基于ERA5再分析系統(tǒng)海上絲綢之路海況及波高周期聯(lián)合分布特征

關(guān)鍵詞：海上絲綢之路;波浪特征分布;實測數(shù)據(jù)

中圖分類號：U655;P731 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）03-0102-12

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的提出，我國與“21世紀海上絲綢之路”沿線國家相繼開展了廣泛的交流與合作。海上絲綢之路沿線涉及廣闊的海域面積，海洋情況十分復(fù)雜。全面研究沿線海域海況特征對保障船舶安全通航、港口碼頭建設(shè)以及深海資源開發(fā)等具有重要的戰(zhàn)略意義。港口碼頭是各國經(jīng)濟貿(mào)易活動的重要媒介，也是“一路”經(jīng)濟建設(shè)中的關(guān)鍵目標。在建設(shè)港口碼頭之前，通常需要對該地區(qū)海域海況進行至少1年以上的研究，以便于投資規(guī)劃、施工裝備選擇調(diào)配以及實施方案策劃等方面提供參考依據(jù)。然而，項目策劃階段或是前期無法保證有常年工作的水文潮汐站，如何及時把握沿線海域海況、順利完成水運工程建設(shè)是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。

目前，眾多學(xué)者對全球各海域的海況特征進行了研究，Anoop等[1]利用歐洲中期天氣預(yù)報中心波浪再分析資料（ECMWF Re-Analysis-Interim，ERA-Interim）對北印度洋風(fēng)浪、涌浪在季風(fēng)期間的變化特征進行了分析;Kumar等[2]對印度洋西海岸的浮標實測數(shù)據(jù)和ERA-Interim 系統(tǒng)中的有效波高、平均波周期進行了對比分析;Hithin等[3]利用衛(wèi)星高度計對阿拉伯海1996—2012年有效波高和平均波周期的變化規(guī)律進行了統(tǒng)計分析;束芳芳等[4]通過對廣東陽西近岸測站1年實測波浪資料及岸邊同期風(fēng)資料的整理與分析，獲得了該海域的波高和風(fēng)速、波高和周期之間的關(guān)系;李淑江等[5]根據(jù)2012—2013年海南島東南近岸整年海浪觀測資料，初步分析了觀測海域的海浪季節(jié)變化和統(tǒng)計特征;文先華等[6]通過對廣西北海近岸測站1年實測波浪資料，分析了該海域的波浪特征;唐東躍等[7]采用SZF型波浪浮標，在工程海域進行為期1年的波浪觀測，對實測的波浪要素進行了統(tǒng)計分析;楊忠良等[8]利用齋堂島東南海域2013—2014年的實測波浪資料，統(tǒng)計分析了該海域波浪特征，為波浪能資源評估提供了基本波浪參數(shù);鄭崇偉等[9] 利用ERA-Interim 對全球海域波候特征進行統(tǒng)計分析，探討了南海、印度洋以及西北太平洋的波浪能資源分布;王晉等[10]利用長期觀測的波浪數(shù)據(jù)對印度尼西亞Adipala海岸長周期波浪分布特征進行統(tǒng)計分析;易風(fēng)等[11]基于ERA-Interim 再分析資料對南海37年波浪分布數(shù)據(jù)進行了時空特征分析。耿珊珊等[12]評估了ERA5海面氣壓和風(fēng)速再分析資料在渤海和北黃海的適用性，通過與觀測資料的比較分析了它們在不同時間尺度下的相關(guān)性和偏差。陳君芝等[13]使用ERA5再分析數(shù)據(jù)，分析其在西太平洋、南海和東印度洋地區(qū)海上高風(fēng)速事件的適用性，并探討了其誤差范圍和系統(tǒng)偏差。在現(xiàn)有的研究中，利用實測數(shù)據(jù)資料分析涉及的海域范圍小，水文測站位置分散，數(shù)據(jù)整合困難;利用全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行的各海域海況特征分析空間尺度大，對大范圍海域波浪特征有了整體把握，但由于實測資料缺乏和衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率受限，工程建設(shè)重點關(guān)注的近岸海域海況特征缺乏精細化、系統(tǒng)化的討論，不能為海洋工程建設(shè)提供較好的施工決策儲備。

