黄山 邬晓冬 王囝囝 周天娇 王岩 常慧琳
(大连市气象服务中心，辽宁大连 116001)
随着中国及区域经济的快速发展，近年，横跨渤海海峡的客滚船运输航线，已成为环渤海地区运输网络的重要组成部分。客滚船通航密度增大，航行和避让难度也随之增大。海上航运具有高风险性，航运安全风险评估是气象及航运交通管理部门提供的重要航运参考。
已有评估分析表明，海浪是影响船舶航行安全的重要因素之一[1-3]。近年的海浪要素调查和研究利用多年船舶气象资料，分别对南、北太平洋海浪的时空分布特征进行统计分析，结果表明太平洋海浪场存在明显的季节变化[4-5]。随数值模式的应用与发展，利用模式产品对海浪进行预报和分析成为当前研究的热点[6-7]。庄晓宵和林一骅[8]利用欧洲中期天气预报中心大气和海洋全球再分析数据提供的ERA-Interim再分析数据集，对1982—2011年全球各海浪要素进行分析，并定义了一种季节变率的算法，其研究表明北半球大洋比南半球大洋季节变化更明显，印度季风区例外，可见海浪要素的季节变化特征显著。也有研究利用Seast和GEOS卫星高度统计资料等对比分析了不同海域海表面风速和有效波高的分布特征，其结论表明风场是影响海浪时空分布的重要因素[9-11]。周媛媛等[13]利用WAVEWATCH III海浪模式对1993—2011年中国东部冬季风场与海浪场的关联特征进行分析表明，中国东部海域海浪受多种天气系统的大风扰动影响显著。
以往海浪的研究大多为混合浪，较少将风浪和涌浪分别进行讨论。Chen等[14]定义了风浪、涌浪指标以分析全球各海域两者的分布情况。Semedo等[15]利用多年海浪再分析资料，统计了全球风浪和涌浪的气候态特征，发现混合浪、风浪及涌浪的有效波高均为赤道外海域大于赤道海域，并且均在冬季达到最大。郑崇伟等[16-17]对不同海区的风浪、涌浪和混合浪场的时空特征、涌浪指标等分析表明，混合浪以涌浪为主。尽管对不同海区风浪、涌浪的研究较多，但针对大连近海海域的波浪指数及风浪、涌浪分布特征等分析较少，且现有统计分析大多基于渤海沿岸观测数据[18-19]。大连市三面环海，海岸线总长度达2211 km，海洋气象服务是大连气象服务的重要部分，其中的港航气象服务是航运交通的重要参考[20-22]。因此，深入研究大连近海各海域的海浪特征，尤其是风浪和涌浪的特征，具有重要意义。本文利用欧洲中期天气预报中心提供的ERA5海表面风场及海浪高分辨率再分析资料，对2010—2019年大连近海客运航线海域各海浪要素的年平均、季节平均分布进行统计分析，以期为大连近海及中国沿海地区海浪要素预报提供参考。
1.1 研究区域划分
研究区为大连近海客运航线海域(简称大连近海)，范围为37°～41°N，117°～127°E，覆盖了整个渤海和部分黄海区域。为便于对比各海域海浪要素差异，将研究区域自定义为4部分(图1)，自西北向东南依次为：辽东半岛南端的旅顺老铁山与山东半岛北端的蓬莱的连线以西为渤海；
渤海东部边界至辽东半岛东南端的大窑湾港与山东半岛东端的成山头的连线为渤海海峡；
渤海海峡东部边界至山东半岛东端的成山头与朝鲜最西南角的龙渊郡的连线为黄海北部；
黄海北部的东南边界至山东半岛东端的成山头与韩国西端的泰安郡的连线为黄海中部。
虚线为研究区域分割线图1 研究区域划分Fig.1 Division of the study area
1.2 数据来源
由于大连近海海域海浪要素观测资料缺乏，选用欧洲中期天气预报中心(The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的大气和海洋全球再分析数据 (The 5th Generation European Center for Medium-Range Weather Forecasts Atmospheric Reanalysis of the Global Climate,ERA5)的风场和海浪场数据。ERA5为ECMWF对过去40—70 a全球气候和天气再分析数据的第五代同化数据集，是取代ERA-Interim的新产品。ERA5提供水平分辨率为31 km、垂直137层的大气变量每小时估算数据，比ERA-Interim有了较大的提升(水平分辨率为80 km，时间分辨率为8 h，垂直为60层)。