趙紅軍，王俊達(dá)，孔俊，陳國平

( 1. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

1 引言

北部灣是“海上絲路”的主要海灣，是中國西南地區(qū)的出海門戶，位于南海西北部，東臨雷州半島和海南島，北靠廣西，西依越南，戰(zhàn)略位置重要，漁業(yè)和油氣資源豐富。波浪不僅是影響海洋運(yùn)輸、漁業(yè)捕撈、油氣開采等各種海上活動作業(yè)安全的主要因素，也是誘發(fā)海岸和海洋災(zāi)害、威脅工程結(jié)構(gòu)安全的重要動力因子，傳播至近岸的波浪還會誘導(dǎo)近岸環(huán)流，影響海岸泥沙運(yùn)動和塑造海岸地貌形態(tài)[1]。為保障北部灣各類海上活動和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，需要對灣內(nèi)海浪的時空分布和影響因素開展深入研究。

長時間連續(xù)的海浪參數(shù)（如波高、波周期、波向等）是進(jìn)行海浪時空分布研究的基礎(chǔ)，由于現(xiàn)場觀測資料和衛(wèi)星遙感資料的時長和時空分辨率有限，數(shù)值模擬成為了獲取海浪參數(shù)的重要手段。目前常用于海浪模擬的數(shù)值模型主要有WAM[2]、WWⅢ[3]、SWAN[4]等。不同于WAM和WWⅢ更適用于深水洋區(qū)，SWAN由于合理計(jì)及了淺水域中的各種能量源項(xiàng)，尤其適用于近岸，并且因?yàn)樨S富了深水能量源項(xiàng)和引入了高階計(jì)算格式，還可在大洋尺度應(yīng)用[5]。在海浪模擬中，海面風(fēng)是驅(qū)動海浪模型開展數(shù)值模擬的關(guān)鍵，因?yàn)轱L(fēng)不僅控制著局地風(fēng)能輸入，風(fēng)浪還會傳離風(fēng)區(qū)影響遠(yuǎn)域，所以海浪的模擬效果在很大程度上依賴于風(fēng)場。目前常用于全球/區(qū)域海洋波浪后報(bào)的再分析風(fēng)資料有CFSR[6]、CFSV2[7]、ERA-Interim[8]等，其中，CFSR[6]由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）發(fā)布，資料時限為1979-2011年，時間分辨率為1 h，空間分辨率約為0.3°；作為CFSR的升級延續(xù)，CFSV2[7]再分析數(shù)據(jù)始自2011年，空間分辨率約為0.2°；ERA-Interim[8]由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）發(fā)布，時限為1979-2019年，時間分辨率為3 h，空間分辨率約為0.7°。文獻(xiàn)[9]使用衛(wèi)星和浮標(biāo)資料評估了CFSR和ERA-Interim的風(fēng)速質(zhì)量，盡管兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的誤差水平相當(dāng)，但CFSR風(fēng)場對海浪的模擬效果卻略優(yōu)于ERA-Interim。文獻(xiàn)[10]利用多個海洋浮標(biāo)站測風(fēng)資料對CFSV2和ERA-Interim風(fēng)場在中國沿海的適用性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，二者風(fēng)向誤差相差不大，但CFSV2的風(fēng)速誤差卻略小于ERAInterim。利用CFSR/CFSV2風(fēng)場驅(qū)動海浪模型，文獻(xiàn)[11-12]分別對全球和中國近海開展了長時間連續(xù)海浪過程的數(shù)值后報(bào)，取得了良好的模擬效果。

