基于ECMWF再分析数据的孟加拉湾风浪特征分析

徐亚男， 王科华，袁洪涛，张亚敬*

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙 交通行业重点实验室，天津 300456；2中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230； 3.天津东方泰瑞科技有限公司,天津 300456)

21世纪海上丝绸之路以中国泉州等地为起点，经过孟加拉湾、阿拉伯海、波斯湾和地中海等海湾，其中从中国的沿海港口出发经过南海海域到印度洋，再延伸到欧洲是21世纪海上丝绸之路的一个重点方向。孟加拉湾是21世纪海上丝绸之路的重要海区，同时孟加拉湾也是世界上风暴潮多发的地区，因此深入研究分析孟加拉湾海域的风浪特征，不仅可以为该海域重要的港口建设与航运安全提供技术支持，而且可以为沿岸城市港口的防灾减灾提供可靠科学基础条件，有利于为21世纪海上丝绸之路的工程建设提供重要的决策信息，推动孟加拉湾海上工程的开展和实施。

国内外学者基于实测数据、再分析数据对全球海域的波浪、风场特征开展了系列的研究工作。沈春[1]利用QUIKSCAT的海面风场数据分析我国南海海面风场的变化特征，经分析发现南海的风场变化与年际的变化有一定的关系。郑崇伟等[2-3]利用ECMWF的海浪数据和风场数据对北印度洋的波候、风候特征进行分析，发现该海域夏季以西南风为主导风向，冬季以东北风为主导风向，受季风的影响季风区内的风向和波向基本一致。袁俊鹏等[4]人根据1981～2010 年JTWC的北印度洋热带气旋路径资料和NECP的风场资料对北印度洋热带气旋活动时空分布特征进行统计分析，分析表明孟加拉湾的热带气旋主要以偏西方向的路径居多。崔开复等[5]利用1958～2010年的NCEP/NCAR风场资料分析北印度洋海平面风场的时空特征，分析发现北印度洋的风速分布存在着南北两端小、中间大，东部小于西部的特点，同时存在着同一时期内阿拉伯海的风速要大于孟加拉湾风速的特点。黄美玲等[6]利用工程实测数据分析了印尼爪哇岛波浪的双峰特征。 李培等[7]利用1950～1995年的北印度洋的气象船舶资料进行北印度洋的气象特点分析，分析发现了风场的分布特点及年际变化特征。梅勇等[8]利用1957～2002年ECMWF的风场数据分析北印度洋-南海海域海浪场、风场的年际变化特征，分析表明印度洋海面有效波高的时空分布与风场的时空分布存在着很好的对应关系。刘金芳[9]等利用1980～1990年的北印度洋的气象船舶资料分析北印度洋的风浪场特点，分析表明在季风期间风向与波向基本一致。李汀等[10]利用NCEP/NCAR风场资料分析孟加拉湾西南季风与南海热带季风的气候特征，结果表明孟加拉湾盛行西南季风时间长于南海盛行西南季风的时间，同时孟加拉湾西南季风的强度远大于南海季风的强度。傅晨[11]等利用1979～2016年ECMWF中的海浪数据和风场数据分析南海-北印度洋极端海浪场分布和变化特征，结果表明南海-北印度洋极端有效波高分布特征和极端风速的分布特征高度一致。孟加拉湾海域受季风影响显著，且整个孟加拉湾波候的区域差异性明显，目前多数研究针对于全球海域、印度洋和孟加拉湾整体海域。本研究对孟加拉湾不同区域的风浪特征和代表性的港口的风浪特征进行了详细的论述，并与波候特征相似的阿拉伯海风浪特征进行对比分析。

1 数据来源及方法

本文根据利用的ECMWF的波浪和海表面10 m风场再分析数据，分析孟加拉湾海域的风浪特征。ECMWF是由奥地利、法国、德国等34个国家组成的国际性天气预报研究的组织，其发布的数据包含全球海平面以上10 m处风场的所有再分析数据以及波浪数据，其空间分辨率包括0.75°×0.75°、0.50°×0.50°、0.25°×0.25°、0.125°×0.125°等多种不同组合的精度，目前可以达到的最高精度为0.125°×0.125°。ECMWF采用的是UTC时间，时间分辨率为6 h，分别为每天的0时、6时、12时、18时4个时刻。本文选择的区域为0°N～32.5°N，31.5°E～102.5°E，包括孟加拉湾和阿拉伯海海域，对2015年～2017年孟加拉湾的风浪特征进行统计分析，此外还重点分析了孟加拉湾中的吉大港、钦奈港、实兑港3个代表性港口的风浪特征。

