幾內亞灣海浪特性研究

周昕偉，徐福敏，張繼生

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京 210098；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210014；3.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京 210098）

0 引言

幾內亞灣位于非洲西部，作為直面大西洋的開敞海灣，易遭受大西洋的海浪襲擊，由于觀測數據的匱乏以及該海域獨特的海浪特性，至今仍需要更細致的機理和模型研究，油氣開采、航運以及海岸工程的興起也使得該海域的海浪分布及傳播特性研究具有重要實際價值。

幾內亞灣以微潮和涌浪為主[1]，潮差在0.3~1.8 m[2-3]，風浪影響很小，多年月平均風浪波高不超過1.0 m；傳播到幾內亞灣的涌浪主要來源于南大西洋40毅S—60毅S區域的咆哮西風帶，橫跨大西洋在幾內亞灣及附近海域破碎[4]；Toualy等[5]通過AVISO有效波高數據分析表明幾內亞灣西北部海域的海浪振幅變化很大，出現的大振幅、長周期的波浪也起源于南大西洋40毅S—60毅S之間。

該地區實測數據較少，Koffi等[6]以及Kadio等[7]分析科特迪瓦（圖1中c點）附近石油公司觀測的逐日波浪數據，王科華等[8]利用該海域數學模型報告介紹了兩種長周期涌浪海域波要素的推導方法。現階段對幾內亞灣海浪特性的認識依然需要進一步研究，本文建立大西洋至幾內亞灣的雙層嵌套SWAN海浪模型，研究典型海況下幾內亞灣海浪特性，探究其海浪的分布及傳播特性。

圖1 外層大西洋計算區域Fig.1 Calculation area of the outer Atlantic Ocean

1 研究資料及方法

1.1 SWAN模型介紹

第三代譜波浪模型SWAN適用于大、中和小尺度海域海浪模擬，模型控制方程可表示為：

式中：N（σ，θ）為波作用量密度譜，N（σ，θ）=，E（σ，θ）為能譜密度；方程左邊前3項分別為作用量譜密度隨時間t、經度λ方向、緯度φ方向上的變化率；Cλ、Cφ分別為各自方向上的傳播速度；第4項為流和水深變化引起的相對頻率的頻移；第5項為流和水深變化引起的折射和變淺作用；Cσ、Cθ分別為波浪在σ、θ空間上的傳播速度；方程右邊S為源匯項。

1.2 研究區域

幾內亞灣西起利比里亞的帕爾馬斯角（4毅22憶N，7毅44憶W，圖1中a點），東止加蓬的洛佩斯角（0毅37憶S，8毅43憶E，圖1中b點）。Ondoa等[9]和Melet等[2]的研究表明幾內亞灣主要海浪影響因素：赤道信風區域的風浪影響，咆哮西風帶西部產生的西南向涌浪以及東部（非洲西南海域）產生沿非洲西岸線北上的南向涌浪（圖1）。為保證影響幾內亞灣海浪能量不丟失，明確灣內西北部、中部和東南部近岸海域海浪分布特性，SWAN模型計算范圍外層為整個大西洋（75毅N—75毅S，83毅W—22毅E）；內層嵌套計算區域為幾內亞灣及附近海域（30毅N—15毅S，20毅W—15毅E），圖1小方框所示。

1.3 模型設置

每年12月—次年3月[10]咆哮西風帶對南大西洋北部影響最弱；4—5月和10—11月分別為南大西洋中部風場由弱轉強和由強轉弱時期；6—9月咆哮西風帶對南大西洋影響為全年最大，同期幾內亞灣也處于全年風場最強時段。

8月為幾內亞灣及其附近海域全年海浪最活躍的時間段之一[11]，該時段海灣多年月平均有效浪高到達全年高點1.7 m，并且極端涌浪也多發生在該月，故選取2017年8月作為模擬時間段。

水深采用ETOPO1數據，采用CCMP數據作為驅動風場；外層計算區域空間分辨率為10憶，計算步長為15 min；內層計算區域空間分辨率為2憶，計算步長為5 min。譜方向分辨率為10毅，底摩擦采用Hasselmann等[12]的方法，系數為0.015；水深所致的波浪破碎采用Battjes等[13]的方法，系數為0.73；風能輸入采用Cavaleri等[14]的方法；白冠耗散項采用Komen等[15]的方法；三波和四波非線性相互作用分別采用LTA方法[16]和DIA近似算法[17]。

1.4 模型驗證

41041號浮標（14.311毅N，46.093毅W）為距幾內亞灣最鄰近的可用觀測數據，位于大西洋中北部（圖1）；圖2為2017年8月1—31日浮標的模型輸出有效波高與41041號浮標實測數據對比。

