中國海海表風場、風浪、涌浪、混合浪場時空分布特征研究

鄭崇偉 陳志祿 賈本凱1, 劉志宏

1. 解放軍理工大學氣象學院，江蘇 南京 211101）

2. 91967部隊氣象臺，河北 沙河 054100； 3. 92538部隊氣象臺，遼寧 大連 116041

中國海海表風場、風浪、涌浪、混合浪場時空分布特征研究

鄭崇偉1,3陳志祿2賈本凱1,2劉志宏

1. 解放軍理工大學氣象學院，江蘇 南京 211101）

2. 91967部隊氣象臺，河北 沙河 054100； 3. 92538部隊氣象臺，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，對中國海的海表風場、風浪、涌浪、混合浪的變化趨勢的及周期進行研究，為海洋水文保障、海洋工程等提供參考。

中國海；海表風場；風浪；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年風場驅動SWAN模式，對渤海近20年的海浪場進行了模擬發現，模擬的有效波高與實測值較一致，遼東灣的常浪向為SSW，強浪向為SSW，渤海中部的常浪向為S，強浪向為NE，渤海海峽的常浪向為NNW，強浪向為NNW，萊州灣的常浪向為S，強浪向為NNE，渤海灣常浪向為S，強浪向為NE；并利用Gumbel極值推算方法計算了渤海的極值波高，發現極值波高的大值區位于渤海東南部海域，百年一遇極值波高能達到6.7米。齊義泉等[2]利用1992年10月～1997年8月共59個月的TOPEX/Poseidon高度計反演的海表風速和有效波高，用EOF方法分析了南海海表風場和浪場的時空分布特征，發現南海海表風場和浪場的第一、第二模態具有很好的相似性。

前人的工作對于中國海的波候研究作了很大的貢獻，但以往多是針對空間分布特征的研究，且主要是針對混合浪的研究，本文在前人的基礎上深入，利用來自ECMW F（歐洲天氣預報中心）將風浪、涌浪分離的ERA-40海浪再分析資料，對中國海的海表風場、風浪、涌浪、混合浪場的長期變化趨勢及周期進行研究，為海洋水文保障、海洋工程、海洋權益的維護等提供參考。

1 資料簡介

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）和大氣環流模式模擬結果并同化觀測資料得到的再分析產品。該資料覆蓋全球大部分海域，時間范圍從1957年09月01日-2002年08月31日，空間分辨率為1.5°×1.5°，時間分辨率為6小時。ERA-40海浪再分析資料具有較高精度和時空分辨率[3][4]，被國外廣泛運用[3][4][5]。

2 資料分析

將中國海的海表風速、風浪、涌浪、混合浪波高從1958年-2001年的進行逐年平均，分別得到各個要素場44個時次的年平均值，用EOF方法分析其時空分布特征。

第一模態反映了氣候背景場，其他模態則是疊加在背景場上的擾動場。從表1可看出各要素EOF分析的第一模態方差貢獻達都超過98%，各要素的前兩模態累積方差貢獻率超過99%，取前兩模態已能夠充分反映各要素的主要特征。

圖1 ：中國海海表風場、風浪、涌浪、混合浪場EOF分析的

第一模態（a-d）和第二模態（e-h）空間分布特征

表1 年際變化中各要素前3個特征向量的原始場的方差貢獻率

2.1 風場、浪場空間分布特征

由圖1a-圖1d可以看出,海表風場、風浪、涌浪、混合浪場EOF分析的第一模態在整個中國海呈同位相分布。海表風場和風浪場的空間分布特征較為一致，第一模態的大值區位于琉球群島——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，與冬季海表風場的大值區一致；涌浪場和混合浪場的空間分布特征較為接近，第一模態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，大值區位于南海北部海域。

由圖1e-圖1h可以明顯看出, 海表風場、風浪、涌浪、混合浪場EOF分析的第二模態空間分布特征都較為接近，四者存在一個顯著的共同特點：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，低值區位于中南半島東南海域。

2.2 風速、波高長期變化趨勢

采用線性回歸方法，分析中國海近44年海表風速、風浪、涌浪、混合浪波高EOF分析的第一模態時間系數的變化趨勢。

圖2 a～d：中國海海表風場、風浪、涌浪、混合浪EOF分析第一模態時間序列及變化趨勢

海表風速EOF第一模態時間系數的回歸系數為0.0565；相關系數|r|=0.31>r0.05=0.29, 遞增趨勢顯著；

風浪EOF第一模態時間系數的回歸系數為0.0099；相關系數|r|=0.21

涌浪EOF第一模態時間系數的回歸系數為0.0793；相關系數|r|=0.65>r0.05=0.29, 線性遞增趨勢顯著；

混合浪EOF第一模態時間系數的回歸系數為0.08；相關系數|r|=0.67>r0.05=0.29, 線性遞增趨勢顯著。

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

2.3 周期分析

對中國海海表風場、風浪、涌浪、混合浪場EOF分析的第一模態時間系數進行功率譜分析，分析各個要素的變化周期，見圖3a-圖3d。

海表風場存在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；風浪場存在3～6年的周期變化；涌浪場存在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。

海表風場和風浪場存在3.3年和4.29～6年的共同周期；涌浪場和混合浪場共同存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期變化及30年的長周期震蕩。

3 結論

（1）海表風場、風浪、涌浪、混合浪場EOF分析的第一模態在整個中國海呈同位相分布。海表風場和風浪場的空間分布特征較為一致，第一模態的大值區位于琉球群島——呂宋海峽——中南半島東南海域一線；涌浪場和混合浪場的空間分布特征較為接近，第一模態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。海表風場、風浪、涌浪、混合浪場EOF分析的第二模態空間分布特征都較為接近，四者存在一個顯著的共同特點：約以15°N為界，南北呈反位相分布。

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

圖3 a～d：中國海海表風場、風浪、涌浪、混合浪EOF分析第一模態時間序列的功率譜分析

（3）中國海的海表風場、風浪、涌浪、混合浪場存在多尺度的周期變化。海表風場和風浪場存在3.3年和4.29～6年的共同周期；涌浪場和混合浪場共同存在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.渤海重現期波高的數值計算[J]. 海洋湖沼通報.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、浪場特征及其關系[J]. 水動力學研究與進展.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。