ERA5以ECMWF开发的数据同化集合(EDA)系统为基础，解释模型预报值与观测值的误差，将更多的历史观测数据尤其是卫星数据也应用到数据同化和模式系统中，以便用户更好的分析不同时空的海洋大气参数，提高大气状况预报水平[23-24]。此外，ERA5提供的变量数由原来的100种增加至240种，包括耦合海浪模式提供的海浪有效波高、波向及平均周期等(https://www.ecmwf.int/en/newsletter/147/news/era5-reanalysis-production.)，为分析海洋、大气过去的状态提供良好的数据基础。ERA5可用的数据时间长度为1979年至今，每日更新(延迟约5 d)，包括高空与地面逐小时及逐月的数据产品。
选取2010—2019 年逐月平均的海表面10 m风场以及逐日4个时次(00 UTC、06 UTC、12 UTC、18 UTC)混合浪海浪场数据，水平分辨率为0.5°×0.5°，其中的变量包括海表面10 m风速、混合浪有效波高、混合浪平均周期、风浪有效波高及总涌浪有效波高等。将逐月平均的海表面10 m风场及逐日4个时次的混合浪海浪场格点数据分别处理为年平均以及季节平均数据，12月至翌年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。
1.3 涌浪指数
由于风浪和涌浪的形成条件和空间分布均不同，为分析二者对大连近海海浪场的作用，参考涌浪指数算法[11,14,16,25-26]，从能量的角度出发，计算2010—2019年大连近海涌浪指数(Swell Index，SI)的季节变化，并定量分析风浪或涌浪在混合浪中的占比。
(1)
式(1)中，E为波浪能(kW·m-1)；
H为有效波高(m)；
T为平均周期(s)；
下标s为涌浪；
下标t为混合浪。
2.1 大连近海风场及海浪场特征
2.1.1 海表面10 m风速
由2010—2019年大连近海平均海表面10 m风速分布可知(图2)，黄海海域整体风速大于渤海及渤海海峡，其风速最大值范围为6.0～6.3 m·s-1，渤海北部也有一个风速最大值区，但相较黄海海域略小，风速最大值范围为5.7～6.0 m·s-1。大连近海海域风速最小值出现在山东北部沿海以及朝鲜半岛西岸，风速为4.0 m·s-1以下。
等值线及填色为海表面10 m风速图2 2010—2019年大连近海平均海表面10 m 风速分布Fig.2 Distribution of wind speed at 10 m on average sea surface in Dalian offshore from 2010 to 2019
由2010—2019年大连近海的季节平均海表面10 m风速分布可知(图3)，大连近海冬季和春季风速大值中心均出现在黄海海域，呈明显的东强西弱分布，风速最大值分别为7.8 m·s-1和6.3 m·s-1，与大连近海10 a平均风速分布相近。但不同的是，夏季各海区风速分布差异较小，风速为4.5～4.8 m·s-1，秋季风速大值中心出现在渤海北部，风速最大值范围为6.3～6.6 m·s-1。从图3还可以看出，大连近海在冬季风速达到最大值，然后逐渐减小，夏季达到最小值后再逐渐增大。其原因是冬季冷空气作用明显，偏北风较强，春季温带气旋活动频繁，南风增加[27]；
夏季由于地形原因大连近海东南季风不明显[28]；
秋季为冷空气南下初期[29]，故风速大值中心出现在渤海北部海域。
等值线及填色为海表面10 m风速图3 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大连近海季节平均海表面10 m 风速分布Fig.3 Seasonal average wind speed distribution of 10 m in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d)at the sea surface in Dalian offshore from 2010 to 2019
2.1.2 混合浪有效波高
