北印度洋—南海海面風速和有效波高的年代際變化

周林，梅勇，2，王慧娟，鄭崇偉

(1.解放軍理工大學氣象學院，江蘇南京211101;2.解放軍71770部隊氣象臺，山東泰安271100)

0 引言

北印度洋—南海海域是我國重要的海上能源通道，該海域對我國具有重要的經濟和軍事意義。由于北印度洋—南海海域處于世界著名的南亞和東亞季風區(qū)，國內學者對印度洋的研究主要集中在洋面的熱力和動力變化通過西南季風對我國天氣和氣候的影響(唐衛(wèi)亞和孫照渤，2007;唐衛(wèi)亞等，2008;汪衛(wèi)平和楊修群，2008;茅懋等，2009)，而關于北印度洋—南海海域海面風和海浪變化規(guī)律的研究相對較少。李培和張弦(2003)利用5°×5°網格分辨率的氣象船舶報資料，分析了北印度洋風場等海洋氣象要素的分布特點及其年變化規(guī)律;張弦等(2003)利用同樣的氣象船舶報資料，研究了南印度洋的海浪時空特征。由于受到印度洋海域氣象水文資料種類和精度的限制，目前對該海域風場和海浪的時空變化還缺乏較精細和深入的研究。梅勇等(2010a，b)利用多年平均的ICOADS資料和WAVEWATCHⅢ數(shù)值模擬的44 a海浪資料，研究了北印度洋—南海海域海面風場和海浪場的季節(jié)和年際變化特征，本文基于該高精度的數(shù)值模擬資料，進一步研究北印度洋—南海海域海表10 m風速和混合浪有效波高(簡稱有效波高)的年代際變化，以期對該海域海表10 m風速和有效波高的年際、年代際變化有深入了解。

1 資料和方法

1.1 資料

采用基于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)ERA－40再分析資料的10 m風場驅動海浪模式WAVEWATCHⅢ得到的北印度洋—南海海域(40～140°E，10°S～30°N)1958年1月—2001年12月共44 a的海浪場模擬資料(空間分辨率為0.5°×0.5°，每3 h輸出1次)以及對應時間的ERA40 10 m風場資料。

WAVEWATCHⅢ海浪模式是由美國NOAA/NCEP于20世紀末在荷蘭Delft理工大學的WAVEWATCHⅠ和美國航空航天局發(fā)展的WAVEWATCHⅡ的基礎上進一步發(fā)展起來的全譜空間第三代海浪模式，現(xiàn)已被美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)用做業(yè)務化的全球和區(qū)域海浪預報模式。該模式合理地考慮了風浪相互作用、非線性相互作用、耗散及底摩擦等作用，能較準確地模擬復雜的潮流、地形、風場環(huán)境下的波浪場;輸入風場、流場、海面高度場、冰覆蓋點時，能得到多種計算域內諸如波高、波向、周期、波長、波陡等重要海洋物理量。WAVEWATCHⅢ至今已經發(fā)展了近20個版本，已得到全球廣泛應用和認可。有關該模式的詳細介紹以及應用可參見有關文獻(沙文鈺等，2004;Tolman，2009)。梅勇等(2010a)利用該模式模擬的海浪資料，與美國NOAA氣候診斷中心收集整理的國際綜合海氣數(shù)據(jù)集ICOADS 40 a(1958—1997年)平均的逐月海浪場資料進行對比檢驗，證實模擬海浪場的季節(jié)變化與ICOADS觀測資料所得結果基本一致。因此本文所用的模擬海浪資料是可信的。

1.2 方法

本文主要采用了經驗正交函數(shù)(EOF)展開方法、線性趨勢分析法、DB16小波分析和Mann－Kendall(簡稱M－K)統(tǒng)計檢驗方法。EOF方法和線性趨勢分析法為氣象水文分析中常用分析方法，具體過程可參見魏鳳英(2007)，這里不再贅述。小波分析(wavelet analysis)也是氣象上常用的分析氣象要素長期變化的重要工具。與Fourier變換相比，小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析，可聚焦到信號的任意細節(jié)，它解決了Fourier變換不能獲取信號在任意時刻頻率特征的缺陷?；谇叭说墓ぷ?嚴華生等，2004;張容焱等，2009;朱飆等，2009)，本文采用能在一定程度上過濾一些“噪音”，卻又嚴格保持原有信號特征的DB16正交小波分析方法，對海浪有效波高和海面10 m風速的特征向量時間系數(shù)進行分析。M－K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，亦稱無分布檢驗，其優(yōu)點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，計算簡便，而且可以明確突變的開始時間，是一種常用的突變檢測方法(魏鳳英，2007)。

