基于FHDI-GNWM 數據的全球超越概率波高宏觀分布特征分析

鐘雄華，汪中琦，王科華，周智鵬

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；

2.中交集團國際直營業務事業部，北京 100000）

0 引言

波浪作為一種自然現象一直備受關注，研究累計頻率波高的空間分布特征對于港口建設和船舶航行安全等具有重要意義。目前國內外學者對于累計頻率波高的空間分布特征已做過大量的研究，2010 年，張婕[1]利用ECMWF 提供的1957—2002 年全球數據資料同化集（ERA-40），研究了有效波高的全球平均分布。2012 年，束芳芳等[2]通過對廣東陽西近岸測站1 a 實測波浪資料及岸邊同期風資料的整理與分析，探討了該海域的波浪特性，研究表明該海域不分方向H1/10年平均值為1.00 m。2012 年，謝冬梅等[3]運用第三代海浪模式對東中國海進行了連續60 a（1950—2009 年）的波浪后報模擬，研究結果表明：在渤海范圍內5%累積頻率有效波高與平均有效波高之比約為2.75，黃海與東海大部該比值則分別約為2.50 和2.35。2013 年，周水華等[4]為提高對南海波浪場的認識，采用AVISO 有效浪高格點數據對南海浪高的月變化特征進行分析。2013 年，石小翠[5]運用SWAN 模型對西太平洋海區的波浪情況進行模擬，通過模擬計算得到了中國東部海區22 a 的波要素數據構成數據庫，并以該數據庫資料得到了連云港、崇明、溫州各累計頻率波高。2014 年，HAN Shuzong 等[6]利用1992—2005 年連續13 a 的TOPEX/Poseidon 衛星高度計資料對全球有效波高和海面風速的時空分布特征及變化規律進行了研究。2014 年，莊曉宵等[7]使用歐洲中期天氣預報中心近30 a（1982—2011 年）全球再分析資料中的風場及海浪場資料，對全球海表10 m 風場、有效波高、平均周期和平均波向進行了統計分析，并定義了一種計算季節變率的方法。2016 年，吳萌萌等[8]基于第三代海浪數值預報模式WAVEWATCH III（V3.14），構建了全球區域海浪數值預報系統，采用1999 年9 月—2009 年7 月的OuikSCATNCEP混合風場作為驅動場，對模式進行了10 a 的積分。2019 年，張揚等[9]應用一個經驗證的全球尺度FVCOM 海浪模型，模擬了2012 年全球海洋海浪場的分布和演變，分析了海表面風場、海浪場與混合層深度的全球尺度分布及相關性。本文基于FHDI-GNMW 全球波浪后報數據庫[10]，詳細地分析了不同超越概率有效波高Hs在全球和主要大洋的空間宏觀分布特征，從而為系統性地認識全球波浪特征提供參考。

表1 不同緯度范圍內不同超越概率的有效波高Hs 全球空間特征Table 1 Global spatial characteristics of Hs with the different exceedance probability in different latitudes

1 數據來源

本文基于2011—2015 年共5 a 的FHDI-GNWM（FHID-Global Normal Wave Model）全球波高數據Hs作為不同超越概率波高在全球的空間宏觀分布分析的基礎數據，統計分析不同超越概率（1%和10%）有效波高Hs在全球和主要大洋的空間宏觀分布特征。

2 不同超越概率有效波高Hs 在全球范圍的空間宏觀分布

不同緯度范圍內，超越概率為1%和10%的有效波高Hs全球空間分布特征見表1。

超越概率為1%和10%的有效波高Hs全球空間分布圖分別見圖1 和圖2。由圖1 可知，從整體分布來看，超越概率為1%的有效波高Hs呈現出明顯的兩端強中間弱的特征，北緯30°以上和南緯30°以下海域對應超越概率為1%的Hs基本在6～10 m 之間；30°N—30°S 之間海域對應超越概率為1%的Hs較小，大部分區域Hs在2～6 m。由圖2 可知，超越概率為10%的有效波高Hs也呈現出明顯的兩端強中間弱的特征，北緯30°以上和南緯30°以下海域對應超越概率為10%的Hs基本在3～5 m 之間；30°N—30°S 之間海域對應超越概率為10%的Hs較小，大部分區域Hs在2～4 m。

