DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2026.1779394
تاريخ النشر: 2026-04-10
المؤلف: Bismarck Jigena-Antelo وآخرون
الموضوع الرئيسي: أمواج المحيط والاستشعار عن بُعد
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير شذوذات ضغط الرياح من المحيط الجنوبي على تقلبات طاقة الأمواج على طول الساحل البيروفي، باستخدام بيانات إعادة التحليل ERA5. من خلال تحليل ضغط الرياح عند خطوط العرض 30°S، 40°S، 50°S، و60°S، تكشف الأبحاث أن الشذوذات عند 50°S و60°S تمثل 45-55% من التباين في طاقة الأمواج في مواقع مثل بايتا، كاليوا، وإيلو، مع تأخيرات استجابة تتراوح بين 5-7 أيام. تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين قوة الرياح عند خطوط العرض الجنوبية والطاقة التي تصل إلى شرق المحيط الهادئ الجنوبي، مع ارتباطات سنوية مرتبطة بظاهرة النينيو- oscillation الجنوبية (ENSO) والتغيرات العقدية المتأثرة بالنمط الجنوبي الحلقي (SAM).
تؤكد النتائج على الدور الحاسم لعمليات الغلاف الجوي في خطوط العرض العالية في تشكيل المناخ الإقليمي للأمواج، مما له آثار على إدارة السواحل وتخطيط الطاقة المتجددة. تسلط الدراسة الضوء على الإمكانية التنبؤية بشأن أحداث الأمواج الشديدة، والتي يمكن أن تساعد في سلامة الملاحة وحماية البنية التحتية. بالإضافة إلى ذلك، يتماشى الزيادة الملحوظة في طاقة الأمواج منذ التسعينيات مع الاتجاهات العالمية لتكثيف طاقة الأمواج المدفوعة بالمناخ. يتم تشجيع الأبحاث المستقبلية على التعمق في الآليات التي تربط بين قوة الرياح البعيدة والديناميات القريبة من الشاطئ، مما يعزز الفهم والقدرات التنبؤية لموارد طاقة الأمواج في بيرو.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على الدور المهم للأمواج البحرية في الديناميات الشكلية الساحلية وتأثيرها على عوامل مختلفة مثل نقل الرواسب، والتآكل، واستغلال الطاقة المتجددة. تؤكد على الحاجة لفهم أعمق لكيفية تأثير قوة الرياح على طاقة الأمواج التي تصل إلى الساحل البيروفي، والتي تتأثر بشكل رئيسي بالأمواج طويلة المدى الناتجة عن مسارات العواصف في نصف الكرة الجنوبي. تشير الورقة إلى دراسات حديثة تربط بين طاقة الأمواج والضعف الساحلي وتأثير الهياكل الدفاعية على تعديلات الشاطئ، مما يبرز أهمية قياس التأثيرات الجوية على ديناميات الأمواج.
تستعرض المقدمة أيضًا الأدبيات الموجودة حول تقلبات طاقة الأمواج وحساسيتها للعوامل المناخية، مشيرة إلى أنه على الرغم من أن العديد من الدراسات قد استكشفت هذه العلاقات على مستوى العالم، إلا أن التحليلات المنهجية المحددة للسياق البيروفي لا تزال محدودة. تناقش تعديل أنظمة الأمواج بواسطة أنماط المناخ مثل ENSO وSAM، والتي تؤثر على نشاط العواصف وتوليد الأمواج. يتم تسليط الضوء على ضرورة تقييم تأثيرات الأمواج في ضوء ارتفاع مستويات البحر وزيادة الأمواج، مما يزيد من مخاطر التآكل. تهدف الدراسة إلى قياس العلاقة بين ضغط الرياح في المحيط الجنوبي وطاقة الأمواج على طول الساحل البيروفي، وتحديد خطوط العرض الرئيسية المؤثرة والتأخيرات الزمنية، وتقييم الأنماط المناخية التي تؤثر على هذه التفاعلات على مدى فترات زمنية تتراوح بين سنوية إلى عقدية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام بيانات إعادة التحليل ERA5 من ECMWF (1979-2023) لتقييم ضغط الرياح وظروف الأمواج على طول مسارات العواصف في المحيط الهادئ الجنوبي عند خطوط العرض 30°S، 40°S، 50°S، و60°S، تحديدًا عند 90°W. البيانات، التي تقدم حقولًا ساعة بدقة مكانية تبلغ 0.25°، مكنت من استخراج مكونات ضغط الرياح ومعلمات الأمواج البحرية، بما في ذلك ارتفاع الأمواج الهامة ($H_s$) وفترة الطاقة ($T_e$)، من ثلاثة مواقع ساحلية في بيرو: بايتا، كاليوا، وإيلو. تم التحقق من موثوقية بيانات الأمواج ERA5 مقابل قياسات الأقمار الصناعية وسجلات العوامات، مما يؤكد دقتها في تمثيل خصائص مناخ الأمواج الساحلية.