由2010—2019年大连近海混合浪平均有效波高分布可知(图4)，与海表面10 m风速分布相似，混合浪有效波高也呈明显的东强西弱分布，黄海海域整体有效波高大于渤海及渤海海峡，有效波高最大值出现在黄海中部，其范围为1.0～1.1 m。渤海和渤海海峡比较相近，有效波高最大值范围为0.7～0.8 m。可见大连近海的有效波高受风场影响明显，与以往研究一致[30]。
等值线及填色为混合浪有效波高图4 2010—2019年大连近海混合浪平均有效波高分布Fig.4 Mean effective wave height distribution of mixed waves in Dalian offshore from 2010 to 2019
由2010—2019年大连近海的季节平均混合浪有效波高分布可知(图5)，四个季节的有效波高大值中心均出现在黄海中部海域，有效波高最大值分别为1.4 m、0.9 m、0.8 m和1.0 m。除此之外，渤海海域中部四个季节同样也均有一个有效波高大值中心，其数值比黄海中部偏小，有效波高最大值分别为1.0 m、0.7 m、0.5 m和0.9 m。与海表面10 m风速季节变化一致，大连近海各海域在冬季有效波高达到最大值，然后逐渐减小，在夏季达到最小值后再逐渐增大，黄海海域的有效波高季节变化最明显，其他海域变化幅度稍弱。
等值线及填色为混合浪有效波高图5 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大连近海季节平均混合浪有效波高分布Fig.5 Seasonal average effective wave height distribution of mixed wave in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d) from 2010 to 2019 in Dalian offshore
2.1.3 混合浪平均周期
由2010—2019年大连近海平均混合浪周期分布可知(图6)，黄海海域平均周期比渤海和渤海海峡大，平均周期大值中心位于黄海中部海域，其范围为4.8～5.0 s，与风场及有效波高场相一致，整体呈东强西弱分布，但混合浪平均周期季节变化(图7)与风场及有效波高场存在差异。混合浪平均周期各季呈东强西弱分布，四个季节的平均周期大值中心均出现在黄海中部海域，平均周期最大值范围分别为4.8～5.0 s、4.4～4.6 s、5.2～5.4 s和4.6～4.8 s。春、秋季的平均周期分布与10 a平均分布一致，表明相对于年平均，冬、春、秋季变化较小，夏季变化较大[8]。夏季平均周期分布的变化具体表现为，大连近海全年平均周期最大值出现在夏季的黄海中部，而平均周期的最小值出现在夏季的渤海海域，其最小值范围为3.0～3.2 s。以往研究表明并非波高越大，平均周期越大[31]，由本文可知，大连近海夏季黄海海域以涌浪为主，而涌浪相对于风浪具有周期更长的特点[32]，这些可能是夏季大连近海东西两侧平均周期差距明显的原因。
等值线及填色为混合浪平均周期图6 2010—2019年大连近海混合浪平均周期分布Fig.6 Mean period distribution of mixed waves in Dalian offshore from 2010 to 2019
等值线及填色为混合浪平均周期图7 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大连近海季节平均混合浪周期分布Fig.7 Seasonal average period distribution of mixed waves in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d) from 2010 to 2019 in Dalian offshore
2.2 大连近海风浪及涌浪特征
海浪按成因可以分为风浪、涌浪及混合浪3种。风浪指由本地风产生的，且持续处于风作用下的海面波动状态。涌浪指由海面上其他海区传来的或本地风力迅速减小、平息，或风向改变后海面上的波动[8]。由于资料获取手段不同，以往研究多将风浪和涌浪分离成独立的海浪[11,14]，但实际上两者往往是同时存在的[33]。