本文擬利用基于歐洲中期天氣預(yù)報中心ERA5的再分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過南?；洊|海域、孟加拉灣海域、阿拉伯海域和加納TEMA 新集裝箱碼頭工程的實測數(shù)據(jù)，驗證ERA5再分析數(shù)據(jù)的有效性和準確性;同時，對2012—2022年海上絲綢之路沿線各典型海域海況特征進行統(tǒng)計分析，獲得各海域有效波高與譜峰周期聯(lián)合分布概率，為近岸工程的實施提供數(shù)據(jù)參考。

1 海況數(shù)據(jù)獲取

1.1 數(shù)據(jù)來源

歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centrefor Medium-Range Weather" Forecasts，ECMWF）的再分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫集成全球各觀測點及衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提供了多年大氣、海洋、土壤等氣候再分析數(shù)據(jù)。其中，ERA5數(shù)據(jù)庫是由ECMWF和哥白尼氣候服務(wù)項目（C3S）聯(lián)合開發(fā)的繼ERA-Interim 之后第5代大型全球再分析系統(tǒng)，其涵蓋了1950年至今的氣候再分析數(shù)據(jù)集。與ERA-Interim 相比，ERA5數(shù)據(jù)庫涵蓋時間范圍更廣、具有更高的時間分辨率和空間分辨率、實時數(shù)據(jù)可實現(xiàn)3個月內(nèi)的更新速度、優(yōu)化后的同化系統(tǒng)也大大提高了該再分析系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)的準確性。

1.2 數(shù)據(jù)處理

使用數(shù)據(jù)處理軟件對從ERA5獲取的NetCDF氣象科學(xué)數(shù)據(jù)文件進行處理。NetCDF數(shù)據(jù)文件由屬性、維度和變量3類信息組成，屬性解釋數(shù)據(jù)來源和具體信息，維度包含數(shù)據(jù)覆蓋的時間、空間范圍，變量根據(jù)用戶所需下載參數(shù)呈現(xiàn)。這里采用時間分辨率為1h、空間分辨率為0.5°×0.5°的海洋數(shù)據(jù)和空間分辨率為0.25°×0.25°的氣象數(shù)據(jù)，選擇2012—2022年全球海域風(fēng)浪涌浪共同影響下的有效波高、平均波周期、10m 高度風(fēng)速作為研究參量進行分析。各參數(shù)屬性選擇如表1所示。

2 分析驗證

以南海為起點，途徑孟加拉灣和阿拉伯海，開展ERA5波浪獲取和再分析，并在這幾個海域內(nèi)開展波浪測試，應(yīng)用波浪實測數(shù)據(jù)驗證ERA5數(shù)據(jù)在海上絲綢之路的適用性，東南海域波浪監(jiān)測采用MARKⅢ型波浪儀器，孟加拉灣和阿拉伯海波浪實測數(shù)據(jù)來自印度國家海洋信息服務(wù)中心（ESSO-INCOIS-Indian National Centrefor Ocean Information Services）。

2.1 東南海域

MARKⅢ型波浪儀器布放位置在東南海域外側(cè)的石碑山角海域（22°55.7046'N，116°31.4034'E）。波浪測量儀器的波高分辨率為0.01 m，羅經(jīng)錯誤±0.5°，波浪觀測時間分辨率為30s。統(tǒng)計得出每30min觀測時段的波高、周期特征值及波向等數(shù)據(jù)。有效波高與平均周期驗證的時間為2021 年4月1日至2021年5月31日（圖1）。

針對南海近岸海域，ERA5再分析數(shù)據(jù)與實測結(jié)果的有效波高和平均周期的趨勢一致，但在臺風(fēng)期間，有效波高的再分析數(shù)據(jù)要比實測低。這可能是因為南海近岸海域地形復(fù)雜，有淺灘、海岸線等復(fù)雜地貌，導(dǎo)致實測結(jié)果與再分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異。因此，在進行海浪特征分析時，需要綜合考慮實測結(jié)果和再分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合該海域的實際情況進行分析和判斷。

