近22年西北太平洋海表風(fēng)速變化趨勢及空間分布特征研究

劉志宏，鄭崇偉,，莊 卉 ，李 靖 ，姚雪峰

（1.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧 大連 116041；2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

近22年西北太平洋海表風(fēng)速變化趨勢及空間分布特征研究

劉志宏1，鄭崇偉1,2，莊 卉2，李 靖2，姚雪峰2

（1.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧 大連 116041；2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

利用來自 ESE(NASA Earth Science Enterprise)的 1988-2009年 CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）風(fēng)場資料，對西北太平洋海域的海表風(fēng)速進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在1988-2009年期間，西北太平洋大部分海域的海表風(fēng)速呈顯著的逐年線性遞增趨勢，近岸海表風(fēng)速的遞增趨勢明顯強(qiáng)于大洋，遞增趨勢較強(qiáng)的海域分布于日本周邊海域、對馬海峽、我國近海、中南半島周邊海域；西北太平洋海表風(fēng)速EOF分析的第一模態(tài)呈同位相分布，大值區(qū)分布于日本以東洋面，第二、第三模態(tài)則表現(xiàn)出西北部海域與東南部呈反位相分布；西北太平洋海域極值風(fēng)速的大值區(qū)位于日本以東的廣闊洋面，次大值區(qū)分布于臺(tái)灣以東洋面、南海北部海域、渤海海域，且近海的極值風(fēng)速明顯小于大洋。

CCMP風(fēng)場；西北太平洋海域；變化趨勢；EOF分析；極值風(fēng)速

我國地處西太邊緣，位于季風(fēng)變換帶，氣候差異顯著，且常常遭受臺(tái)風(fēng)的侵襲，深入研究西北太平洋海域海表風(fēng)速的分布特征，對海上風(fēng)能開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)、航海、海洋工程等都具有重要的意義。近年來，對于海表風(fēng)速的研究已有不少，Ward[1]等認(rèn)為，在20世紀(jì)后半葉全球平均近海面風(fēng)速?zèng)]有明顯的變化趨勢，在赤道附近海域、南大西洋熱帶海域和北太平洋亞熱帶海域呈減小趨勢；Gulev[2-3]和Gower等[4]提出，熱帶北大西洋[2-3]和北太平洋高緯度海區(qū)[3-4]的海表風(fēng)速呈遞增趨勢。但對我國近海海表風(fēng)速變化趨勢的研究并不多，柳艷菊等[5]利用西沙臺(tái)站觀測資料研究發(fā)現(xiàn)西沙地區(qū)地面風(fēng)速自1975年以來呈明顯的下降趨勢，梅勇[6]的研究發(fā)現(xiàn)南海大風(fēng)中心 (115°E～117.5°E,15°N～17.5°N)的海表風(fēng)速在 1958-2001年期間呈顯著的逐年線性遞增趨勢。前人的工作對海表風(fēng)場的研究做了很大的貢獻(xiàn)，由于受資料等問題的限制，以往的研究多是基于非常有限的觀測資料，本文則是利用長時(shí)間序列、高時(shí)空分辨率的CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）風(fēng)場資料，對西北太平洋海域1988-2009年的海表風(fēng)場進(jìn)行研究，主要分析了該海域海表風(fēng)速的長期變化趨勢、空間分布特征、極值風(fēng)速等，為海洋水文保障、海洋工程、海洋權(quán)益的維護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 CCMP風(fēng)場資料簡介

CCMP風(fēng)場資料來自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它結(jié)合了 ADEOS-II(Advanced Earth Observing Satellite,2nd Generation)、QuikSCAT、TRMM TMI(Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager)、AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)、SSM/I(Special Sensor Microwave Imager)幾種資料，利用變分方法得到，其空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h，空間范圍為：78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E， 時(shí)間范圍從1987年7月至2009年12月。CCMP風(fēng)場具有很高的精度和時(shí)空分辨率[7]。本文從中截取西北太平洋海域范圍：0.125°N～60.125°N，95.125°E～180.125°E。

2 海表風(fēng)速的逐年線性趨勢

2.1 區(qū)域平均后海表風(fēng)速的逐年線性趨勢

將西北太平洋的海表風(fēng)速從1988-2009年進(jìn)行逐年區(qū)域平均，分析近22年該海域海表風(fēng)速的整體變化趨勢，見圖1。

在1988-2009年期間，西北太平洋海域的海表風(fēng)速遞增趨勢為 0.027 7 m·s-1·a-1，相關(guān)系數(shù)|r|=0.94 ＞ r0.05=0.4，遞增趨勢顯著；該海域的海表風(fēng)速變化趨勢大體可分為兩個(gè)階段：在1988-1995年期間，西北太平洋的海表風(fēng)速變化較為平緩，基本在5.1～5.3 m·s-1，在1995-2009年期間遞增趨勢較強(qiáng)，在2004-2006年為峰值點(diǎn)，能達(dá)到5.7 m·s-1。

