南海海表風(fēng)速、波高的變化趨勢(shì)

李榮波，陳曉斌，陳璇，李柄更

(1.92538部隊(duì) 大連 116041；2.75822部隊(duì) 廣州 510510)

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南海海表風(fēng)速、波高的變化趨勢(shì)

李榮波1，陳曉斌1，陳璇2，李柄更1

(1.92538部隊(duì) 大連 116041；2.75822部隊(duì) 廣州 510510)

文章以ERA-40資料為基礎(chǔ)，利用EOF方法分析南海海面風(fēng)速、波高的兩個(gè)模態(tài)空間分布，系統(tǒng)計(jì)算1957—2002年南海海表風(fēng)速、波高的空間分布特征、長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和突變現(xiàn)象。分析結(jié)果顯示，南海海面風(fēng)、浪場(chǎng)的第一模態(tài)具有很好的相似性，第二模態(tài)已表現(xiàn)出不同的特征；第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)也表明風(fēng)場(chǎng)和波高的變化特征具有明顯的正相關(guān)性，而且波高的響應(yīng)具有一定的滯后性；南海風(fēng)速場(chǎng)和海浪場(chǎng)在1973—2002年都存在下降趨勢(shì)，海浪場(chǎng)的下降趨勢(shì)更為顯著。

南海風(fēng)浪場(chǎng)；海表風(fēng)速；有效波高；海洋氣候

1 引言

南海是中國(guó)近海中水深最深、面積最大的海域，位于太平洋與印度洋之間，海洋資源極為豐富，也是各國(guó)商業(yè)航運(yùn)、石油運(yùn)輸和海軍艦隊(duì)往返的主要航道，亦是中國(guó)海上絲綢之路的重要通道[1-2]，關(guān)系到我國(guó)海上石油安全與海洋權(quán)益，戰(zhàn)略地位不言而喻[3]。

海浪包括風(fēng)浪和涌浪，在一些典型災(zāi)害性天氣的影響下往往破壞力驚人，海上鉆井平臺(tái)、航行中的商船客船都曾發(fā)生過被大浪襲擊而傾覆的慘痛案例，生命財(cái)產(chǎn)蒙受巨大損失?？耧L(fēng)巨浪對(duì)軍事行動(dòng)也有重大影響，“二戰(zhàn)”時(shí)期美國(guó)海軍艦隊(duì)因?qū)Α昂栙悺迸_(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確而遭到臺(tái)風(fēng)浪侵襲，損失慘重[4-7]。因此，詳細(xì)了解與分析南海海域的風(fēng)浪場(chǎng)分布尤為重要。

齊義泉等[8-9]曾利用約59個(gè)月的TOPEX/Poseidon(T/P)高度計(jì)反演的海表風(fēng)速和有效波高，采用經(jīng)驗(yàn)(自然)正交函數(shù)分析(Empirical Orthogonal Function，EOF)方法，分析南海海表風(fēng)場(chǎng)和浪場(chǎng)的時(shí)空分布特征，研究發(fā)現(xiàn)有效波高的前兩個(gè)模態(tài)與風(fēng)場(chǎng)的前兩個(gè)模態(tài)基本相似，得出南海的風(fēng)、浪之間有很好的相關(guān)性；同時(shí)初步判定風(fēng)場(chǎng)的第一典型場(chǎng)可能是季風(fēng)強(qiáng)盛期的風(fēng)場(chǎng)特征，第二典型場(chǎng)體現(xiàn)出季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的風(fēng)場(chǎng)特征，而第三模態(tài)的風(fēng)浪場(chǎng)則開始表現(xiàn)明顯不同的特征。

前人對(duì)海表風(fēng)速、波高年際變化的精細(xì)化研究仍較為少見。本文利用ERA-40資料系統(tǒng)計(jì)算1957—2002年海表風(fēng)速、波高的空間分布特征、長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和突變現(xiàn)象，為研究全球氣候變化、海洋能開發(fā)等提供依據(jù)。

2 資料與方法

ERA-40海浪資料來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)。ERA-40海浪再分析資料是全球第一份耦合海浪(WAM)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，利用EOF分析方法，首先分析海表風(fēng)速、波高的空間分布特征，并進(jìn)一步分析各自模態(tài)的時(shí)間系數(shù)隨時(shí)間的變化特征，最后用MK檢驗(yàn)方法分析南海海表風(fēng)場(chǎng)、有效波高的氣候突變形勢(shì)，探討海表風(fēng)速、波高年際變化的精細(xì)化研究。該資料的空間范圍為90°S—90°N、180°W—180°E，時(shí)間范圍為1957年9月1日0：00至2002年8月31日18：00，空間分辨率為1.5°×1.5°，時(shí)間分辨率為6 h[10]。ERA-40海浪資料是目前風(fēng)浪和涌浪分離的較佳選擇。

3 海表風(fēng)速、波高的年際變化

對(duì)南海1957—2002年逐年年平均的海表風(fēng)速、有效波高進(jìn)行EOF分析。為突出年際變化的擾動(dòng)特征，用年平均距平值作為EOF資料矩陣。

