中國海海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)時(shí)空分布特征研究

鄭崇偉 陳志祿 賈本凱1, 劉志宏

1. 解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

2. 91967部隊(duì)氣象臺(tái)，河北 沙河 054100； 3. 92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧 大連 116041

中國海海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)時(shí)空分布特征研究

鄭崇偉1,3陳志祿2賈本凱1,2劉志宏

1. 解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

2. 91967部隊(duì)氣象臺(tái)，河北 沙河 054100； 3. 92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧 大連 116041

利用來自ECMWF的ERA-40海浪再分析資料，采用EOF、線性回歸、功率譜分析等方法，對(duì)中國海的海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪的變化趨勢(shì)的及周期進(jìn)行研究，為海洋水文保障、海洋工程等提供參考。

中國海；海表風(fēng)場(chǎng)；風(fēng)浪；涌浪；混合浪Abstract

In this paper, the ERA-40 wave reanalysis was used to analyze the characteristics of sea surface wind field, wind sea, swell and mixed wave field in the China Sea from the year 1958 to 2001. The long-term trend and periods of sea surface wind field, wind sea, swell and mixed wave field were analyzed, which can apply guidance to wave energy development, navigation, marine engineering and so on.

the China Sea; sea surface wind field; wind sea;swell; mixed wave field

引言

中國海位于西北太平洋，針對(duì)中國海的波候特征，前人做了較多工作。鄧兆青等[1]利用RAMS模式輸出的20年風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)SWAN模式，對(duì)渤海近20年的海浪場(chǎng)進(jìn)行了模擬發(fā)現(xiàn)，模擬的有效波高與實(shí)測(cè)值較一致，遼東灣的常浪向?yàn)镾SW，強(qiáng)浪向?yàn)镾SW，渤海中部的常浪向?yàn)镾，強(qiáng)浪向?yàn)镹E，渤海海峽的常浪向?yàn)镹NW，強(qiáng)浪向?yàn)镹NW，萊州灣的常浪向?yàn)镾，強(qiáng)浪向?yàn)镹NE，渤海灣常浪向?yàn)镾，強(qiáng)浪向?yàn)镹E；并利用Gumbel極值推算方法計(jì)算了渤海的極值波高，發(fā)現(xiàn)極值波高的大值區(qū)位于渤海東南部海域，百年一遇極值波高能達(dá)到6.7米。齊義泉等[2]利用1992年10月～1997年8月共59個(gè)月的TOPEX/Poseidon高度計(jì)反演的海表風(fēng)速和有效波高，用EOF方法分析了南海海表風(fēng)場(chǎng)和浪場(chǎng)的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)南海海表風(fēng)場(chǎng)和浪場(chǎng)的第一、第二模態(tài)具有很好的相似性。

前人的工作對(duì)于中國海的波候研究作了很大的貢獻(xiàn)，但以往多是針對(duì)空間分布特征的研究，且主要是針對(duì)混合浪的研究，本文在前人的基礎(chǔ)上深入，利用來自ECMW F（歐洲天氣預(yù)報(bào)中心）將風(fēng)浪、涌浪分離的ERA-40海浪再分析資料，對(duì)中國海的海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)的長期變化趨勢(shì)及周期進(jìn)行研究，為海洋水文保障、海洋工程、海洋權(quán)益的維護(hù)等提供參考。

1 資料簡(jiǎn)介

E R A-4 0海浪再分析資料來自E C M W F，是全球第一份耦合海浪（W AM）和大氣環(huán)流模式模擬結(jié)果并同化觀測(cè)資料得到的再分析產(chǎn)品。該資料覆蓋全球大部分海域，時(shí)間范圍從1957年09月01日-2002年08月31日，空間分辨率為1.5°×1.5°，時(shí)間分辨率為6小時(shí)。ERA-40海浪再分析資料具有較高精度和時(shí)空分辨率[3][4]，被國外廣泛運(yùn)用[3][4][5]。

2 資料分析

將中國海的海表風(fēng)速、風(fēng)浪、涌浪、混合浪波高從1958年-2001年的進(jìn)行逐年平均，分別得到各個(gè)要素場(chǎng)44個(gè)時(shí)次的年平均值，用EOF方法分析其時(shí)空分布特征。

第一模態(tài)反映了氣候背景場(chǎng)，其他模態(tài)則是疊加在背景場(chǎng)上的擾動(dòng)場(chǎng)。從表1可看出各要素EOF分析的第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)達(dá)都超過98%，各要素的前兩模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)率超過99%，取前兩模態(tài)已能夠充分反映各要素的主要特征。

圖1 ：中國海海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)EOF分析的

第一模態(tài)（a-d）和第二模態(tài)（e-h）空間分布特征

表1 年際變化中各要素前3個(gè)特征向量的原始場(chǎng)的方差貢獻(xiàn)率

2.1 風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)空間分布特征

由圖1a-圖1d可以看出,海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)EOF分析的第一模態(tài)在整個(gè)中國海呈同位相分布。海表風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)浪場(chǎng)的空間分布特征較為一致，第一模態(tài)的大值區(qū)位于琉球群島——呂宋海峽——中南半島東南海域一線，高值中心位于呂宋海峽和中南半島東南部海域，與冬季海表風(fēng)場(chǎng)的大值區(qū)一致；涌浪場(chǎng)和混合浪場(chǎng)的空間分布特征較為接近，第一模態(tài)的等值線在黃渤海和東海呈東西帶狀分布，在南海則呈東北-西南走向，大值區(qū)位于南海北部海域。

