南海-北印度洋波高的長期變化：II.趨勢的區(qū)域性、季節(jié)性差異

高占勝，鄭崇偉，，李訓強，劉文鵬

（1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連116018；2.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

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南海-北印度洋波高的長期變化：II.趨勢的區(qū)域性、季節(jié)性差異

高占勝1，鄭崇偉1，2，李訓強2，劉文鵬1

（1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連116018；2.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

摘要：利用ERA-40海表10 m風場驅(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，采用一元線性回歸方法，分析了該海域有效波高的長期趨勢，以期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。結(jié)果表明：（1）1958—2001年期間，該海域的SWH有線性遞增趨勢，遞增率為0.0017 m/a，且變化趨勢表現(xiàn)出很大的區(qū)域性差異：僅部分小范圍海域呈顯著性遞減，其余大部分海域的SWH呈顯著性遞增；（2）SWH的變化趨勢存在較大的季節(jié)性差異：各個季節(jié)呈顯著性遞減的區(qū)域范圍都較小；低緯度的遞增趨勢主要體現(xiàn)在春季和冬季，尤其冬季幾乎整個南海-北印度洋的SWH均呈顯著性遞增趨勢；索馬里以東一近似圓形海域的遞增趨勢主要體現(xiàn)在夏季。

關(guān)鍵詞：WAVEWATCH-II海浪模式；線性趨勢；區(qū)域性差異；季節(jié)性差異

1　引言

海洋對人類的生產(chǎn)生活［1-3］、以及軍事行動［4］都有著重要影響，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略正式展開，南海-北印度洋的重要性愈發(fā)凸顯［5-7］。有效波高（Significant Wave Height，SWH）的長期變化趨勢對全球氣候變化、波浪能資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)等都有著重要的影響。前人對在資料匱乏的情況下對SWH的長期變化趨勢做了較多工作，Gulev等［8］利用綜合海洋大氣數(shù)據(jù)集（International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set，ICOADS）資料，分析發(fā)現(xiàn)1958—2002年期間，北大西洋和北太平洋中緯度海域的SWH在冬季呈顯著性遞增，趨勢為10—40 cm/decade。Dodet等［9］發(fā)現(xiàn)在1953—2009年期間，大西洋東北部海域的SWH以20 cm/ decade的速度顯著性遞增。Semedo等［10］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［11-12］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。鄭崇偉等［13］在國內(nèi)首次對南海-北印度洋SWH的長期變化趨勢展開研究，發(fā)現(xiàn)在1979—2014年期間，整個南海SWH的遞增趨勢強勁，大部分海域在0.4 cm/（s·a）以上，大值區(qū)分布于南海北部、臺灣東南部近海，在0.6 cm/（s·a）以上。北部灣北部、泰國灣北部近海的SWH沒有顯著的變化趨勢。孟加拉灣、印度半島西部大范圍海域的SWH沒有表現(xiàn)出顯著的變化趨勢。在阿拉伯海西部海域、印度洋15°S—0°大范圍海域表現(xiàn)出顯著性遞增，趨勢為0.1—0.4 cm/（s·a）。僅部分零星海域的SWH表現(xiàn)出顯著性遞減趨勢。

南海-北印度洋對我國至關(guān)重要，它不僅僅是重要國際航線，也是我國亞丁灣護航的必經(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，采用一元線性回歸方法，分析了該海域SWH的線性趨勢、以及變化趨勢的區(qū)域性和季節(jié)性差異，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　資料與方法

本文利用模擬得到的近45 a（1957年9月—2002年8月）的海浪數(shù)據(jù)，計算了南海-北印度洋SWH的長期變化趨勢，主要計算了該海域SWH的整體變化趨勢、變化趨勢的區(qū)域性差異。數(shù)據(jù)來源：以ERA-40海表10 m風場驅(qū)動第三代海浪數(shù)值模式WW3，模擬得到南海-北印度洋近45 a逐3 h的海浪場數(shù)據(jù)。計算范圍為10°S—30°N，40°—140°E，地形分辨率取0.5°×0.5°，計算時間從1957年9月1日00:00時（世界時，下同）—2002年8月31日18:00時。積分步長900 s，每3 h輸出一次結(jié)果，模擬的海浪資料的已經(jīng)過與ICOADS資料對比檢驗［7］，精度較高。ERA-40海表10 m風場來自歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF），其時間分辨率為6 h，空間分辨率為2.5°×2.5°。該數(shù)據(jù)的空間范圍覆蓋全球，時間范圍從1957年9月1日00:00時—2002 年8月31日18:00時。

3　南海-北印度洋SWH的長期變化趨勢

3.1 SWH的整體變化趨勢

將整個南海-北印度洋的SWH從1958—2001年進行逐年區(qū)域平均，分析近44 a期間該海域SWH的整體變化趨勢，見圖1。長期變化趨勢的具體計算方法如下：

