北印度洋—南海季風(fēng)區(qū)熱帶海洋極端波候變化特征

傅晨 羅耀 楊磊 王東曉 周峰華

摘要利用1979—2016年ERA-Interim有效波高（SWH）和海表風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析了南海-北印度洋極端海浪場(chǎng)分布和變化.結(jié)果表明：南海-北印度洋極端SWH分布和極端風(fēng)速分布形態(tài)以及年際變化趨勢(shì)高度一致，說明了涌浪為主的北印度洋和風(fēng)浪為主的南海一樣，極端SWH都由局地的極端風(fēng)速控制；強(qiáng)極端SWH主要分布在阿拉伯海以及南海北部，阿拉伯海北部增長(zhǎng)與該區(qū)域氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)有著密切關(guān)系，而南海的極端SWH主要受東北季風(fēng)控制；東非沿岸極端SWH線性增長(zhǎng)趨勢(shì)則與索馬里急流的年代際尺度上有逐漸增強(qiáng)的線性趨勢(shì)有關(guān).北印度洋及南海海域極端SWH距平場(chǎng)的EOF分析結(jié)果表明，南海極端SWH與北印度洋表現(xiàn)出反相變化的特征.北印度洋（南海海域）極端SWH多出現(xiàn)在西南季風(fēng)（東北季風(fēng)）期間，因?yàn)樵谖髂霞撅L(fēng)（東北季風(fēng)）期間，極端風(fēng)速也相對(duì)增強(qiáng).

關(guān)鍵詞南海；北印度洋；極端波候；年際變化

中圖分類號(hào)P731

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0 引言

開闊海洋環(huán)境的變化規(guī)律尤其是海面風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)、變化規(guī)律歷來都是環(huán)境物理海洋學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象之一，與之相關(guān)的應(yīng)用性技術(shù)對(duì)促進(jìn)工程經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海上航線安全等方面都有著重要意義.海浪作為最重要的海域動(dòng)力因素，不但能提供巨大波浪能資源，造福人類，同樣也能產(chǎn)生巨大破壞力，給人類帶來巨大災(zāi)難.南海和北印度洋同屬季風(fēng)影響海域，其中南海為典型半封閉海盆，受涌浪影響較小，以風(fēng)浪為主，大浪主要受臺(tái)風(fēng)以及東北季風(fēng)控制[1-2]；北印度洋有所不同，它被非洲大陸、亞洲大陸三面環(huán)抱，使得海洋氣候受大陸影響極大，是其成為世界著名季風(fēng)區(qū)的根源.廣闊的大陸與鄰接的海洋間產(chǎn)生很大的溫差，而季風(fēng)是由海陸溫差引起的，并且隨著海陸上空氣壓差的變化而變化.北印度洋幾乎沒有島嶼和淺灘地形的遮擋，外海涌浪影響劇烈，其海浪受季風(fēng)和涌浪共同影響.南海-北印度洋是我國(guó)海上絲綢之路倡議的核心區(qū)域，也是最重要的海上能源通道之一.而有效波高（SWH）是海浪最重要的屬性之一，它代表著著最大1/3波浪波高的平均值[3]，反映了海浪中最重要的部分.

