东南太平洋波系生成区的空间追踪方法分析

《Frontiers in Marine Science》：Analysis of wave system generation zones in the southeast Pacific using spatial tracking methods

本研究针对波谱分解生成的波场空间不连贯、难以物理解读的问题，评估了WAVEWATCH III (WW3) 和JIANG两种空间追踪算法，以重构具有空间一致性的波场，并探究东南太平洋的波系生成区。通过对比人工分割风场驱动的模拟进行验证，发现影响该海域的波系主要源自东南信风带、南半球风暴带和北半球风暴带的气象事件。研究揭示了两种算法的优势与局限，为波源识别提供了有效工具，对海洋活动和气候研究具有重要意义。

　　

想象一下，在广阔的东南太平洋上，由风驱动的海浪（即表面重力波）是多种气象事件（如温带气旋）产生波系的复杂叠加。这些海浪能够从源头传播数千公里，对港口运营、船舶航行等海洋活动产生大规模且持久的影响。然而，传统的波谱分析方法（如波谱分区）虽然能在单个网格点识别独立的波系，却无法保证这些波系在空间上的连续性，导致分解后的波场杂乱无章，严重阻碍了我们对波浪物理过程的理解，特别是难以追溯波系的起源及其与特定气象事件的关系。这正是当前海洋波浪研究中的一个关键瓶颈。

为了解决这一问题，并深入探究东南太平洋（一个接收来自南北半球涌浪、呈现出显著多模态波特征的区域）的波系生成区，一项研究发表在《Frontiers in Marine Science》期刊上。该研究采用了两种空间追踪方法——WAVEWATCH III (WW3) 模型自带的方法和JIANG等人提出的方法，旨在从分解的波谱数据中，重构出与特定气象事件相关联的、具有空间一致性的独立波场，并评估这两种方法的性能。

为开展这项研究，作者团队主要运用了以下几个关键技术方法：首先，利用WAVEWATCH III (WW3) 版本6.07海浪数值模型，构建了覆盖整个太平洋（0.5°分辨率，模型D1）和东南太平洋（0.1°分辨率，嵌套模型D2）的两层网格，驱动模型的风场来自ERA5再分析数据。其次，在WW3模型中采用了PTM3波谱分区方案，对方向波谱进行地形学分解，识别出独立的波系并计算其批量波参数（如有效波高(H_S)、平均波周期(T₀₂)和平均波方向(θ_m)）。然后，核心部分是基于波参数空间连续性的两种空间追踪算法：WW3方法采用螺旋搜索算法和拟合优度(Goodness-of-Fit)函数评估相邻波系相关性；JIANG方法则采用广度优先搜索算法，计算波系间的谱距离空间梯度。最后，为了验证追踪结果的可靠性，研究还通过运行WW3模型模拟了由特定生成区（东南信风带、南/北半球风暴带）的、经人工分割的ERA5风场单独驱动的波浪场，用以与追踪结果进行对比。

2 分区波数据

研究首先通过WW3模型获得了2018年东南太平洋的波浪后报数据。模型设置包括采用ST4风输入和耗散源项、PR3参数化方案以减轻“花园洒水效应”。模型结果与卫星高度计和浮标数据的对比验证表明其具有可靠性。波谱分区在WW3模型内完成，将方向波谱分解为独立的波系（在谱中表现为具有特定频率和方向范围的能量簇）。研究以NDBC 32012浮标点为例，展示了夏季和冬季的典型方向波谱及其分区结果，夏季识别出2个波系，冬季识别出4个波系，并给出了各自的波参数。

3 空间追踪方法

由于波谱分区是独立在每个地理网格点进行的，导致相同来源的波系在空间上缺乏连贯性，分区波场混乱。空间追踪方法旨在通过空间搜索算法，将具有相似波参数（如峰值周期(T_p)、峰值方向(θ_p)）的波系分组为源自同一气象事件的“波事件”。WW3方法采用向外运行的螺旋搜索算法和拟合优度函数；JIANG方法采用广度优先搜索算法，并计算波系间的谱距离空间梯度(δ)，还包含了“事件合并”步骤以合并边界吻合的波事件。两者都主要依赖波参数的空间梯度进行追踪。