回歸方程

由圖1可見，變化趨勢的相關(guān)系數(shù)|r|=0.63＞r0.05= 0.29，通過了95%的信度檢驗，表明該海域SWH的線性遞增趨勢顯著，回歸系數(shù)為0.0017，即1958—2001年期間，南海-北印度洋海域的SWH整體上以0.0017 m/a的速度顯著性逐年線性遞增。在1958—1969年的10余年期間，SWH的波動較為劇烈，在1969—1978年的10a期間表現(xiàn)出較為明顯的遞增趨勢（0.0076 m/a），1979—1986年期間的變化較為平緩，1987—1990年期間為第二波遞增趨勢顯著的時間段（0.035 m/a），1990—2001年期間便顯出緩慢的遞減趨勢。從圖1不難發(fā)現(xiàn)，SWH的長期遞增趨勢較為緩慢，梅勇等［14］對該海域的海表風速、有效波高進行過EOF分析，發(fā)現(xiàn)二者的第一模態(tài)時間序列都呈遞增趨勢，增速緩慢，本文的發(fā)現(xiàn)與梅勇等［14］吻合。鄭崇偉等曾對南海重要島礁的波候特征、海浪發(fā)電的可行性展開過論證［15-16］，并率先對第一島鏈的波候（海浪氣候態(tài)）特征展開了系統(tǒng)性研究［17］，發(fā)現(xiàn)該島礁的SWH呈遞增趨勢。郭隨平等［18］曾發(fā)現(xiàn)南海的海浪場變化與厄爾尼諾存在相關(guān)，在以后的工作中，可借鑒該方法，深入分析南海-北印度洋SWH長期變化趨勢的物理機制。

圖1 1958—2001年南海-北印度洋的逐年平均有效波高及其變化趨勢

3.2 SWH變化趨勢的區(qū)域性差異

近年來，對大洋SWH變化趨勢的研究已有不少，但多是區(qū)域平均后分析整體變化趨勢，很難體現(xiàn)出不同海域變化趨勢的區(qū)域性差異，這種分析方法往往會將某些重點海域的變化特征忽略，本文將南海-北印度洋0.5°×0.5°逐網(wǎng)格點上的SWH從1958—2001年取逐年平均，分析每個網(wǎng)格點上SWH的逐年線性趨勢，分析變化趨勢的區(qū)域性差異，見圖2。

近44 a期間，南海-北印度洋大部分海域的SWH表現(xiàn)出顯著性遞增趨勢，主要有蘇門答臘島-索馬里一帶的大范圍海域、呂宋海峽-中南半島東南海域一帶海域、呂宋島東北部海域；僅部分小范圍海域呈顯著性遞減趨勢，其余海域則無明顯的變化趨勢。遞增趨勢較強的海域主要分布于：呂宋島東北部近海（0.003—0.005 m/a）、呂宋海峽（0.002—0.004 m/a）、中南半島東南海域（即傳統(tǒng)的南海大風區(qū)，趨勢為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）；SWH在泰國灣、北部灣、孟加拉灣的遞減趨勢基本在-0.002 m/a左右，爪哇海的遞減趨勢較為強勁，約-0.003—-0.005 m/a。

3.3 SWH變化趨勢的季節(jié)性差異

本文還將SWH從1958—2001年進行逐季節(jié)平均，分析逐春季、逐夏季、逐秋季、逐冬季的變化趨勢，比較SWH變化趨勢的季節(jié)性差異，見圖3。

逐春季：近44 a期間，印度洋低緯海域、阿拉伯半島東部近海、印度半島15°N西部近海、琉球群島附近海域的SWH表現(xiàn)出顯著性遞增趨勢，尤其是在印度洋80°—100°E低緯海域，遞增趨勢較為強勁，達到0.004—0.007 m/a；SWH呈顯著性遞減的范圍較小，主要分布于：北部灣（約-0.002 m/a）、泰國灣（-0.003—-0.001 m/a）、加里曼丹島西部近海（約-0.001 m/a）、加里曼丹島北部近海（-0.004—-0.002 m/a）、亞丁灣（約-0.002 m/a），以及一些零星海域，詳見圖3a。

逐夏季：SWH呈顯著性遞增的區(qū)域主要分布于蘇門答臘島-索馬里一帶、呂宋島東部大范圍海域，以及一些散亂的小范圍海域，遞增趨勢較強的海域分布于：蘇門答臘島-斯里蘭卡之間一橢圓形海域（0.004—0.006 m/a）、索馬里東部一圓形海域（0.004—0.008 m/a）；呈顯著性遞減的區(qū)域主要分布于：幾乎整個孟加拉灣（-0.006—-0.004 m/a）、加里曼丹島南部和西南部海域（-0.008—-0.01 m/a），以及一些零星海域，尤其是加里曼丹島南部的爪哇海，遞減趨勢尤為強勁，達到-0.012 m/a左右，詳見圖3b。