تم حساب تدفق طاقة الأمواج ($P$) باستخدام الصيغة $P = \frac{1}{64\pi} \rho g^2 H_s^2 T_e$، حيث $\rho$ هو كثافة الماء و$g$ هو تسارع الجاذبية. استخدمت الدراسة دوال الارتباط المتقاطع لاستكشاف علاقات التأخير بين شذوذات ضغط الرياح وطاقة الأمواج، مع تحديد الأهمية من خلال اختبارات مونت كارلو. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل تماسك الموجات لاستكشاف الترابط الزمني-الترددي بين ضغط الرياح وطاقة الأمواج، مع التركيز على دورات مرتبطة بـ ENSO وSAM. تم قياس الاتجاهات طويلة الأجل في طاقة الأمواج من 1979 إلى 2023، مما يكشف عن تباين مكاني على طول الساحل البيروفي، مع التعبير عن الاتجاهات كنسب مئوية لكل عقد وحساب نطاقات عدم اليقين باستخدام تصحيحات HAC/AR للاعتماد الذاتي.
النتائج
تشير النتائج إلى وجود علاقة كبيرة بين شذوذات ضغط الرياح عند 50°S وتقلبات طاقة الأمواج على طول الساحل البيروفي، خاصة خلال أحداث النينيو- oscillation الجنوبية (ENSO) الكبرى. أظهر تحليل الارتباط المتقاطع اتصالات قوية، مع أقصى ارتباطات لوحظت عند تأخيرات تتراوح بين 5-7 أيام. تم العثور على أقوى ارتباط في إيلو (r = 0.65، تأخير = -5 أيام)، تليها كاليوا (r = 0.60، تأخير = -5 أيام) وبايتا (r = 0.58، تأخير = -6 أيام). كشفت التحليلات الموسمية أن طاقة الأمواج تصل إلى ذروتها خلال الشتاء الأسترالي (يونيو-يوليو-أغسطس)، مع تدرج عرضي يشير إلى زيادة طاقة الأمواج في إيلو مقارنة بكاليوا وبايتا، مما يعكس تعرضًا أكبر لطاقة الأمواج من المحيط الجنوبي.
أكد تحليل تماسك الموجات وجود ارتباط كبير بين شذوذات ضغط الرياح وطاقة الأمواج، خاصة خلال ذروات ENSO، مع قيم تماسك تتجاوز 0.7 في نطاق ENSO من 2-7 سنوات. بالإضافة إلى ذلك، أظهر التحليل متعدد العقود زيادة ثابتة في طاقة الأمواج منذ أوائل التسعينيات، مع اتجاهات خطية تشير إلى زيادات إجمالية تتراوح بين 8-12% (حوالي 2-3% لكل عقد) عبر المواقع، وكانت هذه الزيادة ملحوظة بشكل خاص بعد عام 1995. تؤكد النتائج على التأثير القوي للقوة عند خطوط العرض الجنوبية على طاقة الأمواج، حيث تعتبر 50°S مثالًا تمثيليًا لهذا الارتباط، على الرغم من ملاحظة أنماط مماثلة عند خطوط عرض أخرى (30°، 40°، و60°S).