圖2 2017年8月有效波高驗證結果對比Fig.2 Comparison of significant wave height in Aug.2017

圖2中，模擬有效波高值與觀測結果基本吻合，主要誤差出現在8月的前5天（此時模型風場偏低）和第15—18日，此時風速（11~2 m/s）變化劇烈，其他驗證結果顯示，CCMP風速數據與浮標觀測數據基本吻合；平均波周期模擬結果與實測數據吻合良好，只是在風速急劇變化時段模擬波周期值略高于實測值，總體可見模型設置合理可行。

2 模擬結果分析

2.1 大西洋風、浪分布特征

幾內亞灣海浪取決于大西洋的風、浪及其傳播特性。幾內亞灣海浪模擬顯示，8月7日和14日0時海灣波場為本月極大值附近，24日0時為極小值，故對上述時刻的大西洋風場和海浪場進行分析。

圖3中咆哮西風帶風場變化較大，出現超過20 m/s的大風，并伴隨順時針運動的氣旋；24日最大風區出現在西風帶東部非洲西南部海域。

圖3 大西洋2017年8月7日0時風場Fig.3 Wind field of the Atlantic（0000 UTC Aug.7,2017）

圖4中3個時刻南大西洋有效波高明顯大于北大西洋，咆哮西風帶出現8 m以上海浪，大浪集中在西風帶西部和東部，與風場極值分布一致，中部海域浪向多變，出現南向浪向大洋低緯海域運動，非洲西南部海域大浪受風向影響，沿岸線北上，影響幾內亞灣及其附近海域。

圖4 大西洋2017年8月7日0時混合浪場Fig.4 Mixed-wave field of the Atlantic（0000 UTC Aug.7,2017）

2.2 幾內亞灣海浪場分布

圖5為幾內亞灣風場，灣內風向以西南向為主，24日局部出現西向風，灣內大風集中在西北灣角及中部海域，最大風速6 m/s；7日和24日灣外北部海域出現10 m/s以上大風，科特迪瓦和加納（圖1中d點）岸線出現2 m/s左右弱風。海灣風速變化不劇烈，平均風速在4~6 m/s。

圖5 幾內亞灣2017年8月7日0時風場Fig.5 Wind field of the Gulf of Guinea（0000 UTC Aug.7,2017）

1）浪場特征

混合浪場見圖6，海浪向灣內傳播，波高呈衰減趨勢，西北部海域衰減程度弱于東南部；14日海灣出現異常波高等值線2.6 m明顯高于周圍其他海域，該時刻海灣出現大范圍6 m/s左右的大風，影響海浪分布。灣內浪向為南向和西南向，2個灣角海域易遭受大浪影響，西北灣角嚴重于東南灣角，東南灣角岸線凸起，且有群島掩護，故后方東南部海域海浪強度為灣內最弱，科特迪瓦和加納岸線部分凸起，海浪較小，其他西北部和中部海域海浪強度基本一致。

圖6 幾內亞灣2017年8月7日0時混合浪場Fig.6 Mixed-wave field of the Gulf of Guinea（0000 UTC Aug.7,2017）

由計算結果可以看出其他波要素特征，涌浪有效波高等值線從灣外南部海域衰減，14日0時有較大差異是受風場影響，西北部海岸線最易遭受超過2 m的涌浪襲擊，東南灣角外側也存在，但往灣內傳播中受島嶼掩護、地形以及岸線走向的原因，對近岸的影響遠弱于西北部，中部海域也易出現2 m以上的涌浪。

2）平均波周期特征

24日灣內大部分海域受波周期超過6 s的海浪影響，其他2個時刻多處于8 s以上；7日和14日最大波周期出現在南大西洋0毅—15毅S的非洲西海岸，同期灣內部分海域（加納岸線）也出現波周期超過10 s，最小區域集中在灣內東南部，為掩護海域；24日西北灣角海域出現低于6 s的海浪，是受海灣外側北部的風場影響。

2.3 幾內亞灣近岸的海浪特性

選取幾內亞灣內外共計9個控制點，控制點信息見表1和圖7，1—3號控制點位于赤道線附近，緯度上處于最南端，4—9號控制點位于幾內亞灣沿岸海域，涉及灣角、海港以及灣內不同海域。

表1 控制點經緯度及位置信息Table 1 The longitude,latitude and position information of control points

