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                    “海上絲綢之路”·海洋環境與新能源數據集 II 區論文(已發表) ? 版本 ZH6 Vol 5 (4) 2020
                    下載
                    2009–2018年北印度洋海浪有效波高模擬數據集
                    A dataset of significant wave height simulations in the Northern Indian Ocean from 2009 to 2018
                    ?>>
                    : 2020 - 06 - 28
                    : 2020 - 10 - 22
                    : 2020 - 08 - 17
                    : 2020 - 12 - 29
                    极速快三
                    2770 10 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:波浪能是清潔能源中的佼佼者,也是海洋中最富集的能源。本文借助歐洲中期天氣預報中心風場的再分析數據展開研究,通過WAVEWATCH-III模式對有效波高逐3 h輸出并處理,獲取了北印度洋2009–2018年海浪近十年的有效波高數據,在淺水和深水、一般和特殊條件下驗證數據有效性的同時,也提供了詳細的數據獲取途徑。本數據的共享有利于數據被更好地獲取和利用,為有需要的科研工作者們提供幫助,也為海洋能源的研究及開發提供支持。
                    關鍵詞:北印度洋;WW3;有效波高;波浪數據集
                    Abstract & Keywords
                    Abstract:?Wave energy is top-notch clean energy and the most abundant energy in the ocean. Based on the wind field reanalysis dataset of European Centre for Medium Range Weather Forecasts, We carried out our research and obtained the data of the significant wave heights in the northern Indian Ocean in the last 10 years (2009–2018) through processing the significant wave height output by 3 h in WAVEWATCH-III mode. In addition to data validation in shallow and deep water and under general and special conditions, detailed access to the data is also available in the paper. The sharing of the data is conducive to better access and utilization, providing assistance to researchers in need, and supporting the research and development of Marine energy.
                    Keywords:?Northern Indian Ocean;?WW3;?significant wave height;?wave dataset
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據集名稱2009–2018年北印度洋海浪有效波模擬數據集
                    數據作者莊居城,李醒飛,楊少波,鄭崇偉
                    數據通信作者李醒飛(oceantjulxf@163.com)
                    數據時間范圍2009年1月至2018年12月
                    數據量39.4 GB
                    數據空間范圍30°E–100°E,30°N–15°S
                    數據格式*.nc
                    數據服務系統網址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00038
                    基金項目中國國家自然科學基金(61733012);山東省問海計劃(ZR2016WH01);青島創業創新領軍人才計劃(19-3-2-40-zhc)。
                    數據庫(集)組成本數據集為NC數據,數據集名為“2009–2018年北印度洋海浪有效波高模擬數據集.zip”,數據集由十個自然年數據(2009–2018年,每年數據約為3.94 GB)組成,共39.4 GB。每一個自然年數據集由自然年命名,含有經緯度、有效波高、時間、周期等。
                    Dataset Profile
                    TitleA dataset of significant wave height simulations in the Northern Indian Ocean from 2009 to 2018
                    Data authorsZhuang Jucheng, Li Xingfei, Yang Shaobo, Zheng Chongwei
                    Data corresponding authorLi Xingfei (oceantjulxf@163.com)
                    Time rangeFrom January, 2009 to December, 2018