針對(duì)波候變化，許多區(qū)域性研究工作已經(jīng)開展.在南海區(qū)域，宗芳伊等[4]應(yīng)用SWAN得到南海海域1986—2005年較高分辨率的波浪場(chǎng)，計(jì)算了南海海域的波浪能流密度，對(duì)南海海域波浪能資源進(jìn)行了研究.梅勇等[5]采用 WAVEWATCH-Ⅲ波浪模式對(duì)印度洋及南海的波浪場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)的年際變化特征進(jìn)行了討論.沈春等[6]基于 QuikSCAT海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)資料進(jìn)行了EOF分析和隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析，以此分析南海海面風(fēng)場(chǎng)的變化特征.鄭崇偉等[7]以CCMP風(fēng) 場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海浪模式發(fā)現(xiàn)冬季在南海北部海域大浪頻率有較強(qiáng)的遞增趨勢(shì)（約1%～2% a-1）.針對(duì)北印度洋海域波候的研究工作則相對(duì)較少.Vethamony等[8]利用衛(wèi)星高度計(jì)及模式數(shù)據(jù)研究了印度洋1986—1989年的波候，指出在7月整個(gè)阿拉伯海都受到高浪況的影響，而有效波高在孟加拉灣表現(xiàn)得相對(duì)較弱（<3 m）.Sajiv等[9]基于2008—2011年的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了印度半島西岸Honnavar沿岸9 m水深處的波浪特征變化，在夏季季風(fēng)期間，該地有效波高最高達(dá)到4.3 m，平均有效波高為1.7 m.Shanas等[10]利用ERA-Interim 1979—2012年間的資料探究了東阿拉伯海Honnavar沿岸風(fēng)速和有效波高的年際變化，指出年平均有效波高呈現(xiàn)略微上升趨勢(shì)（0.012 cm·a-1），而觀測(cè)到的年最大有 效波高有較大的上升趨勢(shì)（1.4 cm·a-1）.Anoop等[11]基于ECMWF ERA-Interim 1979—2012年34 a期間再分析資料研究了整個(gè)北印度洋的波候及其變率，發(fā)現(xiàn)北印度洋的年平均有效波高范圍為1.5～2.5 m，在夏季季風(fēng)期間（6—9月）有效波高的平均值高達(dá)3～3.5 m，并且在大部分北印度洋海域，季風(fēng)期間的有效波高年際變化增長(zhǎng)趨勢(shì)高于季風(fēng)期后（post-monsoon），而季風(fēng)期前（pre-monsoon）的有效波高年際變化有減弱的趨勢(shì).鄭崇偉等[12]利用ERA-40海表10 m風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海浪數(shù)值模式，得到南海-北印度洋 1957—2002 年的海浪場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)該海域的波高波向、風(fēng)速風(fēng)向受季風(fēng)影響顯著，且北印度洋大部分海域的海表風(fēng)速呈顯著性逐年線性遞增趨勢(shì)，南海線性遞增的區(qū)域則較少.本文基于1979 年1 月—2016 年12 月ERA-Interim的風(fēng)浪數(shù)據(jù)對(duì)北印度洋及南海海域的極端SWH變化趨勢(shì)進(jìn)行較為精細(xì)化的統(tǒng)計(jì)分析，為防災(zāi)減災(zāi)、海浪能開發(fā)等提供參考.

1 數(shù)據(jù)和方法

ERA-Interim[13]是由大氣同化系統(tǒng)同化常規(guī)資料和衛(wèi)星觀測(cè)資料獲得的海洋大氣分析數(shù)據(jù).相比于前一代ERA-40數(shù)據(jù)同化模型，ERA-Interim使用了最新的四維變分分析（4D-Var） 同化技術(shù)，并且結(jié)合改進(jìn)的濕度分析、衛(wèi)星數(shù)據(jù)誤差校正等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了再分析資料質(zhì)量的提升，所以ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)提供了更高精度的全球范圍內(nèi)的海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù).它推出了多種空間分辨率的數(shù)據(jù)，考慮到計(jì)算效率的問題，本文選用0.5°×0.5°水平分辨率的SWH，其時(shí)間分辨率為6 h，時(shí)間跨度為1979 年1 月—2016 年12 月，計(jì)算范圍為40～130°E，6°S ～26°N.本文極端SWH采用95%分位數(shù)SWH表示，即取時(shí)間序列的前5%大波平均作為極端SWH，表示為H95，極端風(fēng)速則為合成后的風(fēng)速取時(shí)間序列前5%平均作為相應(yīng)的極端風(fēng)速，表示為V95.

經(jīng)驗(yàn)正交分解（Empirical Orthogonal Function，EOF）又被稱為主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），最早由Pearson提出[14]，20世紀(jì)50年代Lorenz將該方法引入大氣科學(xué)領(lǐng)域[15]，隨后被廣泛應(yīng)用至今.EOF方法的優(yōu)點(diǎn)在于它能對(duì)分布不規(guī)則的氣象要素場(chǎng)進(jìn)行時(shí)空分解，得到的各特征向量（空間模態(tài)和時(shí)間系數(shù)）相互正交，其中空間模態(tài)（EOF）在一定程度上可反映要素場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)，而時(shí)間系數(shù)（PC）則反映相應(yīng)空間模態(tài)隨時(shí)間的權(quán)重變化.除此之外，EOF 方法還具有展開收斂速度快，容易將原始要素場(chǎng)的變化信息濃縮在前幾個(gè)模態(tài)上的特點(diǎn).因此，該方法常用于氣象要素場(chǎng)時(shí)空變化特征規(guī)律研究.