近年來為順應(yīng)波候、極值波浪要素、波浪能評估等的需要，已有研究針對中國沿海[12]、黃海和渤海[13-14]、東海[15]、南海[16-17]、北部灣[18]等海域的多年海浪過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。其中，文獻(xiàn)[16-17]在模擬南海海浪時，盡管模擬范圍覆蓋了北部灣，但模型的空間分辨率相對較低，這對北部灣海浪模擬效果有何影響未有定量評估。文獻(xiàn)[18]利用SWAN和ERAInterim風(fēng)場針對北部灣多年海浪進(jìn)行了后報(bào)，但模擬時未考慮南海傳入北部灣的海浪。利用ERA-Interim波浪資料，文獻(xiàn)[19-20]分別分析了南海和北部灣海域有效波高的年、季變化特點(diǎn)，基礎(chǔ)資料的空間分辨率同樣存在相對較低的不足。北部灣夏季6-8月盛行西南季風(fēng)，并有臺風(fēng)影響；冬季11月至翌年2月盛行東北季風(fēng)，穩(wěn)定少變；3-5月和9-10月分別是冬夏和夏冬季風(fēng)轉(zhuǎn)換期。在季風(fēng)控制下，灣內(nèi)海浪的強(qiáng)度和方向均具有顯著的季節(jié)變化[18,20-21]。北部灣與南海相連，南海傳入浪亦會影響海灣的波浪場[20]。作為驅(qū)動因素，關(guān)于局地風(fēng)和南海傳入浪對北部灣波浪的影響缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。為此，本文針對北部灣，利用CFSV2風(fēng)場驅(qū)動SWAN模型，對整年海浪過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用效果、評估空間網(wǎng)格尺度對模擬結(jié)果影響的同時，還分析了北部灣波浪的季節(jié)變化特點(diǎn)，討論了局地風(fēng)和傳入浪的驅(qū)動貢獻(xiàn)。

2 數(shù)值模型

2.1 SWAN模型

SWAN是荷蘭Delft理工大學(xué)基于波作用量守恒方程開發(fā)的第三代海浪數(shù)值模型[4]，該模型采用隱式格式離散控制方程，較WAM和WWⅢ，更為全面地考慮了淺水波浪的傳播變形過程。在球坐標(biāo)系下模型的控制方程可表達(dá)為

式中，N為波作用量密度；Cλ和Cφ分別為波浪在地理空間（緯度空間λ和經(jīng)度空間φ）的傳播速度；Cσ和Cθ分別為波浪在譜空間（頻率空間σ和方向空間θ）的傳播速度；S為源函數(shù)項(xiàng)，可表示為

式中，Sin為風(fēng)能輸入項(xiàng)；Sds為能量耗散項(xiàng)，包括白浪破碎耗散、海底摩擦耗散、植被耗散、水深誘導(dǎo)的波浪破碎耗散等；Snl為非線性波波相互作用項(xiàng)，包括深水四波相互作用和淺水三波相互作用。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

北部灣地處南海西北部，北面和西面被廣西和越南包圍，東面被雷州半島和海南島掩護(hù)，并通過瓊州海峽與南海相連。為反映北部灣水陸形勢變化，同時兼顧計(jì)算效率，采用南海波浪模型和北部灣波浪模型嵌套計(jì)算的方案。兩個模型均采用球坐標(biāo)系，其中：南海模型范圍為4°S～26°N，99°～129°E，向北包括臺灣島，南抵加里曼丹島，向東涵蓋呂宋海峽（圖1a），空間分辨率為12′×12′；北部灣模型范圍為17°～22°N，105.5°～112.5°E，包括海南島、雷州半島和粵西沿海（圖1b），空間分辨率為2′×2′；數(shù)值模型的水深由NOAA國家地球物理數(shù)據(jù)中心（NGDC）開發(fā)的ETOPO1全球地形數(shù)據(jù)生成，空間分辨率為1′×1′。在二維波譜空間上，頻率的模擬范圍為0.033～1.0 Hz，以對數(shù)分布劃分為30個；方向分辨率為10°，均勻劃分為36個。

模型驅(qū)動風(fēng)場由NOAA NCEP 開發(fā)的CFSV2海面10 m風(fēng)速數(shù)據(jù)[7]提供，資料的空間分辨率為0.205°×0.205°，時間分辨率為1 h。在入射波浪邊界條件的設(shè)置上：鑒于南海被系列島嶼環(huán)抱而相對封閉，所以南海波浪的模擬不考慮西北太平洋傳入浪的影響；北部灣模型的入射波邊界以二維波譜的方式由南海模型逐時提供。在海浪模擬的物理機(jī)制上：風(fēng)能輸入考慮線性增長和指數(shù)增長兩部分，其中線性增長采用Caraler和Malanotte-Rizzoli[22]公式；指數(shù)成長采用Komen等[23]的表達(dá)式；白浪損耗采用Komen等[23]的研究成果；四波非線性相互作用采用Hasselmann等[24]離散迭代近似模型；模型可調(diào)參數(shù)取默認(rèn)值[25]；海底摩阻損耗采用Collins[26]公式，海底摩阻因數(shù)取0.01；不考慮水流作用和水位變化對波浪傳播變形的影響，已有研究顯示：在北部灣，波流相互作用引起的有效波高變化不超過30%[27]。文中的模擬還改變了對北部灣模型驅(qū)動風(fēng)場和入射邊界條件的設(shè)置，設(shè)計(jì)了不同的模擬工況，以辨析局地風(fēng)和南海傳入浪對北部灣波浪場的影響。

