印度洋-南海海域海表風(fēng)場的時空分布特征

蘇 勤,楊 艷,鄭崇偉

(1.海洋出版社 北京 100081;2.92538部隊氣象臺 大連 116041)

印度洋-南海海域海表風(fēng)場的時空分布特征

蘇 勤1,楊 艷1,鄭崇偉2

(1.海洋出版社 北京 100081;2.92538部隊氣象臺 大連 116041)

利用來自ECMWF的ERA-40風(fēng)場資料,采用EOF、線性回歸等方法,分析了1958-2001年期間印度洋-南海海表風(fēng)場的時空分布特征。結(jié)果表明:(1)該海域背景特征存在兩個比較明顯的高值區(qū):索馬里附近海域、南海海域,分別反映的是夏季索馬里附近海域強勁的西南季風(fēng)、南海冬季頻繁的冷空氣。(2)該海域海表風(fēng)場的第二模態(tài)在空間分布特征上,北印度洋中緯度海域與赤道附近海域呈反位相分布,40°S與60°S海域也呈反位相分布;第三模態(tài)則整個北印度洋與南印度洋呈反位相分布。(3)1958-2001年期間,印度洋-南海的海表風(fēng)速整體上呈顯著性逐年線性遞增,尤其以1975—1980年期間的遞增趨勢最為強勁,1975年的年平均風(fēng)速為近44年的最低點。

印度洋;南海;海表風(fēng)場;時空分布特征;變化趨勢

1 引言

作為全球第三大洋,印度洋是連接太平洋和大西洋的樞紐,處于世界海權(quán)體系的中心地位,馬漢曾經(jīng)說過:“誰控制了印度洋,誰就控制了亞洲”,海表風(fēng)場作為一項重要的氣象要素,對航海、海洋工程、海洋資源開發(fā)等都具有重要影響[1]。

研究表明[2]:印度洋10°S以北的大部分洋區(qū)都在季風(fēng)的控制之下。北印度洋是全球海洋上最顯著的季風(fēng)區(qū)。冬季盛行NE風(fēng),夏季盛行SW風(fēng),風(fēng)力、風(fēng)向穩(wěn)定。北印度洋風(fēng)速的分布規(guī)律為:南、北兩端小,中部大;東部小,西部大。南印度洋全年的風(fēng)場基本相似,風(fēng)向基本是以35°S,75°E為中心逆時針方向旋轉(zhuǎn)[3]。梅勇等[4-5]利用ERA-40的10 m風(fēng)場驅(qū)動WW3海浪模式,模擬得到北印度洋-南海海域44年的海浪場資料,分析發(fā)現(xiàn)北印度洋-南海海域存在3個大風(fēng)、大浪區(qū),亞丁灣以東洋面風(fēng)力最強;海表風(fēng)場和有效波高存在35年、15年和3年的主周期的變化,并自20世紀(jì)70年代中期以來,年平均風(fēng)速和有效波高都存在明顯的增強趨勢,1977年為突變起始年;年平均海表風(fēng)速和有效波高隨時間增大主要是由冬季和春季海表風(fēng)速和有效波高隨時間增大引起的;冬季和秋季海表風(fēng)場和有效波高年際和年代際變化的周期或位相比較一致,冬季以35～40年左右的周期為主,秋季以11～12年左右的周期為主。鄭崇偉等[6]曾利用ERA-40海表10 m風(fēng)場驅(qū)動第三代海浪數(shù)值模式WW3,得到南海-北印度洋1957年9月至2002年8月的海浪場,分析了該海域的波候、風(fēng)候特征,結(jié)果表明:北印度洋大部分海域的海表風(fēng)速呈顯著性逐年線性遞增趨勢,約0.01～0.02m/(s·a),南海線性遞增的區(qū)域則較少。由于受到資料等問題的限制,以往的研究多是基于極為有限的觀測資料展開的研究,本研究利用來自歐洲中期天氣預(yù)測中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA-40風(fēng)場資料,對印度洋的海表風(fēng)場特征進行研究,為航海、海洋資源開發(fā)等提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料簡介