                    Data volume39.4 GB
                    Geographical scope30°E–100°E,30°N–15°S
                    Data format*.nc
                    Data service system<http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00038>
                    Sources of fundingsThe National Natural Science Foundation of China (61733012); Wen-Hai Project of Shandong Province (ZR2016WH01); Pioneering and Innovation Leading Talents Project of Qingdao (19-3-2-40-zhc).
                    Dataset compositionThis dataset is the format of NC data, entitled “Dataset of significant wave height simulations in the Northern Indian Ocean from 2009 to 2018.zip”. The dataset consists of 10 natural years (2009–2018, 3.94 GB per year), a total of 39.4 GB. Each natural year dataset is named after the natural year and contains longitude and latitude, significant wave height, time, period, and so on.
                    引 言
                    海洋是人類巨大的寶庫,蘊含著種類豐富的資源,其中包括石油、天然氣、可燃冰等礦產資源,養殖漁業等生物資源,波浪能、風能、潮汐能、溫差能等能量資源。為了最合理有效地探索和利用這些資源,人類需要關心海洋,認識海洋,經略海洋。而在這些過程中,需要有準確、豐富的數據作為支撐。2015年簽署的巴黎協議說明全球多國都深刻認識到氣候變暖帶來的人類危機,所以使用新能源以及可再生的清潔能源以取代化石燃料將是時代趨勢。有效波高是表征海浪強度和危險系數的重要指標,既是計算波浪能流密度的依據,也對海岸防護、船艦航行有重要意義[1],因此對波浪的研究是有必要的。
                    波浪能作為可再生能源中的“佼佼者”,是海洋能源中最為豐富的資源,其也正逐漸受到越來越多研究人員們的重視:鄭崇偉等[2]利用WW3對南海的波浪能資源進行模擬研究;周國慶等[3]對北部灣近海的波浪能資源條件進行評估;Wu等[4]對中國東海遠海的波浪能資源進行了評估;李靖等[5]對臺灣海峽及其鄰近海域的波浪能資源展開評估;管軼[6]對我國波浪能開發利用可行性研究進行了深入分析。
                    我國學者對東、黃、南海等西太平洋海域的數值模擬已經有一定研究基礎,但對北印度洋的分析和評估暫未深入,北印度洋作為“21世紀海上絲綢之路”兩個關鍵水域之一,模擬并分析其近十年海浪的有效波高既有助于該海域波浪能的探索與開發,也有助于未來中國艦隊進行遠海航行,這無論是對中國或是“海上絲綢之路”沿岸國家的發展,以及對共建海上絲綢之路以及亞洲命運共同體都具有積極意義。本文基于歐洲中期天氣預報中心的ERA-Interim風場數據并結合WAVEWATCH-III在嵌套條件下反演出北印度洋的風能和波浪能,反演數據的可靠性高,可為今后北印度洋海域波浪能資源的開發提供參考。
                    1 ? 資料收集和處理方法
                    1.1 ? 資料介紹
                    歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)授權用戶提供氣象和水文預報數據[7],并且對數據進行存檔。ERA風場是ECMWF的數據集產品之一,該產品能提供ERA5、ERA-Interim、CERA-SAT、CERA-20C等再分析風場數據集。出于時間范圍和分辨率的考慮,選擇了ERA-Interim產品作為WW3模式的輸入數據。其中該風場數據的下載網址為https://www.ecmwf.int/。
                    WW3模型的另一輸入數據為水深數據,本文采用的是ETOPO5型水深數據,該數據由NGDC美國地球物理中心發布,下載網址https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html。
                    在海洋數據的獲取中,最受認可的產品是剖面浮標,但由于成本、保密以及海洋環境等條件影響,浮標的數據獲取受到了很大的限制。而隨著現代遙感技術的快速發展,海上衛星高度計反演的有效波高已經能接近浮標實測值,可以極大地降低科研成本,因此本文在選擇驗證數據的有效性方面選擇利用高度計作為標準波高與模擬數據比較,并驗證其有效性。衛星高度計數據下載網址為:https://www.aviso.altimetry.fr/。
                    1.2 ? 數據處理
                    本文利用來自ECMWF數據庫的ERA-interim再分析資料,分析了北印度洋海域風能和波浪能資源的時空分布特征,其中北印度洋的水深地形如圖1所示,圖中所標注部分為第三節檢驗海域。ERA-interim風場數據的空間分辨率種類很多,主要包括1.0°×1.0°、0.5°×0.5°、0.25°×0.25°、0.125°×0.125°等,風場數據的空間范圍是90°S–90°N,180°W–180°E?;跀祿z驗和仿真時長兩個方面考慮,本文選擇0.25°×0.25°的空間分辨率和6 h的時間間隔作為模式輸入項,空間范圍為15°S–30°N、30°E–100°E,時間范圍為2009年1月1日00:00至2018年12月31日21:00。


