深海是海洋科学研究优先发展和重要突破的方向，是美国国家自然科学基金会确定的未来10年的优先研究内容之一^[1]，在2012年出版的国家科学思想库海洋卷——《未来10年中国学科发展战略-海洋科学》中也突出强调了其重要性^[2]。

深海海底是地球上历史演化信息保存最好的地方，存在地球上独特的极端海洋环境，具有特殊的物理、生物和水文特征，与上层海洋和海底洋壳之间存在广泛的物质、生物和能量的交换，是海洋科学研究的前沿领域。开展海洋万米深渊探索是人类的梦想，也是海洋科技发展的目标和挑战，对于深刻了解地球生命起源，感知气候变化，促进海洋环境与生态保护，改进地震预报能力都有重要意义^[3]。开展深海科学研究，开发利用深海资源也都必须依靠深海探测设备和装载装备，发展深渊潜水器和具备精细的深海作业能力，才能让科学家可以直接参与到深海前沿科学研究，在深渊环境下进行资源勘查、科学考察和采样以及其它深海特定作业^[4]。

深海科技的重要研究海域是全球海洋最深的海沟海域，现已探明的深度超过万米的深渊海域有5个(图 1)：分别是马里亚纳海沟，最大深度10 920 m^[5]；汤加海沟，最大深度10 882 m^[6]；千岛海沟，最大深度10 542 m^[7]；菲律宾海沟，最大深度为10 497 m^[8]；克马德克海沟，最大深度为10 047 m^[9]。其中又以马里亚纳海沟海域最深，也最为著名。

马里亚纳海沟位于西北太平洋，菲律宾东北、马里亚纳群岛附近，北起硫黄列岛、西南至雅浦岛附近，全长2 550 km，其中最深处为“挑战者深渊”，约为10 920 m，位于11°22.4°N，142°35.6°E，是世界海洋的最深处(图 2)。“挑战者深渊”距离关岛约169海里，距离密克罗尼西亚联邦雅浦港直线距离约289.2海里，距帕劳科罗尔港口直线距离约535.34海里，距巴布新几内亚腊包尔(Rabaul)港和莱城(Lae)港直线距离分别约为1 095海里和1 114海里。

马里亚纳海沟海域是开展万米深渊研究的理想场所，但是该海域位处北半球信风带，也是台风形成、加强和经过的主要海域，天气多变，并常受强风影响，形成恶劣海况，这给开展海上现场作业带来较多限制。

而深渊器的作业需要相对良好的海况条件，根据设计参数，“蛟龙号”及其他相关深渊潜器，必须满足四级海况进行布放，五级海况进行回收^[10]。为保障深潜器海上作业安全，本文搜集和分析了全球海浪回报数据产品，以及基于卫星遥感的海浪数据产品，采用概率气象水文预报形式^[11]，讨论了马里亚纳海沟海域极端海洋环境条件下，海浪要素的特征、巨浪发生频次，为选取合理的深潜器作业窗口，保障作业安全提供辅助决策信息。

1 数据与方法 1.1 数据来源及处理方法

为了开展马里亚纳海沟海域海况的研究，我们选用了两个海浪数据产品。其中，数值模型回报数据产品，它是美国国家海洋大气管理局(NOAA)与美国环境预报中心(NCEP)在WAVEWATCHI和WAVEWATCHII的基础上开发的全谱空间的第三代海浪模型，是基于WAVEWATCH Ⅲ模式的计算结果，简称WWIII。该模式运用JONSWAP谱的条件下，在传播过程中考虑地形和海流空间变化导致的波浪折射作用和浅水变形作用及线性的波浪传播运动。共发布了与海面有关的9种数据产品，可以用于船舶航行、远洋捕捞专业、海上营救、港口建设、海上工程建设、海洋科学研究等方面^[12]。全球与北极的回报数据空间分辨率为30分度网格；阿拉斯加，北大西洋，美国西海岸(包括墨西哥湾流)以及太平洋岛屿的回报数据空间分辨率为10分度网格，阿拉斯加和美国西海岸的回报数据还有更高精度的4分度网格。可下载的有波场，海浪谱和站点3种输出数据，主要下载地址为http://data.nodc.noaa.gov/ncep/nww3/。本文研究使用的回报数据为2005年2月1日0时到2015年7月31日24时，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为3 h。