圖2 1958—2001年南海-北印度洋有效波高的變化趨勢（單位：10-3m/a），彩色區(qū)表示通過了95%的信度檢驗

圖3 1958—2001年期間不同季節(jié)有效波高變化趨勢（單位：10-3m/a），彩色區(qū)表示通過了95%的信度檢驗

逐秋季：SWH呈顯著性遞增的區(qū)域主要分布于蘇門答臘島-索馬里一帶、呂宋海峽及其東部近海，以及一些零星海域，遞增趨勢較強的海域分布于：斯里蘭卡南部一橢圓形海域（約0.004 m/a）、呂宋海峽及其東部近海（約0.006 m/a）；呈顯著性遞減的區(qū)域主要分布于：孟加拉灣中部和東北部海域（約-0.004 m/a）、加里曼丹島南部和西南部海域（-0.006— -0.002 m/a），以及一些零星海域，尤其是加里曼丹島南部的爪哇海，遞減趨勢較為強勁，達到-0.006 m/a左右，詳見圖3c。

逐冬季：幾乎整個南海-北印度洋海域的SWH均呈顯著性遞增，基本在0.002 m/a以上，遞增趨勢較為強勁的海域分布于：印度洋低緯度中東部海域（約0.008 m/a）、呂宋海峽（0.008—0.01 m/a）、呂宋島東北部近海（0.006—0.01 m/a）；僅部分小范圍零星海域的SWH表現(xiàn)出顯著性遞減趨勢，詳見圖3 d。

對比不難發(fā)現(xiàn)不同海域SWH的變化趨勢由不同季節(jié)占主導(dǎo)。

4　結(jié)論

本文利用ERA-40海表10 m風場驅(qū)動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，采用一元線性回歸方法，分析了該海域SWH的長期趨勢，主要計算了各個區(qū)域的逐年變化趨勢，以及各個季節(jié)的變化趨勢，結(jié)果表明：

（1）1958—2001年期間，該海域的SWH有線性遞增趨勢，遞增率為0.0017 m/a，且變化趨勢表現(xiàn)出很大的區(qū)域性差異：僅部分小范圍海域呈顯著性遞減趨勢，其余大部分海域的SWH呈顯著性遞增，其中遞增趨勢較強的海域集中分布于呂宋島東北部近海（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）近44 a期間，南海-北印度洋海域SWH的變化趨勢存在較大的季節(jié)性差異，不同海域SWH的變化趨勢由不同季節(jié)主導(dǎo)。各個季節(jié)呈顯著性遞減的區(qū)域范圍都較小，僅夏季的范圍略大于其余季節(jié)、遞減的強度也稍強于其余季節(jié)。低緯度的遞增趨勢主要體現(xiàn)在春季和冬季，尤其冬季幾乎整個南海-北印度洋的SWH均呈顯著性遞增趨勢；索馬里以東一近似圓形海域的遞增趨勢主要體現(xiàn)在夏季。

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中圖分類號：P731.22

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）02-0039-00

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.006

收稿日期：2015-07-12

基金項目：國家自然科學基金項目（41205073，41275099）

作者簡介：高占勝（1965-），男，副教授，碩士，主要從事船舶操縱的理論和方法及軍事海洋環(huán)境方面的研究。E-mail:1310615779@qq.com

Long-term trend of SWH from year 1958 to 2001 in the South China Sea and the North Indian Ocean

GAO Zhan-sheng1，ZHENG Chong-wei1，2，LI Xun-qiang2，LIU Wen-peng1
（1.People's Liberation Army Dalian Naval Academy，Dalian 116018 China；2.College of Meteorology and Oceanography，People's Liberation Army University of Science and Technology，Nanjing 211101 China）

Abstract：In this study，the wave in the South China Sea and North Indian Ocean from was simulated from December 1957 to August 2002 by using WAVEWATCH-Ⅲ（WW3）wave model with ERA-40 wind data as the driving field.The long-term trend of SWH was analyzed based on the linear regression method to provide references for studying the global climate change，wave energy resource development and disaster prevention and reduction.Results show that:（1）During 1958 to 2001，the averaged SWH in the study area exhibits a significant increasing trend，with a rate of 0.0017m/a.The change trend of SWH also has obvious regional difference，increasing in most areas，while decreasing in a small-scale area.（2）The variation trend of SWH has a significant seasonal difference.The scale of waters with decreasing trend of SWH is small in each season.The increasing trend of SWH in lower latitudes mainly reflected in the spring and winter，especially in the winter almost the entire South China Sea-North Indian Ocean SWH showed a statistically significant increasing trend.

Key words：WAVEWATCH-Ⅲwave model；linear trend；regional difference；seasonal difference