南美洲周边MFWAM波浪产品的区域验证：与ERA5、WAVERYS及浮标观测的对比

《Journal of Marine Science and Engineering》：Regional Assessment of the MFWAM Wave Model Around South America: Comparison with ERA5, WAVERYS, and Buoy Observations

　　

准确的波浪表征对海岸工程、航行和海洋能源应用至关重要。本研究使用由智利、哥伦比亚、厄瓜多尔和巴西16个浮标站组成的区域观测数据集，评估MFWAM（Météo-France Wave Model）原始波浪产品输出，并将ERA5（ECMWF Reanalysis v5）和WAVERYS作为对比参考产品。根据站点可用性，在2008—2025年期间，采用统计性能指标、时间序列、散点图和分布分析评估了显著波高（H_s）、峰值或平均波周期（T_p/T_m）以及平均波向（D_m）。此外，利用H_s的第95和第99百分位（P95/P99）评估高波条件。MFWAM在受评估的智利和巴西东南部站点对H_s表现出最一致的表现，结果总体与ERA5和WAVERYS相当。波周期表现在站点间变化更大，而D_m在部分位置表现出更强的空间变异性和系统性差异。对于MFWAM，在产品可用的站点，其P95和P99相对于浮标观测的差异一般保持在约±15%以内。研究人员在所有受评估站点将站点特定后处理作为二次分析应用，并减少了持续存在的局地差异，尽管这些结果代表样本内评估。总体而言，结果识别了MFWAM的优势与局限，并建立了其在受评估南美洲海域表现的基于观测的区域基准，为后续区域波浪气候和波浪能评估提供了基础。

研究背景：海浪是海洋动力学与海气相互作用的基本组成，影响航行、海岸工程和海洋灾害评估，也是海洋能资源评估的关键；波浪能主要取决于显著波高（H_s，significant wave height）和波周期。区域和全球波浪气候评估依赖现场观测、卫星和数值模式，再分析与业务预报可提供连续时空场，但须用现场观测验证其适用性。南美波浪观测主要来自国家机构浮标网，可作为独立验证源。CFOSAT（China–France Oceanography Satellite，中法海洋卫星）于2018年发射，2020年起同化入MFWAM（Météo-France Wave Model，法国气象局全球波浪模型）；ERA5（ECMWF Reanalysis v5）和WAVERYS（CMEMS波浪再分析产品）被广泛使用。已有南美研究利用波浪产品估计波浪能并分析时空变化，但需针对MFWAM原始输出在选定太平洋和大西洋海域开展基于浮标的区域验证，关注H_s、波周期、平均波向（D_m）、统计分布和高波条件，并以ERA5、WAVERYS为参照。

研究人员利用16个浮标站（初始18站，剔除Desertores和Punta Arenas；二者位于智利南部峡湾、水道和群岛区，局地遮蔽、复杂海岸几何与地形过程不能被全球产品空间分辨率充分分辨）组成区域观测集，数据来自SHOA（智利水文与海洋服务局）、PNBOIA（巴西国家浮标计划）、DIMAR（哥伦比亚海事局）和INOCAR（厄瓜多尔海军海洋与南极研究所），时段为2008—2025年，视站点可用性而定。研究评估MFWAM原始输出；MFWAM空间分辨率为0.083°、时间分辨率为3 h，ERA5为0.25°/1 h，WAVERYS为0.2°/3 h。对每站取地理最近格点、不作空间插值，统一3 h时间匹配，剔除缺测和无效值，并采用基于模式波周期标准差三倍的质控阈值。计算偏差（Bias）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、Pearson相关系数（R）、决定系数（R²）和散布指数（SI）；方向采用圆形角差指标；并作描述统计、H_s第95/99百分位（P95/P99）、时间序列、散点图和箱线图分析。站点特定线性校正H_s与峰值/平均波周期（T_p/T_m）、方向常数角度偏移仅作为二次样本内后处理。结论是MFWAM在智利和巴西东南部对H_s表现较一致，与ERA5/WAVERYS相当；周期表现更依站点变化；D_m空间变异大并在部分站存在系统偏差；P95/P99在可用站一般约±15%；站点后处理可减小局地持续差异但为样本内；研究建立了基于观测的区域基准。

