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中国海域有效波高和海面风速的季节变化

ZHENG Chongwei^{1, 2, 3}*, PAN Jing², TAN Yanke¹, GAO Zhansheng³, RUI Zhengfeng³, CHEN Chaohui¹

¹ 中国人民解放军科技大学气象学与海洋学学院, 南京 211101

² 大气科学和地球物理流体动力学数值模拟国家重点实验室(LASG), 中国科学院大气物理研究所, 北京100029

³ 大连海军学院, 大连 116018, 中国

2014年10月1日收到;接受2015年3月4日

copy;The 中国海洋学学会-出版社柏林海德堡2015

摘要：海面风速 (WS) 和显著波高 (SWH) 的长期变化与全球气候变化、自然灾害的预防和减灾以及海洋资源开发以及其他活动有关。中国海域WS和SWH长期趋势的季节特征是基于24 a（1988-2011）交叉校准，多平台（CCMP）风资料和24个用WAVEWATCH-III获得的后波数据（WW3）波浪模型，由CCMP风力数据强制执行。结果如下：(1)在过去24年，中国海域的WS和SWH 整体上呈显著的增长趋势，WS以3.38 cm/(s·a)的速度逐年递增，SWH以1.3 cm/a的速度增长。(2) 整体而言, 中国海域的WS和SWH在3-5月（MAM）和12-2月（DJF）期间递增趋势最为强劲，其次是6-8月（JJA）, 最小的是在9-11月（SON）期间。(3) 在MAM期间，WS显著递增的区域范围最大；在 JJA 和 DJF期间, WS显著递增的区域范围减小；在SON期间，WS显著递增的区域范围最小。与 WS 相比, 在MAM和DJF期间，中国几乎所有的海域都表现出SWH显著增加；在JJA 和SON期间，SWH显著递增的区域略小一些。渤海、黄海、东海、对马海峡、台湾海峡、南海北部、北部湾、泰国湾等地的WS和SWH在所有季节均呈现出显著的递增趋势。(4) 中国海域的SWH 和 WS 的变化取决于季节。DJF通常出现增长强劲的区域。

关键字: 海面风速、显著波高、长期变化、季节性差异

1引言

海洋环境的长期变化与全球气候变化、自然灾害的预防和减灾以及海洋资源开发等活动有关 (Huang等, 2011)。WS和SWH的气候变化对沿海人口有极大影响 (Soomere和Raamet，2011；Suarez等，2013；Zheng、Shao等，2014；Zheng、Pan，2014；Han等，2014；Zheng、 Jiang等，2014；Ren等，2015)；因此, 有必要对这些特征的长期趋势进行评估。

以前的研究人员已经对WS和SWH的变化做了许多优秀的研究。Gower(2002) 提出, 根据浮标结果, 东北太平洋的WS和SWH分别以大约1–5cm/(s·a) 和1-4 cm/a的速度显著递增。利用国际综合海洋大气数据集（ICOADS），Gulev和Grigorieva (2006)发现, 在过去45年中，北太平洋和北大西洋中纬度的冬季SWH以10–40 cm/decade的速度显著递增。基于校准和经过验证的卫星高度计测量数据库，Young等(2011)发现，在过去23年中，WS 和 SWH呈现出全球性的递增趋势。利用第三代波浪模型，Guillaume等人 (2010)发现, 在1953–2009年期间， 东北大西洋的SWH呈线性增加 (约2cm/a)。利用45年的欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 再分析 (ERA-40) 波浪数据, Zheng、Zhou等人 (2013) 发现, 全球海洋膨胀波高大部分呈现显著的线性增长 (0.2–0.8 cm/a)。SWH 的长期趋势与膨胀波高的趋势之间存在很好的一致性。

然而, 对关于中国海域的WS和SWH的总体气候趋势和气候趋势的季节性特征的研究很少。在海洋工程或海洋能源开发过程中, 我们通常关注WS和SWH长期趋势的季节性特征, 这些趋势与不同季节的规划有关。本研究基于 24 a (1988–2011) 交叉标定、多平台 (CCMP) 风资料和通过CCMP风力数据强制的WAVEWATCH-III（WW3）波浪模型获得24个后波资料，提出中国海域WS和SWH长期趋势的季节特征其目的是为海浪能源开发、海洋工程和防灾减灾提供参考。