圖1 南海波浪模型（a）和北部灣波浪模型（b）的模擬范圍Fig. 1 Simulation range of the South China Sea wave model (a) and the Beibu Gulf wave model (b)

模型模擬的時間范圍為2011年8月至2012年7月；考慮到單機(jī)計(jì)算的時耗，模擬采用冷啟動的方式逐月開展，各月均向前模擬5 d，以消除冷啟動對模擬結(jié)果的影響。模型輸出變量包括有效波高Hs、平均波周期Tm、譜峰波周期Tp和平均波向Dir，輸出變量的時間分辨率為1 h，空間分辨率與模型計(jì)算網(wǎng)格一致。

3 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

3.1 基于Jason-2衛(wèi)星有效波高數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

為評估模型在深水域的模擬效果，并檢驗(yàn)?zāi)虾ＤＰ蜑楸辈繛衬Ｐ吞峁┤肷洳ㄟ吔绲暮侠硇?，收集了Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)的有效波高數(shù)據(jù)。在2011年8月至2012年7月，Jason-2衛(wèi)星在南海北部海域（12°～23°N，105°～123°E）共有592條軌道數(shù)據(jù)生成，軌道路徑見圖1a。鑒于在衛(wèi)星升軌道和降軌道的交叉點(diǎn)上，觀測數(shù)據(jù)具有更高的時間分辨率（年內(nèi)的時序數(shù)據(jù)約為70個），同時考慮到分區(qū)域檢驗(yàn)的需要，選取軌道交叉點(diǎn)A1-A4、B1-B4和C1-C4（圖1a）的有效波高時間系列數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬效果的評估。圖2給出了交叉點(diǎn)有效波高模型模擬值與衛(wèi)星觀測值的散點(diǎn)分布；表1對模擬值和觀測值進(jìn)行了定量比較，包括平均誤差（MB）、均方根誤差（RMSB）和分散系數(shù)（SI），計(jì)算公式分別為

式中，Si和Oi分別代表模擬值和觀測值；N是樣本數(shù)。

圖2 有效波高模擬值Hs_mod與Jason-2衛(wèi)星觀測值Hs_Ja2的散點(diǎn)分布Fig. 2 Scatter diagrams for the results of significant wave height between model simulations Hs_modand Jason-2 satellite observations Hs_Ja2

總體上看，有效波高模擬值較衛(wèi)星觀測值略低，尤其是在平常期有效波高小于2 m時更為明顯（圖2a至圖2c）；在21°N附近C系列點(diǎn)，模擬值較衛(wèi)星數(shù)據(jù)的平均誤差在-0.09～0.01 m，優(yōu)于13°N附近的A系列點(diǎn)（平均誤差為-0.26～-0.11 m），B系列點(diǎn)的平均誤差值介于A系列點(diǎn)和C系列點(diǎn)之間。文獻(xiàn)[12, 17]在利用海洋站/浮標(biāo)觀測資料檢驗(yàn)各自模型的模擬效果時，亦存在有效波高模擬結(jié)果偏小的現(xiàn)象。有效波高模擬值較衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)偏小可能與CFSV2風(fēng)速在中國沿海偏弱有關(guān)，文獻(xiàn)[10]評估顯示，CFSV2風(fēng)速值略小于沿海浮標(biāo)觀測值，二者平均誤差為-0.55 m/s。此外，從模擬結(jié)果較衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分散程度上看，除C1點(diǎn)因地處近岸，波浪傳播變形的影響因素多而致使分散系數(shù)（0.35）相對較大外，其他深水點(diǎn)的分散系數(shù)多為0.2左右；尤其是位于北部灣模型入射邊界附近的B1點(diǎn)和B2點(diǎn)，有效波高模擬值的平均誤差、均方根誤差和分散系數(shù)分別約為-0.1 m、0.3 m和0.2，這說明了北部灣海浪模型入射波浪邊界的合理性。

