基于觀測(cè)資料的海浪與混合層深度相關(guān)性分析*

石永芳，尹訓(xùn)強(qiáng),2，楊永增,2*

(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)

?

基于觀測(cè)資料的海浪與混合層深度相關(guān)性分析*

石永芳1，尹訓(xùn)強(qiáng)1,2，楊永增1,2*

(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)

從觀測(cè)數(shù)據(jù)角度出發(fā)，考察海浪與上層海洋混合層深度的變化關(guān)系。采用衛(wèi)星高度計(jì)和三套溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的混合層深度提取方法，獲得海洋混合層深度。簡(jiǎn)要分析了多年月平均的有效波高和混合層深度的空間分布特征及時(shí)間變化規(guī)律，并進(jìn)一步分析了它們的相關(guān)性。二者直接相關(guān)性分析的結(jié)果表明，在南北半球的中緯度地區(qū)二者的相關(guān)系數(shù)較大，而赤道地區(qū)較小。濾除年周期的氣候態(tài)月平均場(chǎng)后，計(jì)算的距平相關(guān)系數(shù)在赤道區(qū)域較??；但在太平洋東部、南部和南印度洋存在一個(gè)大值區(qū)。此外，進(jìn)一步研究了有效波高和混合層深度年際距平的相關(guān)系數(shù)，其空間分布特征與二者的距平相關(guān)系數(shù)的分布特征類似。為探究混合層深度的影響因素，同時(shí)也分析了風(fēng)場(chǎng)與混合層深度的相關(guān)系數(shù)。綜合上述結(jié)果，海浪和上層海洋的混合層深度之間存在著一定的相關(guān)性，海浪過(guò)程是風(fēng)輸入能量向次表層海洋傳播的一個(gè)重要途徑。

有效波高；混合層深度；相關(guān)性分析

海洋系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，各種海洋現(xiàn)象及物理過(guò)程相互影響相互聯(lián)系。海洋上混合層是大氣與海洋之間動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換的中介，海浪又是存在于海氣界面上的一種重要運(yùn)動(dòng)形態(tài)，其對(duì)海洋上混合層的動(dòng)力及熱力過(guò)程有重要影響。Wang和Huang[1-2]估算了風(fēng)應(yīng)力輸入給海洋Ekman層的能量約2.4 TW，然而風(fēng)輸入給海浪的能量達(dá)到60 TW。Teng等[3]基于MASNUM全球海浪模式，數(shù)值估計(jì)了2005年風(fēng)輸入給海浪的能量約為57 TW，而深水區(qū)域的波浪破碎損耗的能量約為33 TW。這些輸入給海浪的能量及損耗必然對(duì)上層海洋產(chǎn)生影響。波浪是風(fēng)對(duì)海洋作用的最直接體現(xiàn)，決定著海表的動(dòng)量、熱量、濕度和質(zhì)量交換(Makin和Kudryavtesev)[4]。波浪破碎、波生湍流、波動(dòng)輸運(yùn)通量剩余量都是影響上混合層的重要物理過(guò)程。孫群[5]利用WAM模式研究了波浪破碎對(duì)混合層的影響。結(jié)果表明，當(dāng)考慮波浪破碎對(duì)混合層的影響時(shí)，混合層深度加深了約50 cm，并且在混合層加深過(guò)程中，混合層達(dá)到某一深度所需時(shí)間明顯提前。Yuan等[6]基于高確定性閉合假定和關(guān)于湍流動(dòng)能耗散率的觀測(cè)事實(shí)，通過(guò)海浪生湍流平衡解給出了該混合系數(shù)的機(jī)制解析，揭示了波生湍流混合的事實(shí)。Yang等[7]通過(guò)在特征尺度上雷諾平均的方法給出了波浪輸運(yùn)通量剩余量的參數(shù)化方案?；谝陨侠碚摰臄?shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：考慮波浪作用的耦合模式，在整體上大幅度改善了海洋上混合層的模擬結(jié)果(Qiao等[8];Wang等[9])。由此，從理論分析和數(shù)值模擬的角度驗(yàn)證了波浪對(duì)上混合層的重要性。

前人的工作[10-12]主要采用理論分析和數(shù)值模擬的研究方法，基于觀測(cè)資料探討海浪與混合層深度(Mixing Layer Depth，MLD)之間的相關(guān)性分析目前還未見(jiàn)報(bào)道。本文從觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析角度出發(fā)，利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，獲得世界大洋有效波高(Significant Wave Height，SWH)的分布。基于Argo溫度剖面數(shù)據(jù)、 GTSPP數(shù)據(jù)和SubTS溫度數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了全球范圍的混合層深度，定性分析了混合層深度與海浪有效波高的空間分布特征和時(shí)間變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對(duì)有效波高與混合層深度兩者的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。本研究旨在利用觀測(cè)數(shù)據(jù)探討海浪和上混合層的聯(lián)系，為分析探討上層海洋與大氣各物理過(guò)程的相互作用奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

