關(guān)鍵詞：海上絲綢之路;波浪特征分布;實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U655;P731 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-9857（2024）03-0102-12

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的提出，我國(guó)與“21世紀(jì)海上絲綢之路”沿線國(guó)家相繼開(kāi)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(duì)保障船舶安全通航、港口碼頭建設(shè)以及深海資源開(kāi)發(fā)等具有重要的戰(zhàn)略意義。港口碼頭是各國(guó)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易活動(dòng)的重要媒介，也是“一路”經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的關(guān)鍵目標(biāo)。在建設(shè)港口碼頭之前，通常需要對(duì)該地區(qū)海域海況進(jìn)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(shí)施方案策劃等方面提供參考依據(jù)。然而，項(xiàng)目策劃階段或是前期無(wú)法保證有常年工作的水文潮汐站，如何及時(shí)把握沿線海域海況、順利完成水運(yùn)工程建設(shè)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

目前，眾多學(xué)者對(duì)全球各海域的海況特征進(jìn)行了研究，Anoop等[1]利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心波浪再分析資料（ECMWF Re-Analysis-Interim，ERA-Interim）對(duì)北印度洋風(fēng)浪、涌浪在季風(fēng)期間的變化特征進(jìn)行了分析;Kumar等[2]對(duì)印度洋西海岸的浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和ERA-Interim 系統(tǒng)中的有效波高、平均波周期進(jìn)行了對(duì)比分析;Hithin等[3]利用衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)阿拉伯海1996—2012年有效波高和平均波周期的變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;束芳芳等[4]通過(guò)對(duì)廣東陽(yáng)西近岸測(cè)站1年實(shí)測(cè)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(cè)資料，初步分析了觀測(cè)海域的海浪季節(jié)變化和統(tǒng)計(jì)特征;文先華等[6]通過(guò)對(duì)廣西北海近岸測(cè)站1年實(shí)測(cè)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(biāo)，在工程海域進(jìn)行為期1年的波浪觀測(cè)，對(duì)實(shí)測(cè)的波浪要素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;楊忠良等[8]利用齋堂島東南海域2013—2014年的實(shí)測(cè)波浪資料，統(tǒng)計(jì)分析了該海域波浪特征，為波浪能資源評(píng)估提供了基本波浪參數(shù);鄭崇偉等[9] 利用ERA-Interim 對(duì)全球海域波候特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)期觀測(cè)的波浪數(shù)據(jù)對(duì)印度尼西亞Adipala海岸長(zhǎng)周期波浪分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;易風(fēng)等[11]基于ERA-Interim 再分析資料對(duì)南海37年波浪分布數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)空特征分析。耿珊珊等[12]評(píng)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(guò)與觀測(cè)資料的比較分析了它們?cè)诓煌瑫r(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料分析涉及的海域范圍小，水文測(cè)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(jìn)行的各海域海況特征分析空間尺度大，對(duì)大范圍海域波浪特征有了整體把握，但由于實(shí)測(cè)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(diǎn)關(guān)注的近岸海域海況特征缺乏精細(xì)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(chǔ)備。

本文擬利用基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5的再分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證ERA5再分析數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性;同時(shí)，對(duì)2012—2022年海上絲綢之路沿線各典型海域海況特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)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(lái)源

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centrefor Medium-Range Weather" Forecasts，ECMWF）的再分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)集成全球各觀測(cè)點(diǎn)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(kù)是由ECMWF和哥白尼氣候服務(wù)項(xiàng)目（C3S）聯(lián)合開(kāi)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(kù)涵蓋時(shí)間范圍更廣、具有更高的時(shí)間分辨率和空間分辨率、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)3個(gè)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(zhǔn)確性。

1.2 數(shù)據(jù)處理

使用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)從ERA5獲取的NetCDF氣象科學(xué)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理。NetCDF數(shù)據(jù)文件由屬性、維度和變量3類(lèi)信息組成，屬性解釋數(shù)據(jù)來(lái)源和具體信息，維度包含數(shù)據(jù)覆蓋的時(shí)間、空間范圍，變量根據(jù)用戶(hù)所需下載參數(shù)呈現(xiàn)。這里采用時(shí)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(jìn)行分析。各參數(shù)屬性選擇如表1所示。