3.2 基于近岸浮標(biāo)整年波浪觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

2011年8月至2012年7月，在廣西白龍半島南部約3 km的近岸投放了波浪浮標(biāo)，進(jìn)行了歷時1年的逐時波浪觀測，觀測點(diǎn)BL的地理位置見圖1b，水深變化在10～13 m，資料完整率為99.9%。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯恫ɡ说哪M效果，圖3a至圖3c分別對觀測點(diǎn)處有效波高、平均波周期和平均波向（按來向自正北順時起算）的逐時模擬值與觀測值進(jìn)行了過程比較；表2對模型模擬值較浮標(biāo)觀測值進(jìn)行了詳細(xì)的誤差統(tǒng)計(jì)分析，包括平均值、最大值、平均誤差、均方根誤差和分散系數(shù)，表中統(tǒng)計(jì)按風(fēng)期進(jìn)行：夏季風(fēng)期為6-8月、夏冬轉(zhuǎn)換季為9-10月、冬季風(fēng)期為11月至翌年2月、冬夏轉(zhuǎn)換季為3-5月。

白龍浮標(biāo)地處北部灣頂白龍尾南部近岸，夏季西南季風(fēng)控制下盛行S向浪，冬季東北季風(fēng)影響下優(yōu)勢浪為E-ENE向（圖3c），盡管夏季風(fēng)的強(qiáng)度不及冬季風(fēng)的，但因?yàn)橛^測站南面北部灣開敞，對岸風(fēng)區(qū)長，所以夏季浪的有效波高（圖3a）和平均波周期（圖3b）明顯強(qiáng)于冬季，浮標(biāo)觀測資料和數(shù)值模擬結(jié)果一致地反映了上述季節(jié)變化。據(jù)表2統(tǒng)計(jì)可知：（1）對平均波周期的模擬效果略優(yōu)于有效波高，平均波周期的分散系數(shù)為0.18～0.31，有效波高的分散系數(shù)在0.37～0.44；（2）對季風(fēng)期海浪的模擬效果略優(yōu)于季風(fēng)轉(zhuǎn)換期，其中冬季風(fēng)期和夏季風(fēng)期大體相當(dāng)，優(yōu)于冬夏季風(fēng)和夏冬季風(fēng)轉(zhuǎn)化期，有效波高和平均波周期的分散系數(shù)在季風(fēng)期為0.19～0.37，在季風(fēng)轉(zhuǎn)換期為0.18～0.44；（3）對冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的模擬效果為最差（有效波高和平均波周期的分散系數(shù)分別為0.43和0.31），模擬值較實(shí)測值略偏大（平均誤差分別為0.04 m和0.42 s），平均波向的模擬誤差亦為全年最大（均方根誤差為32°），這可能與驅(qū)動風(fēng)場在冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的風(fēng)向誤差大有關(guān)，文獻(xiàn)[10]研究顯示，在中國沿海CFSV2風(fēng)向的均方根誤差在4-5月為全年最大（約50°）；（4）對極值大浪的模擬略偏小，全年最大波浪由201117號臺風(fēng)“納沙”所致，臺風(fēng)影響期間最大有效波高和對應(yīng)平均波周期的模擬值分別為3.03 m和5.72 s，略小于浮標(biāo)觀測值3.30 m和6.32 s，模擬波向和觀測波向一致，均為SE向，臺風(fēng)大浪的模擬結(jié)果偏小可能是由驅(qū)動風(fēng)場對臺風(fēng)大風(fēng)風(fēng)速低估導(dǎo)致的[28]。

3.3 空間分辨率對模擬結(jié)果的影響

已有研究[16-18,20]針對北部灣海浪進(jìn)行的模擬后報(bào)和統(tǒng)計(jì)分析多基于0.1°～0.2°的空間網(wǎng)格分辨率進(jìn)行，為評估空間網(wǎng)格分辨率對北部灣海浪模擬結(jié)果的影響，我們將南海模型模擬值（Si）和北部灣模型模擬值（Bi）進(jìn)行了比較，計(jì)算了前者較后者的均方根偏差（RMSB）和平均相對偏差（MRAB），MRAB計(jì)算公式為