2 結果分析

2.1 逐月海表10 m風速和有效波高的EOF模態(tài)

對WAVEWATCHⅢ模式生成的1958年1月至2001年12月共528個月有效波高和同期ERA40 10 m風速進行EOF分析，分別得到有效波高、10 m風速的時空分布特征(圖1、2)。由于有效波高和10 m風速EOF第一模態(tài)的方差貢獻分別占總方差的83.6%和93.4%，所以只討論第一模態(tài)的時空變化特征。這里第一模態(tài)反映了有效波高和海面風速的氣候背景特征。

圖1 1958—2001年海表10 m風速(a)、有效波高(b)的EOF第一空間模態(tài)Fig.1 Spatial distribution of the first EOF mode of(a)sea surface wind(SSW)and(b)significant wave height(SWH)from 1958 to 2001

由圖1可以看出，整個研究海域特征向量均為正值，呈同位相變化;亞丁灣以東洋面、孟加拉灣和南海都存在有效波高和風速的高值中心，其中亞丁灣以東洋面風速和有效波高的特征值最高，南海次之。圖1a中，除了赤道西印度洋海域以外，整個赤道附近海域均存在東西帶狀風速特征向量的低值區(qū)域，這反映了赤道無風帶的特征;在西印度洋有一明顯的東南轉東北向分布的特征向量高值區(qū)，這與索馬里越赤道氣流的位置相吻合。與圖1a相對應的有效波高特征向量分布(圖1b)也顯示赤道海域為低值區(qū)，尤其在赤道中、東部海區(qū)出現(xiàn)低值中心。整個研究海域以亞丁灣以東洋面風力最強，有效波高最高。

圖2中10 m風速和有效波高EOF第一特征向量的時間系數(shù)除了存在年際變化特征外，均顯示出熱帶地區(qū)普遍存在的半年周期和年周期的變化特征，且兩者的相關系數(shù)達0.97，這說明北印度洋—南海海域有效波高與其上空的海面風場有較好的對應關系。在赤道中、東印度洋，實際觀測的較高有效波高主要為涌浪，與南印度洋“咆哮西風帶”產生的涌浪向北傳播有關(Semedo et al.，2011)，將另文討論。

2.2 逐月海表10 m風速、有效波高的時間變化特征

圖2中海表10 m風速、有效波高EOF第一模態(tài)的時間系數(shù)除了具有明顯的半年周期和年周期變化外，實際上還存在多種時間尺度的周期變化。對圖2中時間系數(shù)序列采取11個月滑動平均以濾除年周期變化，突出年際變化和年代際變化特征，并對濾波后的時間序列進行DB16正交小波分析。由圖3a可知，風速能量頻域尺度主要集中在33.3～37.3、12.5～16.7和2.5～4.2 a，其中33.3～37.3 a的周期振蕩最明顯，即1962年之前海表10 m風速偏弱，1962—1982年海表10 m風速偏強，1982—2001年海表10 m風速又偏弱。為了確定主周期，由圖3b小波方差圖可知，即35 a左右為第一主周期，15 a左右為第二周期，3 a左右為第三周期。

圖2 1958—2001年海表10 m風速、有效波高EOF第一模態(tài)的時間系數(shù)(有效波高和10 m風速的線性回歸系數(shù)分別為0.007 5和0.016 3)Fig.2 Temporal coefficients of the first EOF mode of SSW and SWH from 1958 to 2001(Linear regression coefficients of SWH and SSW are 0.007 5 and 0.016 3，respectively)

圖3 海面風速EOF第一模態(tài)時間系數(shù)的小波變換分析a.時頻;b.方差Fig.3 Wavelet transform analysis of time coefficient of the first SSW EOF modea.time－frequency;b.variance

