几内亚湾海浪特性数值模拟研究

徐福敏，邢 添*，周昕伟，成泽霖

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210024；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210024；3.南京水利科学研究院，南京 210029)

几内亚湾位于大西洋中部、非洲西部，是非洲最大的海湾。几内亚湾沿岸油气、矿物、农业和航运资源十分丰富。几内亚湾直接面对大西洋，海浪为几内亚湾主要海洋动力因素，复杂的大西洋以及赤道海域的大气和海洋动力导致独特的几内亚湾海洋动力条件，对该海域海洋要素尤其海浪的深入研究也愈发紧迫。伴随着油气、海岸和航运工程的开发需要对几内亚海域的海浪特性有系统深入的认识，研究该海域海浪分布及传播特性对湾内港口、航道及海岸工程的建设开发意义重大。

迄今为止，许多学者已针对几内亚湾的风、浪特性开展了研究。LAIBI等[1]和ALMAR等[2]认为几内亚湾岸线受南大西洋高能涌浪的影响，同时驱动沉积物向岸输移。SENECHAL等[3]以及YATES等[4]基于特定地点的波高季节性变化分析，认为赤道附近的波动呈现明显的季节性和年际变化特征。PREVOSTO等[5]基于西非海域观测资料分析发现年内涌浪来源存在差异，其中5～10月涌浪来源主要为南大西洋西风咆哮带，10～4月涌浪来源主要为大西洋西北部。李庆红等[6]将第三代海浪数值模型WAVEWATCH III应用于几内亚湾及其附近海域，发现几内亚湾冬季的波高值略小于夏季，分布规律则与夏季相似，湾内波高分布存在空间差异。王科华等[7]根据DHI波浪整体数学模型试验报告，对比分析了两种几内亚湾近岸极值波要素的推算方法。周昕伟等[8]建立了大西洋至几内亚湾双层嵌套海浪模型，认为几内亚湾海浪主要受南半球天气系统的影响，湾内中部海域可能出现高强涌浪。冯海暴等[9]分析了几内亚湾西端毛里塔尼亚友谊港海岸工程建设中长周期涌浪对于施工作业的影响。邓夕贵等[10]对几内亚湾防波堤稳定性物理模型试验表明，现有的一些规范公式对于长周期涌浪为主海域的挡浪墙稳定性计算有待改进。涌浪作为影响严重的海洋灾害之一，对海岸工程建设、近岸建筑物、在行船舶、石油平台等海洋结构物具有很强破坏性[11]。

受限于南大西洋和西非沿岸实测波浪数据的匮乏，现有针对几内亚湾沿岸的海浪研究仅依赖有限的实测数据或粗分辨率数值模型模拟，缺乏对几内亚湾海域进行完整性和系统性的研究，对该海域海浪特性的研究尤其长周期涌浪特性研究不够深入。因此，几内亚湾乃至沿岸港口水域的海浪特性及传播特征依然需要进一步研究机理，以更好地服务于当地的社会发展及工程建设。

本研究基于第三代海浪模型SWAN(Simulating Waves Nearshore)建立大西洋至几内亚湾沿岸海域双层嵌套海浪数值模型，研究几内亚湾内的海浪特性，尤其对几内亚湾内占主导作用的涌浪要素进行探究；以加纳Moree港为例，揭示几内亚湾沿岸港口外海的海浪情况，为沿岸国家海岸工程建设与防护提供参考依据。

1 海浪数值模型

1.1 SWAN模型

在大、中、小尺度海浪模拟研究中，WWIII、WAM和SWAN模型等均得到广泛应用及认可。SWAN模型的隐式计算方式有利于模型计算的稳定，其机理尤其适用于近岸海域的波浪模拟。本研究使用第三代海浪数值模型SWAN进行大尺度至中小尺度范围的嵌套模拟，研究几内亚湾海域海浪及其机理特征。

1.2 模型设置

几内亚湾海域横跨赤道，海浪的产生、传播及分布特性和南、北大西洋的风、浪紧密相关。本研究建立的SWAN嵌套海浪模型计算范围为：外层为整个大西洋，范围为83°W-22°E，75°N-75°S，空间分辨率为15′×15′，经、纬向网格节点数为420×600，内层范围为20°W-15°E，30°N-15°S，空间分辨率为5′×5′，经、纬向网格节点数为420×540，内外层计算范围见图1。

