应用波浪数值模式对北印度洋海浪场进行计算和统计分析

闻斌，赵艳玲，陈振杰，王骥鹏

（1.61741部队 北京 100094；2.总参气象水文局，北京 100081）

应用波浪数值模式对北印度洋海浪场进行计算和统计分析

闻斌1，赵艳玲1，陈振杰2，王骥鹏1

（1.61741部队 北京 100094；2.总参气象水文局，北京 100081）

以11年QSCAT/NCEP混合风场数据为输入，采用WAVEWATCH-Ⅲ波浪模式，对北印度洋海域1999-2009年的海浪场进行了数值计算。与Janson-1高度计波浪资料进行对比验证后发现,波浪计算结果较好。将计算结果进行统计分析，得出北印度洋风浪有如下特点：（1）冬季盛行东北向浪，夏季盛行西南向浪；（2）北印度洋中部波高较大，北部和南部较小。夏季波高全年最大，较冬季强盛得多；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

对中国南海的海浪研究，国内外学者做了大量的工作，但对北印度洋海域的研究还很少，仅刘金芳[1]等根据 1980－1990年北印度洋气象船舶报资料，统计分析了该海域的风、浪、涌特点及变化规律。

就海浪场的研究方法而言，主要可以分为三类。第一类是对实测资料进行统计分析。但是实测工作成本高，且在测量范围、时间上都无法满足海浪场的时空研究要求。第二类是对遥感资料进行统计分析。卫星遥感资料具有空间覆盖范围大、测量历时长的优点，为风、浪场的特征分析提供了一条非常好的途径，但人们通过卫星来观测海洋的总体时间还非常有限，加上太空观测的工作环境恶劣，卫星资料的时间序列很难达到分析气候尺度的要求，有时由于资料的精度不一也容易出现时间序列不均一的问题。第三类是数值计算，较好地解决了上述两种方法存在的不足，可以在大的时空尺度上构建海浪场整体的变化。

在 WAM 海浪模式的基础上发展起来的WAVEWATCH-Ⅲ模式对控制方程、程序结构、数值和物理的处理方法等做了改进，使得该模式在考虑波-流相互作用和风浪物理机制方面更加合理。WAVEWATCH-Ⅲ模式的推出大大提高了波浪数值计算的精度。齐义泉[2]等以NOAA/NCEP再分析风场资料为输入，利用WAVEWATCH-Ⅲ模式模拟了1996年南海海域的海面风浪场，通过与T/P高度计有效波高资料的对比发现,模式模拟值与之符合较好。IL-JU MOON[3]等应用WAVEWATCH-Ⅲ对1998年发生在美国东海岸的飓风Bonnie进行了数值后报,通过与NOAA的3个波浪浮标(FPSN7、B41002和B44014)资料的对比发现，后报值与实测值符合非常好。以上实例充分证明了无论对一般过程还是台风过程，WAVEWATCH-Ⅲ模式都具有较好的波浪场数值计算能力。

以 1999－2009年连续 11年的 QSCAT/NCEP混合风场数据为输入,利用 WAVEWATCH-Ⅲ模式对北印度洋的海浪场进行了数值计算，并对计算出的11年浪场进行了统计和分析。

1 数据准备

1.1 地形资料

使用目前国际上最新的 ETOPO2v2全球地形地貌数据（U.S.Department of Commerce,National Oceanic and Atmospheric Administration,National Geophysical Data Center,2006.2-minute Gridded Global Relief Data）。该数据集所提供的地形分辨率最高达到了 2'×2'，本文取用其中的 0.5°×0.5°数据作为模型实际使用的地形资料。

1.2 风场资料

模式中使用的风场为QSCAT/NCEP混合风场，所谓混合风场就是对高分辨率的 QuickSCAT卫星散射计观测数据(QSCAT)和美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析风场数据进行时-空混合分析的结果，大体的方法就是保留了QSCAT的沿轨风场数据而在其空白区域加入低波NCEP分析数据场。该混合风场具有很高的时空分辨率：时间间隔为 6小时，空间分辨率为0.5°×0.5°，覆盖了全球从88°S到88°N的范围。

1.3 卫星高度计资料

使用的卫星高度计资料来自美国国家航空航天局（NASA），由美国和法国合作于 2001年12月7日发射的Janson-1卫星及其雷达高度计系统测量所得，测量到的有效波高的精度为0.5 m或10%，该测量数据完全达到了定量观测对测量误差的要求（Chambers[4]等，2003）。

