基于QuikSCAT/NCEP風(fēng)場的1999-2009年中國海表風(fēng)場研究

張德天，鄭崇偉，石嶺琳，劉志宏，陳曉斌

（1.91388部隊95分隊，廣東湛江524022；2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇南京211101；3.92538部隊氣象臺，遼寧大連 116041）

基于QuikSCAT/NCEP風(fēng)場的1999-2009年中國海表風(fēng)場研究

張德天1，鄭崇偉2,3，石嶺琳2，劉志宏3，陳曉斌2,3

（1.91388部隊95分隊，廣東湛江524022；2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇南京211101；3.92538部隊氣象臺，遼寧大連 116041）

利用1999年8月—2009年7月具有高精度的QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場，對中國海海表風(fēng)場的風(fēng)速風(fēng)向、極值風(fēng)速、大風(fēng)頻率等特征進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)：MAM和SON的風(fēng)速大值中心位于臺灣海峽，JJA位于南海西南部海域，DJF大值區(qū)主要位于琉球群島-臺灣海峽-東沙群島-平順海島一帶，風(fēng)向也具有明顯的季節(jié)特征；極值風(fēng)速的大值中心都主要集中在臺灣以東洋面、琉球群島附近海域、海南島以東和東沙群島附近海域；大部分海域3—25 m/s風(fēng)速出現(xiàn)的頻率都比較高，6級以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率較高的海域集中在對馬海峽、琉球群島附近海域、臺灣島附近海域；對逐月風(fēng)場進(jìn)行EOF分析的結(jié)果與季節(jié)特征分析的結(jié)果吻合較好，中國海近10年海表風(fēng)場的線性變化趨勢不顯著。

中國海；季節(jié)特征；極值風(fēng)速；大風(fēng)頻率；EOF分析

1 引言

中國海位于西太平洋，屬于臺風(fēng)多發(fā)海域，并處于季風(fēng)變換帶。趙喜喜等[1]利用ERS21、ERS22和QuikSCAT散射計海面風(fēng)場資料對1992年12月—2005年11月的中國海海面風(fēng)場時空變化特征進(jìn)行過分析，劉春霞等[2]利用QuikSCAT散射計對南海大風(fēng)頻數(shù)的月變化、空間分布特征進(jìn)行過統(tǒng)計分析。本文利用具有較高時空分辨率和精度的QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場，對中國海1999年8月—2009年7月10年的風(fēng)速風(fēng)向、極值風(fēng)速、大風(fēng)頻率等特征進(jìn)行深入研究，對海上風(fēng)能開發(fā)、航海、海洋工程、防災(zāi)減災(zāi)都具有極為重要的意義。

2 資料簡介

所謂QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場，就是對衛(wèi)星散射計（QuikSCAT）觀測數(shù)據(jù)和全球天氣中心（NCEP）分析數(shù)據(jù)的時空混合分析的結(jié)果，其空間分 辨率 為 0.5°×0.5°， 每 6小 時 一次 數(shù) 據(jù) 。QuikSCAT/NCEP風(fēng)場具有很高時空分辨率和精度，常被用作模擬天氣過程的驅(qū)動場[3-5]，且取得了很好的效果。目前尚沒有利用如此高精度和時空分辨率的海表風(fēng)場資料對我國海域進(jìn)行研究的報道。本文利用QuikSCAT/NCEP風(fēng)場對中國海1999年8月—2009年7月的海表風(fēng)速進(jìn)行研究。

3 資料分析

3.1 海表風(fēng)場的季節(jié)特征（見圖1）

風(fēng) 速：MAM（March、April、 May）和 SON（September、October、November）的風(fēng)速大值區(qū)主要集中在臺灣附近海域，以臺灣海峽最大（MAM約 5.5 m/s，SON 約 8—9 m/s）；JJA（June、July、August），大值中心主要位于南海西南部的平順海島附近海域（約6—7 m/s），臺灣海峽的風(fēng)速在JJA為相對低值區(qū)，僅2 m/s左右；DJF（December、January、February），大值區(qū)主要位于琉球群島-臺灣海峽-東沙群島-平順海島，呈帶狀分布，均值約8—11 m/s。黃渤海的風(fēng)速四季皆為相對低值區(qū)。