2.2 孟加拉灣

提取ERA5孟加拉灣海域位置點（21°17'24″N，87°39'00″E）有效波高與平均波周期進行分析，數(shù)據(jù)點時間間隔取1h，時間長度為2017年1月和2月，空間分辨率為0.25°×0.25°（圖2）。

通過對ERA5再分析數(shù)據(jù)和實測結(jié)果進行比較分析發(fā)現(xiàn)，有效波高和平均周期的趨勢一致，但ERA5的值略高于實測值。這表明ERA5再分析數(shù)據(jù)集可以較為準確地反映孟加拉灣海域的有效波高，但可能存在一定的偏高情況。這可能是由于波浪監(jiān)測點位于河海交會處，受到海域地形、潮汐等因素，導(dǎo)致ERA5 數(shù)據(jù)的有效波高與平均周期偏高。

2.3 阿拉伯海

提取ERA5阿拉伯海海域位置點（4°38'24″S，55°52'12″E）有效波高、平均波周期、風(fēng)速數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)點時間間隔取1h，時間長度為2020年全年，空間分辨率為0.25°×0.25°，通過線性插值可得到該精確位置點的海洋要素數(shù)據(jù)。非洲東南海域位置點處2020年3月中旬到5月初有效波高、平均波周期曲線如圖3所示。

ERA5有效波高和平均周期與實測值進行比較，阿拉伯海域波浪測點位置在深海區(qū)，有效波高與平均周期基本與實測值一致，ERA5數(shù)據(jù)高度適用于阿拉伯深海地區(qū)。表明ERA5數(shù)據(jù)可以用作可靠的信息來源，用于研究該地區(qū)的海洋動力學(xué)。

3 海上絲綢之路沿線海域海況特征分析

3.1 空間分布特征

對海上絲綢之路沿線海域2012—2022年ERA5有效波高和譜峰周期數(shù)據(jù)按各季節(jié)平均后進行統(tǒng)計得到分布圖（圖4和圖5）。沿線海域整體呈現(xiàn)夏季和冬季波高大、春季和秋季波高小的特點，譜峰周期孟加拉灣大、東南沿海與阿拉伯海小的特點。夏季印度洋海域東南信風(fēng)盛行，波浪從外海傳播至印度洋北岸時未受到島嶼阻礙，且受印度半島地形影響使得阿拉伯海和孟加拉灣波浪能量發(fā)生輻聚，波高顯著增大，阿拉伯海平均有效波高達到了3m 以上。孟加拉灣的譜峰周期值較大，常年處于12s以上，阿拉伯海域的譜峰周期較孟加拉灣有所減小，常年譜峰周期的均值在10s左右。

冬季我國東南沿海受到東北信風(fēng)影響，有效波高有所增大，東南沿海冬季平均有效波高為2.5m左右。由于春季和秋季為季風(fēng)風(fēng)向轉(zhuǎn)換的過渡時期，故海域整體的有效波高分布較為一致。冬季時期，我國東南沿海譜峰周期值也有所增大，冬季平均譜峰周期為11s左右，夏季平均譜峰周期值有所減低，春季和秋季譜峰周期值相差不大。

東南亞海域由于南部印度尼西亞島嶼阻擋了來自印度洋的外海波浪，其有效波高隨季節(jié)變化不大，多年平均有效波高小于1.5m。而我國的東南沿海、印度洋北岸以及非洲西部地區(qū)海域開闊，近岸直面外海波浪，有效波高變化受季節(jié)影響較大。東南亞海域常年譜峰周期值變化不大，四季的均值在10s左右。

3.2 時間分布特征

以海上絲綢之路主要海域東南沿海、孟加拉灣和阿拉伯海為研究點，對2012—2022近10年的各自海域的有效波高和譜峰周期的時間歷時曲線（圖6）進行分析，其中實線為有效波高，水平實線為有限波高1.5m 的界限值，虛線為譜峰周期，水平虛線為譜峰周期10s的界限值。

