在印度西海岸的季节性和极端天气条件下，利用观测数据对ERA5再分析波谱进行评估

本研究评估ERA5波谱在西印度海岸Honnavar的准确性，对比2014-2015年实测数据。结果显示，季风期间ERA5与观测数据高度吻合，有效捕捉主导涌浪特征；但季风前后存在局部浪特征再现不足，仍能准确表征涌浪主导条件。特别在cyclone事件中，ERA5成功模拟了极端波浪条件，对防灾和工程规划具有重要参考价值。

S.V. 萨米克沙 | R. 哈里克里希南 | K. 苏迪什 | V. 桑尼尔·库马尔

印度果阿多纳保拉的CSIR-国家海洋学研究所，403 004

摘要

本研究通过将ERA5波谱与来自定向浮标的测量波谱进行比较，评估了2014年和2015年霍纳瓦尔附近海域ERA5波谱的准确性。ECMWF数据库中的二维波谱在日尺度、月尺度和季节尺度上与浮标测量数据进行了验证。此外，在一次气旋事件期间还进行了详细比较，以评估ERA5再现极端波浪条件的能力。结果表明，在季风季节，ERA5与观测波谱之间有很好的一致性，有效捕捉到了主要的季风特征。然而，在季风前后时期，ERA5在再现局部波浪特征方面存在局限性，但仍能准确表示由涌浪主导的波浪情况。值得注意的是，ERA5波谱成功捕捉到了气旋引起的波浪条件，在涌浪和风海频段中的波浪能量匹配度很高。这些发现突显了ERA5的优点和局限性，为印度西海岸的沿海波浪建模、灾害评估和海洋基础设施规划提供了重要见解。

引言

准确的波浪预测对各种海上活动至关重要，包括海岸工程、航行、海上作业和气候变化评估。印度西海岸毗邻阿拉伯海，受到季风风、远距离来源的长周期涌浪以及局部生成的风浪（风海）的影响，波浪模式复杂。来自第五代欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析产品ERA5的可靠测量数据集和全球波浪再分析数据已成为研究沿海和海洋过程（包括波浪动力学）的宝贵资源（Hersbach等人，2020年）。与前一版本ERA-Interim（ERA-I）相比，ERA5在空间（31公里）和时间（每小时）分辨率上有所提升，使其成为评估波浪特征的首选数据集。

多项研究已经验证了ERA5在表示波浪特征方面的性能，无论是全球范围内还是地区性方面。研究人员在全球各大海洋的近海和离岸区域展示了测量数据与ERA5及ERA-I推导出的波浪参数之间的一致性（Anju等人，2023年；Anju和Kumar，2024年；Anusree和Kumar，2024年；Bruno等人，2020年；Fanti等人，2023年；Hisaki，2020年；Kumar等人，2006年、2003年；Muhammed Naseef和Sanil Kumar，2020年；Shi等人，2024年；Wang等人，2004年；Stopa和Cheung，2014年）。他们进行了多项全球波浪模型的比较分析，发现虽然ERA-Interim与现场测量数据有合理的一致性，但在高能量波浪条件下存在偏差。ERA5的改进解决了其中一些偏差问题，提高了全球海洋中波浪的表示能力（Hersbach等人，2020年）。

对于印度洋地区（Kumar等人，2003年），研究强调了季风风在塑造印度海岸线波浪特征方面的强大影响。他们的研究强调了区分局部生成的风海和远程生成涌浪的重要性，因为两者对波浪动力学的影响不同。Aboobacker等人（2011a）和Samiksha等人（2012年）进一步表明，源自南大洋并传播到远距离的长周期涌浪通过与局部波浪的相互作用，显著影响了印度西海岸的波浪气候。因此，为了进一步了解这些复杂性，评估ERA5是否能够准确捕捉涌浪和局部生成的风海特征至关重要。

(Shanas等人，2024年)分析了印度洋中ERA5推导出的波浪参数，并报告称其比ERA-Interim有显著改进。然而，他们注意到在近海区域仍存在持续性偏差，这突显了继续验证的必要性。最近，Anusree和Kumar（2024年）将ERA5推导出的有效波高与印度海岸的浮标测量数据进行了比较，发现两者之间有很好的一致性。该研究强调了ERA5在该地区进行波浪建模的潜力，同时也强调了进行特定地点评估的必要性。

波浪谱分析提供了关于不同频率和方向上波浪能量分布的更深入见解，区分了局部生成的风海和远程传播的涌浪。Amrutha和Kumar（2020年）将ERA-Interim波谱与印度海岸的浮标测量数据进行了对比，发现极端事件期间有效波高被低估了。他们的研究确认了再分析数据集在长期气候评估中的价值，但强调了在极端波浪条件下提高准确性的必要性。Samiksha等人（2025年）使用ERA5风数据研究了印度中西部海岸的波浪谱特征，证明该模型能够有效捕捉单峰和多峰波谱。