2 波浪特征分析

2.1 波浪场的季度变化特征

一季度孟加拉湾盛行NE向季风，孟加拉湾有效波高的平均值在0.95～1.55 m，海湾东侧沿海有效波高略大于海湾西侧沿海有效波高；当海湾穿过安达曼群岛-尼克群岛进入安达曼海，波高减弱明显，缅甸沿海海域有效波高小于1 m。研究进一步与阿拉伯海波候特征进行对比，发现阿拉伯海的有效波高的平均值处于0.8～1.25 m之间，相同纬度的孟加拉湾的有效波高平均值大于阿拉伯海的有效波高平均值(图1-a)。湾顶沿海区域大于东西沿岸的波周期，受斯里兰卡岛的掩护，孟加拉湾西岸的波周期最小(图2-a)。

二季度为孟加拉湾季风过渡的季节，季风由东北季风过渡为西南季风，该季度有效波高的平均值在1.1～2 m，波高值较一季度有明显的增强。受地形影响，西北侧湾顶海域波高特征值大于东侧湾顶海域波高特征值，西侧湾顶近海海域平均有效波高超过1.5 m，安达曼海受外侧群岛掩护作用明显，近海区域平均有效波高小于1 m，与阿拉伯海波候特征进行对比，整体孟加拉湾大于阿拉伯海的波浪特征值(图1-b)。孟加拉湾东部沿海波周期最大约为8.5 s，西岸波周期最小小于8 s(图2-b)。

三季度孟加拉湾盛行SW向季风，孟加拉湾的有效波高平均值在1.6～2.4 m，受印度洋SW向涌浪影响，海湾东侧沿海有效波高明显大于海湾西侧沿海有效波高，安达曼海近岸海区平均有效波高为1.3 m。对比阿拉伯海海域的波浪特征值发现，SW季风期间索拉里海域大风天气频率增强，阿拉伯海的平均有效波高处于1.8～3 m，大于孟加拉湾的平均有效波高(图1-c)。最大波周期出现在西侧湾顶大于8.5 s，其次是东部沿海海域约为8.5 s(图2-c)。

四季度孟加拉湾海区盛行东北季风，波候特征与一季度相似。由于该季风力较弱，湾内的波高呈现减弱趋势，有效波高平均值在0.8～1.8 m之间变化，海湾西侧沿海有效波高略大于海湾东侧沿海有效波高。与阿拉伯海的有效波高进行对比分析，有效波高处于1.1～1.5 m，相同纬度的孟加拉湾的有效波高平均值要大于阿拉伯海的有效波高平均值(图1-d)。该季波周期为全年最大，湾顶海域及东部沿海海域波周期均超过9 s(图2-d)。

通过对孟加拉湾不同季度的波浪场分析可以得出孟加拉湾的波浪条件具有季节性的变化特征，且在西南季风的影响下有效波高的平均值大于在东北季风影响下的有效波高的平均值。SW季风期风力较强且印度洋的涌浪影响，孟加拉湾东部沿海有效波高大于西部沿海的有效波高，受局部区域的大风影响阿拉伯海波高特征值大于孟加拉湾的波高特征值；而NE季风期孟加拉湾东部沿海有效波高略小于西部沿海的有效波高，同时孟加拉湾的波浪特征值大于阿拉伯海波浪特征值。而孟加拉湾北部湾顶受恒河流域影响浅滩与深槽交错分布，波浪传播至湾顶波高将迅速减小。孟加拉湾波周期在湾顶及东部沿海区域较大，在西部沿海区域较小。

