基于FHDI-GNWM 数据的全球超越概率波高宏观分布特征分析

钟雄华，汪中琦，王科华，周智鹏

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；

2.中交集团国际直营业务事业部，北京 100000）

0 引言

波浪作为一种自然现象一直备受关注，研究累计频率波高的空间分布特征对于港口建设和船舶航行安全等具有重要意义。目前国内外学者对于累计频率波高的空间分布特征已做过大量的研究，2010 年，张婕[1]利用ECMWF 提供的1957—2002 年全球数据资料同化集（ERA-40），研究了有效波高的全球平均分布。2012 年，束芳芳等[2]通过对广东阳西近岸测站1 a 实测波浪资料及岸边同期风资料的整理与分析，探讨了该海域的波浪特性，研究表明该海域不分方向H1/10年平均值为1.00 m。2012 年，谢冬梅等[3]运用第三代海浪模式对东中国海进行了连续60 a（1950—2009 年）的波浪后报模拟，研究结果表明：在渤海范围内5%累积频率有效波高与平均有效波高之比约为2.75，黄海与东海大部该比值则分别约为2.50 和2.35。2013 年，周水华等[4]为提高对南海波浪场的认识，采用AVISO 有效浪高格点数据对南海浪高的月变化特征进行分析。2013 年，石小翠[5]运用SWAN 模型对西太平洋海区的波浪情况进行模拟，通过模拟计算得到了中国东部海区22 a 的波要素数据构成数据库，并以该数据库资料得到了连云港、崇明、温州各累计频率波高。2014 年，HAN Shuzong 等[6]利用1992—2005 年连续13 a 的TOPEX/Poseidon 卫星高度计资料对全球有效波高和海面风速的时空分布特征及变化规律进行了研究。2014 年，庄晓宵等[7]使用欧洲中期天气预报中心近30 a（1982—2011 年）全球再分析资料中的风场及海浪场资料，对全球海表10 m 风场、有效波高、平均周期和平均波向进行了统计分析，并定义了一种计算季节变率的方法。2016 年，吴萌萌等[8]基于第三代海浪数值预报模式WAVEWATCH III（V3.14），构建了全球区域海浪数值预报系统，采用1999 年9 月—2009 年7 月的OuikSCATNCEP混合风场作为驱动场，对模式进行了10 a 的积分。2019 年，张扬等[9]应用一个经验证的全球尺度FVCOM 海浪模型，模拟了2012 年全球海洋海浪场的分布和演变，分析了海表面风场、海浪场与混合层深度的全球尺度分布及相关性。本文基于FHDI-GNMW 全球波浪后报数据库[10]，详细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间宏观分布特征，从而为系统性地认识全球波浪特征提供参考。

表1 不同纬度范围内不同超越概率的有效波高Hs 全球空间特征Table 1 Global spatial characteristics of Hs with the different exceedance probability in different latitudes

1 数据来源

本文基于2011—2015 年共5 a 的FHDI-GNWM（FHID-Global Normal Wave Model）全球波高数据Hs作为不同超越概率波高在全球的空间宏观分布分析的基础数据，统计分析不同超越概率（1%和10%）有效波高Hs在全球和主要大洋的空间宏观分布特征。

2 不同超越概率有效波高Hs 在全球范围的空间宏观分布

不同纬度范围内，超越概率为1%和10%的有效波高Hs全球空间分布特征见表1。

超越概率为1%和10%的有效波高Hs全球空间分布图分别见图1 和图2。由图1 可知，从整体分布来看，超越概率为1%的有效波高Hs呈现出明显的两端强中间弱的特征，北纬30°以上和南纬30°以下海域对应超越概率为1%的Hs基本在6～10 m 之间；30°N—30°S 之间海域对应超越概率为1%的Hs较小，大部分区域Hs在2～6 m。由图2 可知，超越概率为10%的有效波高Hs也呈现出明显的两端强中间弱的特征，北纬30°以上和南纬30°以下海域对应超越概率为10%的Hs基本在3～5 m 之间；30°N—30°S 之间海域对应超越概率为10%的Hs较小，大部分区域Hs在2～4 m。

图1 超越概率为1%的有效波高Hs 全球空间分布图Fig.1 Global spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability

图2 超越概率为10%的有效波高Hs 全球空间分布图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间分布特征

为进一步分析全球不同超越概率有效波高Hs的空间分布特征，现分别对全球主要大洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs的空间分布特征进行分析。