風(fēng)向：MAM，黃渤海的風(fēng)向呈順時針旋轉(zhuǎn)，東海為北-東北風(fēng)，南海大部分海域為東-東北風(fēng)，泰國灣為偏南風(fēng)；JJA，南海為西南風(fēng)，這應(yīng)該是由于西南季風(fēng)造成的，大約以20°N為界，以南的海域為西南風(fēng)，以北的海域為南-東南風(fēng)；SON，渤海和黃海北部為北-西北風(fēng)，黃海中南部、東海、南海北部為東北風(fēng)，南海南部為西-西南風(fēng)，這是由于SON為過渡季節(jié)，北部海域已經(jīng)轉(zhuǎn)北風(fēng)，而南海南部的西南風(fēng)尚未完全消退；

DJF期間，渤海和黃海中北部海域盛行北-西北風(fēng)，黃海南部和東海北部盛行偏北風(fēng)，臺灣海峽附近海域、南海大部分海域以東北風(fēng)為主，泰國灣為偏東風(fēng)。

圖1 中國海近10年平均的MAM、JJA、SON、DJF期間海表風(fēng)向風(fēng)速

3.2 極值風(fēng)速

在廣闊的洋面上出現(xiàn)大風(fēng)的頻率遠(yuǎn)大于陸地，強風(fēng)常常也會導(dǎo)致災(zāi)害，航海、海洋工程、國防工程、海洋能的開發(fā)與利用等都非常關(guān)注極值風(fēng)速。本文利用近10年的海表風(fēng)速，采用耿貝爾曲線法計算了中國海的五十年一遇極值風(fēng)速和百年一遇極值風(fēng)速。具體計算方法如下：

圖2 中國海五十年和百年一遇極值風(fēng)速（單位:m/s）

圖3 我國四大海域區(qū)劃

表1 耿貝爾曲線的離均系數(shù)

由圖2可以看出，五十年一遇和百年一遇極值風(fēng)速的大值中心都主要集中在臺灣以東洋面、琉球群島附近海域、海南島以東和東沙群島附近海域。臺灣以東洋面和琉球群島附近海域的五十年一遇極值風(fēng)速在40—45 m/s左右，百年一遇極值風(fēng)速在45—50 m/s左右；海南島以東和東沙群島附近海域的極值風(fēng)速較臺灣以東洋面和琉球群島附近海域偏小，五十年一遇極值風(fēng)速在35—40 m/s左右，百年一遇極值風(fēng)速在40—45 m/s左右。南海中南部海域、黃海中北部海域和渤海的極值風(fēng)速相對較小，且南海的極值風(fēng)速分布特征與這周良明[6]的結(jié)論較接近。上述極值風(fēng)速的分布特征應(yīng)該是由于熱帶氣旋的入侵路徑及強度造成的[7-10]。

3.3 重點海域海表風(fēng)速的月變化特征

本文還分析了臺灣海峽、渤海、黃海、東海、南海北部、南海南部（我國幾大海域區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)見圖3）海表風(fēng)速的月變化特征，見圖4。發(fā)現(xiàn)臺灣海峽、渤海、黃海、東海、南海北部的海表風(fēng)速呈圓滑的“U”型月變化，即在DJF最大，春秋為過渡季節(jié)，JJA最小，月變化較平緩；在南海南部則呈圓滑的“W”型月變化，即DJF最大，JJA次之，春秋兩個過渡季節(jié)最小。

3.4 不同等級風(fēng)速出現(xiàn)的頻率

圖4 海表風(fēng)速的月變化特征

圖5 風(fēng)速在3—25 m/s和7級(13.9 m/s)以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率(單位:%)