2 方法和数据

2.1 方法

本研究使用24年的CCMP 风资料和24年的后波数据，分析中国海域 (包括渤海、黄海、东海和南海,地形显示在图1) WS和SWH的长期趋势，介绍SWH 和WS 的总体变化。我们首先计算了季节性变化。

2.2 风数据

CCMP海洋表面风产品由物理海洋分布式活动档案中心（PO.DAAC）提供, 并且已经被科学界广泛评估和使用(Atlas 等, 2011)。这些数据是通过交叉校准和同化来自SSM/I、TMI、AMSR-E、QuikSCAT上的SeaWinds及ADEOS-Ⅱ的SeaWinds的海面风资料而得出的。CCMP 风风资料的时间分辨率为6 h（1987年7月至2011年7月），空间分辨率为 0.25°times;0.25° (78.375°S–78.375°N、0.125°–359.875°E)。CCMP海洋表面风产品被广泛使用 (Zheng和Pan,2014)。

下载地址为：http://rda.ucar.edu/datasets/ds744.9/。

2.3 海浪数据

利用WW3波模型对CCMP风力资料强迫的中国海浪场进行了模拟。为了消除边界效应, 提高模拟波数据的精度, 我们将模拟区域设置为3.875°S–41.125°N、97.125°–135.125°E, 然后提取出0°–40°N、100°–130°E, 它包含了中国海域和周边海域的主要部分。空间分辨率为 0.25°times;0.25°, 时间步长为 900s (每3小时输出一次)。模型时间是1988年1月1日00:00到2011年12月31日18:00。

将这些数据与日本佐多岬、福江岛和韩国济州岛的浮标数据进行对比, 我们发现模拟海浪数据与观测数据的一致性 (Zheng，Pan等, 2013)。过去的研究还表明, WW3有能力模拟中国海域的海浪场 (Chu等, 2004;Mirzaei 等, 2013)。总之, 本文研究的模拟波数据是可靠的。

3 SWH 和 WS 的长期趋势

3.1 SWH和WS的年平均趋势

通过计算从1988年1月1日00:00 UTC到1988年12月31日18:00 UTC的区域平均WS，获得了年平均WS。使用相同的方法，我们获得了24个中国海域WS的区域年平均值，以分析1988–2011的总体长期趋势, 如图2a 所示。用同样的方法分析了中国海域SWH的整体变化，如图2b 所示。

从图2, 我们发现了中国海域的WS和SWH之间存在类似的曲线, 这是因为中国的海洋位于西北太平洋的边缘。海岸附近的膨胀指数远小于海上的膨胀指数;因此, 海域直接受到风场的影响，以混合波为主 (Zheng，Chou等, 2013)。

如图2a 所示，WS 的相关系数 (由r表示) 为 0.82，通过了99%的显著性检验。回归系数为0.0338。具体地说, 中国海洋的WS在1988–2011期间以3.38cm/(s·a) 的显著增加。同样, 中国海洋 SWH (图 2b) 在过去24年中显著增加了1.3cm/a。

在1988–1996期间, 年平均 WS 以5.35 m/s逐渐改变。1996年后, WS 迅速下降, 1998年降至最低为5.20 m/s。从1998年到 2003年, 中国海洋的WS增长迅速。在 2004–2011年, WS变化相对稳定。2010年WS的异常变化是由于异常低风。同样, Earl等人 (2013) 指出, 2010 是一个异常低风年。除了 2010年, 中国海域的SWH和WS的曲线是非常一致的。

3.2 不同季节的总体趋势

通过计算1988年3月1日00:00 UTC到1988年5月31日18:00 UTC的区域平均WS，得到1998年MAM季节平均WS。用同样的方法，我们获得了在1988-2011年间24个中国海域的WS的MAM的值。然后, 分析了MAM时期中国海域WS的变化情况, 如图3a 所示。采用同样的方法, JJA、SON和 DJF 在中国海域WS的整体趋势，如图3所示。同样, MAM，JJA，SON和DJF的中国海域SWH的整体趋势也呈现出来，如图4所示。

