應用波浪數值模式對北印度洋海浪場進行計算和統計分析

聞斌，趙艷玲，陳振杰，王驥鵬

（1.61741部隊 北京 100094；2.總參氣象水文局，北京 100081）

應用波浪數值模式對北印度洋海浪場進行計算和統計分析

聞斌1，趙艷玲1，陳振杰2，王驥鵬1

（1.61741部隊 北京 100094；2.總參氣象水文局，北京 100081）

以11年QSCAT/NCEP混合風場數據為輸入，采用WAVEWATCH-Ⅲ波浪模式，對北印度洋海域1999-2009年的海浪場進行了數值計算。與Janson-1高度計波浪資料進行對比驗證后發現,波浪計算結果較好。將計算結果進行統計分析，得出北印度洋風浪有如下特點：（1）冬季盛行東北向浪，夏季盛行西南向浪；（2）北印度洋中部波高較大，北部和南部較小。夏季波高全年最大，較冬季強盛得多；冬季次之，春季最小。

北印度洋；WAVEWATCH-Ⅲ；有效波高；波向

Abstract:Using QSCAT/NCEP blended wind data of 11 years,the ocean wave fields of north Indian Ocean from 1999 to 2009 were computed numerically by WAVEWATCH-Ⅲ model.The significant wave heights from WAVEWATCH-Ⅲ were compared to the Janson-1 significant wave height data,which indicated the capability of WAVEWATCH-Ⅲ for north Indian Ocean wave simulation.The wind-wave characteristics were gained by analyzing the numerical results.The mean wave direction is mainly northeast in winter,while it is southwest in summer.The significant wave heights in the middle region are bigger than that in the north and south regions.The seasonal characteristics show that the wave height in summer is the biggest,and that in winter gets a second.The significant wave height in spring is the least one.

Keywords:north Indian Ocean; WAVEWATCH-Ⅲ; significant wave height; mean wave direction

對中國南海的海浪研究，國內外學者做了大量的工作，但對北印度洋海域的研究還很少，僅劉金芳[1]等根據 1980－1990年北印度洋氣象船舶報資料，統計分析了該海域的風、浪、涌特點及變化規律。

就海浪場的研究方法而言，主要可以分為三類。第一類是對實測資料進行統計分析。但是實測工作成本高，且在測量范圍、時間上都無法滿足海浪場的時空研究要求。第二類是對遙感資料進行統計分析。衛星遙感資料具有空間覆蓋范圍大、測量歷時長的優點，為風、浪場的特征分析提供了一條非常好的途徑，但人們通過衛星來觀測海洋的總體時間還非常有限，加上太空觀測的工作環境惡劣，衛星資料的時間序列很難達到分析氣候尺度的要求，有時由于資料的精度不一也容易出現時間序列不均一的問題。第三類是數值計算，較好地解決了上述兩種方法存在的不足，可以在大的時空尺度上構建海浪場整體的變化。

在 WAM 海浪模式的基礎上發展起來的WAVEWATCH-Ⅲ模式對控制方程、程序結構、數值和物理的處理方法等做了改進，使得該模式在考慮波-流相互作用和風浪物理機制方面更加合理。WAVEWATCH-Ⅲ模式的推出大大提高了波浪數值計算的精度。齊義泉[2]等以NOAA/NCEP再分析風場資料為輸入，利用WAVEWATCH-Ⅲ模式模擬了1996年南海海域的海面風浪場，通過與T/P高度計有效波高資料的對比發現,模式模擬值與之符合較好。IL-JU MOON[3]等應用WAVEWATCH-Ⅲ對1998年發生在美國東海岸的颶風Bonnie進行了數值后報,通過與NOAA的3個波浪浮標(FPSN7、B41002和B44014)資料的對比發現，后報值與實測值符合非常好。以上實例充分證明了無論對一般過程還是臺風過程，WAVEWATCH-Ⅲ模式都具有較好的波浪場數值計算能力。

以 1999－2009年連續 11年的 QSCAT/NCEP混合風場數據為輸入,利用 WAVEWATCH-Ⅲ模式對北印度洋的海浪場進行了數值計算，并對計算出的11年浪場進行了統計和分析。

1 數據準備

1.1 地形資料

使用目前國際上最新的 ETOPO2v2全球地形地貌數據（U.S.Department of Commerce,National Oceanic and Atmospheric Administration,National Geophysical Data Center,2006.2-minute Gridded Global Relief Data）。該數據集所提供的地形分辨率最高達到了 2'×2'，本文取用其中的 0.5°×0.5°數據作為模型實際使用的地形資料。

1.2 風場資料

模式中使用的風場為QSCAT/NCEP混合風場，所謂混合風場就是對高分辨率的 QuickSCAT衛星散射計觀測數據(QSCAT)和美國國家環境預報中心(NCEP)的再分析風場數據進行時-空混合分析的結果，大體的方法就是保留了QSCAT的沿軌風場數據而在其空白區域加入低波NCEP分析數據場。該混合風場具有很高的時空分辨率：時間間隔為 6小時，空間分辨率為0.5°×0.5°，覆蓋了全球從88°S到88°N的范圍。