東南沿海近10年有效波高與譜峰周期見圖6（a），東南沿海在夏季和秋季受到臺風(fēng)的影響，有效波高的變化較為劇烈，極端天氣下有效波高最大達到8m。在東北信風(fēng)影響下，冬季有效波高有所增大，冬季有效波高大多在1.5m 以上。除了極端天氣外，東南沿海譜峰周期基本處于10s以下，全年浮動的范圍不大。

孟加拉灣近10年有效波高與譜峰周期見圖6（b），孟加拉灣夏季有效波高整體上比春季、秋季和冬季要高，基本處于1.5m 以上。譜峰周期較大，全年基本在10s以上，且振蕩的幅度較大，施工設(shè)計時需要格外注意。

阿拉伯海近10年有效波高與譜峰周期見圖6（c），阿拉伯海夏季受到印度洋海域東南信風(fēng)影響，波浪從外海傳播至阿拉伯海并未有阻礙，使得夏季時期有效波高值偏大，基本在1.5m 以上，春季、秋季與冬季較為平穩(wěn)，基本位于黑色曲線以下。阿拉伯海夏季譜峰周期較為穩(wěn)定，基本保持在10s左右，春季、秋季和冬季譜峰周期值上下浮動的范圍較大。

3.3 有效波高與譜峰周期聯(lián)合分布特征

波浪在海上絲綢之路主要海域東南沿海、孟加拉灣和阿拉伯海的有效波高與譜峰周期聯(lián)合分布概率密度圖見圖7。在東南沿海區(qū)域，波浪的有效波高分布在0.3～5.3m，譜峰周期3～12.5s，有效波高與譜峰周期基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢;密度較大的區(qū)域有效波高的在0.4～1.5m，譜峰周期在6.0～8.0s。孟加拉灣有效波高與譜峰周期的密度較大區(qū)域主要分布在橢圓區(qū)域內(nèi)，有效波高主要在0.7～1.2m，譜峰周期主要在11～16s。阿拉伯海密度較大的區(qū)域分布在3個區(qū)域，有效波高在0.8～1.0m，譜峰周期在9.0～11.0s、有效波高在0.9～1.5m，譜峰周期在5.0～7.0s以及有效波高較大的區(qū)域，有效波高在3.0～4.0m，譜峰周期在9.0～11.0s。

根據(jù)譜峰周期和有效波高的分界線（譜峰周期10s、有效波高1.5m），可以將海區(qū)分為波浪較小和波浪較大區(qū)間，詳細數(shù)據(jù)見表2。波浪較小的海區(qū)包括東南沿海區(qū)域，其波浪較小區(qū)間占44.80%，海況相對良好。阿拉伯海區(qū)域也有34.83%為波浪較小區(qū)間。然而，孟加拉灣波浪較大區(qū)間占比超過85%，在海上作業(yè)時需要格外關(guān)注海況信息，以確保安全。

4 結(jié)論

本文對ERA5再分析資料的海洋數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合依托工程實測波浪數(shù)據(jù)，驗證了ERA5再分析數(shù)據(jù)的有效性，并對海上絲綢之路沿線各典型海域的有效波高與譜峰周期進行討論，獲得了各典型海域的有效波高與譜峰周期聯(lián)合分布特征，可為前期招投標階段提供目標海域海況特征資料。獲得主要結(jié)論如下。

（1）通過實測波浪數(shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)的歷時有效波高、平均周期對比可知，ERA5資料能較好地反映該工程地點的海況特征。

（2）海上絲綢之路沿線的海域整體呈現(xiàn)夏季和冬季波高大、春季和秋季波高小的特點，譜峰周期孟加拉灣大、東南海域與阿拉伯海域小的特點。在東南亞海域，有效波高與譜峰周期在季節(jié)變化時波動不大。但在中國的東南沿海、印度洋北岸和非洲西部海岸，有效波高受季節(jié)影響較大變化。此外，孟加拉灣的譜峰周期較大。

（3）我國東南沿海和阿拉伯海部分地區(qū)的海況較好，有效波高在1.5m 與譜峰周期在10s以下分別占44.80%和34.83%。孟加拉灣海況較為復(fù)雜，有效波高在1.5m 與譜峰周期在10s以上在85%以上。