3.1 空間分布特征

年際變化中海面風(fēng)速、混合浪波高的前3個(gè)特征向量的原始距平場(chǎng)的方差貢獻(xiàn)率如表1所示，可以看出，風(fēng)場(chǎng)和海浪的前兩個(gè)模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)分別超過50%和82%，因此本文只取前兩個(gè)模態(tài)分析已能充分反映要素場(chǎng)年際變化的擾動(dòng)特征。

表1 年際變化中各要素前3個(gè)特征向量的

海表風(fēng)場(chǎng)的空間分布特征如圖1所示，第一模態(tài)最大增加區(qū)在南海區(qū)域呈現(xiàn)NE—SW走向，這一模態(tài)反映的是影響整個(gè)南海的季風(fēng)最強(qiáng)盛時(shí)期的狀況，這與齊義泉[8]的結(jié)論一致；第二模態(tài)顯示，南海南部海域風(fēng)速存在負(fù)偏差、北部為正偏差，反映的是南海南部受季風(fēng)減弱或增強(qiáng)而北部將對(duì)應(yīng)增強(qiáng)或減弱的反相關(guān)關(guān)系，其零偏差大約在10°N 線附近，這一模態(tài)的風(fēng)場(chǎng)分布比王靜[9]的結(jié)論偏南5°，可能是與選取的ERA-40與TP高度計(jì)資料的差異有關(guān)。事實(shí)上，在冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的建立過程中，南北部的風(fēng)場(chǎng)分布確實(shí)存在明顯的反相關(guān)關(guān)系[8-9]。

圖1 海表風(fēng)速EOF分析的前兩個(gè)模態(tài)空間分布

有效波高的空間分布特征如圖2所示，不難看出第一模態(tài)的分布形式與風(fēng)速距平場(chǎng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明南海風(fēng)場(chǎng)與海浪場(chǎng)之間有很好的正相關(guān)性；但第二模態(tài)的分布已經(jīng)有明顯差別，說明在長(zhǎng)周期序列中海浪場(chǎng)的分布不完全由風(fēng)場(chǎng)決定，南海涌浪場(chǎng)的分布差別可能是影響有效波高空間分布的原因之一。

圖2 有效波高EOF分析的前兩個(gè)模態(tài)空間分布

3.2 長(zhǎng)期變化趨勢(shì)

將南海海表風(fēng)速、有效波高的前兩個(gè)模態(tài)進(jìn)行逐年平均來分析各自模態(tài)的時(shí)間系數(shù)隨時(shí)間的變化特征，其中EOF分析的第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)如圖3a所示，風(fēng)場(chǎng)和波高的變化特征具有明顯的正相關(guān)性，且波高的響應(yīng)具有一定的滯后性。

海面風(fēng)場(chǎng)、海浪場(chǎng)EOF分析的第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)如圖3(b)所示，風(fēng)場(chǎng)和波高的變化特征在1978年之前具有明顯的負(fù)相關(guān)性，且1978年之前的個(gè)別年風(fēng)場(chǎng)和波高的時(shí)間系數(shù)連線有所相交；1978年之后則完全沒有相交，而且風(fēng)場(chǎng)和波高的變化趨勢(shì)又再次呈現(xiàn)正相關(guān)的特征。

圖3 海表風(fēng)速、波高EOF模態(tài)時(shí)間系數(shù)的變化

3.3 突變現(xiàn)象

利用海面風(fēng)場(chǎng)、海浪場(chǎng)EOF分析的第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)，采用MK檢驗(yàn)方法分析南海海表風(fēng)場(chǎng)、有效波高的氣候突變形勢(shì)。MK突變檢驗(yàn)是判斷序列發(fā)展趨勢(shì)的檢驗(yàn)方法之一，這里的MK方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，也稱無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較方便[11]。

UF表示順序時(shí)間序列下的統(tǒng)計(jì)量，UB表示逆序時(shí)間序列下的統(tǒng)計(jì)量，上下直線表示在顯著性水平α=0.05時(shí)的臨界值±1.96(圖4)。1958—1972年間，UF和UB曲線雖然存在5個(gè)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，但海表風(fēng)場(chǎng)UF曲線并無穿越臨界線的區(qū)域，故該時(shí)間段無突變現(xiàn)象；而1973—2002年，南海海表風(fēng)場(chǎng)第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)有下降趨勢(shì)，兩條曲線不穿越臨界線，故該時(shí)間段也不是出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域，只是1997—2002年兩條曲線有4個(gè)交點(diǎn)，綜上海表風(fēng)速在1958—2002年并不存在突變現(xiàn)象[圖4(a)]。1967—2002年，UF曲線的取值一直小于0，說明南海波浪場(chǎng)第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)有下降趨勢(shì)，且1980年后UF曲線的取值低于-1.96，說明波浪場(chǎng)的下降趨勢(shì)顯著；1985年UF與UB兩條曲線在-1.96的臨界線下方存在一個(gè)交點(diǎn)，但按照MK檢驗(yàn)方法的定義并不能判斷波浪場(chǎng)的突變時(shí)間為1985年，因此南海風(fēng)速場(chǎng)和海浪場(chǎng)在1973—2002年都存在下降趨勢(shì)，海浪場(chǎng)的下降趨勢(shì)更為顯著[圖4(b)]。