1.3 衛星高度計資料

使用的衛星高度計資料來自美國國家航空航天局（NASA），由美國和法國合作于 2001年12月7日發射的Janson-1衛星及其雷達高度計系統測量所得，測量到的有效波高的精度為0.5 m或10%，該測量數據完全達到了定量觀測對測量誤差的要求（Chambers[4]等，2003）。

2 海浪模擬過程

2.1 海浪模型

海浪的計算采用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式。模式的基本控制方程為：

S代表與海浪譜有關的源和匯的總和，在球坐標下可寫為：

其中，R是地球半徑；Uλ和Uφ分別是平均海流在經、緯方向的分量；λ，φ分別為經、緯度。模式源函數項中包括風能量輸入項Sin，波波非線性相互作用項Snl和耗散（白冠）項Sds，在淺水區考慮了底摩擦Sbot，用公式表示為：

該模式直接計算波波非線性相互作用，不對譜形預加任何約束，而且能夠處理風速、風向的驟然變化。

2.2 模型設置

計算區域為 30°E～105°E，10°S～30°N，網格分辨率為0.5°×0.5°。其中南邊界為開邊界，東、西、北邊界為近似的閉邊界。在閉邊界處的條件是：對即將跨過和離開海岸線的波浪，邊界是完全吸收波能的；在開邊界處，采取和閉邊界處相似的邊界條件，傳向邊界點處的波能在該點被吸收。在頻率和方向的二維譜空間上，設定頻率分布從0.041 8 Hz至0.41 Hz共25個頻段，波向共24個，分辨率為15°。對于初始條件，本文使用有限風區的JONSWAP譜，譜值由局地風速和風向給出。

模式采用OpenMP并行算法，傳播計算步長為1 800 s,源函數的積分時間步長為600 s。為便于對計算結果進行統計分析，分別采用網格和單點兩種方式輸出計算結果，時間間隔每1小時一次。

3 計算結果和分析

為了驗證數值模擬結果的準確性，首先將模式計算的 2007年 1、4、7、10月的結果與衛星高度計資料作了比較。模式輸出時間間隔為1 h的波高場，認為即為衛星觀測時刻的模式波高場，空間覆蓋整個北印度洋海域。從有效波高的對比結果看,平均相關系數為0.81，平均均方根誤差為0.39 m，模式計算取得較高的準確度。

因篇幅所限，圖1給出了部分時次和軌道上北印度洋有效波高的分布以及對應時刻沿衛星軌道模式值和觀測值的比較；圖2給出了圖1中四條軌道的位置。總體來看，模擬效果較好，尤其對高海況的有效波高模擬優于低海況，圖1中2007年4月（春）、2007年10月（秋）模式模擬結果比觀測值偏小，這可能是由于春、秋季風速較小，WAVEWATCH-Ⅲ模式的風能量輸入項偏低所致。

圖1 部分時次沿衛星軌道有效波高模式值和觀測值的比較Fig1.Comparison between the simulation results and the observation data along the satellite trajectory

根據計算結果，對北印度洋海域的波向分布特征、波高的季節分布和變化規律進行討論。為此選取11個點(如圖3所示)，分別代表北印度洋不同區域進行說明。

北印度洋中的阿拉伯海、孟加拉灣與大西洋的比斯開灣同為世界著名的大浪區；北印度洋三面被大陸包圍，受陸地的影響極大，可以稱之為世界之最，10°S以北的大部分洋區都在季風[5]的控制之下。

冬季強大的西伯利亞極地冷高壓東移，向南可影響到南海，但在南亞地區被喜馬拉雅山以及相鄰的阿富汗和伊朗山脈阻擋無法進入印度洋，因此北印度洋冬季盛行中等強度的東北風。夏季南亞地區的強烈增溫，尤其是從索馬里綿延至印度西北部地區的廣大沙漠地區的增溫作用，以及越赤道氣流的加強等因素，形成了北印度洋強盛的西南季風。秋、春季為季風過渡時期。

圖2 部分軌道位置示意圖Fig.2 Positions of orbits in Figure 1

圖3 選定點分布示意圖Fig.3 Distribution of the selected points

3.1 波向特征

將模式計算出的浪向，按8個方位進行累年逐月統計，得出各月浪向在8個方向上的頻率分布。因篇幅所限，表1－表4僅給出1、4、7、10月各海區浪向的頻率分布，可以看出：4月、10月為季風轉換季節，亞丁灣內以偏東浪向為主，亞丁灣口盛行南或東南向浪；阿拉伯海和孟加拉灣浪向不定，但偏南分量浪向占優勢。1月亞丁灣內東向浪高達 99.89%，亞丁灣口東或東北浪向更是高達99.93%；阿拉伯海、孟加拉灣中南部海域東北向浪占主導地位，孟加拉灣北部海域北向浪頻率為45.79%，東北向浪為28.43%。7月，在強盛的西南季風影響下，北印度洋大部海域為西南向浪所控制，亞丁灣內西南向浪頻率為88.39%，阿拉伯海除東南部以外西南向浪的頻率幾乎可達 100%，孟加拉灣也都在90%以上；亞丁灣口以南向浪為主，頻率為99.48%；阿拉伯海東南部則以西向浪為主，頻率為95.2%。

