基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的全球波候研究＊

石永芳，楊永增，尹訓(xùn)強(qiáng)

（1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；

2.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061）

海岸和近海工程建筑物處于嚴(yán)酷的海洋環(huán)境下，要保證建筑物在此環(huán)境中安全并能在使用期內(nèi)發(fā)揮其應(yīng)有功能，海浪常常是最主要的環(huán)境影響因素，過(guò)低地估計(jì)海浪的嚴(yán)重性將導(dǎo)致海岸和近海工程的破壞，而過(guò)高地估計(jì)又將導(dǎo)致很大的浪費(fèi)。因此在進(jìn)行海上建筑物的規(guī)劃和設(shè)計(jì)之前，必須得到相應(yīng)海區(qū)的可靠海浪資料，分析其變化趨勢(shì)，掌握其統(tǒng)計(jì)特性。

早在1991年，Bacon和Carter［1］利用所有可用的船測(cè)走航數(shù)據(jù)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算了1962—1986年北大西洋和北海的海浪變化趨勢(shì)。1996年，Bouws等［2］收集超過(guò)2萬(wàn)張的手繪波圖，利用這些波圖分析了1960—1985年間海浪的變化趨勢(shì)，研究結(jié)果表明，在此期間海浪并沒(méi)有明顯的變化，這一結(jié)果更符合實(shí)際的觀測(cè)。2002年，Woolf等［3］利用1991－08—2000－02的實(shí)測(cè)衛(wèi)星高度計(jì)資料對(duì)海浪隨時(shí)間的變化進(jìn)行了分析，所用數(shù)據(jù)分辨率為2°×2°的月平均數(shù)據(jù)，通過(guò)分析表明，在北大西洋區(qū)域除了個(gè)別點(diǎn)有效波高有明顯的下降或上升，總體看來(lái)變化趨勢(shì)并不明顯。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和海浪模式的發(fā)展，越來(lái)越多的工作利用海浪后報(bào)和預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)來(lái)研究波候。1998年，Gǔnther等［4］與北大西洋海浪和風(fēng)暴研究組織（WAVA Group）［5］通過(guò)模式得到了1955—1994年共40a的波浪后報(bào)數(shù)據(jù)，利用線性回歸方法分析了北大西洋的波候。2010年，Guillaume等［6］利用再分析資料驅(qū)動(dòng)海浪模式，計(jì)算了過(guò)去60a即1953—2009年北大西洋海浪要素，其中包括有效波高、波向和周期，并通過(guò)同一經(jīng)線不同緯度三個(gè)點(diǎn)的海浪要素的時(shí)間序列，分析了其線性變化的趨勢(shì)。

分析上述研究成果，一方面，由于觀測(cè)手段和技術(shù)的限制，利用數(shù)值模式數(shù)據(jù)研究波候的工作較多，時(shí)間跨度長(zhǎng)，而使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)波候研究的工作較少并且時(shí)間跨度短；另一方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作大部分集中在對(duì)北大西洋波候的研究，對(duì)其他幾大洋乃至全球的波候研究較少。以此為切入點(diǎn)，考慮到現(xiàn)有的數(shù)據(jù)條件，本文使用了Topex／Poseidon（1993—2001年）和JASON－1（2002—2011年）的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，分析了近20a平均海浪的空間特征及海浪的變化趨勢(shì)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)介紹

Topex／Poseidon和JASON－1是法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）和美國(guó)宇航局（NASA）分別在1992－08和2001－12聯(lián)合發(fā)射的高度計(jì)微波遙感專(zhuān)用衛(wèi)星。JASON－1是Topex／Poseidon的后繼衛(wèi)星，它們都載有雙頻率Ku波段／C波段高度計(jì)，采用微波波段，比采用可見(jiàn)光或紅外波段的激光高度計(jì)分辨率更高，可用于精確的測(cè)量海陸表面和冰面地形。

JASON－1與Topex／Poseidon都是精確的循環(huán)軌道，軌道高度在1 300km左右，軌道傾角為66°，所以只能在66°N～66°S的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，不能覆蓋到極地地區(qū)。它們對(duì)地采樣模式相同，為每秒測(cè)量1個(gè)點(diǎn)，星下點(diǎn)的地面分辨單元距離為6km，循環(huán)周期約為10d［7］。