                    圖1 ? 北印度洋海域水深地形圖
                    另外由于所需數據較大,利用python進行輔助可完成風場大數據的快速下載,如果數據量超過最大限制導致下載較慢或失敗,可以將數據年限拆分下載。圖2為python下載程序實例。其中“data”表示獲取時間范圍;“grid”表示格點分辨率;“format”表示輸出格式;“area”表示選擇范圍,從左到右對應的次序是起始位置—順時針順序—終點位置;“param”表示參數代號,“step”表示采樣步長;“target”表示輸出文件名。其他需要可參考ERA風場中心下載指南。


                    圖2 ? ERA風場數據下載實例
                    1.3 ? WW3模型介紹
                    模型使用了嵌套計算的方法,原理為利用大范圍海域計算出嵌套程序,該程序作為小范圍海域(即本文的模擬海域)的初始邊界條件共同參與計算,本文的模擬數據基于這種嵌套模式計算獲取,原理如圖3所示。圖中經緯度單位為°,EQ表示赤道,水深單位為m,大范圍區域配置是:時空范圍為2009年1月1日0時至2018年12月31日21時,30°E–130°E,75°S–30°N,時間分辨率3 h,空間分辨率1°×1°。小范圍的區域配置是:時空范圍為2009年1月1日0時至2018年12月31日21時,15°S–30°N、30°E–100°E,輸出分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為3 h。


                    圖3 ? WW3模型嵌套計算原理圖
                    由于高度計數據的空間分辨率為1°×1°,時間分辨率為24 h,相比于高度計數據,模擬數據不論是從時間分辨率還是空間分辨率上看具更高的精度。而相比于ERA網站自帶的波浪數據,WW3可輸出的時間分辨率更高,最高可達15 min,但ERA網站可下載的波浪數據最高僅為6 h,如果從未來海岸工程和遠洋航行角度考慮,WW3模型可以提供更為豐富和實時的波浪數據作為工程參考。
                    2 ? 數據樣本描述
                    2.1 ? 有效波高
                    本數據集包括經度、緯度、時間維度、有效波高、平均波向和波浪周期6組主要數據參數,格式為NC,有效波高的數據內容如表1所示。其中經度和緯度分別由格點數表示,例如分辨率為0.25°時,30°E–130°E的經度格點數為(130-30)/0.25+1=401,緯度同理。時間維度則為采樣次數總數,例如2007年,模式每6 h輸出一次數據,那么它的時間維度是365*(24/6)=1460;其中圖4的Format格式可以調整數字的有效位數,%1f代表小數點后只保留1位有效數字,可以根據實際需要選擇為%2f、%3f等保留更多位有效數字。如果想選擇具體某一時刻的有效波高,可在Time屬性后選擇相應的時刻,假如起始時刻為2009年1月1日6時且每6 h輸出一次數據,那么第14個時刻為6+[(14%6)-1]*6=12時(其中“%”表示求余),即為1月4日的12時。平均波向的單位是rad;波浪周期的單位是s。此外,為了方便處理,本數據集將10年的數據逐年拆分。根據圖4上方所示可知本數據集為2009年1月1日0時有效波高,數據集名稱為2009.nc。
                    表1 ? NC文件有效波高數據表內容
                    表內容序號字段名稱量綱數據類型樣例數據
                    1(橫坐標)經度°數值型54.000(E)
                    2(縱坐標)緯度°數值型15.750(N)
                    3有效波高m數值型0.7
                    NAN陸地/失效-數值型-