由于西南季风（6月至9月）和东北季风（12月至2月）的影响，印度西海岸的波浪条件存在明显的季节性变化。西南季风会产生强风，导致高波浪，而东北季风则表现为较弱的波浪活动。此外，来自南大洋的长周期涌浪（Aboobacker等人，2011a；Sabique等人，2012年；Samiksha等人，2012年）会向印度海岸线传播，影响近海波浪动态。印度西海岸在季风前的季节（2月至5月）还受到年轻沙马尔涌浪的影响（Aboobacker等人，2011a；Vethamony等人，2011年）。准确预测和分析这些波浪谱对于减轻海岸灾害、优化港口和码头运营以及理解波浪行为的长期气候趋势非常有用。

尽管ERA5取得了进步，但其表示印度西海岸及其他全球海岸波浪谱的准确性仍很大程度上未经检验。很少有研究（Amrutha和Kumar，2021年；Anju和Kumar，2024年；Bruno等人，2020年；Samiksha等人，2021年、2025年）使用波浪谱分析来讨论印度或全球任何特定地区的波浪特征。尽管ERA5数据集在表示大尺度海洋条件和涌浪特征方面表现出高准确性，但先前的验证研究（Campos等人，2020年、2024年；Kumar等人，2016年；Stopa和Cheung，2014年）发现其在再现局部和极端波浪事件方面存在局限性，尤其是在复杂的沿海环境中。尽管如此，ERA5波谱仍对长期波浪气候分析、海岸灾害评估、工程设计参数和全球海洋空间规划至关重要。

虽然全球再分析数据集中的波浪参数在深水区域表现良好，但在浅水和中等深度水域的可靠性需要通过现场测量数据进行验证。波浪谱分析，特别是二维波谱，是比较任何沿海区域海洋和涌浪行为的最佳方法。它提供了关于谱线在各种频率和方向上捕捉波浪能量分布情况的更全面视图，为波浪气候动力学提供了广泛见解。印度西海岸具有复杂的波浪环境，包括季风变化、季节性变化的波浪能量和多方向波浪相互作用，可能是评估ERA5波谱性能的独特区域。基于此背景，开展了本研究。除了评估ERA5在印度西海岸的测量数据上的表现外，还进行了一个案例研究，以评估极端事件期间的波浪谱。研究结果将为ERA5在区域波浪建模、海岸风险评估和海洋基础设施规划方面的优势和局限性提供见解。

数据和方法

本研究使用了来自ERA5再分析数据集的二维波谱和综合波浪参数（有效波高、平均波周期和总波的峰值波周期）。该数据集由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开发，是覆盖1940年至今的第五代全球气候再分析产品（Hersbach等人，2020年）。它提供了高分辨率（0.5°×0.5°）的全球数据

测量数据和ERA5数据集的波浪参数验证

通过比较来自测量数据和ERA5谱数据的综合波浪参数，评估了它们的变异性和准确性。分析了有效波高（SWH）、平均波周期（MWP）和峰值波周期（T_p）。然而，由于ERA5中缺乏峰值波向数据，因此没有进行波向的比较。因此，方向分析仅依赖于来自定向波浪浮标测量的峰值波向。

结论

本研究评估了ERA5推导出的二维定向波谱在印度西海岸的日尺度、月尺度和季节尺度上与现场浮标测量数据的性能。在日尺度上，ERA5有效捕捉到了主导的涌浪方向和总体谱趋势，但在能量方面始终高估，并且与观测值相比存在轻微的方向偏差。在6月至7月期间，ERA5在主导波向和能量方面与测量数据的一致性有所提高。

CRediT作者贡献声明

S.V. 萨米克沙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，项目管理，方法论，调查，数据管理，概念化。R. 哈里克里希南：验证，方法论，调查，正式分析。K. 苏迪什：验证，正式分析。V. 桑尼尔·库马尔：撰写 – 审稿与编辑。

资助

“作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、资助或其他支持。”

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢CSIR-NIO的主任对本研究的支持。ERA5波谱数据集是从ECMWF免费下载的（http://apps.ecmwf.int/datasets/）。我们感谢Jai Singh在波浪数据收集过程中提供的帮助。现场数据共享符合我们机构的数据共享政策。作者感谢两位审稿人的评论和建议，这些评论和建议提高了论文的质量。NIO的贡献编号为7569。