过瑞康，邓夕贵，范骏，李运钦，陶爱峰*

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

0 引言

西非指东起乍得湖，西至大西洋，南濒几内亚湾，北临撒哈拉沙漠的非洲西部地区，包含毛里塔尼亚、塞内加尔、佛得角、利比里亚、尼日利亚等16个国家和地区[1-2]，如图1 所示。

图1 西非区域示意图Fig.1 Map of West Africa region

西非海域的海岸线长达2 278 km，随着西非地区的不断发展，西非海域对于西非地区的政治、经济意义不断凸显。一方面，西非国家与世界经济的联系不断加强，其对外主要贸易国为欧盟、中国、美国，而海运为主要的贸易方式，对于码头、防波堤等基础设施建设有着较高的要求；另一方面，西非海域成为世界油气资源开发的三大热点区域之一，特别是在深水油气勘探开发领域不断有新的发现[3]，因为其巨大的发展潜力，海上石油平台等海洋结构物的建设力度也不断加大。

海上石油钻井平台等海上浮式结构物，以及码头防波堤等陆上建筑物都受到来自海浪的影响[4]，研究波浪的分布特征对海上航行、海洋资源开发利用、防止和减少海浪灾害都具有重要的意义。西非紧邻大西洋，当地风引起的风浪较弱，来自北大西洋和南大西洋的涌浪较为强烈[5]。国内外很多学者对西非海域的波浪进行了研究。Allersma等[5]对科特迪瓦和利比里亚附近海域的波浪进行统计分析后发现，当地风产生的风浪最大波高在1.25 m 以下，而涌浪最大波高可达3 m 以上。Olaniyan等[6]研究海洋气象站的数据发现，大潮高潮位时的涌浪高度超过2.5 m。Forristall 等[7]通过实测和后报数据发现西非涌浪的能量趋近于正态分布。Akinsanya 等[8]发现可以用三参数威布尔模型较为准确地预测西非涌浪的波高等参数。Nerzic 等[9]结合3 a 的实测数据，给出了西非局部地区风、浪、流的联合分布关系。可以看到，前人对于西非海域的波浪和风、浪、流之间的关系已经有了较为深入的研究，但是由于缺少长时间的连续观测和后报数据，对更长时间，更大尺度的研究分析很少。

本文使用ERA-5 数据集对西非地区的风浪、涌浪以及混合浪的时空变化进行研究。ERA-5 是欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather forecasts，ECMWF）发布的第五代全球气象再分析数据，其数据覆盖时间从1950年至今，前代的数据集有ERA-Interim、ERA-40、ERA-15 等。ERA-5 数据集及其前代产品都得到了国内外学者的认可和广泛运用。李荣波等[10]通过ERA-40 资料采用MK 突变检验方法计算1957—2002年南海海表风速、波高的空间分布特征与长期变化趋势，发现南海风速场和海浪场在该年段间存在下降的趋势。Wu 等[11]利用ERAInterim 与ERA-40 的波浪数据结合美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）发布的20 世纪再分析资料（20CR）构建了1911—2010年间中国海域海平面压力和波高（Hs-SLP）多元回归模型，较好地再现了南海区域最大和平均有效波高的季节变化。全球范围内，Semedo 等[12]结合ERA-40、ERAInterim等数据计算出全球风浪、涌浪场能量的季节空间分布，发现全球波浪场以涌浪为主导。庄晓宵等[13]通过采用ERA-Interim 数据集对全球海表风场与波高等进行统计分析，给出了涌浪及风浪的分布特征。前人的研究都证明ERA-5 数据集可靠性强，适用范围广。本文选用ERA-5 相关参数，对西非海域波浪的空间变化、季节变化、危险性等进行研究，从而加强对其变化规律的认识。

1 ERA-5 数据集与研究范围

1.1 ERA-5 数据集

本文采用ECMWF 发布的第五代全球气象再分析数据ERA-5 数据集。ERA-5 数据集基于欧洲发布的IFS Cycle 41r2 系统模拟得到，并使用4维变量资料同化系统（4D-Var）整合了大量卫星高度计、浮标等观测数据以及海浪模式数据[14]。本文选用数据覆盖时间为1979年1 月—2020年12月，时间间隔为1 h，海洋再分析数据水平分辨率为0.5°×0.5°，具有时间和空间上的连续性。选用的数据有混合浪有效波高（SWH），涌浪有效波高（SHTS），风浪有效波高（SHWW），混合浪平均周期（MWP），涌浪平均周期（MPTS），风浪平均周期（MPWW）。

1.2 研究范围

研究区域范围为30°W—20°E，25°N—30°S，以保证该范围能够充分涵盖整个西非海域。

西非地区是典型的热带型气候，全年高温，分为旱雨两季，旱季为10 月—翌年3 月，雨季为4—9 月[15]，当地风在西非地区产生的风浪较小。在旱季，南大西洋40°S—60°S 之间的风暴产生的涌浪从南部向西南方向进入西非海域。在雨季，能观察到来自北大西洋的西北涌浪[16-17]。