由于風(fēng)能開發(fā)可利用的風(fēng)速范圍為3—2 5 m/s，7級（13.9 m/s）以上大風(fēng)經(jīng)常造成嚴(yán)重災(zāi)害，本文對不同月份3—25 m/s的風(fēng)速和7級以上大風(fēng)出現(xiàn)的頻率進(jìn)行了統(tǒng)計，為海上風(fēng)能的開發(fā)與利用、防災(zāi)減災(zāi)提供參考（見圖5）。

1月，大部分海域的風(fēng)速范圍為3—25 m/s出現(xiàn)的頻率在95%以上，黃渤海和北部灣相對較低，在80%—95%左右，7級以上大風(fēng)頻率的相對大值中心集中分布于對馬海峽（約10%—15%）、琉球群島附近海域（約10%）、臺灣海峽（約15%—35%）、呂宋島西北部海域（約15%—25%）以及位于南海西南部的平順海島附近海域（約5%—20%）。該月南海大風(fēng)頻率的分布特征與劉春霞等[2]的研究結(jié)論相近。

圖5 中國海表風(fēng)速EOF分析的的空間分布

4月，大部分海域的風(fēng)速范圍為3—25 m/s出現(xiàn)的頻率在80%以上，黃渤海和北部灣相對較低，在60%—80%左右，7級以上大風(fēng)頻率的相對大值中心集中分布于臺灣海峽（約3%—12%）、琉球群島附近海域（約3%—6%）、對馬海峽（約4%—6%）。黃海中北部、渤海及南海大部分海域7級以上大風(fēng)出現(xiàn)的頻率很低。

7月，大部分海域的風(fēng)速范圍為3—25 m/s出現(xiàn)的頻率在85%以上，黃海中北部和渤海相對較低，在70%左右，7級以上大風(fēng)頻率的相對大值中心集中分布于臺灣以東洋面（約4%—7%）、臺灣島西北部的富貴角附近海域（約3%—6%），南海大部分海域在2%—5%左右。

圖7 中國海表風(fēng)速EOF分析的第一、第二、第三、第四模態(tài)的時間序列

10月，風(fēng)速范圍為3—25 m/s出現(xiàn)頻率的大值區(qū)集中在臺灣周邊海域（約95%），7級以上大風(fēng)頻率的大值中心集中在臺灣島附近海域（約6%—30%）和南海北部的東沙群島附近海域（約3%—12%）。

3.5 EOF分析

對中國海1999年8月—2009年7月的海表風(fēng)速取逐月平均，得到120個時次的月平均的風(fēng)場，進(jìn)行EOF（全稱Empirical Orthogonal Function）分析，得到風(fēng)場的時空分布特征。風(fēng)場EOF分析的第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)達(dá)到了97.78%，第二模態(tài)方差貢獻(xiàn)達(dá)到了0.76%，第三模態(tài)方差貢獻(xiàn)達(dá)到了0.42%，第四模態(tài)方差貢獻(xiàn)達(dá)到了0.3%，前四個模態(tài)方差累計貢獻(xiàn)率達(dá)到了99.269%，取前四個模態(tài)用來分析已能充分反映中國海海表風(fēng)場的特征。

第一模態(tài)反映了氣候背景場的特征，第二、三、四模態(tài)則是反映了疊加在背景場上的擾動場。從背景場的分布可以看出海表風(fēng)速的大值區(qū)主要位于琉球群島-臺灣海峽-東沙群島-平順海島，呈帶狀分布，這與上述季節(jié)特征中的DJF海表風(fēng)速分布極為相似。從第二模態(tài)則可以看出，南海南部與其余海域成反位相分布，第三模態(tài)則表現(xiàn)出整個南海與渤海、黃海、東海均呈反位相分布，第四模態(tài)則反映出南海南部與南海北部、臺灣附近海域呈反位相分布，黃渤海的西部海域與東部海域呈反位相分布（見圖6）。