模型采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的ETOPO1水深地形数据(https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/wcs-client/)。驱动风场采用多平台海洋表面风速交叉校准风场(CCMP)(http://data.remss.com/ccmp/v02.0/)。空间分辨率和时间分辨率分别为0.25°×0.25°和6 h。风能输入项采用CAVALERI和MALANOTTE-RIZZOLI[12]方法，三波相互作用项采用ELDEBERKY[13]的LTA方法，四波相互作用项采用HASSELMANN等[14]提出的DIA近似算法，白浪耗散项采用KOMEN等[15]方法，底摩擦耗散项采用HASSELMANN[16]方法，系数取0.015，水深变浅引起的破碎采用BATTJES和JANSSEN[17]方法，系数取0.73。

1-a 外层1-b 内层1-c Moree港和控制点图1 模型外层计算范围Fig.1 Model outer domain

2 模型验证

受南大西洋海洋环境及地域发展等影响，几内亚湾及其附近海域的实测数据匮乏，现有的浮标数据大多位于北美和欧洲海域，距离几内亚湾较远。卫星遥感观测技术具有全天候、高分辨率、高空间覆盖率等的特点，目前Jason系列卫星广泛应用于各海域海浪研究。Jason-3是由欧洲气象卫星组织(EUMESTAT)、NASA、法国国家空间研究中心(CNES)和NOAA联合研制的海洋地形卫星，Jason-3经过完全校正的GDR数据集，数据准确度较高，本研究在采用Jason-3卫星观测数据进行模型验证[18]。经过热带大西洋海域的卫星轨道超过30条，本研究选取经过几内亚湾海域的4条轨迹，如图2所示。模型模拟时段为2017年8月，以卫星数据(有效波高)进行海浪模型验证(图3)，表1为模拟值与卫星观测值均方根误差。

图2 经过几内亚湾海域部分Jason-3卫星轨迹Fig.2 Jason-3 satellite tracks across the Gulf of Guinea

可见SWAN模拟海浪有效波高值与Jason-3观测值整体变化趋势一致，吻合良好，平均偏差介于0.05～0.28 m，均方根误差介于0.17～0.42 m。SWAN海浪数值模型模拟结果与卫星高度计数据吻合度较高，表明模型可用于几内亚湾海浪数值模拟研究。

表1 SWAN模拟有效波高与Jason-3卫星观测有效波高均方根误差分析Tab.1 Error statistics for the contrast between SWAN stimulated SWH and Jason-3 data

3-a 046轨道 3-b 059轨道 3-c 148轨道3-d 211轨道图3 Jason-3卫星观测有效波高与SWAN有效波高模拟值对比Fig.3 Comparison of SWAN stimulated significant wave heights (SWH) with Jason-3 data

3 几内亚湾风浪、涌浪特性

海浪通常由风浪和涌浪组成，在风力直接作用下所形成的波浪称为“风浪”；当风浪离开风的作用区域后在风力甚小或无风区中继续传播的波浪，或在风作用区内风力显著减小或风停后继续存在的波浪，均称为“涌浪”。SWAN[19]用方向波谱来描述波浪能量密度，其表达式为

(1)

式中：E为波能密度；f为频率；θ为方向。基于一维和二维海浪谱，可实现风浪、涌浪能量的分离[20]。

混合浪、风浪、涌浪波高的关系式为

(2)

式中：H混为混合浪波高；H风为风浪波高；H涌为涌浪波高。根据式(2)和SWAN输出的混合浪有效波高、涌浪波高即可算出风浪波高，SWAN输出的风向即为风浪方向。

8月几内亚湾海域海浪为全年最活跃的时期，本研究选取2017年8月几内亚湾海域的海浪作为研究对象，分析几内亚湾的海浪特征。选取2017年8月最具代表性的两个典型时刻(2017年8月7日0时和2017年8月24日0时)，分别对应湾内有效波高最大(3.41 m)、最小时刻(2.98 m)。