2 結(jié)果分析

2.1 極端波高整體變化趨勢(shì)

由圖1可知，極端SWH年平均分布主要有3個(gè)大值海域，亞丁灣以東洋面、孟加拉灣和南海北部海域.其中亞丁灣以東洋面極端SWH年平均最大，達(dá)到4 m以上，分布范圍也最廣；南海極端SWH最高達(dá)3.5 m，主要分布在南海北部和呂宋海峽附近海域.極端SWH和極端風(fēng)速年平均分布形態(tài)高度一致，說明即使在受南大洋涌浪影響巨大的印度洋北部，極端SWH仍然主要受到局地極端風(fēng)速控制，鄭崇偉等[16]的研究結(jié)果也表明北印度洋及南海海域極值波高的分布特征與極值風(fēng)速大體一致.圖2通過線性擬合各點(diǎn)年極端SWH，得到極端SWH年平均增長(zhǎng)趨勢(shì)分布.可知極端SWH增加趨勢(shì)加大的區(qū)域位于阿拉伯海北部和南海北部，以及非洲大陸以東部分洋面，其中阿拉伯海北部和南海北部極端SWH年增加達(dá)1 cm/s.Anoop等[11]提到以熱帶氣旋的最大強(qiáng)度來作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，在1996年后阿拉伯海北部熱帶氣旋的強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)，并指出這與季風(fēng)的提前爆發(fā)有關(guān)，因?yàn)閬喼薮箨懞统嗟烙《妊笾g的陸地海洋熱對(duì)比增強(qiáng)，使得北向壓力梯度增強(qiáng)，從而加強(qiáng)了季風(fēng)和氣旋剪切渦度；與此同時(shí)，1993、1997、2010年強(qiáng)氣旋期間SWH也顯著增強(qiáng)，因此阿拉伯海北部極端SWH的顯著上升趨勢(shì)可能與該區(qū)域氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)有關(guān).在阿拉伯海的低緯度區(qū)域，即東非沿岸極端SWH也有較強(qiáng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，該區(qū)域SWH受索馬里急流控制，而索馬里急流強(qiáng)度在年代際尺度上有逐漸增強(qiáng)的線性趨勢(shì)[17]，因此該區(qū)域極端SWH增強(qiáng)的趨勢(shì)可能與索馬里急流增強(qiáng)的趨勢(shì)有關(guān).而極端SWH呈減小趨勢(shì)主要分布在孟加拉灣口的中緯度區(qū)域和同緯度的菲律賓附近海域.取極端SWH降低趨勢(shì)區(qū)間80～99°E，6～15°N進(jìn)行進(jìn)一步的研究，將該極端SWH和極端風(fēng)速空間平均，計(jì)算極端風(fēng)速變化趨勢(shì)及兩者相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域極端風(fēng)速也呈下降趨勢(shì)，且兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.743，因此極端SWH下降趨勢(shì)應(yīng)由極端風(fēng)速變化引起.比較圖2和圖3可知，極端SWH的變化趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均SWH的變化趨勢(shì)，其主要變化趨勢(shì)分布形態(tài)也完全不一樣.

由圖4可知，整個(gè)研究區(qū)域年極端SWH的分布在1979—2016年整體呈增加趨勢(shì)，斜率為0.003 9（y=0.003 9x-5.249 2），但是在近11年（2006—2016年）呈下降趨勢(shì)（y=-0.010 8x+24.317 9），平均每年下降1.08 cm.從極端風(fēng)速的變化趨勢(shì)可以看出，極端風(fēng)速在2000年后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，可能是導(dǎo)致極端SWH變化的主要原因，充分說明該海域極端SWH主要的控制因素為局地極端風(fēng)速.