圖1 超越概率為1%的有效波高Hs 全球空間分布圖Fig.1 Global spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability

圖2 超越概率為10%的有效波高Hs 全球空間分布圖Fig.2 Global spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability

3 不同超越概率有效波高Hs 在全球主要大洋的空間分布特征

為進一步分析全球不同超越概率有效波高Hs的空間分布特征，現分別對全球主要大洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs的空間分布特征進行分析。

3.1 西北太平洋

西北太平洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖3 和圖4。由圖可知，從總體上看，兩種超越概率的有效波高變化規律相同，均為隨著緯度從0°N 逐漸增大，波高變化規律為“先增大后減小”。西北太平洋不同超越概率的有效波高Hs空間分布特征見表2。

圖3 西北太平洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the Northwest Pacific

圖4 西北太平洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the Northwest Pacific

表2 不同緯度范圍內西北太平洋不同超越概率的有效波高Hs 空間分布特征Table 2 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Northwest Pacific at different latitudes

3.2 東太平洋

不同緯度范圍內，東太平洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表3。東太平洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖5 和圖6。由圖可知，從整體分布來看，波高呈現出明顯的南強北弱特點，在55°S 附近形成了一條明顯的高值區，然后向北沿緯度帶遞減分布。

圖5 東太平洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the East Pacific

表3 不同緯度范圍內東太平洋不同超越概率的有效波高Hs 空間分布特征Table 3 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Eastern Pacific at different latitudes

3.3 北大西洋

北大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖7 和圖8。由圖可知，從總體上看，隨著緯度從0°N 逐漸增大，波高變化規律為“先增大后減小”。不同緯度范圍內，北大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表4 和表5。

圖7 北大西洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.7 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the North Atlantic

圖8 北大西洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.8 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the North Atlantic

表4 不同緯度范圍內北大西洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布特征Table 4 Spatial distribution characteristics of Hs with 1%exceedance probability in the North Atlantic at different latitudes

3.4 南大西洋

南大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖9 和圖10。

圖9 南大西洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.9 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the South Atlantic

圖10 南大西洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.10 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the South Atlantic

由圖可知，從總體上看，隨著緯度從0°S 逐漸增大，波高變化規律均為“先增大后減小”。不同緯度范圍內，南大西洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表6。

表6 不同緯度范圍內南大西洋不同超越概率的有效波高Hs 空間分布特征Table 6 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the South Atlantic at different latitudes

3.5 印度洋

印度洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布圖見圖11 和圖12。由圖可知，從整體分布來看，超越概率為1%和10%的有效波高Hs均呈現出明顯的南強北弱特點，在50°S 海域附近均形成了一條明顯的高值區，然后向北沿緯度帶遞減分布。不同緯度范圍內，印度洋超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布特征見表7。

圖11 印度洋超越概率為1%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.11 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the Indian Ocean

圖12 印度洋超越概率為10%的有效波高Hs 空間分布圖Fig.12 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the Indian Ocean

表7 不同緯度范圍內印度洋不同超越概率的有效波高Hs空間分布特征Table 7 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Indian Ocean at different latitudes

4 結語

基于FHDI-GNWM 全球波浪數據庫，研究了不同超越概率在全球和主要大洋的空間宏觀分布特征，結論如下：

1） 不同超越概率的有效波高Hs在全球范圍內呈現出明顯的兩端強中間弱的特征，北緯30°N以上和南緯30°S 以下海域對應超越概率為1%和10%的Hs分別在6～10 m 之間和3～5 m 之間。

2） 不同超越概率的有效波高Hs在全球主要大洋的空間分布特征各不相同。

3） 對于西北太平洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布規律相同，均為隨著緯度從0°N 逐漸增大，波高變化規律為“先增大后減小”；對于東太平洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布規律，從整體分布來看，波高呈現出明顯的南強北弱特點，在55°S 附近形成了一條明顯的高值區，然后向北沿緯度帶遞減分布；對于北大西洋和南大西洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間分布規律，從總體上看，隨著緯度增大，波高變化規律為“先增大后減小”；對于印度洋而言，超越概率為1%和10%的有效波高Hs空間規律，從整體分布來看，超越概率為1%和10%的有效波高Hs均呈現出明顯的南強北弱特點，在50°S 海域附近均形成了一條明顯的高值區，然后向北沿緯度帶遞減分布。