关键技术方法（不超过250字）：基于16个浮标站（SHOA、PNBOIA、DIMAR、INOCAR，2008—2025）构建区域观测集，剔除2个复杂峡湾/群岛站；采用MFWAM（0.083°/3 h）、ERA5（0.25°/1 h）和WAVERYS（0.2°/3 h）原始输出，最近格点提取、3 h时间匹配和基于波周期标准差的质控；计算误差、相关、圆形方向指标及P95/P99，辅以时间序列、散点图和箱线图；站点校正仅作样本内后处理。

结果：验证站概览——最终16站分布于智利、哥伦比亚、厄瓜多尔和巴西，记录为2008—2025年但长度差异大，Jambelí不足1年，Barranquilla、Tumaco、Turbo超过11年；短记录站结果只代表可用采样期模型表现。Talcahuano代表站验证——通过时间序列、散点图和箱线图比较原始未校正产品，H_s上WAVERYS与MFWAM优于ERA5（R=0.939/0.938，RMSE=0.238/0.244 m；ERA5 R=0.888、RMSE=0.337 m），三者正偏差以ERA5最大（0.126 m），产品低估最高H_s且上尾较窄；T_p差异小（R=0.750—0.776，RMSE=1.73—1.77 s），中位数接近但未复现浮标4.20—25.00 s全范围；D_m复现主方向但存在正偏差，ERA5的RMSE=9.71°、偏差1.56°最小，MFWAM为11.30°/4.72°，方向范围偏窄。全部站点结果——主要评估MFWAM原始输出，ERA5/WAVERYS为参照；厄瓜多尔站无MFWAM，仅提供参考产品区域背景。H_s：智利站R=0.869—0.938、RMSE=0.217—0.318 m，Iquique、Concón、Talcahuano最佳；巴西东南Bacia de Santos/Alcatrazes R=0.922/0.948、RMSE=0.269/0.266 m；Bahía Solano R=0.826、RMSE=0.182 m；厄瓜多尔仅参考产品，WAVERYS偏差和RMSE小于ERA5，ERA5正H_s偏差约0.56—0.73 m。波周期：智利T_p R=0.729—0.772、RMSE=1.69—1.85 s，与参考产品相当且无单一产品最优；巴西R约0.70—0.74，误差稍大；Bahía Solano差异较大（RMSE=3.484 s、R=0.604）；哥伦比亚T_p与T_m应分开解释；厄瓜多尔参考产品中WAVERYS在Jambelí/Manta较优，ERA5在Salinas较优。平均波向：空间变异大于H_s；Concón R=0.902、RMSE=7.984°，Talcahuano R=0.845、RMSE=11.300°；Iquique有明显系统偏移，MFWAM圆偏差79.35°、RMSE80.47°但R=0.582，ERA5/WAVERYS偏差也超过80°，说明非MFWAM特有且R不能完全描述方向偏移；巴西Bacia de Santos R=0.914、RMSE=24.63°，Alcatrazes R=0.730、RMSE=24.44°；Bahía Solano R=0.801、RMSE=20.13°。高波条件：用P95而非单次最大，P99辅助；MFWAM的P95差异在Talcahuano和Bacia de Santos约?0.03 m（<1%），Iquique?4.1%、Concón?6.1%、Antofagasta+11.0%、Bahía Solano+13.5%、Alcatrazes?13.5%；P99相对差异约?12.9%至+14.5%；ERA5/WAVERYS上尾区域变化强，厄瓜多尔P95高估明显、哥伦比亚多站低估；常规误差/相关好不保证上尾H_s准确。站点特定后处理：Talcahuano校正使偏差近零，H_s RMSE ERA5由0.337降至0.312 m、MFWAM由0.244降至0.235 m，T_p、D_m的RMSE亦下降；三个代表站H_s中，Concón RMSE0.236→0.223 m，Bahía Solano 0.182→0.117 m，Bacia de Santos基本不变；调整效果因站而异且为样本内，不能作为独立预测能力提高证据。