2.2 極端有效波高季節(jié)變化

春季期間（圖5a，6a），北印度洋的風(fēng)場(chǎng)相對(duì)較弱，最大風(fēng)速出現(xiàn)在東非沿岸，這主要受冬、春季索馬里急流消失并且在該區(qū)域經(jīng)向風(fēng)風(fēng)向反轉(zhuǎn)（為北風(fēng)）影響所致.北印度洋的極端SWH相對(duì)較弱，最大SWH不超過2.5 m，出現(xiàn)在印度洋赤道東部以及東非沿岸.但兩者有著較為顯著的差異，赤道東印度洋的極端SWH有著從南至北的遞減趨勢(shì)，可能與南半球涌浪的傳遞有關(guān)，因?yàn)樵诒卑肭虼杭酒陂g，南半球極地西風(fēng)較強(qiáng)，且此時(shí)北半球的東北季風(fēng)已開始逐漸衰弱，因此南半球向北半球傳遞的涌浪可能在此季節(jié)的極端波浪中占主導(dǎo)作用.而東非沿岸的較強(qiáng)極端SWH可能與冬、春季索馬里急流消失后在該區(qū)域出現(xiàn)的北向風(fēng)有關(guān)[18].1月南海還處于東北季風(fēng)的影響下，南海的極端有效SWH的值較大.

3月下旬，索馬里急流就已開始建立，4月逐漸加強(qiáng)并向高空伸展，6、7、8月達(dá)到最強(qiáng)[19].夏季（圖 5b，6b）與秋季（圖 5c，6c）的極端SWH和風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出較為一致的模態(tài).極端SWH和風(fēng)場(chǎng)均在東非沿岸（索馬里急流區(qū)域）出現(xiàn)較強(qiáng)值，索馬里激流核心區(qū)域風(fēng)速可達(dá)10 m/s 以上，因此極端SWH在此區(qū)域達(dá)到最大.除此之外，極端SWH和風(fēng)場(chǎng)在孟加拉灣也出現(xiàn)了較大的極端SWH.這可能與西南季風(fēng)期間風(fēng)速增大有關(guān)，同時(shí)5月也是北印度洋氣旋多發(fā)時(shí)間，也會(huì)使得該時(shí)間極端SWH以及極端風(fēng)速變大.而在南海區(qū)域氣候平均狀態(tài)下，南海熱帶季風(fēng)的爆發(fā)比孟加拉灣的南亞季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間晚1個(gè)月左右[20]，因而4—6月南海區(qū)域的極端SWH相比孟加拉灣表現(xiàn)出非常弱的信號(hào).

冬季（圖 5d，6d），由于印度洋的東北季風(fēng)風(fēng)速弱于西南季風(fēng)，因而北印度洋的極端SWH相比4—9月有較大程度的減弱.極端有效SWH的大值出現(xiàn)在東非沿岸以及斯里蘭卡的東南海域.而南海受東北季風(fēng)影響較大，極端SWH在整個(gè)南海都表現(xiàn)出了極強(qiáng)的信號(hào)，在南海北部超過4 m.鄭崇偉等[21]基于第三代海浪模式也得出風(fēng)速和波高的大值中心吻合較好，在南海北部大致呈東北西南走向.對(duì)比印度洋與南海極端SWH在不同季節(jié)的分布情況，可看出北印度洋極端SWH多出現(xiàn)在西南季風(fēng)期間，而南海極端SWH則出現(xiàn)在東北季風(fēng)期間.

圖7為各季節(jié)極端有效SWH的變化趨勢(shì).冬、春兩季北印度洋的極端趨勢(shì)呈現(xiàn)出偶極子形態(tài)，阿拉伯海與孟加拉灣北部海域呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而在低緯度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì).在南海兩季節(jié)的趨勢(shì)存在很大的區(qū)別，1—3月南海的極端SWH趨勢(shì)可達(dá)到1 cm/a，而10—12月為弱的負(fù)信號(hào).4—6月，阿拉伯海北部的極端SWH趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強(qiáng)的正趨勢(shì)，這與5月阿拉伯海北部氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)有關(guān)，而南海極端SWH的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強(qiáng)的負(fù)信號(hào)，與此同時(shí)孟加拉灣的負(fù)信號(hào)區(qū)域也有所增大.7—9月，阿拉伯海和孟加拉灣中部的極端SWH趨勢(shì)都為負(fù)信號(hào)，而南海北部則出現(xiàn)了極強(qiáng)的正信號(hào).北印度洋的赤道區(qū)域全年都表現(xiàn)出了較強(qiáng)的極端SWH正趨勢(shì).

