南海-北印度洋波高的長期變化: I.重點區(qū)域的趨勢、周期和突變分析

芮震峰，鄭崇偉，王涌，徐軒彬

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連116018）

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南海-北印度洋波高的長期變化: I.重點區(qū)域的趨勢、周期和突變分析

芮震峰，鄭崇偉，王涌，徐軒彬

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連116018）

摘要：利用ERA-40海表10 m風(fēng)場驅(qū)動WAVEWATCH-Ⅲ（WW3）海浪模式，模擬得到南海-北印度洋1957年9月—2002年8月的海浪資料，采用線性回歸、功率譜分析、MK檢驗等方法，分析了該海域有效波高（SWH）的線性趨勢、變化周期、突變形勢。結(jié)果表明：（1）近44 a期間，呂宋島東北部近海、呂宋海峽、南海大風(fēng)區(qū)、斯里蘭卡-蘇門答臘島、索馬里以東的SWH有線性遞增趨勢；（2）索馬里以東、斯里蘭卡-蘇門答臘島、南海大風(fēng)區(qū)、呂宋島以東近海的SWH存在共同的3.3—5.2 a顯著性變化周期和26 a以上的長周期震蕩；（3）索馬里以東的SWH存在顯著的突變現(xiàn)象，突變期為1982年；斯里蘭卡-蘇門答臘島的SWH無顯著的突變現(xiàn)象；南海大風(fēng)區(qū)和呂宋島以東近海的SWH均存在顯著的突變現(xiàn)象，突變期分別為1971年和1969年。

關(guān)鍵詞：WAVEWATCH-Ⅲ；線性趨勢；變化周期；突變形勢

1　引言

海洋是全球氣候變化的重要調(diào)節(jié)器。前人對全球海洋水文要素的變化趨勢做過較多工作。Guillaume等[1]發(fā)現(xiàn)在1953—2009年期間，大西洋東北部海域的有效波高（Significant Wave Height，SWH）以20 cm/10 a的速度顯著性遞增。Semedo等[2]研究發(fā)現(xiàn)1957—2002年期間，北大西洋和北太平洋大部分海域的SWH表現(xiàn)出顯著的遞增趨勢。鄭崇偉等[3-5]研究發(fā)現(xiàn)1988—2009年期間，中國海的SWH和波浪能流密度均呈顯著性逐年線性遞增。南海—北印度洋是我國亞丁灣護(hù)航的必經(jīng)之地、重要的能源通道之一。本文利用ERA-40海表10 m風(fēng)場驅(qū)動WAVEWATCH-Ⅲ（WW3）海浪模式，模擬得到南?！庇《妊?957年9月—2002年8月的海浪資料，采用線性回歸、功率譜分析、MK檢驗等方法，分析了該海域SWH的線性趨勢、變化周期、突變形勢等，以期可為研究全球氣候變化、波浪能資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)等提供參考。

2　資料簡介

本文利用模擬的海浪數(shù)據(jù)，分析了南海—北印度洋幾個重要區(qū)域（索馬里以東、斯里蘭卡-蘇門答臘島、南海大風(fēng)區(qū)、呂宋島以東近海）SWH的變化趨勢、周期和突變。數(shù)據(jù)來源：梅勇等[6]曾以ERA-40海表10 m風(fēng)場驅(qū)動第3代海浪數(shù)值模式WW3，模擬得到南?！庇《妊蠼?5 a、逐3 h的海浪場。梅勇等[6]將該數(shù)據(jù)與ICOADS、法國航天局Aviso中心發(fā)布的融合多顆衛(wèi)星1.0°×1.0°網(wǎng)格2 d平均的海面有效波高數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明精度較高。

3　重點區(qū)域SWH的長期變化趨勢

本文首先分析了索馬里以東（3°—15°N，50°—70°E）、斯里蘭卡-蘇門答臘島（10°S—5°N，75°—100°E）、南海大風(fēng)區(qū)（11°—14°N，109°—113°E）、呂宋島以東近海（15°—25°N，121°—130°E）SWH的變化趨勢，見圖1。

圖1　不同近海海域逐年平均的SWH及變化趨勢

索馬里以東（見圖1a）：變化趨勢的相關(guān)系數(shù)為0.63，通過了95%的信度檢驗，回歸系數(shù)為0.003 6，即1958—2001年期間，索馬里以東海域的SWH整體上以0.003 6 m/a的速度顯著性逐年線性遞增。在1958—1966年期間呈震蕩遞減（-0.009 3 m/a），1967—1984年期間呈較為明顯的遞增趨勢（0.007 3 m/a），1984—1990年期間表現(xiàn)呈深“V”型變化特征，1990—2001年期間震蕩較為明顯，但無顯著的遞增或遞減趨勢。值得注意到是，該海域的年平均波高基本在1.0 m以上，這應(yīng)該是由于索馬里的西南大風(fēng)所致。