由圖7可以看出，EOF分析前四模態(tài)的時間序列都具有比較明顯的年內(nèi)變化特征。第一模態(tài)時間序列呈弱的線性遞減趨勢，說明中國海近10年海表風(fēng)場的線性變化趨勢不顯著。第一模態(tài)時間序列與第二、三、四模態(tài)時間序列的相關(guān)系數(shù)分別為 ： -0.7457、 -0.4888、 0.3363， 均 通 過 了a0.05=0.1946（95%）的信度檢驗，說明擾動場與背景場有著密切的聯(lián)系。

4 結(jié)論

（1）MAM和SON期間的風(fēng)速大值中心位于臺灣海峽，JJA位于南海西南部海域，DJF大值區(qū)主要位于琉球群島-臺灣海峽-東沙群島-平順海島一帶；風(fēng)向也具有明顯的季節(jié)特征，MAM，黃渤海的風(fēng)向呈順時針旋轉(zhuǎn)，東海為北-東北風(fēng)，南海大部分海域為東-東北風(fēng)，泰國灣為偏南風(fēng)；JJA，大約以20°N為界，以南的海域為西南風(fēng)，以北的海域為南-東南風(fēng)；SON，渤海和黃海北部為北-西北風(fēng)，黃海中南部、東海、南海北部為東北風(fēng)，南海南部為西-西南風(fēng)，DJF，渤海和黃海中北部海域盛行北-西北風(fēng)，黃海南部和東海北部盛行偏北風(fēng)，臺灣海峽附近海域、南海大部分海域以東北風(fēng)為主，泰國灣為偏東風(fēng)；

（2）極值風(fēng)速的大值中心都主要集中在臺灣以東洋面、琉球群島附近海域、海南島以東和東沙群島附近海域，這些海域的五十年一遇極值風(fēng)速在40 m/s左右，百年一遇極值風(fēng)速在45—50 m/s左右；

（3）大部分海域3—25 m/s風(fēng)速出現(xiàn)的頻率都比較高；7級以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率較高的海域集中在對馬海峽、琉球群島附近海域、臺灣島附近海域，其中4月份的大風(fēng)頻率為全年最低；

（4）對風(fēng)場進(jìn)行EOF分析的氣候背景場的大值區(qū)主要位于琉球群島-臺灣海峽-東沙群島-平順海島，呈帶狀分布，與DJF風(fēng)速的大值區(qū)分布相似；擾動場則體現(xiàn)了不同海域之間的反位相分布。EOF分析前四模態(tài)的時間序列都具有比較明顯的年內(nèi)變化特征，中國海近10年海表風(fēng)場的線性變化趨勢不顯著。

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Sea surface wind field analyze from 1999 to 2009 in the China Sea by QuikSCAT/NCEPdata

ZHANG De-tian1，ZHENG Chong-wei2,3，SHI Lin-ling2，LIU Zhi-hong3，CHEN Xiao-bin2,3

(1.95 Unit,NO.91388 Army of PLA，Zhanjiang Guangdong 524022 China；2.Institute of Meteorology,PLA Univ.of Sci.＆ Tech.，Nanjing Jiangsu 211101 China；3.12 Unit,NO.92538 Army of PLA，Dalian Liangning 116041 China)

In this paper,the QuikSCAT/NCEP wind field data is used to analyze the characteristics of sea surface wind field in the China Sea from 1999 to 2009.The primary characteristics of wind field were analyzed,such as the sea surface wind speed,wind direction,extreme wind speed and frequency of gale.The wind speed and wind direction show obvious seasonal characteristic.Large values of extreme wind speed occurred in the east area of Taiwan,around Hainan Island and so on.The frequency of wind speed between 3m/s and 25m/s is high.The regions with wind speed larger than 13.9m/s are mainly in the Tsushima strait,Taiwan Island and adjacent area and so on.The result of monthly EOF analysis is similar to the seasonal characteristics of wind field in the China Sea.

China Sea;seasonal characteristics;extreme wind speed;frequency of gale;EOF analysis

P732

A

1003-0239（2011）04-0058-07

2010-10-02

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）（2010CB429001）

張德天（1983-），男，本科，主要從事海洋水文保障工作。E-mail：269223118@qq.com

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