                    圖4 ? NC文件中有效波高的數據內容
                    2.2 ? 基于本數據集的能流密度計算
                    鑒于文本格式的數據無法直觀地體現出風能及波浪能資源的月、季、年的變化特征,所以數據使用者可以通過下載數據、繪制圖形的方法來進一步分析、挖掘數據,剖析其時空特性,繪制NC格式數據常用的繪圖軟件有GrADs、Matlab和NCL等。圖5為利用有效波高數據集和GrADs繪制的北印度洋能流密度年均分布圖,其中經緯度單位為°,能流密度單位為kW/m。


                    圖5 ? 北印度洋海域波浪能流密度年平均分布
                    波浪能流密度是判別波浪能富集程度的重要特征,為了計算北印度洋的波浪能流密度,需要使用的特征參數分別是有效波高Hs(m)和波浪周期\({T}_{0}\)(s),其計算公式在深水下可簡化為[8]
                    (1)
                    通過數據集計算得到10年波浪能流密度\({P}_{w}\)后,繪制波能密度年均分布圖。觀察可知,阿拉伯和索馬里海域的波浪能流密度最大,為9–21 kW/m;斯里蘭卡、馬達加斯加北部和北印度洋東南部海域的波浪能流密度次之,在6–9 kW/m之間;孟加拉灣海域的波浪能流密度最小,為3–6 kW/m;赤道周邊海域的波浪能流密度在6 kW/m左右;紅海、亞丁灣和波斯灣海域的能流密度則小于3 kW/m;馬達加斯加島北部的波浪能流密度可達到9 kW/m,其他海域的波浪能流密度約為6 kW/m。從總體上看,北印度洋海域波浪能流密度較大,波浪能資源豐富。北印度洋近10年波浪能流密度分布如表2所示。
                    表2 ? 北印度洋波浪能資源分布
                    海域分布情況海域分布情況海域分布情況
                    波浪能流密度年分布(kW/m)阿拉伯海9–21紅海<3馬島北部9
                    索馬里亞丁灣其他6
                    赤道周邊6波斯灣平均6
                    注:馬島為馬達加斯加島。
                    3 ? 數據質量控制和評估
                    數據的驗證是通過WW3模式模擬的有效波高與現有高度計資料進行對比,在模擬有效波高的檢驗中,常常以高度計的觀測波高作為實測波高與模擬波高進行對比,但高度計本身仍然存在10%左右的最大誤差[9]。本文隨機選取了4個海域L1(70°E,5°N)、L2(62°E,24°N)、L3(42°E,5°S)和L4(90°E,20°N),并于圖1中標注了位置,此外,選擇了2013年孟加拉灣的一次熱帶氣旋過程進行參數檢驗[10]。
                    針對上述海域有效波高進行時空上的有效性檢驗,包括相關系數(CC)、偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)、歸一化均方根誤差(NRMSE)4個指標,并作出L1–L4全年有效波高及高度計離散圖(圖6–9)和馬哈森過程檢驗圖(圖10),總結所有情況下的檢驗數據(表3)。其中4種指標的計算原理如下[11]
                    (2)
                    (3)
                    (4)
                    (5)