與海表10 m風速類似，北印度洋—南海海域有效波高也存在多種尺度的周期變化。由圖4a可知，整個海域海浪能量頻域尺度也主要集中在33.3～37.3 a、12.5～16.7 a和2.5～4.2 a，其中33.3～37.3 a周期振蕩最為明顯。由圖4b可知，35 a左右為第一主周期，15 a左右為第二周期，3 a左右為第三周期。由此可見，海表10 m風速與海浪有效波高在強度隨時間變化中有著很好的一致性，主要的長周期變化幾乎一致，不同的是風速的15 a左右周期變化比有效波高更明顯。北印度洋—南海海域有效波高的變化除了受局地風速的影響外，可能還受其他因素的影響。此外，值得注意的是，梅勇等(2010b)利用功率譜方法揭示出該海域海面風場存在3 a左右的周期現(xiàn)象，但沒有發(fā)現(xiàn)15 a和35 a左右的周期現(xiàn)象，這說明DB16正交小波方法在揭示長周期變化上的優(yōu)勢較明顯。

2.3 逐年四季海表10 m風速、有效波高的時間變化特征

為了進一步研究春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—次年2月)四季逐年海表10 m風速和有效波高的時間變化特征，對1958—2001年共44 a四季海表10 m風速和有效波高EOF第一模態(tài)的時間系數(shù)進行小波分析。受篇幅限制，這里只給出各季小波變換方差圖(圖5)。

由圖5可以看出:秋、冬季海表10 m風速與有效波高的變化周期較一致，秋季以11～12 a的周期為主，冬季以35～40 a的周期為主。春、夏季10 m風速與有效波高的變化周期不像秋、冬季那樣一一對應，尤其是夏季，10 m風速主要表現(xiàn)出11 a和3 a左右的變化周期，大于25～26 a的周期變化較弱，而有效波高除了11 a和3 a左右的變化周期外，主要表現(xiàn)為26 a左右的變化周期。注意到北半球的春、夏季正是南半球的秋、冬季，在南大洋強大的西風帶西風風速季節(jié)性的增強作用下，由南印度洋北傳到北印度洋的涌浪也增大(Semedo et al.，2011)，因而北印度洋春、夏季有效波高的變化除受局地夏季風的影響外，來自南大洋的涌浪的影響起到重要作用。北印度洋春、夏季有效波高的26 a左右周期變化可能與南印度洋西風帶對應的長周期變化有關。

圖4 有效波高EOF第一模態(tài)時間系數(shù)的小波變換分析a.時頻;b.方差Fig.4 Wavelet transform analysis of time coefficient of the first SWH EOF modea.time－frequency;b.variance

圖5 海面風速和有效波高EOF第一模態(tài)時間系數(shù)的小波變換方差(a，c，e，g分別為春、夏、秋和冬季海面風速;b，d，f，h分別為春、夏、秋和冬季有效波高)Fig.5 Variances from wavelet transform analysis of time coefficient of the first SSW and SWHEOF modes(a，c，e and g are SSW in spring，summer，autumn and winter，respectively;b，d，f，and h are SWH in spring，summer，autumn and winter，respectively)

2.4 海面風速和海浪有效波高的年代際變化

有關海面10 m風速變化的觀測研究較多，總體而言，20世紀后半葉以來，全球平均海面10 m風速沒有明顯的變化趨勢(Ward and Hoskins，1996)。北大西洋(Gulev and Hasse，1999)和北太平洋高緯度海區(qū)海面風速呈增加趨勢(Gower，2002)，而赤道、南大西洋熱帶和北太平洋亞熱帶呈減小趨勢(Ward and Hoskins，1996)。南海的西沙地區(qū)地面風速自1975年以來呈明顯的下降趨勢，但該測站自1980年后由于建房、栽樹等原因致使西沙氣象臺周圍的環(huán)境受到很大的影響，風速也逐漸減小(柳艷菊等，2008)。由于受大洋上觀測資料的限制(衛(wèi)星資料時間長度有限)，大洋上海面10 m風速和有效波高的長期變化趨勢不太清楚。最近，Dodet et al.(2010)利用再分析資料驅動第三代海浪模式，揭示出1953—2009年東北大西洋的有效波高呈線性增加趨勢(0.02 m·a－1)。