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التأثير الكبير لضغط الرياح من المحيط الجنوبي على تقلبات طاقة الأمواج على طول الساحل البيروفي، مع ملاحظات قوية للارتباط بين شذوذات الرياح عند خطوط العرض 50°S-60°S ومناخ الأمواج. تؤكد هذه العلاقة على أن الأمواج طويلة المدى، التي تتولد أساسًا من مسارات العواصف في خطوط العرض المتوسطة والعالية، تنتشر لآلاف الكيلومترات مع فقدان طاقة ضئيل، مما يؤكد التوقعات النظرية. تحدد الدراسة تدرجًا شماليًا-جنوبيًا في قوة الارتباط بين ضغط الرياح وطاقة الأمواج، مع أقوى ارتباطات في إيلو، مما يشير إلى تعرض أكبر لطاقة الأمواج من المحيط الجنوبي في جنوب بيرو. يتماشى التأخير الملحوظ الذي يتراوح بين 5-7 أيام بين ذروات ضغط الرياح وطاقة الأمواج مع سرعات المجموعات للأمواج طويلة المدى، مما يعزز الفكرة بأن مناخ الأمواج يتأثر بشكل رئيسي بالظروف الجوية البعيدة بدلاً من الظروف المحلية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن ظاهرة النينيو- oscillation الجنوبية (ENSO) والنمط الجنوبي الحلقي (SAM) تعدل بشكل كبير تقلبات طاقة الأمواج، حيث تعزز ENSO تدفق الطاقة خلال مراحل النينيو ويؤثر SAM على التذبذبات العقدية. تشير الدراسة إلى زيادة متعددة العقود في طاقة الأمواج منذ أوائل التسعينيات، مما يتماشى مع الاتجاهات العالمية لارتفاع ارتفاع الأمواج بسبب تغير المناخ. وهذا يبرز ضرورة مراعاة كل من التباينات الزمنية والمكانية في تقييمات تأثير المناخ. إن الارتباط القوي بين ضغط الرياح البعيد وطاقة الأمواج لا يسلط الضوء فقط على الارتباط الديناميكي بين الأنظمة الجوية البعيدة والاستجابات الساحلية، بل يشير أيضًا إلى إمكانية استغلال طاقة الأمواج المتجددة في بيرو. يتم تشجيع الأبحاث المستقبلية على دمج النماذج عالية الدقة والملاحظات الميدانية لتحسين فهم هذه الديناميات وتعزيز القدرات التنبؤية لإدارة السواحل والتخفيف من المخاطر.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2026.1779394
Publication Date: 2026-04-10
Author(s): Bismarck Jigena-Antelo et al.
Primary Topic: Ocean Waves and Remote Sensing
Overview
This study investigates the influence of wind stress anomalies from the Southern Ocean on wave power variability along the Peruvian coast, utilizing ERA5 reanalysis data. By analyzing wind stress at latitudes of 30°S, 40°S, 50°S, and 60°S, the research reveals that anomalies at 50°S and 60°S account for 45-55% of the variance in wave power at locations such as Paita, Callao, and Ilo, with response lags of 5-7 days. The findings indicate a strong coupling between southern latitude wind forcing and the energy reaching the eastern South Pacific, with interannual variability linked to the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and decadal changes influenced by the Southern Annular Mode (SAM).
The results underscore the critical role of high-latitude atmospheric processes in shaping the regional wave climate, which has implications for coastal management and renewable energy planning. The study highlights the potential for predictive capacity regarding extreme swell events, which can aid in navigation safety and infrastructure protection. Additionally, the observed increase in wave power since the 1990s aligns with global trends of climate-driven wave energy intensification. Future research is encouraged to delve deeper into the mechanisms connecting remote wind forcing to nearshore dynamics, enhancing the understanding and predictive capabilities of wave energy resources in Peru.
Introduction
The introduction of the paper highlights the significant role of ocean waves in coastal morphodynamics and their influence on various factors such as sediment transport, erosion, and renewable energy exploitation. It emphasizes the need for a deeper understanding of how wind forcing affects wave energy reaching the Peruvian coast, which is predominantly influenced by long-period swells generated by Southern Hemisphere storm tracks. The paper cites recent studies that link wave energy to coastal vulnerability and the impact of defense structures on shoreline adjustments, underscoring the importance of quantifying atmospheric influences on wave dynamics.
The introduction also reviews existing literature on wave power variability and its sensitivity to climate drivers, noting that while several studies have explored these relationships globally, systematic analyses specific to the Peruvian context remain limited. It discusses the modulation of wave regimes by climate modes such as ENSO and SAM, which affect storm activity and wave generation. The urgency of assessing wave impacts is highlighted in light of rising sea levels and intensified swells, which pose increased erosion risks. The study aims to quantify the relationship between Southern Ocean wind stress and wave power along the Peruvian coast, identify key forcing latitudes and temporal lags, and evaluate the climatic modes influencing these interactions over interannual to decadal scales.