2 海浪模拟过程

2.1 海浪模型

海浪的计算采用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式。模式的基本控制方程为：

S代表与海浪谱有关的源和汇的总和，在球坐标下可写为：

其中，R是地球半径；Uλ和Uφ分别是平均海流在经、纬方向的分量；λ，φ分别为经、纬度。模式源函数项中包括风能量输入项Sin，波波非线性相互作用项Snl和耗散（白冠）项Sds，在浅水区考虑了底摩擦Sbot，用公式表示为：

该模式直接计算波波非线性相互作用，不对谱形预加任何约束，而且能够处理风速、风向的骤然变化。

2.2 模型设置

计算区域为 30°E～105°E，10°S～30°N，网格分辨率为0.5°×0.5°。其中南边界为开边界，东、西、北边界为近似的闭边界。在闭边界处的条件是：对即将跨过和离开海岸线的波浪，边界是完全吸收波能的；在开边界处，采取和闭边界处相似的边界条件，传向边界点处的波能在该点被吸收。在频率和方向的二维谱空间上，设定频率分布从0.041 8 Hz至0.41 Hz共25个频段，波向共24个，分辨率为15°。对于初始条件，本文使用有限风区的JONSWAP谱，谱值由局地风速和风向给出。

模式采用OpenMP并行算法，传播计算步长为1 800 s,源函数的积分时间步长为600 s。为便于对计算结果进行统计分析，分别采用网格和单点两种方式输出计算结果，时间间隔每1小时一次。

3 计算结果和分析

为了验证数值模拟结果的准确性，首先将模式计算的 2007年 1、4、7、10月的结果与卫星高度计资料作了比较。模式输出时间间隔为1 h的波高场，认为即为卫星观测时刻的模式波高场，空间覆盖整个北印度洋海域。从有效波高的对比结果看,平均相关系数为0.81，平均均方根误差为0.39 m，模式计算取得较高的准确度。

因篇幅所限，图1给出了部分时次和轨道上北印度洋有效波高的分布以及对应时刻沿卫星轨道模式值和观测值的比较；图2给出了图1中四条轨道的位置。总体来看，模拟效果较好，尤其对高海况的有效波高模拟优于低海况，图1中2007年4月（春）、2007年10月（秋）模式模拟结果比观测值偏小，这可能是由于春、秋季风速较小，WAVEWATCH-Ⅲ模式的风能量输入项偏低所致。

图1 部分时次沿卫星轨道有效波高模式值和观测值的比较Fig1.Comparison between the simulation results and the observation data along the satellite trajectory

根据计算结果，对北印度洋海域的波向分布特征、波高的季节分布和变化规律进行讨论。为此选取11个点(如图3所示)，分别代表北印度洋不同区域进行说明。

北印度洋中的阿拉伯海、孟加拉湾与大西洋的比斯开湾同为世界著名的大浪区；北印度洋三面被大陆包围，受陆地的影响极大，可以称之为世界之最，10°S以北的大部分洋区都在季风[5]的控制之下。

冬季强大的西伯利亚极地冷高压东移，向南可影响到南海，但在南亚地区被喜马拉雅山以及相邻的阿富汗和伊朗山脉阻挡无法进入印度洋，因此北印度洋冬季盛行中等强度的东北风。夏季南亚地区的强烈增温，尤其是从索马里绵延至印度西北部地区的广大沙漠地区的增温作用，以及越赤道气流的加强等因素，形成了北印度洋强盛的西南季风。秋、春季为季风过渡时期。

图2 部分轨道位置示意图Fig.2 Positions of orbits in Figure 1

图3 选定点分布示意图Fig.3 Distribution of the selected points

3.1 波向特征

将模式计算出的浪向，按8个方位进行累年逐月统计，得出各月浪向在8个方向上的频率分布。因篇幅所限，表1－表4仅给出1、4、7、10月各海区浪向的频率分布，可以看出：4月、10月为季风转换季节，亚丁湾内以偏东浪向为主，亚丁湾口盛行南或东南向浪；阿拉伯海和孟加拉湾浪向不定，但偏南分量浪向占优势。1月亚丁湾内东向浪高达 99.89%，亚丁湾口东或东北浪向更是高达99.93%；阿拉伯海、孟加拉湾中南部海域东北向浪占主导地位，孟加拉湾北部海域北向浪频率为45.79%，东北向浪为28.43%。7月，在强盛的西南季风影响下，北印度洋大部海域为西南向浪所控制，亚丁湾内西南向浪频率为88.39%，阿拉伯海除东南部以外西南向浪的频率几乎可达 100%，孟加拉湾也都在90%以上；亚丁湾口以南向浪为主，频率为99.48%；阿拉伯海东南部则以西向浪为主，频率为95.2%。