高度計(jì)的觀測(cè)包括海面高度、海面溫度、風(fēng)場(chǎng)、有效波高等諸多變量，時(shí)間序列至今約有20a，給人們提供了迄今為止時(shí)間序列最長(zhǎng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量最高的全球風(fēng)、浪和海平面高度同步觀測(cè)資料，成為近年來(lái)海洋領(lǐng)域科學(xué)研究的一個(gè)重要數(shù)據(jù)來(lái)源。本文使用了1993—2011年共19a的有效波高及風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

本文首先將軌道數(shù)據(jù)插值［8］為月平均1°×1°分辨率的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，分析多年年平均海浪的空間分布特征，同時(shí)與風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比；衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)以10d為一個(gè)周期，數(shù)據(jù)覆蓋全球，但并不同步，為了確保計(jì)算得到的海浪隨時(shí)間變化率的精確性，將全球劃分為0.5°×0.5°的網(wǎng)格點(diǎn)，直接統(tǒng)計(jì)了軌道數(shù)據(jù)在不同時(shí)刻落到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的觀測(cè)值。以4個(gè)不同緯度點(diǎn)為例（圖1），顯示了0.5°分辨率網(wǎng)格點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

從圖1可以看出，采用以上方法統(tǒng)計(jì)的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)足夠多，確保了分析結(jié)果的可信性。

圖1 180°經(jīng)線上不同網(wǎng)格點(diǎn)的有效波高Fig.1 The significant wave height at different grid points along the 180°meridian

2 結(jié)果與分析

2.1 空間特征

圖2顯示了1993—2011年期間全球年平均的海浪空間分布，同時(shí)與風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，有效波高的大值主要分布在南北半球的高緯度區(qū)域，在南北太平洋、北大西洋，南印度洋都有一個(gè)極值中心，并且北大西洋的有效波高值略大于北太平洋，可以明顯看出，海浪大值分布的路徑與風(fēng)場(chǎng)的大值分布有明顯的一致性，特別是南半球的西風(fēng)帶區(qū)域，它是地球上唯一一個(gè)東西方向上不被陸地隔斷的區(qū)域，這提供了更長(zhǎng)的風(fēng)區(qū)，加上此區(qū)域盛行常年穩(wěn)定的西風(fēng)，因此有效波高一直較大。雖然熱帶、亞熱帶區(qū)域也存在季風(fēng)帶，但其風(fēng)速比中高緯度西風(fēng)帶的風(fēng)速小，因此低緯度區(qū)域有效波高常年保持較小且變化也小。

影響海浪場(chǎng)分布的因素很多，包括風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)、風(fēng)向及地形等，但海浪的成長(zhǎng)主要取決于風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)及風(fēng)的大小，風(fēng)場(chǎng)也將自身攜帶的大部分能量輸入給海浪。風(fēng)場(chǎng)是影響海浪空間分布的重要因素。

圖2 1993—2011年年平均的海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的空間分布Fig.2 The spatial distributions of the annual average wave field and wind field from 1993to 2011

2.2 時(shí)間變化

基于直接統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法計(jì)算了近20a全球海浪隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由于衛(wèi)星軌道的分辨率（2°×2°）大于所劃分的網(wǎng)格點(diǎn)，并且Topex／Poseidon（1993—2001年）和JASON－1（2002—2011年）的衛(wèi)星軌道并不相同，這樣就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)為空、前10a數(shù)據(jù)為空或后10a數(shù)據(jù)為空的現(xiàn)象，因此，直接計(jì)算的有效波高變化率存在較大的誤差，圖3為直接統(tǒng)計(jì)的全球海浪變化趨勢(shì)空間分布圖。