2 西非海域海浪的时空分布特征

2.1 波高的空间分布

将42 a 的混合浪、涌浪和风浪的波高逐时数据进行平均得到了其平均有效波高的空间分布，结果如图2 所示。

图2 1979—2020年混合浪、涌浪和风浪平均有效波高的空间分布Fig.2 Spatial distribution of average significant wave height of combined wave,swell and wind wave from 1979 to 2020

涌浪有效波高由近岸向离岸处逐渐变大。其最大值为2.19 m，位于西非海域的东南部。之前的研究表明受到北半球冬季风暴的影响，涌浪从北大西洋传入西非海域，南大西洋风暴产生的涌浪从南部传入西非海域[11]。赤道以北，风浪波高由南向北逐渐增大；赤道以南，风浪波高由南向北先增大后减小，在毛里塔尼亚海域北部达到最大值1.19 m。混合浪是风浪和涌浪的相互作用。从混合浪的有效波高的空间分布中观察到，它与涌浪具有非常相似的变化规律，混合浪的有效波高由近岸向离岸、低纬度向高纬度逐渐增加，其最大值位于西非海域东南部，达到2.50 m。而在毛里塔尼亚海域附近风浪较为强烈，涌浪和风浪的共同作用下，西非海域西北部也出现了2 m 以上波高的混合浪。

按照旱季（10 月—翌年3 月）和雨季（4—9月）的划分，分别对42 a 的数据进行平均，得到旱季和雨季的混合浪、涌浪和风浪平均波高。

旱季涌浪的波高整体呈现从低纬度向高纬度不断增大的趋势。最大有效波高位于在毛里塔尼亚和塞内加尔海域的北部，为2.34 m。在雨季，涌浪波高呈现由北向南不断增大的趋势，在西非海域东南部达到最大值2.63 m，旱季风浪最大有效波高位于研究区域南部，为1.53 m。由于来自萨赫勒地区的东北季候风影响研究区域北部也会出现波高1 m 以上的波浪。在雨季，由于南大西洋的西南季风，西非海域南侧和北侧均有较大的风浪，波高超过1 m。风浪最大波高出现在毛里塔尼亚和塞内加尔海域的北部，为1.39 m。混合浪有效波高的季节空间分布与涌浪波的非常相似。在旱季，研究区域的混合浪波高从低纬度向高纬度呈现不断增大趋势，最大有效波高值2.58 m；在雨季，混合浪波高由北向南不断增大，最大值为2.63 m。

2.2 波周期的空间分布

将42 a 的混合浪、涌浪和风浪的周期逐时数据进行平均得到了其周期的空间分布，结果如图3 所示。

图3 1979—2020年混合浪、涌浪和风浪波平均周期的空间分布Fig.3 Spatial distribution of average period of combined wave,swell and wind wave from 1979 to 2020

从周期均值的空间分布来看，涌浪周期从西非海域中部向四周不断增大。涌浪周期的范围是3.5～10.5 s，最大值位于西非海域南部。风浪周期在赤道以北由南向北不断增大，而在赤道以南由南向北先增大后减小。风浪周期的范围是2.5～4.3 s，其中最大值位于西非海域东南部。混合浪周期受到涌浪周期和混合浪周期的共同影响，在西非海域中部向东侧和南侧呈现逐渐增大的趋势，而向西侧变化较小，向北侧呈现先增大后减小的趋势。混合浪周期的范围是3.1～9.8 s，其中最大值位于西非海域东部。

分别对42 a 的数据按照旱雨季进行平均，得到旱季和雨季的混合浪、涌浪和风浪平均周期空间分布。

旱季涌浪周期呈现从中部向四周不断增大的趋势，范围为3.3～10.8 s，最大值位于毛里塔尼亚附近海域。雨季涌浪周期呈现西北向东南不断增大的趋势，范围为3.1～11.2 s，最大值位于西非海域东南部。旱季时的风浪周期从中部向周围不断增大后再不断减小，周期范围为2.3～4.9 s，最大值位于西非海域的东南部，而北部毛里塔尼亚附近海域的波周期也能达到4 s 以上。雨季风浪周期范围为2.3～4.8 s，最大值位于毛里塔尼亚附近海域，而西非海域西部和东南部都出现周期大于4 s 的波浪。旱季混合浪的波周期呈现从中部向四周不断增大的趋势，波周期范围在3.0～10.1 s，最大值位于西非海域东部塞拉利昂、利比里亚附近海域。雨季混合浪的波周期从西北向东南方向呈现不断增大的趋势，波周期范围在2.8～11.0 s，最大值位于尼日利亚南部海域。

根据游客中心感知价值层次模型发现，由成本价值产生的游客感知价值链均呈负向影响。其中 “服务设施价值-成本结果-人际交流”“服务质量价值-成本结果-人际交流”“服务设施价值-成本结果-成就感”“服务质量价值-成本结果-成就感”的关联度较强，即游客中心的员工服务质量与服务设施直接影响游客对于成本的价值感知，游客的成本感知由时间成本、精力与经济成本3个维度构成，其中经济成本价值感知仅为3.72。