2.3 EOF分析

對(duì)1979—2016年北印度洋-南海海域月極端SWH H95在時(shí)間上進(jìn)行距平處理并做EOF分析，得到其第一EOF模態(tài)空間分布，其解釋方差達(dá)61.9%（圖8）.由圖8可知，南海極端SWH與北印度洋表現(xiàn)出反相變化的特征，從圖5季節(jié)極端SWH可以清楚看到，北印度洋與南海海域的極端SWH變化并不同步：4—9月北印度洋極端SWH的值達(dá)到季節(jié)變化的峰值，而南海則表現(xiàn)出較弱的極端SWH；10月—次年3月則與此相反.這與前面極端SWH受季風(fēng)影響的分析契合，即北印度洋的極端SWH受西南季風(fēng)影響較大，因?yàn)楸庇《妊笪髂霞撅L(fēng)期間風(fēng)速遠(yuǎn)大于東北季風(fēng)，而南海海域則受東北季風(fēng)影響較大（圖5，圖6）.

3 結(jié)論

基于1979—2016年ERA-Interim SWH和海表風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)南海-北印度洋極端海浪場(chǎng)分布和變化進(jìn)行分析.南海-北印度洋極端SWH分布和極端風(fēng)速分布形態(tài)以及年際變化趨勢(shì)高度一致，反映了受涌浪控制的北印度洋和南海一樣，極端SWH都由局地的極端風(fēng)速控制.強(qiáng)極端SWH出現(xiàn)在阿拉伯海以及南海北部，阿拉伯海北部增長(zhǎng)與該區(qū)域氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)有著密切關(guān)系，而南海的極端SWH主要受東北季風(fēng)控制.東非沿岸極端SWH線性增長(zhǎng)趨勢(shì)則與索馬里急流的年代際尺度上有逐漸增強(qiáng)的線性趨勢(shì)有關(guān).極端SWH呈減小趨勢(shì)主要分布在孟加拉灣口的中緯度區(qū)域和同緯度的菲律賓附近海域，這與該區(qū)域極端風(fēng)速有下降的趨勢(shì)有關(guān).北印度洋及南海海域極端SWH距平場(chǎng)的EOF分析結(jié)果表明（第一模態(tài)解釋方差達(dá)61.9%），南海極端SWH與北印度洋表現(xiàn)出反相變化的特征.北印度洋（南海海域）極端SWH多出現(xiàn)在西南季風(fēng)（東北季風(fēng)）期間，因?yàn)樵谖髂霞撅L(fēng)（東北季風(fēng)）期間，極端風(fēng)速也相對(duì)增強(qiáng).

參考文獻(xiàn)

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Abstract Using ERA-interim significant wave height （SWH） and sea surface wind field data from 1979 to 2016，the distribution and changes of extreme wave fields in the South China Sea-north Indian Ocean were analyzed.The results show that the extreme SWH distribution in the South China Sea-North Indian Ocean is highly consistent with extreme wind speed distribution patterns and inter-annual trends，reflecting the fact that extreme SWH is controlled by local extreme wind speeds in the north Indian Ocean and South China Sea.Strong extreme SWH occurs in the Arabian Sea and the northern part of the South China Sea.The growth of the northern Arabian Sea is closely related to the enhancement of cyclone intensity in the region.The extreme SWH in the South China Sea is mainly controlled by the northeast monsoon.The linear SWH growth trend in the east African coast is related to the increasing linear trend in the interdecadal scale of the Somali Jet.The EOF analysis of the extreme SWH anomalies in the north Indian Ocean and the South China Sea showed that the extreme SWH in the South China Sea and the north Indian Ocean showed reversed-phase changes.The extreme SWH in the north Indian Ocean （South China Sea） mostly occurs during the southwest monsoon （northeast monsoon） because extreme wind speeds also relatively increased during that period.

Key words South China Sea；north Indian Ocean；extreme wave climate；interannual change