图4为8月7号0时几内亚湾风场、风浪场和涌浪场。西南海域风速较大，最大风速达到8 m/s，湾内盛行东南风，除了中部和东南部分区域，整体风速大于2 m/s；在风速较大西南海域，风浪波高达到最大，最大波高超过2.2 m，除了近岸区域，风浪波高均在1 m以上；与风浪的情况不同，涌浪在安哥拉沿岸达到最大并向西北方向递减，最大波高在3 m左右，除西北海域，几内亚湾涌浪波高在1.8 m以上，湾内近岸区域也存在波高2 m左右的涌浪。

4-a 风场 4-b 风浪场 4-c 涌浪场图4 几内亚湾2017年8月7号风场、风浪场、涌浪场Fig.4 Field of wind,wind wave,and swell in the Gulf of Guinea (2017-08-07)

图5为8月24号0时几内亚湾风场、风浪场和涌浪场。西南海域仍是风速较大区域，最大风速超过8 m/s，整个海域盛行东南风，风向呈顺时针方向偏转，几内亚湾内除近岸区域外，整体风速大于4 m/s；受风场影响，中部海域有波高超过2 m等风浪，西非海域除部分近岸区域风浪波高在1.2 m以上，几内亚湾内风浪整体波高超过1.4 m；涌浪分布与7号相比呈现较大不同，海域涌浪最大波高超过1.4 m，波高自南向北递减，几内亚湾内整体波高在0.7 m左右。

5-a 风场 5-b 风浪场 5-c 涌浪场图5 几内亚湾2017年8月24号风场、风浪场、涌浪场Fig.5 Field of wind,wind wave,and swell in the Gulf of Guinea (2017-08-24)

对比分析两个典型时刻几内亚湾的风场、风浪场、涌浪场可以看出，几内亚湾受咆哮西风带传播而来的涌浪影响，风浪对该海域影响很小，涌浪占主导地位。海湾沿岸盛行南向海浪，波高等值线沿湾角向海湾深处衰减，湾内西北部和中部海域易出现2 m以上的涌浪，咆哮西风带产生的大浪为传播到几内亚湾海域涌浪的主要来源。

4 加纳Moree港近岸海浪特征

加纳Moree港(1.198°W，5.130°N)位于几内亚湾北侧岸线中部(图1)，加纳海岸平均潮差约1.3 m，沿海平均潮流速度小于0.1 m/s，海浪为该海域主要动力因素。为准确确定Moree港海浪设计要素，需要对该港近岸动力条件有明确的了解，本研究依次在Moree外海域南侧选取控制点a(1.167°W，4.868°N)和b(1.035°W，4.437°N)(图1)，模拟a和b点的海浪特性，反映Moree港外海的典型海浪情况。

4.1 Moree港近岸特征点位海浪要素

表2和表3为模拟得到的控制点a和b的8月海浪要素特征值(最大值、最小值、平均值和最大出现频率区间)。a和b控制点波浪要素的平均值较为接近，外侧b点的有效波高明显大于更近海岸线的a点，且频繁出现波高超过2 m的海浪，而在平均波周期、峰周期上则小于a点，受近岸的地形变化的影响，a、b两点的平均波向有3°左右的差异。综合比较两点的海浪要素特征，可以看出外侧的b点较a点受到的波高更高、频率更为频繁的海浪影响。

表2 Moree外侧a控制点海浪情况(2017-08)Tab.2 List of wave information at control point a outside Moree Port(2017-08)

表3 Moree外侧b控制点海浪情况(2017-08)Tab.3 List of wave information at control point b outside Moree Port(2017-08)

图6为a、b控制点8月的混合波有效波高和涌浪有效波高，两点有效波高呈现较为类似的趋势变化。由于两点距离较近，所以没有出现明显的传播时间滞后性；两点均处于近岸浅水区并且存在一定的传播时间和距离，因而波浪能量损失较多；8月初，a、b两点波高出现极小值，8月25号左右两点也出现极大值1.1 m，为整个8月出现的最大同一涌浪差；a点更接近近岸海域，水深较浅，能量损失严重，有效波高较低，与b点相差0.2 m左右，可见近岸的地形变化对波浪波高强度变化的影响较大，但涌浪波高最大值仍超过2 m，其影响不可忽视。