我们使用的观测数据产品是Jason-2卫星产品。OSTM/Jason-2是法国航天局(CNES)、美国国家航空航天局(NASA)、欧洲气象卫星组织(EUMETSAT)和美国国家海洋大气管理局(NOAA)的一项联合任务。该卫星于2008年6月20日在美国加利福尼亚州的范登堡空军基地被成功发射升空，它的轨道高度为1336 km，轨道倾角为66.04°，重复周期约为9.915 6 d。经过变轨处理后，在2009年8月5日，对外发布了Jason-2的“T”GDRs数据产品。其观测结果可以改善浅海与大洋的模型，改良气候预测以及全球海平面变化的测量，增强我们对海洋环流的理解^[13]。Jason-2卫星装载Poseidon-3号高度计，有Ku波段(13.575 GHz)与C波段(5.3 GHz)两种波段，采样频率为1 s。数据经过了干对流层订正，湿对流层订正，电离层订正，海况订正后测量精度达到2 cm。由于C波段受地面微波等干扰源的同频干扰比较严重，存在部分观测有效波高远大于10米的可疑数据，我们采用了Ku波段数据。对基于Jason-2的swh_ku数据，通过Jason-2数据集中的surface_type与qual_alt_1hz_range_ku，以及3σ准则对Jason-2数据进行质量控制^[14]，主要下载地址为http://data.nodc.noaa.gov/jason2/。本文研究使用的卫星数据为2008年7月5日0时到2014年12月31日24时，空间分辨率为6 km，时间分辨率为1 s。

本文研究区域根据作业需求以11°20°N，142°11.5°E为中心，空间覆盖约600 km范围，包括22个经向网格点(6°N-16.5°N)和32个纬向网格点(134°E-149.5°E)。

2 结果与讨论 2.1 数据校验

本文首先比较分析了Jason-2与WWⅢ海浪数据产品，在2008年7月5日0时到2014年12月31日24时，共有193 455个有效数据。

得到在此期间，两个产品的有效波高相关系数为0.77，均方根偏差为0.52 m，标准差为0.79。其中，在2月相关性系数最大为0.78，均方根偏差为0.48 m；在7月相关性系数最小为0.53，均方根偏差为0.67 m。冬季与早春平均有效波高大于1.80 m，两个数据的相关性较强，为0.7~0.78；夏季平均有效波高较小，低于1.34 m，两个数据相关性相比冬季较弱，为0.53~0.63(表 1)。

选取泰勒图方法将模式数据与观测数据的相关性系数、标准差、均方根偏差同时显示在二维的图中，以反映出模式结果与观测值的匹配程度^[15]。为了了解在不同月份中WWⅢ海浪回报能力的差异，我们将WWⅢ回报数据与Jason-2观测数据逐月进行比较。大部分模式数据的均方偏差在0.4~0.6/m弧线之间，4月和5月的均方根偏差最小；相关性系数集中在0.6~0.8之间，只有5—7月低于0.6；12个月模式的标准差主要在0.6~0.8 m之间(图 3)。

通过以上对比，WWⅢ的有效波高与Jason-2波高数据一致性很好，说明模式回报具有较好的可信度。而回报数据提供了大范围、长期的海浪信息，更适合应用于海浪的分析和研究工作。

2.2 多年逐月平均海浪状况

海浪波高和周期的地理分布图可以更直观的给出海浪的特征^[16]，体现不同海域有效波高的分布情况，为此，根据0.5°×0.5°每个网格点上的有效波高取逐月平均进行分析。为了解该海域整体的有效波高情况，对有效波高数据也计算了逐月区域平均值，以此分析马里亚纳海沟海域巨浪出现的频率以及时空分布特征的概率统计，得到如下结果：

根据分析，研究海域多年逐月平均有效波高和周期地理分布如图 4所示。从图中实线和阴影对应的波高分布可以看出，整个海区，波高呈北高南低的态势，南北有效波高最大可相差0.5 m以上(夏季)和1 m以上(冬季)，主要海浪极大值出现在岛屿附近。马里亚纳海沟海域的海浪有效波高介于研究海域的平均值附近。波浪周期空间总体趋势也具有北部略高的特点，但是在5—9月周期呈东北高，西南低的特点，最大相差可达0.3 s以上。

根据研究区域的有效波高数据，进一步得到其出现频率(图 5)，其中0~4 m海浪出现频率占到98.89%，其中，0~1 m、1~2 m、2~3 m、3~4 m波高出现频率分别为11.33%、54.02%、27.62%、5.93%。多年逐月平均波高为0.70~3.04 m，周期为7. 3~10.3 s。夏季是全年中平均波高最小的季节，波高在0.74~1.78 m。与冬季相比，夏季波高下降了0.52~1.25 m，区域平均值为1.34 m，海浪周期为7.3~8.8 s；冬季波高为1.26~3.03 m，区域平均值为2.41 m，海浪周期为8.9~10.3 s；春秋两季为过渡期，波高在0.70~2.58 m，区域平均值分别为1.80 m，1.68 m，海浪周期为7.6~9.9 s。