圖4 海表風(fēng)速、有效波高EOF第一 模態(tài)時(shí)間系數(shù)的MK檢驗(yàn)

4 結(jié)論

(1)南海風(fēng)場(chǎng)的第一個(gè)模態(tài)最大增加區(qū)呈現(xiàn)NE—SW走向，這一模態(tài)反映的是影響整個(gè)南海的季風(fēng)最強(qiáng)盛時(shí)期的風(fēng)場(chǎng)特征；第二模態(tài)顯示南海南部海域風(fēng)速存在負(fù)偏差、北部為正偏差，南海南部與北部的風(fēng)速空間分布存在反相關(guān)關(guān)系，其零偏差在10°N線附近。

(2)南海有效波高的空間分布特征，其第一個(gè)模態(tài)的分布形式與風(fēng)速距平場(chǎng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明南海風(fēng)場(chǎng)與海浪場(chǎng)之間有很好的正相關(guān)性，第二模態(tài)的分布差別說明在45年的長(zhǎng)周期序列中海浪場(chǎng)的分布不完全由風(fēng)場(chǎng)決定，南海涌浪場(chǎng)的分布差別可能是影響有效波高空間分布的原因之一。

(3)通過對(duì)第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)分析可知，風(fēng)場(chǎng)和波高的變化特征具有明顯的正相關(guān)性，而且波高的響應(yīng)具有一定的滯后性；風(fēng)場(chǎng)和波高的變化特征在1978年之前具有明顯的負(fù)相關(guān)性，且1978年之前的個(gè)別年風(fēng)場(chǎng)和波高的時(shí)間系數(shù)連線有所相交；1978年之后則完全沒有相交，而且風(fēng)場(chǎng)和波高的變化趨勢(shì)又再次呈現(xiàn)正相關(guān)的特征。

(4)利用MK突變檢驗(yàn)方法，可知南海風(fēng)速場(chǎng)和海浪場(chǎng)在1973—2002年都存在下降趨勢(shì)，而海浪場(chǎng)下降趨勢(shì)更為顯著，這更能從突變的角度反映經(jīng)過EOF分析的第一模態(tài)下南海風(fēng)、浪之間有很好的正相關(guān)性。

[1] 鄭崇偉，李崇銀.中國(guó)南海島礁建設(shè)：重點(diǎn)島礁的風(fēng)候、波候特征分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，45(9)：1-6.

[2] 鄭崇偉，李崇銀.中國(guó)南海島礁建設(shè)：風(fēng)力發(fā)電、海浪發(fā)電[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，45(9)：7-14.

[3] 尹兵，于中華.南海-印度洋風(fēng)、浪、海溫等海洋水文要素統(tǒng)計(jì)分析[J].科技信息，2013(2)：408-409.

[4] 鄭崇偉，潘靜，孫威，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征系列研究[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(7)：4-9.

[5] 梅勇，宋帥，周林.北印度洋-南海海域海浪場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)的年際變化特征分析[J].海洋預(yù)報(bào)，2010，27(5)：27-33.

[6] 鄭崇偉，李訓(xùn)強(qiáng)，高占勝，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：風(fēng)候統(tǒng)計(jì)分析[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(8)：4-11.

[7] 鄭崇偉，付敏，芮震峰，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：波候統(tǒng)計(jì)分析[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(10)：1-7.

[8] 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，2003，18(5)：619-624.

[9] 王靜，齊義泉，施平.南海海面風(fēng)、浪場(chǎng)的EOF分析[J].海洋學(xué)報(bào)，2001，23(5)：136-140.

[10] 鄭崇偉，高占勝，張雨，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：極值風(fēng)速、極值波高[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(11)：4-8.

[11] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，1999.

Variation Trend of Surface Wind Speed and Wave Height of South China Sea

LI Rongbo1，CHEN Xiaobin1，CHEN Xuan2，LI Binggeng1

(1.NO.92538 Army，Dalian 116041，China；2.NO.75822 Army，Guangzhou 510510，China)

Based on ERA-40 data ，this paper analyzed the spatial distribution of two modes of wind and wave height of the South China Sea by EOF method，which calculated the spatial distribution，long-term trends and mutation phenomenon of surface wind speed and wave height of South China Sea during 1957—2002.The results showed that the first mode of wind and wave field of South China Sea has a good state of similarity，the second mode has shown different characteristics.Analysis of the first mode of time coefficient also showed that wind and wave height variation has a significant positive correlation and the response of the wave height has certain hysteresis.Wind and wave field during 1973—2002 had a downward trend，but the downward trend of wave field was more obvious.

South China Sea storm wave field，Surface wind velocity，Significant wave height，Ocean climate

2016-03-18；

2016-07-11

李榮波，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笏臍庀蟊Ｕ?，電子信箱?79900133@qq.com

P731；P453

A

1005-9857(2016)08-0093-05