圖3 近岸浮標(biāo)BL站點(diǎn)有效波高Hs（a）、平均波周期Tm（b）和平均波向Dir（c）的時間變化過程Fig. 3 Time series of significant wave height Hs(a), mean wave period Tm(b) and mean wave direction Dir(c)at the nearshore buoy Point BL

表2 近岸浮標(biāo)BL站點(diǎn)有效波高Hs、平均波周期Tm和平均波向Dir模擬值較觀測值的統(tǒng)計(jì)比較Table 2 Statistics and comparisons for the results of significant wave height Hs, mean wave period Tmand mean wave direction Dirbetween numerical simulations and in-situobservations at the nearshore buoy Point BL

圖4a至圖4f顯示了南海模型相對于北部灣模型有效波高模擬值的均方根偏差和平均相對偏差的空間分布和月變化情況。粗網(wǎng)格模型（12′×12′）模擬值較細(xì)網(wǎng)格模型（2′×2′）的偏差在開敞20 m以深水域較小，二者的均方根偏差一般不超過0.1 m，平均相對偏差在10%以下。因難以解譯岸線變化和水下地形分布，粗網(wǎng)格模型的偏差向岸逐漸明顯，平均相對偏差普遍在20%以上，局部如北部灣頂淺水域、瓊州海峽等的平均相對偏差甚至高達(dá)80%以上。由于盛行風(fēng)向不同，粗網(wǎng)格模型的偏差亦隨季節(jié)而變化，如在北部灣口海南島西南海域和北部灣頂淺水域，東北季風(fēng)期的偏差（圖4b，圖4e）明顯強(qiáng)于西南季風(fēng)期的偏差（圖4a，圖4d），這均與粗網(wǎng)格模型和細(xì)網(wǎng)格模型關(guān)于上風(fēng)向岸線和水下地形解譯差異有關(guān)。由上述比較可知：空間網(wǎng)格分辨率約為0.2°的海浪模型可對北部灣20 m以深開敞海域進(jìn)行有效計(jì)算；細(xì)化模型的空間網(wǎng)格分辨率有助于近岸淺水域和瓊州海峽區(qū)海浪傳播變形的模擬。

圖4 南海模型有效波高模擬值較北部灣模型的均方根偏差（RMSB）（a-c）和平均相對偏差（MRAB）（d-f）的分布Fig. 4 Distributions of RMSB (a-c) and MRAB (d-f) of significant wave height simulated by the South China Sea model compared with the Beibu Gulf model

4 模擬結(jié)果分析

4.1 北部灣海浪的季節(jié)變化

圖5a至圖5l分別給出了南海月平均的有效波高、平均波向、譜峰波周期和風(fēng)速分布，可見在東亞季風(fēng)影響下，南海平常期海浪的強(qiáng)度和方向具有顯著的季節(jié)變化。在11月至翌年2月冬季風(fēng)期，南海盛行東北向浪，12月最強(qiáng)（圖5a），11月次之（圖略）；因?yàn)闁|北季風(fēng)在南海東北部呂宋海峽和臺灣海峽最強(qiáng)，向西南逐漸減弱（圖5i），所以東北向季風(fēng)浪有效波高的空間分布亦總體自東北向西南減弱（圖5a），在呂宋海峽以西、臺灣島西南海域形成強(qiáng)波浪區(qū)，12月的月均有效波高可達(dá)3.6 m以上。在6-8月夏季風(fēng)期，南海盛行偏西南向浪，6月最強(qiáng)（圖5c），有效波高自西南向東北逐漸增加，夏季風(fēng)期同樣在臺灣島西南海域形成強(qiáng)波浪區(qū)，6月的月均有效波高可達(dá)2.0 m以上；由于西南季風(fēng)風(fēng)速（圖5k）弱于東北季風(fēng)風(fēng)速（圖5i），夏季波浪有效波高（圖5c）的強(qiáng)度明顯不及冬季波浪（圖5a）。不同于有效波高，東北向季風(fēng)波浪的譜峰波周期自東北向西南逐漸增大（圖5e），西南季風(fēng)波浪的譜峰波周期自西南向東北逐漸增強(qiáng)（圖5g），這是涌浪傳入下風(fēng)向海域使然。3-5月為冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期，南海盛行浪向由東北轉(zhuǎn)為東南（圖5b）；9-10月為夏冬季風(fēng)轉(zhuǎn)換期，盛行浪向由西南轉(zhuǎn)為東南（圖5d）。