ERA-40風(fēng)場來自ECMWF,其時間范圍從1957年09月01日00:00時至2002年8月31日18:00時,時間分辨率為6小時;該數(shù)據(jù)的空間范圍為87.5°S—87.5°N,0°—357.5°E,空間分辨率為2.5°×2.5°。ERA-40為45年(1957年中期至2002年中期)的同化數(shù)據(jù),包括航海觀測、飛機觀測、高空探測以及衛(wèi)星資料在內(nèi)的觀測資料參與同化。ERA-40包括分辨率為2.5°×2.5°、1.0°×1.0°、0.75°×0.75°的每日00:00時、06:00時、12:00時、18:00時的數(shù)據(jù)、日平均和月平均等數(shù)據(jù),但對中國只提供2.5°×2.5°資料。整體來看ERA-40再分析資料具有較高的可信度,在國外也得到廣泛的認(rèn)可和運用[7-11]。

3 海表風(fēng)場特征分析

3.1 海表風(fēng)場的空間分布特征

將印度洋-南海海域的海表風(fēng)速從1958—2001年進行逐年平均,得到44個時次的年平均海表風(fēng)場,用EOF(Empirical Orthogonal Function)分析方法,分析印度洋-南海海域海表風(fēng)速的時空分布特征 (圖1)。第一模態(tài)主要反映氣候背景場特征,其他模態(tài)則是反映疊加在背景場上的擾動場。

計算得到印度洋-南海海域海表風(fēng)場EOF分析的第一模態(tài)方差貢獻率為99.799%,第二模態(tài)的方差貢獻為0.052%,第三模態(tài)的方差貢獻為0.021%,前三模態(tài)累積方差貢獻率超過99.8%,取前三模態(tài)做研究已能夠充分反映該海域海表風(fēng)場的主要特征。

從海表風(fēng)場的氣候背景特征可以看出 (圖1a),存在兩個比較明顯的高值區(qū):索馬里附近海域、南海海域,索馬里附近海域的大值區(qū)呈NE—SW走向,該模態(tài)反映的是夏季索馬里附近海域強勁的西南季風(fēng),也就是說該海域的風(fēng)場主要受西南季風(fēng)影響;南海的大值區(qū)位于呂宋海峽至中南半島東南海域一帶,呈NE—SW走向,該大值區(qū)應(yīng)該主要是由于冬季大風(fēng)造成的,也就是說該海域的背景場以冬季風(fēng)為主導(dǎo),即第一模態(tài)主要體現(xiàn)了南海海域冬季頻繁的冷空氣過程。赤道及赤道以南海域的等值線則主要呈東西帶狀分布,由赤道往南半球高緯度海域表現(xiàn)出 “低—高—低—高”的分布特征。赤道附近的低值區(qū)較好地體現(xiàn)了赤道無風(fēng)帶風(fēng)速較小的特征;40°—60°S的大值區(qū)主要表現(xiàn)的是南半球西風(fēng)帶海域常年都為風(fēng)速的大值中心,這與南印度洋西風(fēng)帶海域素有 “咆哮西風(fēng)帶”之稱的特征相吻合。

圖1 a-c:印度洋-南海海域海表風(fēng)場EOF分析的第一、第二和第三模態(tài)的空間分布特征

第二、第三模態(tài)是疊加在氣候背景場上的擾動場,等值線的分布特征明顯沒有第一模態(tài)規(guī)則。第二模態(tài)在空間分布特征上,北印度洋中緯度海域與赤道附近海域呈反位相分布,40°S與60°S海域也呈反位相分布。第三模態(tài)整個北印度洋與南印度洋則呈反位相分布(圖1b和圖1c)。

3.2 海表風(fēng)速的時間變化特征

采用一元線性回歸分析方法,分析印度洋-南海海表風(fēng)場EOF分析第一模態(tài)時間系數(shù)的長期變化趨勢(圖2)。

相關(guān)系數(shù)|r|=0.78＞r0.05=0.29,通過了99%的信度檢驗,說明印度洋-南海海表風(fēng)速的線性變化趨勢是顯著的;回歸系數(shù)為0.458 4,即近44年期間,印度洋-南海的海表風(fēng)速整體上是顯著性逐年線性遞增的。