1-a 一季度1-b 二季度

1-c 三季度1-d 四季度图1 特征波高的季度特征Fig.1 Quarterly characteristics of wave height

2-a 一季度2-b 二季度

2-c 三季度2-d 四季度图2 特征波周期的季度特征Fig.2 Quarterly characteristics of wave period

2.2 港口节点的波浪季度变化特征

图3 孟加拉湾港口位置Fig.3 Location of port in Bay of Bengal

利用2015年～2017年波浪数据，统计分析孟加拉湾海域中涉及到重要节点的波浪特征，绘制了不同季度的波高(有效波高)玫瑰图。选取21世纪海上丝绸之路涉及到的3个代表性港口，分别为吉大港、实兑港、钦奈港(图3)。吉大港位于孟加拉湾的东北岸，是印度洋上的天然良港，也是孟加拉国的最大港口城市和人口第二大城市；钦奈港位于孟加拉湾西岸，是孟加拉湾的最大港口和印度的第二大集装箱港口，因此钦奈港也被人们称作为印度南部的门户；实兑港位于孟加拉湾的东岸，是缅甸在孟加拉湾沿岸的最大海港。吉大港、钦奈港和实兑港作为21世纪海上丝绸之路的重要节点，同时3个港口分别位于孟加拉湾的不同方向(东北岸、西岸、东岸)，因此选择以上3个港口作为代表性港口，并对代表性港口的波浪特性进行统计分析。

一季度，孟加拉湾的3个重要节点港口主要以偏S向的浪为主：吉大港附近海域的强浪向为SSW，常浪向为SSW向，出现的频率约为67%，其中出现频率最高的是0.26～0.39 m的SSW向浪(29%)、0.39～0.52 m的SSW(20%)；实兑港的强浪向出现在NW方向，常浪向为SSW向，出现的频率约为33%；钦奈港E向浪出现的频率最高，频率高达26.57%，强浪向为ESE方向(图4)。

4-a 吉大港4-b 实兑港4-c 钦奈港图4 一季度波高玫瑰图Fig.4 Wave height rose in the first quarter

二季度，吉大港附近海域的强浪向与常浪向均处在SSW方向，出现的频率高达91%，其中出现频率最高的是0.5～0.75 m的SSW(27%)、0.75～1 m的SSW向浪(30%)；实兑港的常浪向出现在SW方向，出现的频率约为62%，强浪向为SSW；钦奈港SSE向浪出现的频率最高，频率高达40%，而强浪向为SSW方向(图5)。

5-a 吉大港5-b 实兑港5-c 钦奈港图5 二季度波高玫瑰图Fig.5 Wave height rose in the second quarter

三季度，吉大港附近海域的强浪向为S方向。常浪向为SSW，出现的频率高达89%，其中出现频率最高的是0.66～0.88 m的SSW(33%)、0.88～1.1 m的SSW向浪(22%)，1.1～1.32 m的SSW向浪(13%)；实兑港的常浪向出现在SW方向，出现的频率约为45%，强浪向为WSW；钦奈港的常浪向为S方向，频率为43%，强浪向为SW方向(图6)。

6-a 吉大港6-b 实兑港6-c 钦奈港图6 三季度波高玫瑰图Fig.6 Wave height rose in the third quarter

四季度，吉大港附近海域的强浪向和常浪向为SSW方向， SSW方向波浪出现的频率约为65%，其中出现频率最高的是0.23～0.46 m的SSW(33%)、0.46～0.69 m的SSW向浪(26%)；实兑港的常浪向出现在SSW方向，出现的频率约为45%，强浪向为SW；钦奈港的常浪向为SSE方向，频率为70%，强浪向为S方向(图7)。

7-a 吉大港7-b 实兑港7-c 钦奈港图7 四季度波高玫瑰图Fig.7 Wave height rose in the fourth quarter

3 风场条件统计分析

3.1 风场分布特征

一季度，印度洋东北风盛行，受季风影响孟加拉湾海域以东北风为主，平均风速在4～5 m/s，最大平均风速约为5 m/s。从平均风速的风速值的大小来看，中部海区10°N附近的风速值大于孟加拉湾南北两端的风速值；

二季度，孟加拉湾中由东北季风转变为西南季风，由于存在季风风向的转换，此季节风速变化不大，平均风速在3.5～5 m/s。最大平均风速出现在中部海区附近；

三季度，孟加拉湾西南季风发展强劲，在西南季风的影响下，孟加拉湾的风向以西南方向为主，平均风速在4～7 m/s，平均风速的最大值分布中部海区附近；

四季度，孟加拉湾存在季风的过渡，季风由西南季风转向为东北季风，孟加拉湾风向以东北方向为主导，平均风速在4～4.5 m/s之间，风速变化不大，最大风速在中部海区附近。

