiáng)浪向?yàn)镾W；欽奈港的常浪向?yàn)镾SE方向，頻率為70%，強(qiáng)浪向?yàn)镾方向(圖7)。

7-a 吉大港7-b 實(shí)兌港7-c 欽奈港圖7 四季度波高玫瑰圖Fig.7 Wave height rose in the fourth quarter

3 風(fēng)場(chǎng)條件統(tǒng)計(jì)分析

3.1 風(fēng)場(chǎng)分布特征

一季度，印度洋東北風(fēng)盛行，受季風(fēng)影響孟加拉灣海域以東北風(fēng)為主，平均風(fēng)速在4～5 m/s，最大平均風(fēng)速約為5 m/s。從平均風(fēng)速的風(fēng)速值的大小來看，中部海區(qū)10°N附近的風(fēng)速值大于孟加拉灣南北兩端的風(fēng)速值；

二季度，孟加拉灣中由東北季風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂霞撅L(fēng)，由于存在季風(fēng)風(fēng)向的轉(zhuǎn)換，此季節(jié)風(fēng)速變化不大，平均風(fēng)速在3.5～5 m/s。最大平均風(fēng)速出現(xiàn)在中部海區(qū)附近；

三季度，孟加拉灣西南季風(fēng)發(fā)展強(qiáng)勁，在西南季風(fēng)的影響下，孟加拉灣的風(fēng)向以西南方向?yàn)橹鳎骄L(fēng)速在4～7 m/s，平均風(fēng)速的最大值分布中部海區(qū)附近；

四季度，孟加拉灣存在季風(fēng)的過渡，季風(fēng)由西南季風(fēng)轉(zhuǎn)向?yàn)闁|北季風(fēng)，孟加拉灣風(fēng)向以東北方向?yàn)橹鲗?dǎo)，平均風(fēng)速在4～4.5 m/s之間，風(fēng)速變化不大，最大風(fēng)速在中部海區(qū)附近。

通過對(duì)不同季度的風(fēng)場(chǎng)分布特征的分析可以看出風(fēng)速季節(jié)變化特征明顯，海灣內(nèi)10°N處的平均風(fēng)速比緯度在20°N以上和赤道附近的平均風(fēng)速大，同時(shí)在三季度大于其他季度的平均風(fēng)速(圖8)。

8-a 一季度8-b 二季度

8-c 三季度8-d 四季度圖8 風(fēng)場(chǎng)的季度特征Fig.8 Quarterly wind field

3.2 港口節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向的季度變化特征

一季度，孟加拉灣海域內(nèi)盛行冬季風(fēng)，吉大港的常風(fēng)向?yàn)镹向，頻率約為20%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾W方向。實(shí)兌港的常風(fēng)向?yàn)镹W向，出現(xiàn)的頻率為26.85%，平均風(fēng)速4.391 m/s，強(qiáng)風(fēng)向出現(xiàn)在SSW方向；欽奈港的常風(fēng)向?yàn)镋NE方向，出現(xiàn)的頻率約為23%，平均風(fēng)速4.56 m/s ，強(qiáng)風(fēng)向出現(xiàn)在NE方向(圖9)。

9-a 吉大港9-b 實(shí)兌港9-c 欽奈港圖9 一季度風(fēng)玫瑰圖Fig.9 Wind rose in the first quarter

二季度，孟加拉灣的西南季風(fēng)開始盛行，灣內(nèi)的幾個(gè)港口節(jié)點(diǎn)的風(fēng)向以偏S方向?yàn)橹?，其中吉大港的常風(fēng)向出現(xiàn)在SSW方向，頻率約為30%，平均風(fēng)速為5.2 m/s，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)閃SW；實(shí)兌港附近的常風(fēng)向?yàn)镾W，頻率約為19%，平均風(fēng)速為4.9 m/s，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾方向；欽奈港的常風(fēng)向?yàn)镾方向，出現(xiàn)的頻率約為25%，平均風(fēng)速為5.84 m/s，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)閃方向(圖10)。