表1 1月份各海区波向频率分布Tab.1 Probability of the wave direction in different sea regions in January

表2 4月份各海区波向频率分布Tab.2 Probability of the wave direction in different sea regions in April

表3 7月份各海区波向频率分布Tab.3 Probability of the wave direction in different sea regions in July

表4 10月份各海区波向频率分布Tab.4 Probability of the wave direction in different sea regions in October

3.2 波高特征

将模式模拟的有效波高进行累年逐月统计，本文仅给出1、4、7、10月的有效波高分布，如图4所示。4月，为东北季风向西南季风的转换期，海区风浪为全年最小值，孟加拉湾比阿拉伯海略大。亚丁湾、阿拉伯海月平均有效波高仅为0.3～0.7 m，北印度洋海域最大月平均有效波高位于斯里兰卡以南海域，为 1.2 m，在孟加拉湾北部海域和索马里东南部沿海分别还存在一个相对高值区，最大波高都为1.1 m。

7月，受强劲的西南季风影响，北印度洋海域风浪达到最强盛期，月平均有效波高全年最大，其分布特征为：北部较小，中部最大，南部赤道附近最小，阿拉伯海明显大于孟加拉湾海域，但在亚丁湾湾内，受地形影响，即使在夏季，平均波高仅2.0 m左右。整个海域极大值位于亚丁湾口以东的阿拉伯海中南部海域，达 4.9 m，阿拉伯海大部海区平均波高都在3.0 m以上，孟加拉湾也有一个高值中心，最大波高为2.6 m，赤道附近及以南海域，波高在1.0～2.0 m之间。10月为西南季风向东北季风的过渡季节，浪高和夏季相比明显减小，其分布特征和春季相似，高值中心位于斯里兰卡东南方中印度洋海盆及索马里东南部沿海，为1.7 m，阿拉伯海大部海区平均波高都在1.0 m以下。1月在中等强度的东北季风控制下，海区月平均波高较秋季有所增大，其分布特征和夏季不同：中部维持最大，南部大于北部，极大值区位于索马里东部沿海，为2.0 m，在斯里兰卡东南部沿海是另一个相对高值区，为1.6 m。

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

总体来说，北印度洋受季风控制，冬季盛行东北向风浪，夏季则盛行西南向风浪；冬夏季节风浪较大，春秋季节较小，夏季西南向浪高明显强于冬季东北向浪，7月平均波高最大可达4.9 m，与南中国海波高季节分布特征截然相反。春秋季为季风转换季节，且春季是全年波高最小的时期，整个海区平均波高不超过1.5 m。

4 结 论

利用WAVEWATCH-Ⅲ模式,采用QSCAT/NCEP混合风场数据,对北印度洋海域的波浪场进行了11年的数值计算,得出以下主要结论：

（1）WAVEWATCH-Ⅲ模式计算出的海浪有效波高与高度计的观测结果基本一致。

（2）北印度洋受季风影响，冬季盛行东北向浪，夏季则盛行西南向浪；亚丁湾内夏季西南浪向为主，其它季节盛行偏东浪向。

（3）北印度洋波高季节分布特征与南中国海截然相反，夏季全年波高最大，较冬季强盛的多。其特征为：中部海域波高最大，北部和南部较小。夏季海区月平均波高最大可达 4.9 m；冬季次之，为2.0 m左右，春季最小。

[1]刘金芳,俞慕耕,张学宏,等.北印度洋风浪场特点及最佳航线分析 [J].热带海洋,1998,17(1): 17-24.

[2]齐义泉,朱伯承,施平,等.WWATCH模式模拟南海海浪场的结果分析 [J].海洋学报,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.大洋气候 [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

闻斌（1969－），男，硕士，高级工程师。从事海浪预报研究。电子邮箱：wenbin_2002@163.com