對海面10 m風速和有效波高EOF第一特征向量時間系數(shù)序列進行線性趨勢分析，由圖2可以明顯看到，北印度洋—南海海面10 m風速和有效波高在1958—2001年期間呈線性增加趨勢，海面風場和有效波高的線性回歸系數(shù)分別為0.016 3和0.007 5。

利用M－K方法可以檢測上述海表10 m風速和有效波高的變化趨勢，并揭示出突變年份。分別對北印度洋—南海海域年平均及春、夏、秋、冬四季平均10 m風速和有效波高EOF第一模態(tài)時間系數(shù)進行M－K檢驗。由圖6中10 m風速和有效波高的UF曲線可知:自20世紀70年代中期以來，10 m風速和有效波高的年平均強度均存在明顯增強趨勢，1978—2001年這種增強趨勢均超過0.05顯著性水平臨界線(臨界值為±1.96)，并從80年代中期開始超過了0.01顯著性水平(臨界值為±2.56)，表明北印度洋—南海海域年平均風速和有效波高的上升趨勢十分明顯。10 m風速、有效波高的UF和UB曲線均相交于1977年前后，確定該年為年平均風速和有效波高增強的突變起始年。該結果與目前大多數(shù)研究認為在20世紀70年代中期氣候年代際突變是一致的。

四季平均的海面10 m風速和有效波高EOF第一模態(tài)時間系數(shù)的M－K檢驗如圖7所示。季節(jié)平均序列突變檢驗結果表明:冬季和春季海表10 m風速和有效波高隨時間增強的趨勢較明顯，尤其是冬季更為顯著，冬季的突變時間在1980年前后，春季的突變時間提前在20世紀70年代初;夏季和秋季海表10 m風速和有效波高隨時間增強的趨勢不顯著，未通過0.05信度的顯著性檢驗。這說明年平均海表10 m風速和有效波高隨時間增大主要是由冬季和春季海表10 m風速和有效波高增大引起的。

3 結論

采用1958—2001年ERA40 10 m風速資料以及由該風速資料驅動WAVEWATCHⅢ海浪模式模擬得到的高精度海浪場資料，利用EOF分析、正交小波分析和M－K檢測方法，分析了北印度洋—南海海域海面風場和有效波高年代際尺度的時空變化，得到以下主要結論:

1)北印度洋—南海海域存在3個大風、大浪區(qū)，即亞丁灣以東洋面、孟加拉灣和南海海域。亞丁灣以東洋面風力最強，有效波高最高，南海海域次之，孟加拉灣海域相對較弱。

2)北印度洋—南海海域海面風場和有效波高存在35、15和3 a的主周期變化，并自20世紀70年代中期以來，年平均風速和有效波高均明顯增強，1977年為突變起始年。

3)冬、秋季海面風速與有效波高年代際變化周期較一致，冬季以35～40 a周期為主，秋季以11～12 a周期為主;春、夏季有效波高的年代際變化，除了受本地海域海面風場影響外，可能還與南大洋其他海域風場的年代際變化有關。

4)冬季和春季海表10 m風速和有效波高隨時間增強的趨勢較明顯，尤其是冬季更為顯著;年平均海表10 m風速和有效波高隨時間增大主要是由冬季和春季海表10 m風速和有效波高增大引起的。

圖6 1958—2001年年平均海面風速(a)、有效波高(b)EOF第一模態(tài)時間系數(shù)的M－K檢驗Fig.6 M－K statistic test of the first EOF time coefficients of annual(a)SSW and(b)SWH from 1958 to 2001

圖7 1958—2001年季平均海面風速和有效波高EOF第一模態(tài)時間系數(shù)的M－K檢驗(a，c，e，g分別為春、夏、秋、冬海面風速;b，d，f，h分別為春、夏、秋、冬有效波高)Fig.7 M－K statistic test of the first EOF time coefficients of seasonal SSW and SWH from 1958 to 2001(a，c，e and g are SSW in spring，summer，autumn and winter，respectively;b，d，f and h are SWH in spring，summer，autumn and winter，respectively)

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