2 分析驗(yàn)證

以南海為起點(diǎn)，途徑孟加拉灣和阿拉伯海，開(kāi)展ERA5波浪獲取和再分析，并在這幾個(gè)海域內(nèi)開(kāi)展波浪測(cè)試，應(yīng)用波浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(cè)采用MARKⅢ型波浪儀器，孟加拉灣和阿拉伯海波浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自印度國(guó)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(cè)量?jī)x器的波高分辨率為0.01 m，羅經(jīng)錯(cuò)誤±0.5°，波浪觀測(cè)時(shí)間分辨率為30s。統(tǒng)計(jì)得出每30min觀測(cè)時(shí)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(yàn)證的時(shí)間為2021 年4月1日至2021年5月31日（圖1）。

針對(duì)南海近岸海域，ERA5再分析數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果的有效波高和平均周期的趨勢(shì)一致，但在臺(tái)風(fēng)期間，有效波高的再分析數(shù)據(jù)要比實(shí)測(cè)低。這可能是因?yàn)槟虾＝逗Ｓ虻匦螐?fù)雜，有淺灘、海岸線等復(fù)雜地貌，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與再分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異。因此，在進(jìn)行海浪特征分析時(shí)，需要綜合考慮實(shí)測(cè)結(jié)果和再分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合該海域的實(shí)際情況進(jìn)行分析和判斷。

2.2 孟加拉灣

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

通過(guò)對(duì)ERA5再分析數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，有效波高和平均周期的趨勢(shì)一致，但ERA5的值略高于實(shí)測(cè)值。這表明ERA5再分析數(shù)據(jù)集可以較為準(zhǔn)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(cè)點(diǎn)位于河海交會(huì)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(diǎn)（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(jìn)行分析，數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間間隔取1h，時(shí)間長(zhǎng)度為2020年全年，空間分辨率為0.25°×0.25°，通過(guò)線性插值可得到該精確位置點(diǎn)的海洋要素?cái)?shù)據(jù)。非洲東南海域位置點(diǎn)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(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，阿拉伯海域波浪測(cè)點(diǎn)位置在深海區(qū)，有效波高與平均周期基本與實(shí)測(cè)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(lái)源，用于研究該地區(qū)的海洋動(dòng)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(duì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(diǎn)，譜峰周期孟加拉灣大、東南沿海與阿拉伯海小的特點(diǎn)。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(shí)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(dá)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(guó)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(guò)渡時(shí)期，故海域整體的有效波高分布較為一致。冬季時(shí)期，我國(guó)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(lái)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(guó)的東南沿海、印度洋北岸以及非洲西部地區(qū)海域開(kāi)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(shí)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(diǎn)，對(duì)2012—2022近10年的各自海域的有效波高和譜峰周期的時(shí)間歷時(shí)曲線（圖6）進(jìn)行分析，其中實(shí)線為有效波高，水平實(shí)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(jiàn)圖6（a），東南沿海在夏季和秋季受到臺(tái)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(dá)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(dòng)的范圍不大。

孟加拉灣近10年有效波高與譜峰周期見(jiàn)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(jì)時(shí)需要格外注意。

阿拉伯海近10年有效波高與譜峰周期見(jiàn)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(shí)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(dòng)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(jiàn)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(zhǎng)的趨勢(shì);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(gè)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(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(duì)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(guò)85%，在海上作業(yè)時(shí)需要格外關(guān)注海況信息，以確保安全。

4 結(jié)論

本文對(duì)ERA5再分析資料的海洋數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合依托工程實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了ERA5再分析數(shù)據(jù)的有效性，并對(duì)海上絲綢之路沿線各典型海域的有效波高與譜峰周期進(jìn)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(biāo)階段提供目標(biāo)海域海況特征資料。獲得主要結(jié)論如下。

（1）通過(guò)實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)的歷時(shí)有效波高、平均周期對(duì)比可知，ERA5資料能較好地反映該工程地點(diǎn)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(diǎn)，譜峰周期孟加拉灣大、東南海域與阿拉伯海域小的特點(diǎn)。在東南亞海域，有效波高與譜峰周期在季節(jié)變化時(shí)波動(dòng)不大。但在中國(guó)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(guó)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。