表1 1月份各海區波向頻率分布Tab.1 Probability of the wave direction in different sea regions in January

表2 4月份各海區波向頻率分布Tab.2 Probability of the wave direction in different sea regions in April

表3 7月份各海區波向頻率分布Tab.3 Probability of the wave direction in different sea regions in July

表4 10月份各海區波向頻率分布Tab.4 Probability of the wave direction in different sea regions in October

3.2 波高特征

將模式模擬的有效波高進行累年逐月統計，本文僅給出1、4、7、10月的有效波高分布，如圖4所示。4月，為東北季風向西南季風的轉換期，海區風浪為全年最小值，孟加拉灣比阿拉伯海略大。亞丁灣、阿拉伯海月平均有效波高僅為0.3～0.7 m，北印度洋海域最大月平均有效波高位于斯里蘭卡以南海域，為 1.2 m，在孟加拉灣北部海域和索馬里東南部沿海分別還存在一個相對高值區，最大波高都為1.1 m。

7月，受強勁的西南季風影響，北印度洋海域風浪達到最強盛期，月平均有效波高全年最大，其分布特征為：北部較小，中部最大，南部赤道附近最小，阿拉伯海明顯大于孟加拉灣海域，但在亞丁灣灣內，受地形影響，即使在夏季，平均波高僅2.0 m左右。整個海域極大值位于亞丁灣口以東的阿拉伯海中南部海域，達 4.9 m，阿拉伯海大部海區平均波高都在3.0 m以上，孟加拉灣也有一個高值中心，最大波高為2.6 m，赤道附近及以南海域，波高在1.0～2.0 m之間。10月為西南季風向東北季風的過渡季節，浪高和夏季相比明顯減小，其分布特征和春季相似，高值中心位于斯里蘭卡東南方中印度洋海盆及索馬里東南部沿海，為1.7 m，阿拉伯海大部海區平均波高都在1.0 m以下。1月在中等強度的東北季風控制下，海區月平均波高較秋季有所增大，其分布特征和夏季不同：中部維持最大，南部大于北部，極大值區位于索馬里東部沿海，為2.0 m，在斯里蘭卡東南部沿海是另一個相對高值區，為1.6 m。

圖4 1、4、7、10月份月平均波高圖（單位：m）Fig.4 Distribution of mean wave height (unit: meter)in January,April,July and October

總體來說，北印度洋受季風控制，冬季盛行東北向風浪，夏季則盛行西南向風浪；冬夏季節風浪較大，春秋季節較小，夏季西南向浪高明顯強于冬季東北向浪，7月平均波高最大可達4.9 m，與南中國海波高季節分布特征截然相反。春秋季為季風轉換季節，且春季是全年波高最小的時期，整個海區平均波高不超過1.5 m。

4 結 論

利用WAVEWATCH-Ⅲ模式,采用QSCAT/NCEP混合風場數據,對北印度洋海域的波浪場進行了11年的數值計算,得出以下主要結論：

（1）WAVEWATCH-Ⅲ模式計算出的海浪有效波高與高度計的觀測結果基本一致。

（2）北印度洋受季風影響，冬季盛行東北向浪，夏季則盛行西南向浪；亞丁灣內夏季西南浪向為主，其它季節盛行偏東浪向。

（3）北印度洋波高季節分布特征與南中國海截然相反，夏季全年波高最大，較冬季強盛的多。其特征為：中部海域波高最大，北部和南部較小。夏季海區月平均波高最大可達 4.9 m；冬季次之，為2.0 m左右，春季最小。

[1]劉金芳,俞慕耕,張學宏,等.北印度洋風浪場特點及最佳航線分析 [J].熱帶海洋,1998,17(1): 17-24.

[2]齊義泉,朱伯承,施平,等.WWATCH模式模擬南海海浪場的結果分析 [J].海洋學報,2003,25(4): 1-9.

[3]Moon I J,Ginis I,Hara T,et al.Numerical simulation of sea surface directional wave spectra under hurricane wind forcing [J].Journal of Physical Oceanography,2003,33: 1 683-1 706.

[4]Chambers D P,Ries J C,Urban T J.Calibration and verification of Jason-1 using along-track residual with TOPEX [J].Marine Geodesy,2003,26(3-4): 305-317.

[5]H 范隆.大洋氣候 [M].海洋出版社,1990: 500-547.

Numerical computation and statistic analysis on the ocean wave field in north Indian Ocean

WEN Bin1,ZHAO Yan-ling1,CHEN Zhen-jie2,WANG Ji-peng1
(1.61741 Army Troop,Beijing 100094,China; 2.The PLA General Staff Meteorological Hydrological Department,Beijing 100081,China)

P731.22; P724

A

1001-6932(2010)05-0493-06

2009-11-30；

2010-01-06

聞斌（1969－），男，碩士，高級工程師。從事海浪預報研究。電子郵箱：wenbin_2002@163.com