从图3a可以看出，相关系数为 0.88, 通过了99%的显著性检验。回归系数为 0.041 9。具体而言, 中国海域WS在1988–2011年的MAM期间中表现出4.19 cm/( s·a) 的显著增加。同样, 中国的海洋WS在JJA时期以3.21cm/(s·a) 显著增加，在SON时期以2.42cm/(s·a) 显著增加，在DJF时期以3.82cm/(s·a) 显著增加。我们还发现, 中国海域WS的增长在MAM时期是最强的, 其次是 DJF、JJA 和SON。

从图4中可以清楚地看到，中国海域SWH在MAM时期以1.71 cm/a显著增加，在JJA时期为1.25 cm/a，在SON时期为1.20 cm/a，在DJF时期为1.82 cm/a。中国海域SWH增长最快的是在DJF时期，其次是MAM、JJA 和SON。

3.3 不同水体长期趋势的季节性差异

为了呈现不同水体的季节差异，本研究计算了MAM，JJA，SON和DJF中每个0.25°times;0.25°网格点的中国海域SWH和WS的长期趋势，如图5所示。

3.3.1在MAM、JJA、SON和 DJF 中的 WS 的长期趋势

如图5a–d 所示, 中国海域WS的长期趋势表现出很大的季节性差异。在MAM时期显著速度增长的区域范围最大;该区域在JJA和DJF时期减小, 在SON时期最小。在渤海、黄海、东海、对马海峡、台湾海峡、南海北部、北部湾、泰国湾的WS在所有季节都有显着增加，而只有一个很少有零星的水体显示出明显的下降趋势。

在MAM中, 大多数中国海洋显示出大于3cm/(s·a)显著增长。增加幅度较大的地区位于对马海峡 (15–18cm/(s·a))、台湾周边 (9–18cm/(s·a))、琉球群岛 (6 cm/(s·a)) 和南海北部 (6 cm/(s·a)) 附近。

在 JJA中, 有显著增加的区域主要分布在15°N以北、泰国湾和加里曼丹附近的大型水体中。峰值区位于对马海峡 (6–12cm/(s·a))、台湾周边 (3–12cm/(s·a))、北部湾 (高于6cm/(s·a)) 和泰国湾 (9 cm/(s·a))。

在SON中, 有几个小区域的WS显著增加。这些地区主要分布在渤海、黄海、25°N 以北的海域、南海北部和泰国湾等地。

在DJF中，WS的变化在一定程度上与SON的变化相似, 而显著增加的区域范围则大于SON中的变化。

3.3.2在MAM、JJA、SON和 DJF时期SWH的长期趋势

如图5eminus;h 所示, 中国海域SWH的长期趋势也表现出明显的季节性差异。与WS相比，在MAM和DJF时期几乎所有中国海域SWH值都呈显著增加趋势，而且在JJA 和SON时期的范围略小一些。渤海、黄海、东海、津岛争斗海峡、台湾海峡、南海北部、北部湾、泰国湾的SWH在所有季节都有显着增加，而只有一个少数零星的水体显着减少。

在MAM中, 几乎整个中国的海洋都呈大于0.5 cm/a显著增加。增幅强劲的地区对马海峡 (约2.5cm/a)、琉球群岛水域 (约2.0cm/a) 和南海大部分地区 （大于1.5 cm/a), 特别是在东沙环群岛水域, 其长期趋势增加到3.0cm/a。

在 JJA, SWH 在大多数水域显著增加，主要分布于15°N 以北, 泰国湾和加里曼丹周边海域。峰值区位于对马海峡 (海拔2.0cm/a)、琉球群岛水域 (2.0 cm/a)、北部湾 (1.5cm/a 以上) 和泰国湾 (约1.0 cm/a)。

在SON中, 大范围区域呈 SWH 显著增加。无显著变化的区域主要分布在印度-中国半岛东南部和菲律宾东部。涨幅较大的地区位于对马海峡 (3.0–3.5cm/a) 和东沙环群岛周围 (大于3.5cm/a) 。

在DJF中 大范围区域呈明显增加, 并增长相对强劲的区域分布在对马海峡 (大于4 cm/a) 和南海北部 (2.5–4.0cm/a)。没有显着变化的地区主要位于菲律宾北部的小型椭圆形水体中。