2.3 巨浪的时空分布特征

为了解对海上活动及作业安全有更显著影响的巨浪的特征，进一步分析了4米以上巨浪频率^[17](图 6)，可以看出冬季巨浪频率较高，区域平均值为2.11%，其中1月份的巨浪频率的极大值超过了14%。春夏秋三季巨浪频率较低，区域平均值分别为0.64%、0.76%、0.95%，有6个月的巨浪频率的极大值不超过5.5%，其中有3个月的巨浪频率的极大值不超过1.5%。地理分布上看，从12月到次年11月巨浪频率高值区主要在12°N-15°N，134.5°E-136°E的范围内，其中巨浪频率整体是由西北向东南递减。在马里亚纳海沟作业海域，巨浪频率的逐月区域平均值在为0.2%和3.5%之间。

冬季(12月到2月)：冬季巨浪频率最高，区域平均值为2.11%。冬季三个月中，1月份的巨浪频率最高，极大值超过14%。2月份，巨浪频率开始降低。巨浪的地理分布：在12°N-16°N，134.5°E-138°E为巨浪出现的高值区。巨浪频率由西北向东南递减。

春季(3月到5月)：巨浪出现的频率低于冬季，区域平均值为0.64 %。从3月到5月，巨浪频率逐渐降低，在5月份达到全年最低，巨浪频率的极大值小于1.5%。巨浪的地理分布：因为在整个研究海域中巨浪频率小，巨浪的地理分布整体是由北向南递减，东西向变化差异很小。

夏季(6月到8月)：夏季巨浪频率相比春季，有小幅度提升，区域平均值为0.76 %，从6月到8月，巨浪频率开始。巨浪频率的极大值大于4.8%。巨浪的地理分布：巨浪出现的高值区向东移动，为14°N-16°N，135°E-140°E。巨浪频率由西北向东南递减。

秋季(9月到11月)：开始向冬季的情况过渡。秋季巨浪频率的区域平均值为0.95%。从9月到11月，巨浪频率继续增加，巨浪频率的极大值大于7.5%。巨浪的地理分布：巨浪频率高值区出现在14°N-16°N，134.5°E-138°E，向冬季分布情况演变。巨浪的出现频率是由西北向东南递减。

2.4 海上作业安全分析

参考“蛟龙号”设计参数和作业安全要求的环境条件，即布放(4级海况)与回收(5级海况)^[10]，为了保障海上作业安全，均以海况等级的最低波高来进行统计，四级海况按有效波高小于1.25 m，五级海况按有效波高小于2.5 m进行统计。统计得到马里亚纳海沟4级海况与5级海况的概率分布(图 7~8)。参考“蛟龙号”潜水器海上试验的作业时间，以10 d为海上作业时间长度(占每月总天数的1/3)，选取符合要求的海况出现概率达到30%以上的月份，将其作为选择开展作业时间的标准^[18]。

根据图 7~8及表 2可以得到：在马里亚纳海沟作业海域，五级海况出现频率在全年中都大于50%，其中，4月到10月，出现概率均大于90%。

5到10月，四级海况出现的频率为30%~60%，可以开展深渊潜器的作业。但是要注意到，在统计结果中，缺少对达到作业标准的持续天数的统计，并且深渊潜器一次完整的上下潜时间超过10小时，结果中未体现海况的昼夜变化。从统计上，在7、8、9月份更适合深渊器开展海上作业，可以工作的时间超过了50%，平均波高在1.2~1.4 m，周期为8.2~8.5 s。虽然在5月与10月中，四级海况出现的频率在30%~40%，但是这两个月份，会出现一些海上试验项目无法展开的情况，存在一定的风险。

在其他月份，好于四级海况出现频率都低于30%，在该海域进行海上实验活动，应更多地关注天气变化，避免在恶劣海况下影响安全。

3 结论

(1) 在马里亚纳海沟海域，多年逐月平均波高为1.30(6月)~2.53 m(1月)，周期为8.0(6月)~9.6 s(12月)。海浪季节差异显著，其中冬季平均波高最大，夏季平均波高最小，春秋两季为过渡期。

(2) 发生4 m以上巨浪频率范围为0.2%~3.5%，冬季巨浪频率较高，春夏秋三季巨浪频率较低。在空间分布上看，从12月到次年11月巨浪频率高值区主要在12°N-15°N，134.5°E-136°E，其中巨浪频率是由西北向东南递减。

(3) 按照四级海况的频率在5到10月为30%~60%，其余时间都低于30%。五级海况出现频率在全年中都大于50%，其中，4月到10月，出现概率均大于90%。

(4) 深渊潜器，在马里亚纳海沟海域更适合的作业时间为5月到10月，在其他时间进行作业时，需要注意关注天气，以避免恶劣的海况条件。