                    圖6 ? 2010年L1位置模擬有效波高和高度計檢驗圖


                    圖7 ? 2011年L2位置模擬有效波高和高度計檢驗圖


                    圖8 ? 2013年L3位置模擬有效波高和高度計檢驗圖


                    圖9 ? 2014年L4位置模擬有效波高和高度計檢驗圖


                    圖10 ? 2013年熱帶氣旋馬哈森過程有效波高的數值檢驗
                    表3 ? 模擬有效波高精度情況
                    時間位置經度/(°E)緯度/(°N)CCBias(m)RMSE(m)NRMSE
                    2010(L1)7050.910.080.590.39
                    2011(L2)62240.94?0.170.690.51
                    2013(L3)42?50.66?0.110.510.32
                    2014(L4)90200.930.060.770.53
                    2013馬哈森0.750.250.270.15
                    首先,觀察表3可以看出,5種檢驗平均的相關系數在0.82,偏差為0.02m,均方根誤差為0.55m,歸一化均方根誤差為0.38,可以認為模擬數據和高度計數據之間高度相關。其次,從水深上看,L1和L4為深水區,L2和L3為淺水區,其中淺水區相較于深水區的相關系數更不穩定,但在均方根誤差上總體略好,而深水區域的偏差值會更小。在氣旋風暴“馬哈森”檢驗過程中,有效波高和高度計保持著較強的相關性,盡管偏差大于一般情況,但是在均方根誤差和歸一化誤差上該過程明顯更小,這說明兩者在數值上的相似程度非常高,可以說明在極端條件下數據的有效性。最后,觀察圖6–9,某個海域在一年中一定會有峰值或者某日有效波高明顯大于年均值的情況,而在這些條件下的有效波高并不會小于某些極端天氣下的浪高,在4個驗證區域里,除了少數月份會有一定偏差外,例如在L1位置的9–10月間,在L2、L3和L4位置的峰值模擬情況都表現良好,這也可以反映模擬數據集在極端條件下數據的可靠性。
                    4 ? 數據價值
                    此次ERA風場輸入獲得的海浪有效波高數據是對遠海數據獲取的一種深入嘗試,由于布放浮標等常規測量手段設備成本高、維護難,且北印度洋平均水深大于1200 m,而利用WW3模式對北印度洋海域進行仿真可以認為是一種有效和適宜的試驗方法。盡管在數據獲取中會有個別數據失效(數據顯示為NAN)但可予以更正或者剔除,所以從總體上看該方法經濟、有效,相對于遠深海環境條件下具體的實物測量大大縮減了成本,其測量覆蓋面更廣,可靠性高。
                    本數據集為北印度洋2009–2018年的海浪有效波高數據,可為物理海洋、能源開發、海上生態等相關科學研究提供數據支撐,并可為當地經濟發展、臺風預報、遠海開發等工作的深入開展提供數據支持。
                    5 ? 數據使用方法和建議
                    2009–2018年北印度洋的海浪有效波高觀測數據集全部數據已全部上傳至《中國科學數據》網站(http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00038),用戶可直接登錄下載數據。同時,如果本數據集得到有效引用,請引用者在致謝中標注“天津大學精儀學院李醒飛團隊”,本文和本數據集的推薦引用格式見文末。
                    致 謝
                    感謝張振全和段閃華在數據獲得以及繪圖方面給予的幫助,感謝席林通和鄧澤貴在論文撰寫過程中的意見與建議,也感謝實驗室對本文所有工作的大力支持。
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                    數據引用格式
                    莊居城, 李醒飛, 楊少波, 等. 2009–2018年北印度洋海浪有效波高觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-08-17). DOI: 10.11922/sciencedb.j00001.00038.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    莊居城, 楊少波, 李醒飛, 等. 2009–2018年北印度洋海浪有效波高觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020, 5(4). (2020-12-28). DOI: 10.11922/csdata.2020.0050.zh.
                    莊居城
                    Zhuang Jucheng
                    主要承擔工作:優化模型、圖形繪制、處理數據和整理論文等。
                    (1995—),男,福建三明人,碩士研究生,研究方向為海洋觀測與探測。
                    楊少波
                    Yang Shaobo
                    主要承擔工作:原始數據獲取、數據處理、數據集編制等。
                    (1987—),男,重慶人,博士,講師,研究方向為海洋氣候監測。
                    李醒飛
                    Li Xingfei
                    主要承擔工作:試驗方案制定、前期工作分配等。
                    oceantjulxf@163.com
                    (1966—),男,湖北武漢人,博士,教授,研究方向為海洋觀測平臺建設。
                    鄭崇偉
                    Zheng Congwei
                    主要承擔工作:原始數據獲取、繪制圖形及調試模型等。
                    (1994—),女,河北保定人,碩士研究生,研究方向為海洋能源開發與評估。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2020年8月17日 ( 版本ZH3
                    II區出版時間:2020年12月29日 ( 版本ZH4
                    最近更新時間:2020年12月29日 ( 版本ZH6
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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