斯里蘭卡-蘇門答臘島（見圖1b）：變化趨勢的相關(guān)系數(shù)為0.78，通過了95%的信度檢驗，回歸系數(shù)為0.004 1，即1958—2001年期間，斯里蘭卡—蘇門答臘島一帶海域的SWH整體上以0.004 1 m/a的速度顯著性逐年線性遞增。整個44a期間，SWH大體保持了平穩(wěn)的遞增趨勢，1958—1978年期間呈明顯的震蕩遞增（0.005 7 m/a），1978—1987年期間呈緩慢的逐年遞減（-0.010 2 m/a），1987—1994年期間為第二波較為明顯的遞增趨勢（0.023 3 m/a），1994—1996年期間迅速遞減，1996—2001年期間變化趨勢又趨于平緩。由于該海域處于中低緯海域，年平均波高基本在1.0 m以內(nèi)。

南海大風(fēng)區(qū)（見圖1c）：變化趨勢的相關(guān)系數(shù)為0.56,通過了95%的信度檢驗，回歸系數(shù)為0.004 4，即1958—2001年期間，南海大風(fēng)區(qū)的SWH整體上以0.004 4 m/a的速度顯著性逐年線性遞增。1958—1971年期間表現(xiàn)出遞增趨勢（0.013 m/a），但震蕩較為劇烈，1972—1995年期間表現(xiàn)出相對平穩(wěn)的遞增趨勢（0.005 6 m/a），1995年以后經(jīng)歷了一次劇烈的遞減（-0.108 m/a），并在1998年達(dá)到近30余年來的波谷，而后迅速恢復(fù)至正常狀態(tài)。

呂宋島以東近海（見圖1d）：變化趨勢的相關(guān)系數(shù)為0.54,通過了95%的信度檢驗，回歸系數(shù)為0.004 3，即1958—2001年期間，該海域的SWH整體上以0.004 3 m/a的速度顯著性逐年線性遞增。1958—1965年期間，平均波高在1.20 m上下浮動，1967年以后，年平均波高明顯增加，基本在1.30 m以上，在1968—1996年期間表現(xiàn)出緩慢的遞增趨勢（0.003 7 m/a），在1996年以后經(jīng)歷了一次劇烈的遞減，并在1998年達(dá)到近30余年來的波谷，年平均波高僅1.12 m左右，而后迅速恢復(fù)至正常狀態(tài)。

整體來看，幾個重點海域的SWH的長期遞增趨勢較為緩慢，一方面可能確實存在該現(xiàn)象；另一方面則可能是由于時間跨度大，數(shù)據(jù)的不一致性造成的。Semedo等[2]曾指出：由于同化資料的改變，ERA-40分析資料分為4個不同時期，其中1991年12月—1993年5月由于觀測資料的問題，該時間段的同化資料誤差稍大。從圖1 a—d不難發(fā)現(xiàn)，以ERA-40海表10 m風(fēng)場驅(qū)動得到的海浪資料在1991—1994年期間過度較為平緩。因此，可以認(rèn)為1991年12月—1993年5月的同化誤差不足以影響SWH的長期變化趨勢，即上述4個重要區(qū)域的SWH存在真實的緩慢遞增。在未來的研究中需要重點對1991年12月—1993年5月期間展開重點研究，以最大限度降低同化誤差帶來的影響。

4　重點區(qū)域SWH的變化周期

本文還利用功率譜分析方法，分析索馬里以東、斯里蘭卡-蘇門答臘島、南海大風(fēng)區(qū)、呂宋島以東近海SWH的變化周期（見圖2）。

索馬里以東的SWH存在顯著的2.0—5.2 a的變化周期和26 a以上的長周期震蕩；斯里蘭卡-蘇門答臘島海域的SWH存在顯著的2.0—2.2 a、3.3—5.2 a的變化周期和26 a以上的長周期震蕩；南海大風(fēng)區(qū)的SWH存在顯著的2.0—2.2 a、3.3—6.5 a的變化周期和26 a以上的長周期震蕩；呂宋島以東近海的SWH存在顯著的2.6—5.2 a的變化周期和26 a以上的長周期震蕩。對比不難發(fā)現(xiàn)所關(guān)注4個海域的SWH存在共同的3.3—5.2 a顯著性變化周期和26 a以上的長周期震蕩。有研究表明南海大部分海域的海浪場與nino3指數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)[7]，且nino3指數(shù)存在3.3—5.2 a的顯著性變化周期[8-9]。