2.3 涌浪、混合浪的月度变化

由于西非海域多由涌浪主导，将15个点位42 a 的混合浪、涌浪有效波高按月平均后对比发现，混合浪以及涌浪有效波高有3 种具有代表性月度变化，点位选取见图4。点1—点3 处的混合浪和涌浪有效波高42 a 的月度变化见图5。

图4 涌浪、混合浪月度变化研究的点位选取示意图Fig.4 Point selection diagram of monthly variation study of swell and combined wave

图5 西非海域代表性的3 种涌浪、混合浪有效波高月度变化曲线Fig.5 Monthly variation curves of significant wave heights of three typical kinds of swell and combined waves in West African

在点1（0°，25°W）为代表的西非海域西部受到北大西洋和南大西洋的涌浪共同作用，混合浪和涌浪没有明显的月度变化，为无峰值型，其最大值位于10—12 月的旱季。点2（15°N，20°W）为代表的西非海域西北部地区（尤其是佛得角和塞内加尔附近的海域）受到北大西洋涌浪的影响，混合浪和涌浪有效波高有着较为明显的月度变化，呈现倒Ω 形，其最小值出现在雨季的6—9 月，最大值出现在旱季的12 月—翌年2 月。点3（10°S，10°E）为代表的大部分（在15个研究点中占半数以上）西非南部海域，主要受到南大西洋咆哮风带传出的涌浪影响。其混合浪和涌浪的月度变化呈现Ω 形，最大值出现在雨季的6—8 月，最小值出现在旱季的12 月—翌年1 月。

2.4 危险性分布

本文所用波浪灾害性评估方法参考了国家海洋局2016年颁布的《海浪灾害风险评估与区划技术导则》中规定的方法和2019年世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）颁布的技术规范手册[18]中对于海浪波高和周期的分级。基于波高和周期划分格点处海浪强度等级，如表1 所示。

表1 波浪强度划分Table 1 Classification of wave intensity

分别计算基于波高和周期的波浪灾害危险指标Hw和Tw计算方法如下[19]：

式中：N1、N2、N3、N4为各等级波高波浪出现次数；N5、N6、N7、N8为各等级周期波浪出现次数。计算波浪灾害危险指标Hw和Tw后，对其进行线性归一化处理。计算公式为：

式中：Hwn和Twn为归一化处理后的波浪灾害危险指数，其取值范围在0～1 之间，取值越大，代表该海域发生波浪灾害的危险性更大。考虑到波高和周期的共同影响，海域海浪危险指数计算公式如下：

式中：ω1和ω1为权重系数，ω1+ω2=1，取ω1=ω2=0.5[20-21]。

根据D 的大小，可以将波浪灾害划分成4个危险等级，划分标准如表2 所示，危险指数计算结果如图6 所示。

表2 海浪灾害危险等级划分Table 2 Classification of wave hazard grade

图6 波浪危险指数分布Fig.6 Wave hazard index distribution

16°S 以南区域波浪危险性多为Ⅰ和Ⅱ级。10°S—16°S 范围之内区域和17°N 以北区域、以及塞拉利昂、利比里亚西部海域波浪危险性为Ⅱ级。17°N—10°S 范围内风浪危险性为Ⅲ、Ⅳ级。整体上来看，波浪危险性从西非中部近岸区域向离岸，低纬度向高纬度逐渐增加，而危险性最大的区域位于西非海域东南部。

3 结语

本文使用ERA-5 数据集中1979—2020年42 a 的逐时数据，对西非海域各波浪要素的空间分布、季节分布和典型的月度分布进行分析，并计算了波高重现期和危险性。结果表明：

1）空间分布上，西非海域的涌浪、混合浪有效波高由东部近岸向离岸处、低纬度向高纬度不断增大。混合浪以及涌浪的周期由中部区域向四周不断增大。风浪波高和周期在赤道以北，由南向北逐渐增大；赤道以南，由南向北先增大后减小。西非海域的涌浪及混合浪有明显的季节性差异：旱季，涌浪和混合浪的波高、周期由中部区域向周围不断增大；雨季，涌浪和混合浪的波高、周期由北向南不断增大。

2）涌浪和混合浪有效波高的月度分布主要呈现3 种特征，分别为月度变化较小的无峰值型以及月度变化明显的Ω 形和倒Ω 形。其中Ω 形的波高月度分布最为广泛，分布于西非海域南部，变化特征为最大值出现在雨季的6—8 月，最小值出现在旱季的12 月—翌年1 月。倒Ω 形的波高月度变化曲线常见于西非海域西北部，变化特征最小值出现在雨季的6—9 月，最大值出现在旱季的12 月—翌年2 月。而无峰值型的波高月度变化曲线出现在西非海域西部。

3）波浪危险性从西非中部近岸区域向离岸、低纬度向高纬度逐渐增加，西非海域南部（16°S 以南）危险性最高，北部的塞拉利昂、利比里亚附近海域以及佛得角北部海域的危险性次之，其余地区波浪危险性都较低。