讨论总结：原始输出验证显示MFWAM的H_s在多数可用站一致，智利RMSE0.217—0.318 m、R0.869—0.938，巴西东南RMSE0.269/0.266 m、R0.922/0.948，Bahía Solano RMSE0.182 m、R0.826，总体与ERA5/WAVERYS相当但站间相对差异存在。周期更可变，智利T_p RMSE约1.7—1.9 s、R约0.73—0.77；T_p与T_m描述不同谱特性，不可互换。D_m空间变异和系统差异大，可能与地形、折射、海岸遮蔽、局地浪及全球产品空间分辨率限制有关。百分位分析表明常规指标好不必然对应H_s上尾准确。与既往研究比较，本文浮标中位值（Bacia de Santos H_s=1.86 m/T_p=9.1 s/D_m=119°，Alcatrazes H_s=1.29 m/T_p=9.3 s/D_m=137°；智利Iquique 1.46 m、Antofagasta 1.27 m、Concón 1.97 m、Talcahuano 2.04 m；哥伦比亚Barranquilla 1.51 m、San Andrés–Providencia 1.36 m、Turbo 0.44 m；厄瓜多尔Jambelí 0.31 m、Manta 0.44 m、Salinas 0.50 m）与既往区域范围大体一致，并以统一观测验证扩展了多产品比较。站点后处理可减少局地持续差异，但校正系数站间和产品间变化大，不支持通用系数，且为样本内。局限包括观测时空不均、MFWAM在哥伦比亚/厄瓜多尔多站不可用、最近格点代表性、全球产品不能分辨小尺度海岸过程（如折射、遮蔽、Bragg反射与共振），P95/P99并非正式极值分析，阿根廷、乌拉圭、秘鲁数据未能获取。未来需更多现场观测、独立时段验证后处理和更高分辨率海岸降尺度。

结论翻译：本研究以ERA5和WAVERYS为对比参考产品，利用智利、哥伦比亚、厄瓜多尔和巴西选定太平洋和大西洋海域的浮标观测评估了MFWAM。基于原始输出的验证表明，MFWAM对显著波高提供一致的表现，尤其是在受评估的智利和巴西东南部站点，结果总体与参考产品相当。波周期表现在站点间变化更大，而平均波向在部分位置表现出更强的空间变异性和系统性差异。基于百分位的评估进一步表明，高波条件的表征取决于位置和产品。在MFWAM可用的站点，P95和P99差异总体适中，但存在低估和高估。这些结果强调，在评估H_s分布上尾时，以分布为基础的指标补充常规验证统计的重要性。与既往研究的比较表明，本文分析的浮标观测与智利、巴西、哥伦比亚和厄瓜多尔既往报道的区域波浪条件大体一致，同时通过多个全球波浪产品的共同观测验证扩展了这些研究。站点特定后处理可减少持续存在的局地差异，如Talcahuano所示，但由于校正为样本内评估，仅将其解释为二次分析，而非预测性能改善的独立证据。总体而言，结果识别了MFWAM的优势与局限，并为在能够汇编合适浮标记录的南美洲海域建立基于观测的区域基准。该基准为后续区域和季节波浪变异性分析及未来波浪能资源评估提供了基础。ERA5和WAVERYS仍是产品间比较和不确定性评估的有价值补充参考。在海岸尺度，未来研究应以更高分辨率模拟补充这些全球产品，并考虑与海岸几何和地形相关的局地过程，包括本评估未显式分辨的折射、反射和共振机制。