5　重點區(qū)域SWH的突變現(xiàn)象

利用MK檢驗方法，分析索馬里以東、斯里蘭卡-蘇門答臘島、南海大風(fēng)區(qū)、呂宋島以東近海SWH的突變現(xiàn)象（見圖3）。

圖2　不同近海海域SWH的功率譜分析

圖3　不同近海海域SWH的突變分析

由圖3a可見：UF與UB曲線相交，且交點位于兩條檢驗線之間，表明索馬里以東的SWH存在顯著的突變現(xiàn)象，突變期為1982年，由UF曲線也同樣可以發(fā)現(xiàn)該海域的SWH在1958—1966年期間呈顯著的遞減趨勢，在1966—2001年期間則表現(xiàn)出較為強(qiáng)勁的遞增趨勢，與圖1a吻合；斯里蘭卡-蘇門答臘島海域的SWH無顯著的突變現(xiàn)象，但由UF曲線發(fā)現(xiàn)該海域的SWH在近44年期間整體呈遞增趨勢，與圖1b吻合；由圖3c、圖3d可見：南海大風(fēng)區(qū)和呂宋島以東近海的SWH均存在顯著的突變現(xiàn)象，突變期分別為1971年和1969年，由UF曲線發(fā)現(xiàn)：這兩個海域的SWH在近44年期間整體呈遞增趨勢，與圖1吻合。

6　結(jié)論與展望

本文利用ERA-40海表10 m風(fēng)場驅(qū)動WW3海浪模式，模擬得到南?！庇《妊?957年9月—2002年8月的海浪資料，采用線性回歸、功率譜分析、MK檢驗等方法，分析了該海域SWH的線性趨勢、變化周期、突變形勢，結(jié)果表明：

（1）1958—2001年期間，南?！庇《妊髱讉€重點區(qū)域的變化趨勢分別為：呂宋島東北部近海（0.003—0.005 m/a）、呂宋海峽（0.002—0.004 m/a）、南海大風(fēng)區(qū)（0.003—0.004 m/a）、斯里蘭卡至蘇門答臘島一帶的大范圍海域（0.003—0.006 m/a）、索馬里以東的一橢圓形海域（0.002—0.005 m/a）；

（2）索馬里以東一近似圓形的海域、斯里蘭卡—蘇門答臘島海域、南海大風(fēng)區(qū)、呂宋島以東近海的SWH存在共同的3.3—5.2 a顯著性變化周期和26 a以上的長周期震蕩；

（3）索馬里以東一近似圓形海域的SWH存在顯著的突變現(xiàn)象，突變期為1982年；斯里蘭卡—蘇門答臘島海域的SWH無顯著的突變現(xiàn)象；南海大風(fēng)區(qū)和呂宋島以東近海的SWH均存在顯著的突變現(xiàn)象，突變期分別為1971年和1969年。

本文關(guān)注4個海域的SWH與nino3指數(shù)存在共同的3.3—5.2 a的顯著性變化周期，作者在此猜想北印度洋的海浪場也可能像南海的海浪場，與厄爾尼諾存在一定的相關(guān)性，在未來的研究中需要就這個猜想展開定量研究，以期可以利用nino3指數(shù)輔助海浪場的中長期預(yù)測。

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Long-term variation of wave height in the South China Sea and north Indian Ocean:I, trend, period and abrupt in some key regions

RUI Zhen-feng, ZHENG Chong-wei, WANG Yong, XU Xuan-bin
（People's Liberation Army Dalian Naval Academy, Dalian 116018 China）

Abstract：In this study, the wave data from December 1957 to August 2002 was simulated by using WAVEWATCH-Ⅲ(WW3) wave model, with ERA-40 wind data as the driving field. The linear trend, periods and abrupt phenomenon of the SWH (Significant Wave Height) were presented and analyzed by using linear regression method, power spectrum and MK test. Results show that, (1) SWH in the northeast of Luzon Island, Luzon Strait, gale area in the south china sea, east of Somali and Sri Lanka-Sumatra Island waters from 1958 to 2001 presents a significant increasing trend. (2) There is a common periods of 3.3—5.2 years, and long term oscillation period of above 26 years in the east of Somali, Sri Lanka-Sumatra Island waters, gale area in the South China Sea, Luzon Strait and its east coastal. (3) The abrupt period of SWH is 1982 in east waters of Somali, and 1971 in gale area in the South China Sea, 1969 in Luzon Strait and its east coastal, but no obvious abrupt phenomenon in the Sri Lanka-Sumatra Island waters.

Key words：WAVEWATCH-Ⅲ; linear trend; period; abrupt phenomenon

作者簡介：芮震峰（1976-），男，副教授，碩士，主要從事軍事航海研究。E-mail：1310615779@qq.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41205073，41275099）。

收稿日期：2015-07-12

中圖分類號：P731.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）01-0086-06