圖4為全球每個(gè)格點(diǎn)的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)，從各網(wǎng)格觀測(cè)點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)可以看出，一部分網(wǎng)格的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)較少，因此統(tǒng)計(jì)誤差較大，經(jīng)檢驗(yàn)選取大于各網(wǎng)格點(diǎn)總觀測(cè)數(shù)平均值（2 500）的網(wǎng)格為有效網(wǎng)格點(diǎn)，利用線性回歸的統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算了海浪近20a的變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)圖5可以得出海浪變化趨勢(shì)分布的主要特點(diǎn)：海浪在北太平洋有明顯的減小趨勢(shì)，減小率約在0.015m／a左右；在東北大西洋有弱的減小趨勢(shì)，與此相反，西北大西洋的海浪增加趨勢(shì)明顯；海浪在印度洋、大西洋的低緯度區(qū)域及太平洋東岸的低緯度區(qū)域有弱的增加趨勢(shì)，增加率約為0.005m／a；在30°～45°S的南太平洋區(qū)域增加趨勢(shì)較強(qiáng)，約0.012～0.016m／a。

在國(guó)內(nèi)外波候的大量研究工作中，由于時(shí)間跨度和數(shù)據(jù)源不同，得到的結(jié)果也不盡相同。2002年，Woolf等［3］通過(guò)分析1991—2000年的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在北大西洋區(qū)域，除了個(gè)別點(diǎn)有效波高有明顯的下降或上升，總體看來(lái)變化趨勢(shì)并不明顯。2010年，Guillaume等［6］研究表明，1953—2009年夏季平均的有效波高沒(méi)有明顯變化，冬季平均的有效波高在其中兩點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，其中一點(diǎn)無(wú)明顯變化。

為了驗(yàn)證所做工作的正確可信性，將同時(shí)間段衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的線性回歸結(jié)果與Guillaume等［6］工作中1993—2008年在3個(gè)不同緯度上數(shù)值模式數(shù)據(jù)的線性回歸結(jié)果相比較，比較Guillaume等波候研究結(jié)果（圖6）和衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的研究結(jié)果（圖7）可以看出，3個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的變化趨勢(shì)一致，都呈減小趨勢(shì)，并且減小率相近，說(shuō)明了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的正確性。

圖6 Guillaume在12.5°W經(jīng)線3個(gè)不同點(diǎn)的波候研究結(jié)果（1993—2008年）Fig.6 Results obtained by Guillaume who studied the wave climate at three different points along the 12.5°W meridian（1993—2008）

圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在12.5°W經(jīng)線3個(gè)不同點(diǎn)的波候研究結(jié)果（1993—2008年）Fig.7 Results of wave climate from the data measured at the three different points along the 12.5°W meridian（1993—2008）

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究利用1993—2011年衛(wèi)星高度計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)近20a的全球波候進(jìn)行了分析。多年年平均的海浪場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的比較顯示：海浪的大值分布路徑與風(fēng)場(chǎng)的大值分布有明顯的一致性，風(fēng)場(chǎng)是影響海浪空間分布的重要因素。文章在研究海浪隨時(shí)間的變化時(shí)，選擇了最新時(shí)間跨度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源，通過(guò)線性回歸的分析方法，計(jì)算有效波高近20a的線性變化趨勢(shì)，并得到了區(qū)別于以往工作的最新結(jié)果：北太平洋的海浪有明顯的減小趨勢(shì)，減小率約在0.015m／a左右；東北大西洋有弱的減小趨勢(shì)，與此相反，西北大西洋有明顯的增加趨勢(shì)；海浪在印度洋、大西洋的低緯度區(qū)域及太平洋東岸的低緯度區(qū)域有弱的增加趨勢(shì)，增加率約為0.005m／a；在30°～45°S的南太平洋區(qū)域增加趨勢(shì)較強(qiáng)，約0.012～0.016m／a。通過(guò)對(duì)比，證明了此統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可信性。

很多學(xué)者在以往的工作中分析了北大西洋波候特征與NAO（North Atlantic Oscillation）有密切的關(guān)系，也有研究證明太平洋海浪的多年變化與厄爾尼諾現(xiàn)象密不可分，即海浪多年的變化趨勢(shì)，除與其直接強(qiáng)迫場(chǎng)—風(fēng)場(chǎng)有關(guān)外，還與海氣相互作用的其他因素有密切關(guān)系。本文通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得到了近20a海浪變化趨勢(shì)的最新結(jié)果，結(jié)果顯示了幾個(gè)明顯的增大或減小區(qū)域，并通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)證明了分析結(jié)果的可信性，但引起波候變化的內(nèi)在機(jī)制還需要深入研究。

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