圖6a至圖6h分別給出了北部灣月平均有效波高、平均波向和譜峰波周期的分布。在冬季風(fēng)期，北部灣盛行東北向浪，由于被雷州半島和海南島掩護(hù)，灣內(nèi)風(fēng)速（圖5i）、有效波高（圖6a）和譜峰波周期（圖6e）均明顯不及海南島東部海域；在北部灣內(nèi)，有效波高自東北向西南逐漸增強(qiáng)，譜峰波周期亦自東北向西南逐漸增大，這是灣內(nèi)風(fēng)生波浪主導(dǎo)所致；在北部灣口、海南島西南海域，盡管海南島的遮攔使局地風(fēng)速明顯弱于北部灣中部，但東北向季風(fēng)浪卻以灣口為最強(qiáng)，2.0 m有效波高等值線呈“舌狀”自灣口伸向?yàn)硟?nèi)，這與南海波浪的傳入有關(guān)。在夏季風(fēng)期，北部灣盛行南向波浪（圖6c），波浪的空間分布表現(xiàn)為灣口強(qiáng)于灣內(nèi)、東北強(qiáng)于西南；因?yàn)橄募撅L(fēng)風(fēng)速（圖5k）不及冬季風(fēng)風(fēng)速（圖5i）強(qiáng)盛，所以除灣頂近岸外，夏季波浪有效波高（圖6c）明顯小于冬季波浪有效波高（圖6a），在廣西近岸和雷州半島西岸，水陸形勢的限制使夏季浪的強(qiáng)度強(qiáng)于冬季。在季風(fēng)轉(zhuǎn)換期（圖6b，圖6d），北部灣盛行東南向浪；由于風(fēng)速相對較弱，波浪強(qiáng)度不及季風(fēng)期，且強(qiáng)度的空間分布總體呈現(xiàn)為灣口強(qiáng)于灣內(nèi)、西南強(qiáng)于東北。

圖5 南海各月平均有效波高Hs和平均波向Dir（a-d）、譜峰周期Tp（e-h）以及風(fēng)速Vw（i-l）的分布Fig. 5 Distributions of month averaged significant wave height Hsand mean wave direction Dir(a-d), spectral peak period Tp(e-h) and wind speed Vw(i-l) in the South China Sea

圖6 北部灣各月平均有效波高Hs和平均波向Dir（a-d）以及譜峰周期Tp（e-h）的分布Fig. 6 Distributions of month averaged significant wave height Hsand mean wave direction Dir(a-d), and spectral peak period Tp(e-h)in the Beibu Gulf

4.2 北部灣海浪的驅(qū)動因素分析

局地風(fēng)和南海傳入浪是控制北部灣波浪條件的重要驅(qū)動因素[20]。為辨析二者對北部灣海浪的驅(qū)動貢獻(xiàn)，本節(jié)在北部灣波浪模型試驗(yàn)S0的基礎(chǔ)上開展了兩組對比模擬試驗(yàn)，分別為僅考慮局地風(fēng)作用的試驗(yàn)S1和僅考慮傳入浪影響的試驗(yàn)S2。

圖7a至圖7h分別給出了兩組對比模擬試驗(yàn)所得月平均有效波高的空間分布情況。在局地風(fēng)作用下，北部灣內(nèi)的有效波高在東北季風(fēng)期自東北向西南逐漸增大（圖7a），在西南季風(fēng)期自西南向東北逐漸增強(qiáng)（圖7c），在季風(fēng)轉(zhuǎn)換期自東南向西北增加（圖7b，圖7d）；局地風(fēng)驅(qū)動下的灣內(nèi)波浪強(qiáng)度以東北季風(fēng)期最為強(qiáng)盛。在南海傳入浪影響下，有效波高自灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸減小，其中，北部灣口海南島西南海域以冬季為最強(qiáng)（圖7e），海灣中部和北部海域則在夏季（圖7g）和冬夏轉(zhuǎn)換季（圖7f）略大。

圖7 不同驅(qū)動因素模擬得到的月平均有效波高Hs（a-h）以及有效波高貢獻(xiàn)比RLWD（i-l）和RIWV（m-p）Fig. 7 Distributions of month averaged significant wave height Hs(a-h) and contribution percentage RLWD(i-1) and RIWV(m-p) to Hsby different driving factors