通过对不同季度的风场分布特征的分析可以看出风速季节变化特征明显，海湾内10°N处的平均风速比纬度在20°N以上和赤道附近的平均风速大，同时在三季度大于其他季度的平均风速(图8)。

8-a 一季度8-b 二季度

8-c 三季度8-d 四季度图8 风场的季度特征Fig.8 Quarterly wind field

3.2 港口节点的风速、风向的季度变化特征

一季度，孟加拉湾海域内盛行冬季风，吉大港的常风向为N向，频率约为20%，强风向为SW方向。实兑港的常风向为NW向，出现的频率为26.85%，平均风速4.391 m/s，强风向出现在SSW方向；钦奈港的常风向为ENE方向，出现的频率约为23%，平均风速4.56 m/s ，强风向出现在NE方向(图9)。

9-a 吉大港9-b 实兑港9-c 钦奈港图9 一季度风玫瑰图Fig.9 Wind rose in the first quarter

二季度，孟加拉湾的西南季风开始盛行，湾内的几个港口节点的风向以偏S方向为主，其中吉大港的常风向出现在SSW方向，频率约为30%，平均风速为5.2 m/s，强风向为WSW；实兑港附近的常风向为SW，频率约为19%，平均风速为4.9 m/s，强风向为S方向；钦奈港的常风向为S方向，出现的频率约为25%，平均风速为5.84 m/s，强风向为W方向(图10)。

10-a 吉大港10-b 实兑港10-c 钦奈港图10 二季度风玫瑰图Fig.10 Wind rose in the second quarter

三季度，西南季风发展逐渐强劲，在西南季风的影响下，孟加拉湾内的港口节点逐渐向西南方向转变。吉大港的常风向为S方向，出现的频率约为30%，平均风速为4.89 m/s，强风向为SSE方向；实兑港的常风向与强风向均发生在SSW方向，平均风速为5.06 m/s；钦奈港的常风向为WSW方向，平均风速约5.04 m/s，强风向出现在SW方向(图11)。

11-a 吉大港11-b 实兑港11-c 钦奈港图11 三季度风玫瑰图Fig.11 Wind rose in the third quarter

四季度，孟加拉湾内的季风由西南季风逐渐转变为东北季风，吉大港常风向转为NNW方向，出现的频率约为24%，平均风速为3.2 m/s，强风向出现在S方向；实兑港的常风向为NNW，频率约为24%，平均风速为3.53 m/s，强风向为SSE；钦奈港常风向为NE方向，出现的频率约为30%，平均风速为 4.74 m/s，强风向为SSE方向(图12)。

12-a 吉大港 12-b 实兑港12-c 钦奈港图12 四季度风玫瑰图Fig.12 Wind rose in the fourth quarter

4 结语

通过对ECMWF中波浪资料和海表面10 m风场资料进行统计分析，发现孟加拉湾的波浪场与风场具有以下特征：

(1)孟加拉湾的特征波高具有季节性的变化特征，且在西南季风的影响下有效波高的平均值大于在东北季风影响下的有效波高的平均值；孟加拉湾的波浪条件具有区域差异性，西南季风影响下孟加拉湾东部沿海的特征波高大于孟加拉湾西部沿海的特征波高，东北季风影响下孟加拉湾东部沿海的特征波高小于西部沿海的特征波高。

(2)孟加拉湾的特征波周期具有季节性的变化特征及区域的差异性。全年最大波周期出现在东北季风期，孟加拉湾湾顶及东部沿海的波周期最大超过9 s，西部沿海受斯里兰卡岛的掩护作用，波周期最小。

(3)在孟加拉的东北部海域、东部沿海及西部沿海分别选取吉大港、实兑港及钦奈港3个代表性港口，研究发现吉大港及实兑港受地形影响波浪方向较为集中且与外海波浪方向基本一致，主要体现在SSW-SW向；而钦奈港位于孟加拉湾的西侧海域受地形影响波浪方向以SSE-S向为主，尤其在一季度波浪受NE季风影响，波向以E向浪为主。

(4)孟加拉湾的风速季节变化特征明显，在第三季度(季风期)大于其他季度的平均风速；海湾内中低纬度(5°N ～15°N)平均风速比中高纬度和赤道附近的平均风速大。