10-a 吉大港10-b 實(shí)兌港10-c 欽奈港圖10 二季度風(fēng)玫瑰圖Fig.10 Wind rose in the second quarter

三季度，西南季風(fēng)發(fā)展逐漸強(qiáng)勁，在西南季風(fēng)的影響下，孟加拉灣內(nèi)的港口節(jié)點(diǎn)逐漸向西南方向轉(zhuǎn)變。吉大港的常風(fēng)向?yàn)镾方向，出現(xiàn)的頻率約為30%，平均風(fēng)速為4.89 m/s，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾SE方向；實(shí)兌港的常風(fēng)向與強(qiáng)風(fēng)向均發(fā)生在SSW方向，平均風(fēng)速為5.06 m/s；欽奈港的常風(fēng)向?yàn)閃SW方向，平均風(fēng)速約5.04 m/s，強(qiáng)風(fēng)向出現(xiàn)在SW方向(圖11)。

11-a 吉大港11-b 實(shí)兌港11-c 欽奈港圖11 三季度風(fēng)玫瑰圖Fig.11 Wind rose in the third quarter

四季度，孟加拉灣內(nèi)的季風(fēng)由西南季風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北季風(fēng)，吉大港常風(fēng)向轉(zhuǎn)為NNW方向，出現(xiàn)的頻率約為24%，平均風(fēng)速為3.2 m/s，強(qiáng)風(fēng)向出現(xiàn)在S方向；實(shí)兌港的常風(fēng)向?yàn)镹NW，頻率約為24%，平均風(fēng)速為3.53 m/s，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾SE；欽奈港常風(fēng)向?yàn)镹E方向，出現(xiàn)的頻率約為30%，平均風(fēng)速為 4.74 m/s，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾SE方向(圖12)。

12-a 吉大港 12-b 實(shí)兌港12-c 欽奈港圖12 四季度風(fēng)玫瑰圖Fig.12 Wind rose in the fourth quarter

4 結(jié)語

通過對(duì)ECMWF中波浪資料和海表面10 m風(fēng)場(chǎng)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)孟加拉灣的波浪場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)具有以下特征：

(1)孟加拉灣的特征波高具有季節(jié)性的變化特征，且在西南季風(fēng)的影響下有效波高的平均值大于在東北季風(fēng)影響下的有效波高的平均值；孟加拉灣的波浪條件具有區(qū)域差異性，西南季風(fēng)影響下孟加拉灣東部沿海的特征波高大于孟加拉灣西部沿海的特征波高，東北季風(fēng)影響下孟加拉灣東部沿海的特征波高小于西部沿海的特征波高。

(2)孟加拉灣的特征波周期具有季節(jié)性的變化特征及區(qū)域的差異性。全年最大波周期出現(xiàn)在東北季風(fēng)期，孟加拉灣灣頂及東部沿海的波周期最大超過9 s，西部沿海受斯里蘭卡島的掩護(hù)作用，波周期最小。

(3)在孟加拉的東北部海域、東部沿海及西部沿海分別選取吉大港、實(shí)兌港及欽奈港3個(gè)代表性港口，研究發(fā)現(xiàn)吉大港及實(shí)兌港受地形影響波浪方向較為集中且與外海波浪方向基本一致，主要體現(xiàn)在SSW-SW向；而欽奈港位于孟加拉灣的西側(cè)海域受地形影響波浪方向以SSE-S向?yàn)橹?，尤其在一季度波浪受NE季風(fēng)影響，波向以E向浪為主。

(4)孟加拉灣的風(fēng)速季節(jié)變化特征明顯，在第三季度(季風(fēng)期)大于其他季度的平均風(fēng)速；海灣內(nèi)中低緯度(5°N ～15°N)平均風(fēng)速比中高緯度和赤道附近的平均風(fēng)速大。