4 追踪结果和验证

在展示了同期ERA5风场揭示的太平洋主要风区（南北半球风暴带和信风带）背景后，研究呈现了两种方法对前述NDBC浮标点处波系的追踪结果。

4.1 WW3追踪结果

对于夏季（2个波系）的情况，WW3方法追踪到4个相关的波事件。波事件1与波系W1相关，其空间结构与东南信风带重叠，表明该区是W1的生成区，但事件中也错误包含了来自南半球高纬地区（40°S–60°S）的不同来源波系。波事件2-4均源自南半球风暴带，其中事件2和事件3边界高度重合、波参数连续，本应属于同一事件，却被错误地分开，体现了追踪的不连续性。事件2解释了波系W2的来源。对于冬季（4个波系）的情况，追踪到8个波事件。事件1、2、5分别解释了波系W1（东南信风带）、W2（南半球风暴带）和W3（北半球风暴带）的来源。波系W4对应的波事件（事件6）空间结构显示与东北信风带和北半球风暴带均有重叠，实际上它包含了两个独立事件（一个来自东北信风带，一个来自北半球风暴带，后者是W4的真实来源），由于局部波参数相似被错误合并为一个事件，这揭示了空间追踪方法在处理参数相似但起源完全不同的波系时的局限性。WW3方法总体表现出易于出现追踪不连续的问题，识别出众多空间范围较小的波事件。

4.2 JIANG追踪结果

应用“事件合并”步骤后，JIANG方法得到的波事件数量显著减少。对于夏季情况，合并为2个事件，分别对应东南信风带和南半球风暴带。对于冬季情况，合并为4个事件，分别对应东南信风带、南半球风暴带和北半球风暴带（后两个事件）。其中，对应北半球风暴带的一个合并事件，在WW3结果中被拆分为三个独立的、同时南向传播的事件，表明JIANG方法在合并相似生成模式的事件时，可能过度合并。通过追踪相邻时刻的波事件，确认了来自北半球风暴带的波事件会因不同生成时间的波系在传播中交汇，导致在NDBC浮标点出现多个波系（如W3和W4）共存的现象。

4.3 追踪结果的验证

为验证追踪结果，研究通过运行WW3模型，模拟了由人工分割的、仅包含特定生成区（东南信风带局部、南半球风暴带、北半球风暴带）风场驱动的波浪场。将模拟出的、与特定风区对应的主导波场与空间追踪方法得到的结果进行对比，发现两者在波场的空间结构和波参数分布上具有良好的一致性。这证实了空间追踪方法能够有效地重构出与特定气象生成区相关的、物理上可解释的波场。

5 结论性评述

本研究通过评估WW3和JIANG两种空间追踪方法在东南太平洋的应用，得出以下主要结论：影响该区域的波系主要源自三个气象生成区：东南信风带、南半球风暴带和北半球风暴带。WW3方法由于其追踪逻辑，在应用于太平洋等大范围海域时容易出现追踪不连续，导致识别出过多的波事件。JIANG方法通过合并边界吻合的事件，改善了连续性，但往往过度合并了那些具有相似生成模式的事件。两种方法在处理波参数相似但起源不同的波系时均存在局限，因为它们的追踪逻辑主要依赖于波参数的空间梯度。尽管如此，空间追踪方法能够有效地从杂乱的分区波场中，重构出具有物理可解释性的、空间连贯的波场，为识别波系来源提供了实用支持。这项研究不仅增进了对东南太平洋多模态波生成机制的理解，而且为评估和改进波系空间追踪算法提供了重要参考，对于海洋预报、气候研究以及涉海工程的安全评估均具有实际意义。