圖1 西北太平洋海域1988-2009年逐年區(qū)域平均后的海表風(fēng)速的線性趨勢

2.2 每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上海表風(fēng)速的逐年線性趨勢

區(qū)域平均后再分析線性趨勢能反映出該海域海表風(fēng)速的整體變化趨勢，但卻不能體現(xiàn)出變化趨勢的區(qū)域性差異。本文將西北太平洋海域0.25°×0.25°每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的海表風(fēng)速從1988-2009年取逐年平均，分析每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上海表風(fēng)速的逐年線性趨勢，具體計(jì)算方法如下：

式（1）為回歸方程，b為線性趨勢的回歸系數(shù)。相關(guān)系數(shù)為r，用于線性趨勢的信度檢驗(yàn)。

由圖2可以很明顯的看出，1988-2009年期間，西北太平洋大部分海域的海表風(fēng)速呈顯著的逐年線性遞增趨勢，與圖1的結(jié)論一致。近岸海表風(fēng)速的遞增趨勢明顯強(qiáng)于大洋，遞增趨勢較強(qiáng)的海域分布于日本周邊海域、對馬海峽、我國近海、中南半島周邊海域，能達(dá)到 0.08～0.16 m·s-1·a-1；在西北太平洋中部海域一橢圓型海域 （約 12°N～25°N，140°E～180°E）及一些零星海域的海表風(fēng)速?zèng)]有顯著的變化趨勢；海表風(fēng)速呈顯著性遞減的海域主要分布于日本和菲律賓周邊的零星海域。

2.3 EOF分析

將西北太平洋的海表風(fēng)速從1988-2009年的進(jìn)行逐年平均，得到22個(gè)時(shí)次的年平均值，用EOF（Empirical Orthogonal Function）分析方法分析其時(shí)空分布特征。第一模態(tài)反映了氣候背景場，其它模態(tài)則是反映了疊加在背景場上的擾動(dòng)場。西北太平洋海表風(fēng)速EOF分析的前三模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)率超過99%，取前三模態(tài)做研究已，能夠充分反映其主要特征。

圖2 西北太平洋海域1988-2009年逐年平均海表風(fēng)速線性趨勢的回歸系數(shù)（m·s-1·a-1），陰影區(qū)表示相關(guān)系數(shù)|r|＞r0.05=0.4，即通過了95%的信度檢驗(yàn)，線性趨勢顯著。

從背景場可以看出，整個(gè)西北太平洋的海表風(fēng)速呈同位相分布，大值區(qū)分布于日本以東洋面，呈東西向分布，還存在兩個(gè)次大值區(qū)：臺(tái)灣以東洋面和南海，臺(tái)灣以東洋面的次大值區(qū)呈東西向橢圓形分布，南海的次大值區(qū)呈東北西南向帶狀分布，詳見圖3a。第二模態(tài)為疊加在背景場上的擾動(dòng)場，西北部海域與東南部呈反位相分布，大值中心位于菲律賓東北部海域，呈橢圓形分布，第三模態(tài)的空間分布特征與第二模態(tài)大體相近，詳見圖3b-圖3c。

本文還利用EOF分析第一模態(tài)的時(shí)間序列，分析了近22年西北太平洋海表風(fēng)速的變化趨勢（圖略），發(fā)現(xiàn)變化趨勢與圖1基本相符。

圖3 a-c：西北太平洋海域海表風(fēng)速EOF分析前三模態(tài)的空間分布特征

2.4 極值風(fēng)速

海洋工程、航海、海洋能開發(fā)與利用等對極值風(fēng)速都較為關(guān)注，本文利用Gumbel曲線法[8]推算了西北太平洋20 a一遇、50 a一遇和100 a一遇極值風(fēng)速。

具體計(jì)算方法如下：

式（7）中：xp為所求多年一遇的極值；xˉ為均值；φ 為離均系數(shù)。表1中p’為設(shè)計(jì)頻率[8]。

從圖4可以看出，西北太平洋海域極值風(fēng)速的大值區(qū)位于日本以東的廣闊洋面，次大值區(qū)分布于臺(tái)灣以東洋面、南海北部海域、渤海海域，且近海的極值風(fēng)速明顯小于大洋。日本以東的廣闊洋面20 a一遇極值風(fēng)速基本都在45 m·s-1以上，高值中心能達(dá)到60 m·s-1左右，50 a一遇極值風(fēng)速基本都在 50 m·s-1以上，高值中心能達(dá)到 60～65 m·s-1，100 a 一遇極值風(fēng)速基本都在50 m·s-1以上，高值中心能達(dá)到70 m·s-1以上；臺(tái)灣以東洋面的20 a一遇極值風(fēng)速基本都在40 m·s-1以上，高值中心能達(dá)到45～50 m·s-1左右，50 a一遇極值風(fēng)速基本都在 45 m·s-1以上，高值中心能達(dá)到 50～55 m·s-1，100 a一遇極值風(fēng)速基本都在45 m·s-1以上，高值中心能達(dá)到60 m·s-1以上；南海北部海域的20 a一遇極值風(fēng)速基本都在30～35 m·s-1以上，50 a一遇極值風(fēng)速基本都在 45 m·s-1以上，高值中心能達(dá)到35～40 m·s-1，100 a一遇極值風(fēng)速基本都在45～50 m·s-1；此外，渤海海域的極值風(fēng)速雖然明顯小于上述三個(gè)大值區(qū)，但也是一個(gè)較為明顯的相對大值區(qū)。