圖2 印度洋海域海表風(fēng)場EOF分析的第一時間系數(shù)及其變化趨勢

4 結(jié)論

利用ERA-40風(fēng)場資料,采用EOF、線性回歸等方法,分析了1958-2001年期間印度洋-南海海表風(fēng)速的時空分布特征,結(jié)果表明:

(1)該海域背景特征存在兩個比較明顯的高值區(qū):索馬里附近海域、南海海域,索馬里附近海域的大值區(qū)呈NE—SW走向,該模態(tài)反映的是夏季索馬里附近海域強勁的西南季風(fēng);南海的大值區(qū)位于呂宋海峽至中南半島東南海域一帶,呈NE—SW走向,主要體現(xiàn)了南海海域冬季頻繁的冷空氣過程。赤道及赤道以南海域的等值線則主要呈東西帶狀分布,由赤道往南半球高緯度海域表現(xiàn)出 “低—高—低—高”的分布特征。赤道附近的低值區(qū)較好地體現(xiàn)了赤道無風(fēng)帶風(fēng)速較小的特征;40°—60°S的大值區(qū)主要表現(xiàn)的是南半球西風(fēng)帶海域常年都為風(fēng)速的大值中心,這與南印度洋西風(fēng)帶海域素有“咆哮西風(fēng)帶”之稱的特征相吻合。

(2)該海域海表風(fēng)場的第二模態(tài)在空間分布特征上,北印度洋中緯度海域與赤道附近海域呈反位相分布,40°S與60°S海域也呈反位相分布;第三模態(tài)則整個北印度洋與南印度洋呈反位相分布。

(3)1958-2001年期間,印度洋-南海的海表風(fēng)速整體上呈顯著性逐年線性遞增。1958-1960年期間呈遞增趨勢,1960-1972年期間呈緩慢的遞減趨勢,1974-1975年,風(fēng)速劇烈遞減,并在1975年達到近44年的最低點,1975-1980年期間表現(xiàn)出非常強勁的遞增趨勢,1981-2001年期間呈緩慢的遞增趨勢。

[1] 鄭崇偉,蘇勤,劉鐵軍.1988-2010年中國海波浪能資源模擬及優(yōu)勢區(qū)域劃分[J].海洋學(xué)報,2013, 35(3):104-111.

[2] 李培,張鍹,俞慕耕.北印度洋氣候特點分析[J].海洋預(yù)報,2003,20(3):25-30.

[3] 梁玉清,劉金芳,張玹,等.南印度洋海浪場時空特征分析[J].海洋預(yù)報,2003,20(1):25-31.

[4] 鄭崇偉,潘靜,田妍妍,等.全球海域風(fēng)浪、涌浪、混合浪波候圖集[M].北京:海洋出版社,2012.

[5] 梅勇,宋帥,周林.北印度洋—南海海域海浪場、風(fēng)場的年際變化特征分析[J].海洋預(yù)報,2010,27 (5):27-33.

[6] 鄭崇偉,李訓(xùn)強,潘靜.近45年南海-北印度洋波浪能資源評估[J].海洋科學(xué),2012,36(6):101-104.

[7] 鄭崇偉,李訓(xùn)強,潘靜.近45年南海-北印度洋波侯統(tǒng)計分析[J].臺灣海峽,2012,31(3):317-323.

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[9] 鄭崇偉,潘靜.全球海域風(fēng)能資源評估及等級區(qū)劃[J].自然資源學(xué)報,2012,27(3):364-371.

[10] 鄭崇偉.近45年全球海域波浪能資源研究及等級區(qū)劃[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報,2013,8(1): 18-24.

[11] Zheng Chong-wei,Pan Jing,Li Jia-xun.Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009[J].Ocean Engineering,2013,65:39-48.