為定量評估不同驅(qū)動因素對北部灣波浪的影響，分別定義局地風(fēng)和傳入浪對有效波高的驅(qū)動貢獻(xiàn)比RLWD和RIWV，公式分別為

式中，Hs_S0、Hs_S1和Hs_S2分別為S0、S1和S2 3組試驗(yàn)下計(jì)算的有效波高值。

圖7i至圖7p分別給出了研究區(qū)域內(nèi)各月平均的RLWD和RIWV分布情況，可見局地風(fēng)和傳入浪對北部灣波浪的驅(qū)動貢獻(xiàn)此消彼長且隨季節(jié)而變。局地風(fēng)對海灣波浪的驅(qū)動貢獻(xiàn)自灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸增加，冬季（圖7i）和夏季（圖7k）強(qiáng)于季風(fēng)轉(zhuǎn)換期（圖7j，圖7l）；傳入浪的驅(qū)動貢獻(xiàn)自灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸減小，季風(fēng)轉(zhuǎn)換期（圖7n，圖7p）強(qiáng)于冬季（圖7m）和夏季（圖7o）。在海南島東部和南部海域，海浪主要受到傳入浪的控制，其對有效波高的驅(qū)動貢獻(xiàn)比在各季均高于80%，明顯強(qiáng)于局地風(fēng)的作用；在海南島西南海域，波浪受到傳入浪和局地風(fēng)的共同控制，空間變化上自東南向西北逐漸由傳入浪的影響占優(yōu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫值仫L(fēng)的作用占優(yōu)；文獻(xiàn)[20]通過對ERA-Interim多年風(fēng)浪后報(bào)資料分析指出，在北部灣灣口，年均有效波高的長期增長趨勢即是受南海傳入浪影響所致。在北部灣中部和北部海域，局地風(fēng)對有效波高的驅(qū)動貢獻(xiàn)比在各季均高于80%，北部高于90%，明顯強(qiáng)于傳入浪的驅(qū)動貢獻(xiàn)，這說明海灣中部和北部海域的波浪主要受局地風(fēng)控制，以風(fēng)浪為主，波浪的大小可由風(fēng)確定[21]；傳入浪對海灣中部和北部海域的影響在冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期最強(qiáng)，這亦與文獻(xiàn)[21]關(guān)于涌浪在4-5月出現(xiàn)最多的觀測結(jié)果相符。

5 結(jié)論

利用NCEP發(fā)布的CFSV2再分析風(fēng)場驅(qū)動SWAN模型，采用嵌套計(jì)算方案，對北部灣整年逐時海浪進(jìn)行了數(shù)值模擬，對結(jié)果的檢驗(yàn)評估顯示模型具有良好模擬效果：較Jason-2衛(wèi)星有效波高觀測值，模擬值的均方根誤差約為0.4 m，分散系數(shù)約為0.2；較北部灣灣頂近岸浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，有效波高和平均波周期的均方根誤差分別約為0.2 m和0.6 s，分散系數(shù)分別約為0.4和0.2，平均波向的均方根誤差約為30°；較2′×2′的模型模擬值，空間網(wǎng)格為12′×12′的模型對北部灣20 m以深開敞海域波浪模擬的平均相對誤差在10%以下；細(xì)化空間網(wǎng)格尺度有助于灣內(nèi)近岸淺水域和瓊州海峽區(qū)海浪的模擬。

數(shù)值模擬結(jié)果分析和驅(qū)動因素敏感性試驗(yàn)表明，北部灣的盛行浪向和波浪強(qiáng)度具有顯著的季節(jié)變化，這是局地風(fēng)和南海傳入浪的季節(jié)變化所致，且二者對海灣波浪場的驅(qū)動貢獻(xiàn)此消彼長、因地隨季而變：局地風(fēng)的驅(qū)動貢獻(xiàn)自灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸增強(qiáng)，季風(fēng)期強(qiáng)于季風(fēng)轉(zhuǎn)換期；傳入浪的驅(qū)動貢獻(xiàn)自灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸減弱，季風(fēng)轉(zhuǎn)換期強(qiáng)于季風(fēng)期；海灣中部和北部海域以局地風(fēng)為主控因素，海南島南部和東部海域以傳入浪影響為主，海南島西南海域受局地風(fēng)和傳入浪的共同控制。