圖7 幾內亞灣控制點位置示意Fig.7 Location of control points on the Gulf of Guinea

1）海灣近岸波高特性

圖8中只展示部分模型輸出結果，1號和2號點8月混合浪有效波高變化一致，3號點有效波高小于1號和2號，最大差值1 m，3號點位于加蓬的Gentil外海域，位于地形凸起后方，對西南向來浪有削弱作用；4—9號點也呈現接近的變化，但9號點有效波高小于其他點，最大差值0.5 m，9號點位于有群島和岸線掩護的后方海域，波高較小；4號點在8月前半段最大波高達2.8 m，這時期5號、6號和8號點波高大小趨同，8月下旬8號點波高出現多處高于4號，其他點之間的相關性也沒有前半段高，24日左右5—8號點波高趨同，該時段海域風速極低，主要為涌浪影響，波高一致；7號點位于海灣中部深處，與其他點有傳播的滯后性且處于大陸架較緩處，能量有損失；6號點位于西北部岸線凸起后方，地形對來浪有削弱，波高略低于同期其他點；8號點位于海灣中部岸線凸起處，外海無掩護，浪向直擊該區域，故波高與西北部海域接近。

圖8 部分控制點2017年8月混合浪有效波高變化Fig.8 Variations of the significant mixed-wave heights for part control points in Aug.2017

幾內亞灣東南部海域有效波高低于西北部；中部海域波高與西北部持平，出現極值波浪時，近岸海域差異不明顯。

圖9中，各點涌浪有效波高趨勢變化基本一致，3號和9號點位于海灣東南部海域，受島嶼掩護和地形影響涌浪強度有明顯衰減，波高低于其他點。因為傳播方向以及傳播時間的先后性，8月初3—9號點波高均出現極小值且4—6號點出現時段先于3號和7—9號點；8月27日左右也能看出該現象，特定浪向的涌浪影響海灣中部，強度明顯大于西北部海域。幾內亞灣受同一涌浪影響，灣內中部海域存在高強涌浪且涌浪在灣內西北和中部海域傳播時能量損失極小。

圖9 部分控制點2017年8月涌浪有效波高變化Fig.9 Variations of the significant swell heights for part control points in Aug.2017

2）海灣近岸波周期特性

各點平均波周期走向多變，1—3號波周期關聯性較低，4—9號點相關性也不明顯。3號點平均波周期低于其他點，月平均值在6 s左右，其他點可以達到7 s以上，9號點也略低于其他點，但9號點波周期高于3號，9號位于灣內海浪最弱的東南部海域，主要受長周期的涌浪影響，3號點為東南灣角岸線凸起掩護后方，涌浪衰減厲害，故平均波周期最低。

圖10中各點譜峰周期呈現極高的相關性，24日之前，9個點譜峰周期變化趨同，最大譜峰周期達到20 s，并且出現極大值時各點會呈現明顯的時間先后性；28日左右出現差異，1號、4號和5號點未出現其他點出現的極大值，譜峰周期超過20 s的高強涌浪影響海灣中部和東南部海域，而對西北部海域影響很小。

圖10 部分控制點2017年8月譜峰周期變化Fig.10 Variations of the peak wave periods for part control points in Aug.2017

3）海灣近岸平均波向特性

波向是以指向正東向（去向）為0毅軸，逆時針運動，3號點平均波向在45毅左右；7—9號點平均波向集中在60毅；4—6點波向在80毅附近波動；中部及西北部海域分別易遭受西南向和接近南向來向的海浪影響，浪向與這些海域岸線均成較大夾角，對海岸線更易造成破壞且破壞更嚴重。25日左右7—9號點波向小幅減小，與譜峰周期在該時段出現下降相關，之后7號和8號點波向又小幅增大，6號點略微變化，與出現在中部的高強涌浪有關。

3 結語

本文采用雙層嵌套SWAN模型模擬典型海況下大西洋至幾內亞灣海域的海浪，并分析其海浪分布及傳播特性，主要結論如下：

1）南大西洋咆哮西風經常出現順時針運動的氣旋，中心風速超過20 m/s，非洲西南海域會出現大風集聚，風向以南向和東南向為主；幾內亞灣平均風速在6 m/s以下，灣內大風區集中在西北部及中部海域，東南部海域最弱，中部海域風速變化較為明顯，但風向穩定，西南向為主。

2）咆哮西風帶產生的涌浪往南大西洋低緯海域傳播過程中受副熱帶高壓區影響很小，浪向在該區域多變，易出現西南向海浪向幾內亞灣及其附近海域傳播；出現在非洲西南海岸的大浪，受風向的影響，會沿岸線北上到達幾內亞灣。

3）灣內東南部海域受群島掩護以及地形岸線影響，海浪能量損失嚴重，波高最小，受涌浪影響也最弱；因為浪向和風場的關系，西北灣角附近海域受混合浪影響最嚴重；中部海域波高不弱于西北部，很有可能出現高強涌浪，強度大于同期灣內其他海域。

4）幾內亞灣涌浪處于支配地位且發源于南大西洋咆哮西風帶，盡管灣內會出現6 m/s的大風，但不能影響該海域的海浪組成，況且海灣中部的大風區遠離近岸，產生的風浪影響有限，涌浪往灣內中部和西北部海域傳播能量損失較小，對沿岸的影響不弱于西北部。