表1 耿貝爾曲線的離均系數(shù)[8]

圖4 a-c：西北太平洋海域20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇極值風(fēng)速/m·s-1

3 結(jié)論

（1）1988-2009年期間，西北太平洋大部分海域的海表風(fēng)速呈顯著的逐年線性遞增趨勢，近岸海表風(fēng)速的遞增趨勢明顯強(qiáng)于大洋，遞增趨勢較強(qiáng)的海域分布于日本周邊海域、對馬海峽、我國近海、中南半島周邊海域，能達(dá)到0.08～0.16 m·s-1·a-1。

（2）西北太平洋海表風(fēng)速EOF分析的第一模態(tài)呈同位相分布，大值區(qū)分布于日本以東洋面，呈東西向分布，臺(tái)灣以東洋面和南海為兩個(gè)次大值區(qū)，臺(tái)灣以東洋面的次大值區(qū)呈東西向橢圓形分布，南海的次大值區(qū)呈東北西南向帶狀分布，第二模態(tài)則表現(xiàn)出西北部海域與東南部呈反位相分布，大值中心位于菲律賓東北部海域，第三模態(tài)的空間分布特征與第二模態(tài)大體相近。

（3）西北太平洋海域極值風(fēng)速的大值區(qū)位于日本以東的廣闊洋面，次大值區(qū)分布于臺(tái)灣以東洋面、南海北部海域、渤海海域，且近海的極值風(fēng)速明顯小于大洋。

[1]Ward M N， B Hoskins.Near surface wind over the global ocean 1949-1988[J].J.Climate,1996，9：1877-1895.

[2]Gulev S K,L Hasse.Changes of wind waves in the north Atlantic over the last 30 years[J].Int J Climatol,1999，19：1091-1117.

[3]Gulev S K,O Zolina，S Grigotieva.Last century changes in ocean wind wave height from global visual wave data[J].Geophy Res Lett,31,L24302,doi:10.1029/2004GL021040.

[4]Gower J F R.Temperature,wind and wave climatologies,and trends from marine meteorological buoys in the northeast pacific[J].J Climate,2002，15：3709-3718.

[5]柳艷菊,閆俊岳,宋艷玲.近50年南海西沙地區(qū)的氣候變化特征研究[J].地理科學(xué)，2008,28(6):804-808.

[6]梅勇.北印度洋—南海海面風(fēng)場、海浪場的特征分析及海浪數(shù)值模擬[D].2010.

[7]Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers[J/OL].2010.http://www.sciencedirect.com/

[8]侍茂崇，高郭平，鮑獻(xiàn)文，等.海洋調(diào)查方法[M].青島：青島海洋大學(xué)出版社，2000.

Long-Term Trend and Special Characteristics of Sea Surface Wind Speed in the Northwest Pacific Ocean During the Last 22 Years

LIU Zhi-hong1,ZHENG Chong-wei1,2,ZHUANG Hui2,LI Jing2,YAO Xue-feng2
（1.12 Unit,No 92538 Army of PLA.Dalian Liaoning 116041,China;2.Institute of Meteorology,PLA Univ of Sci＆ Tech,Nanjing Jiangsu 211101,China）

Using the data of 0.25°×0.25°ESE (NASA Earth Science Enterprise)CCMP sea surface wind field from 1988 to 2009,the long-term trend,special characteristics and extreme value of the sea surface wind speed in the Northwest Pacific Ocean were analyzed.It is found that the sea surface wind speed in a majority area of the Northwest Pacific Ocean has an obvious increasing trend,with coastal surface wind speed stronger than offshore and area of extreme wind speed located in the east area of Japan,east area of Taiwan,north area of the South China Sea and Bohai Sea.

CCMP wind field;Northwest Pacific Ocean;trend;EOF analysis;extreme wind speed

P732

A

1003-2029（2011）02-0127-04

2010-12-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40675040）

劉志宏（1969-），男，工程師，主要從事水文氣象保障。E-mail：364704410@qq.com，Tel：13387858665

通訊作用：鄭崇偉（1983-），男，碩士生，主要從事波候及波浪能資源研究。 E-mail：zhengzhang.xia@163.com，Tel：15851859023