3.1 西北太平洋

西北太平洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布图见图3 和图4。由图可知，从总体上看，两种超越概率的有效波高变化规律相同，均为随着纬度从0°N 逐渐增大，波高变化规律为“先增大后减小”。西北太平洋不同超越概率的有效波高Hs空间分布特征见表2。

图3 西北太平洋超越概率为1%的有效波高Hs 空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the Northwest Pacific

图4 西北太平洋超越概率为10%的有效波高Hs 空间分布图Fig.4 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the Northwest Pacific

表2 不同纬度范围内西北太平洋不同超越概率的有效波高Hs 空间分布特征Table 2 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Northwest Pacific at different latitudes

3.2 东太平洋

不同纬度范围内，东太平洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布特征见表3。东太平洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布图见图5 和图6。由图可知，从整体分布来看，波高呈现出明显的南强北弱特点，在55°S 附近形成了一条明显的高值区，然后向北沿纬度带递减分布。

图5 东太平洋超越概率为1%的有效波高Hs 空间分布图Fig.5 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the East Pacific

表3 不同纬度范围内东太平洋不同超越概率的有效波高Hs 空间分布特征Table 3 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Eastern Pacific at different latitudes

3.3 北大西洋

北大西洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布图见图7 和图8。由图可知，从总体上看，随着纬度从0°N 逐渐增大，波高变化规律为“先增大后减小”。不同纬度范围内，北大西洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布特征见表4 和表5。

图7 北大西洋超越概率为1%的有效波高Hs 空间分布图Fig.7 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the North Atlantic

图8 北大西洋超越概率为10%的有效波高Hs 空间分布图Fig.8 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the North Atlantic

表4 不同纬度范围内北大西洋超越概率为1%的有效波高Hs 空间分布特征Table 4 Spatial distribution characteristics of Hs with 1%exceedance probability in the North Atlantic at different latitudes

3.4 南大西洋

南大西洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布图见图9 和图10。

图9 南大西洋超越概率为1%的有效波高Hs 空间分布图Fig.9 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the South Atlantic

图10 南大西洋超越概率为10%的有效波高Hs 空间分布图Fig.10 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the South Atlantic

由图可知，从总体上看，随着纬度从0°S 逐渐增大，波高变化规律均为“先增大后减小”。不同纬度范围内，南大西洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布特征见表6。

表6 不同纬度范围内南大西洋不同超越概率的有效波高Hs 空间分布特征Table 6 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the South Atlantic at different latitudes

3.5 印度洋

印度洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布图见图11 和图12。由图可知，从整体分布来看，超越概率为1%和10%的有效波高Hs均呈现出明显的南强北弱特点，在50°S 海域附近均形成了一条明显的高值区，然后向北沿纬度带递减分布。不同纬度范围内，印度洋超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布特征见表7。

图11 印度洋超越概率为1%的有效波高Hs 空间分布图Fig.11 Spatial distribution map of Hs with 1%exceedance probability in the Indian Ocean

图12 印度洋超越概率为10%的有效波高Hs 空间分布图Fig.12 Spatial distribution map of Hs with 10%exceedance probability in the Indian Ocean

表7 不同纬度范围内印度洋不同超越概率的有效波高Hs空间分布特征Table 7 Spatial distribution characteristics of Hs with different exceedance probability in the Indian Ocean at different latitudes

4 结语

基于FHDI-GNWM 全球波浪数据库，研究了不同超越概率在全球和主要大洋的空间宏观分布特征，结论如下：

1） 不同超越概率的有效波高Hs在全球范围内呈现出明显的两端强中间弱的特征，北纬30°N以上和南纬30°S 以下海域对应超越概率为1%和10%的Hs分别在6～10 m 之间和3～5 m 之间。

2） 不同超越概率的有效波高Hs在全球主要大洋的空间分布特征各不相同。

3） 对于西北太平洋而言，超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布规律相同，均为随着纬度从0°N 逐渐增大，波高变化规律为“先增大后减小”；对于东太平洋而言，超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布规律，从整体分布来看，波高呈现出明显的南强北弱特点，在55°S 附近形成了一条明显的高值区，然后向北沿纬度带递减分布；对于北大西洋和南大西洋而言，超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间分布规律，从总体上看，随着纬度增大，波高变化规律为“先增大后减小”；对于印度洋而言，超越概率为1%和10%的有效波高Hs空间规律，从整体分布来看，超越概率为1%和10%的有效波高Hs均呈现出明显的南强北弱特点，在50°S 海域附近均形成了一条明显的高值区，然后向北沿纬度带递减分布。