Methods
In this study, ERA5 reanalysis data from ECMWF (1979-2023) were utilized to evaluate wind stress and wave conditions along the South Pacific storm tracks at latitudes 30°S, 40°S, 50°S, and 60°S, specifically at 90°W. The data, which offers hourly fields at a spatial resolution of 0.25°, enabled the extraction of wind stress components and offshore wave parameters, including significant wave height ($H_s$) and energy period ($T_e$), from three coastal sites in Peru: Paita, Callao, and Ilo. The reliability of the ERA5 wave data was validated against satellite altimetry and buoy records, confirming its accuracy in representing coastal wave climate characteristics.
Wave power flux ($P$) was calculated using the formula $P = \frac{1}{64\pi} \rho g^2 H_s^2 T_e$, where $\rho$ is water density and $g$ is gravitational acceleration. The study employed cross-correlation functions to explore lead-lag relationships between wind stress anomalies and wave power, with significance determined through Monte Carlo tests. Additionally, wavelet coherence analysis was conducted to investigate time-frequency coupling between wind stress and wave power, focusing on ENSO and SAM-related cycles. Long-term trends in wave power from 1979 to 2023 were quantified, revealing spatial heterogeneity along the Peruvian coast, with trends expressed as percentages per decade and uncertainty bands calculated using HAC/AR corrections for autocorrelation.
Results
The results indicate a significant relationship between wind stress anomalies at 50°S and wave power variability along the Peruvian coast, particularly during major El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events. Cross-correlation analysis demonstrated strong teleconnections, with maximum correlations observed at lags of 5-7 days. The strongest correlation was found at Ilo (r = 0.65, lag = -5 days), followed by Callao (r = 0.60, lag = -5 days) and Paita (r = 0.58, lag = -6 days). Seasonal analysis revealed that wave power peaks during the austral winter (June-July-August), with a latitudinal gradient indicating greater wave power at Ilo compared to Callao and Paita, reflecting enhanced exposure to Southern Ocean swell energy.
Wavelet coherence analysis confirmed significant coupling between wind stress anomalies and wave power, particularly during ENSO peaks, with coherence values exceeding 0.7 in the 2-7 year ENSO band. Additionally, multidecadal analysis showed a steady increase in wave power since the early 1990s, with linear trends indicating total increases of 8-12% (approximately 2-3% per decade) across the sites, particularly pronounced after 1995. The findings underscore the robust influence of southern-latitude forcing on wave power, with 50°S serving as a representative example of this coupling, although similar patterns were noted at other latitudes (30°, 40°, and 60°S).
Discussion
The discussion highlights the significant influence of Southern Ocean wind stress on wave power variability along the Peruvian coast, with strong correlations observed between wind anomalies at latitudes 50°S-60°S and wave climate. This relationship underscores that long-period swells, primarily generated by mid- and high-latitude storm tracks, propagate thousands of kilometers with minimal energy loss, confirming theoretical expectations. The study identifies a north-south gradient in the coupling strength between wind stress and wave power, with the strongest correlations at Ilo, indicating greater exposure to Southern Ocean swell energy in southern Peru. The observed lag of 5-7 days between wind stress peaks and wave power aligns with the group velocities of long-period swells, reinforcing the notion that the wave climate is predominantly influenced by remote rather than local wind conditions.
Additionally, the findings reveal that the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the Southern Annular Mode (SAM) significantly modulate wave power variability, with ENSO enhancing energy flux during El Niño phases and SAM influencing decadal oscillations. The study notes a multidecadal increase in wave power since the early 1990s, consistent with global trends of rising wave height due to climate change. This emphasizes the necessity of considering both temporal and spatial heterogeneities in climate impact assessments. The strong correlation between remote wind stress and wave power not only highlights the dynamic coupling between distant atmospheric systems and coastal responses but also suggests potential for renewable wave energy exploitation in Peru. Future research is encouraged to integrate high-resolution models and in situ observations to refine understanding of these dynamics and improve predictive capabilities for coastal management and hazard mitigation.