图7为a、b控制点8月的平均波周期和峰周期，两点的平均波周期和峰周期呈现极高的相关性。8月两点平均波周期多变，峰周期有多个明显的极值，峰周期的变化趋势与有效波高趋同；8月7号最大峰周期达到20 s，与该时刻的有效波高情况一致；8月27号左右湾内两点出现超过18 s的极大峰周期，这与涌浪在该时刻出现极值一致，中部海域出现高能涌浪；在平均波周期和峰周期上a点都略大于b点，差异的可能原因是a点在b点的西北向。

图6 2017年8月控制点a和b混合波和涌浪有效波高频率分布Fig.6 SWH frequency distribution of mixed wave and swell at control points a and b (2017-08)图7 2017年8月控制点a和b平均波周期和峰 周期频率分布Fig.7 Mean wave period and peak period frequency distribution at control points a and b (2017-08)

几内亚湾海浪月平均有效波高中涌浪占了大部分能量，湾内易出现2 m以上的涌浪，波峰周期超过20 s，南大西洋咆哮西风带传播而来的涌浪对几内亚湾及其附近海域造成显著的影响。

4.2 Moree港近岸海浪一维海浪谱特性

为研究几内亚湾介于最大最小海浪强度之间的海浪谱特性，增加了2017年8月14日0时(海浪强度介于最大最小之间)的海浪谱模拟。图8为典型时刻(最大、中间、最小强度)a、b两点的一维海浪谱。从两个点一维波谱图来看，能量集中在低频区域，7号能量集中在更低频率并且出现双峰，24号0时湾内海浪整体呈现较弱状态，此时两点的谱密度最大值出现在频率0.07 Hz附近，7号0时a和b点有效波高均强于14号0时，在谱密度上也呈现出明显的能量差，同时24号两点的最大谱密度出现在0.1 Hz，对应的周期在10 s左右，与峰周期在该时刻的值接近。联系风场、浪场以及8月的波高和波周期变化趋势，可知在该港口外海域即使处于波高极低的情况下，涌浪对该海域的影响仍占主导地位，涌浪在该海域容易集聚形成较大的能量。

8-a 控制点a8-b 控制点b图8 典型时刻控制点a和b的一维波谱分布Fig.8 One dimensional spectral distribution of control points a and b at typical times

5 结论

本文基于第三代海浪模型SWAN对大西洋至几内亚湾Moree港的海浪进行模拟，分析了几内亚湾海域和近岸的海浪特性，并着重研究在该海域占主导作用的涌浪，主要结论如下：

(1)几内亚湾涌浪在海浪的组成中占主导，受咆哮西风带传播而来的涌浪影响，几内亚湾附近海域以南向海浪为主，8月出现超过2 m的涌浪是常态，即使有湾内群岛的掩护，涌浪仍能传播至掩护后方；几内亚湾风场强度不大，8月出现在湾内风速为4～6 m/s，风向以西南向为主，海域中部虽然存在大风区，但对近岸风浪影响甚小，风浪近岸波高在1 m左右，对该海域影响很小。

(2)加纳Moree港位于湾内西北岸线凸起的后方，其近岸浪高略低于周围，但遭受的海浪强度并没有明显衰减，最大有效波高在2 m以上，在该海域新建港口工程需要特别注意该点；Moree港近岸海浪要素中，涌浪成分在整体海浪组成中占了大部分，从Moree港近岸海浪一维海浪谱可以看出，波浪能量多集中在低频区域，近岸涌浪能量仍居主导地位。

(3)南大西洋咆哮西风带产生的涌浪成南向(西南向)向大西洋中部低纬海域运动，以西南向为主的涌浪会袭击整个几内亚湾；几内亚湾不论是在波高较大还是波高极小的情况下，涌浪都在该海域占据绝对主导地位，即使在近岸区域也存在波高超过2 m、峰周期超过20 s的涌浪，是当地海岸工程建设需要面对的困难；随着该海域数据的增多，还要随着观测数据的获取进行进一步的研究。