由圖1e-圖1h可以明顯看出, 海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)EOF分析的第二模態(tài)空間分布特征都較為接近，四者存在一個(gè)顯著的共同特點(diǎn)：約以15°N為界，南北呈反位相分布，高值中心位于黃海中部海域，低值區(qū)位于中南半島東南海域。

2.2 風(fēng)速、波高長期變化趨勢(shì)

采用線性回歸方法，分析中國海近44年海表風(fēng)速、風(fēng)浪、涌浪、混合浪波高EOF分析的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的變化趨勢(shì)。

圖2 a～d：中國海海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪EOF分析第一模態(tài)時(shí)間序列及變化趨勢(shì)

海表風(fēng)速EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的回歸系數(shù)為0.0565；相關(guān)系數(shù)|r|=0.31>r0.05=0.29, 遞增趨勢(shì)顯著；

風(fēng)浪EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的回歸系數(shù)為0.0099；相關(guān)系數(shù)|r|=0.21

涌浪EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的回歸系數(shù)為0.0793；相關(guān)系數(shù)|r|=0.65>r0.05=0.29, 線性遞增趨勢(shì)顯著；

混合浪EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的回歸系數(shù)為0.08；相關(guān)系數(shù)|r|=0.67>r0.05=0.29, 線性遞增趨勢(shì)顯著。

中國海的海表風(fēng)速、涌浪、混合浪波高在1958-2001年期間呈顯著的逐年現(xiàn)行遞增趨勢(shì)，風(fēng)浪波高在1958-2001年期間則無明顯的變化趨勢(shì)，詳見圖2。

2.3 周期分析

對(duì)中國海海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)EOF分析的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行功率譜分析，分析各個(gè)要素的變化周期，見圖3a-圖3d。

海表風(fēng)場(chǎng)存在2～2.3年、3.3年、4.29～6年的周期變化及30年的長周期震蕩；風(fēng)浪場(chǎng)存在3～6年的周期變化；涌浪場(chǎng)存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期變化及30年的長周期震蕩；混合浪場(chǎng)存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期變化及30年的長周期震蕩。

海表風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)浪場(chǎng)存在3.3年和4.29～6年的共同周期；涌浪場(chǎng)和混合浪場(chǎng)共同存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期變化及30年的長周期震蕩。

3 結(jié)論

（1）海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)EOF分析的第一模態(tài)在整個(gè)中國海呈同位相分布。海表風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)浪場(chǎng)的空間分布特征較為一致，第一模態(tài)的大值區(qū)位于琉球群島——呂宋海峽——中南半島東南海域一線；涌浪場(chǎng)和混合浪場(chǎng)的空間分布特征較為接近，第一模態(tài)的等值線在黃渤海和東海呈東西帶狀分布，在南海則呈東北-西南走向。海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)EOF分析的第二模態(tài)空間分布特征都較為接近，四者存在一個(gè)顯著的共同特點(diǎn)：約以15°N為界，南北呈反位相分布。

（2）中國海的海表風(fēng)速、涌浪、混合浪波高在1958-2001年期間呈顯著的逐年現(xiàn)行遞增趨勢(shì)，風(fēng)浪波高在1958-2001年期間則無明顯的變化趨勢(shì)。

圖3 a～d：中國海海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪EOF分析第一模態(tài)時(shí)間序列的功率譜分析

（3）中國海的海表風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)浪、涌浪、混合浪場(chǎng)存在多尺度的周期變化。海表風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)浪場(chǎng)存在3.3年和4.29～6年的共同周期；涌浪場(chǎng)和混合浪場(chǎng)共同存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期變化及30年長周期震蕩。

[1]鄧兆青，周良明，吳倫宇，等.渤海重現(xiàn)期波高的數(shù)值計(jì)算[J]. 海洋湖沼通報(bào).2 0 0 7，（增刊）：8-1 4

[2]齊義泉，施平，毛慶文，等.基于T/P資料分析南海海面風(fēng)、浪場(chǎng)特征及其關(guān)系[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展.2003, Ser.A, 18(5):619-624

[3]Alvaro Semedo，Kay Suelj. A Global View of the Wind Sea and Swell Waves Interannual Variability from ERA-40 11th International workshop on wave. Handcasting and Forcasting,2009，4:8-23

[4]Alvaro Semedo，Kay Suelj, Anna Rutgersson,et al. A Global View on the Wind Sea and Swell Climate and Variability from ERA-40[J].Journal of Climate,2010.doi:10.1175/2010JCLI3718.1

[5]M.A. Hemer, J.A. Church and J.R. Hunter.Waves and Climate Change on the Australian Coast[J]. Journal of Coastal Research, 2007,50:432-437

Characteristics of Sea Surface W ind Field and Wave Field Analysis in the China Sea

Zheng Chongwei1,3Chen Zhilu2JIA Benkai1,2LIiu Zhihong3
(1. Institute of Meteorology, PLA Univ. of Sci.＆ Tech.，Jiangsu Nanjing 211101)(2. Meteorological Section, NO. 91967 Army of PLA，Hebei Shahe 524022；3. 12 Unit, NO. 92538 Army of PLA，Liaoning Dalian 116041)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.015

鄭崇偉（1 9 8 3-），男，四川宜賓人，碩士生，主要從事波候及波浪能資源研究。