由2010—2019年大连近海混合浪、风浪、涌浪有效波高及海表面10 m风速的月际变化可知(图8)，大连近海混合浪、风浪、涌浪有效波高及海表面10 m风速基本均呈U型月际变化特征。大连近海3—9月涌浪在混合浪中的占比较大；
春夏季由于海区相对封闭，大连近海的季风不明显，海表面10 m风速基本低于4 m·s-1，风浪在混合浪中的占比相对小；
10月至翌年2月秋、冬两季在冷空气影响下，海表面10 m风速迅速增大，风浪在混合浪中的占比大于涌浪。
图8 2010—2019年大连近海混合浪、风浪、涌浪有效波高及海表面10 m风速月际变化Fig.8 Monthly variation characteristics of effective wave height of the mixed wave,wind wave,swell,and wind speed at 10 m in Dalian offshore from 2010 to 2019
2010—2019年大连近海各海区涌浪指数的季节分布及统计见图9和表1。由图9可知，大连近海各海区的涌浪指数均较高，4个海区的年平均涌浪指数均为64%以上，表明大连近海海浪中以涌浪为主，尤其是夏季，整个大连近海均为涌浪占主导，高值中心的涌浪指数达85%以上，出现在黄海北部及黄海中部。由于地形原因，夏季大连近海季风不明显，风浪的影响较小，大连近海各海域夏季海浪主要为宽阔海区传来或本地风力迅速减小、平息，及风向改变后海面上留下来的波动。
大连近海存在2个涌浪指数低值区，一个是冬季的大连近海几乎整个区域，受冷空气影响，大连近海涌浪指数为52.9%，低值中心在黄海北部，指数可达45.0%以下；
另一个是秋季的渤海北部，低值中心的涌浪指数可达50.0%以下。从图9涌浪指数低值区与图3海表面10 m风场大值区的对比可知，二者秋、冬季的空间分布较相似，表明受冷空气影响，秋、冬季大连近海涌浪的主导作用减弱，有效波高受风场影响显著，与前文结论一致。以往研究表明[13]，大连近海风场对海浪场的影响，主要基于贝加尔湖以东南下的反气旋式偏北扰动大风(或气旋式偏南扰动大风)和中国东部平原入海的气旋式扰动风场(或反气旋式扰动风场)对中国东部海域海浪的扰动。
等值线及填色为涌浪指数图9 2010—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)大连近海季节平均涌浪指数分布Fig.9 Seasonal average swell index distribution in winter (a),spring (b),summer (c),and autumn (d) from 2010 to 2019 in Dalian offshore
表1 2010—2019年大连近海不同区域的季节涌浪指数统计Table 1 Seasonal swell index statistics in different areas of Dalian offshore from 2010 to 2019
大连近海涌浪的有效波高季节差异不明显，大值中心位于黄海中部，自东南向西北渤海方向递减，涌浪的传播过程中，受传播效应和变浅效应影响，黄海开阔海域的涌浪比渤海及渤海海峡等狭窄的区域高[8]，表明地形对大连近海涌浪分布的影响显著。
(1)2010—2019年大连近海平均混合浪有效波高与海表面10 m风速分布一致，均呈明显的东强西弱特征，混合浪有效波高场受风场影响显著。大连近海混合浪有效波高与海表面10 m风速呈明显的季节变化，冬季最大、夏季最小，秋季的渤海北部存在大值中心。
(2)大连近海混合浪平均周期也呈东强西弱的分布特征。与风场及有效波高场不同，平均周期最大值出现在夏季的黄海中部海域，而最小值出现在夏季的渤海海域。夏季大连近海的东西两侧平均周期差距十分明显。
(3)大连近海混合浪、风浪、涌浪有效波高及海表面10 m风速基本均呈U型月际变化特征。3—9月涌浪在混合浪中的占比大于风浪，受冷空气影响，10月至翌年2月风浪在混合浪中的占比大于涌浪。
(4)大连近海各海域春、夏季的混合浪以涌浪为主，而冬季各海域以及秋季的渤海北部，受冷空气影响，以风浪为主。大连近海的风浪受海表风场扰动明显，涌浪则受地形作用影响显著。
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