Topex/Poseidon和JASON-1衛(wèi)星高度計(jì)是近年來(lái)海洋領(lǐng)域科學(xué)研究的一個(gè)重要數(shù)據(jù)來(lái)源(http://www.aviso.altimetry.fr/en/data/data-access/ftp.html) ，它們都是精確的循環(huán)軌道，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6 km，循環(huán)周期約為10 d。數(shù)據(jù)有覆蓋面積大、觀測(cè)精度高、準(zhǔn)同步的特點(diǎn)。

Argo是由高技術(shù)組成的、全新的、自動(dòng)沉浮的浮標(biāo)陣系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(ftp:∥www.usgodae.org/pub/outgoing/argo/)。這種新型的、沉浮式浮標(biāo)，可以獲得海水內(nèi)部不同層次的海流、溫度、鹽度等資料，為人類研究深層海洋提供了大量、密集和準(zhǔn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)同步的溫鹽資料。浮標(biāo)數(shù)量雖然逐年不斷增加，但直到2005年之后數(shù)據(jù)才可以覆蓋中高緯區(qū)域，而在50°N以北、50°S以南及近海區(qū)域數(shù)據(jù)量仍然較少，這就為在全球范圍內(nèi)對(duì)混合層要素的研究增加了難度。

GTSPP數(shù)據(jù)(全稱為Global Temperature-Salinity Profile Program)是由美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心提供的溫鹽數(shù)據(jù)集(http://www.nodc.noaa.gov/GTSPP/document/datafmt/ncfmt.html)。它與Argo數(shù)據(jù)類似，同樣是溫鹽剖面數(shù)據(jù)，但時(shí)間序列是從1990年至今共20余a，比Argo數(shù)據(jù)長(zhǎng)很多，而且GTSPP數(shù)據(jù)的密度更大，覆蓋范圍上兩套數(shù)據(jù)相差不大，GTSPP數(shù)據(jù)在高于50°N/S區(qū)域的數(shù)據(jù)量仍然較少。

SubTS數(shù)據(jù)(全稱為Sub-surface Temperature and Salinity)，是由Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)、最新的GTSPP數(shù)據(jù)等多個(gè)數(shù)據(jù)集經(jīng)客觀分析得到的月平均溫鹽格點(diǎn)再分析數(shù)據(jù)( http://rda.ucar.edu/datasets/ds285.3/)。該數(shù)據(jù)的垂向分為17層，最大水深700 m，水平方向是1°×1°的規(guī)則網(wǎng)格。數(shù)據(jù)為1945-2006年，時(shí)間序列比較長(zhǎng)、覆蓋范圍也較廣。

本文使用了1993-2009共17 a的有效波高和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)(Topex/Poseidon(1993-2001)，JASON-1(2002-2009))[13]，2003-2009的Argo溫度和鹽度數(shù)據(jù)、1993-2006的GTSPP溫度和鹽度數(shù)據(jù)及1993-2009的SubTS溫度和鹽度數(shù)據(jù)開(kāi)展計(jì)算分析。

1.2 混合層信息提取方法

在海洋上層，由于外界作用形成一層溫度與密度較均勻的水層即上混合層，在混合層底部，存在溫度隨深度增大而快速下降的水層，即溫躍層。本文近似地將混合層深度與溫躍層上界深度等價(jià)來(lái)提取混合層深度。首先采用垂直梯度法即在淺海(水深≤200 m)采用0.2 ℃/m，開(kāi)闊海區(qū)(水深>200 m)采用0.05 ℃/m的最低判定標(biāo)準(zhǔn)[13]。因?yàn)锳rgo和GTSPP數(shù)據(jù)在近岸數(shù)據(jù)量較少，在做數(shù)據(jù)處理時(shí)剔除了小于200 m的區(qū)域，選擇0.05 ℃/m的最低判定標(biāo)準(zhǔn)。但是在提取混合層深度時(shí)發(fā)現(xiàn)單一的判定標(biāo)準(zhǔn)在高緯地區(qū)并不合適，這是因?yàn)椋谥懈呔晠^(qū)域，雖然剖面梯度較小，但實(shí)際也存在混合層，如果只單純地選取0.05 ℃/m作為判定標(biāo)準(zhǔn)，在高緯地區(qū)則不能準(zhǔn)確地判定混合層。這樣不同區(qū)域的溫度剖面應(yīng)該根據(jù)剖面的自身特性選擇不同的判定標(biāo)準(zhǔn)。為此，我們改進(jìn)了垂直梯度法，取每個(gè)剖面垂直梯度最大值的某個(gè)百分比作為這個(gè)剖面混合層深度的臨界值并且利用三次樣條插值方法將數(shù)據(jù)插值到10 m層上。通過(guò)大量溫度剖面的實(shí)驗(yàn)證明，選取最大梯度的70%較為合適。以4個(gè)不同緯度的溫度剖面為例(圖1)可以看出，最大梯度百分比的判定方法可以更準(zhǔn)確地確定混合層深度，克服了垂直梯度法中單一判定標(biāo)準(zhǔn)遇到的問(wèn)題。

圖1 不同斷面的溫度分布及其相應(yīng)的混合層(黑線)深度

1.3 散點(diǎn)數(shù)據(jù)插值及相關(guān)性分析方法

Topex/Poseidon、JASON-1的高度計(jì)數(shù)據(jù)和Argo、GTSPP獲取的混合層深度數(shù)據(jù)都是不規(guī)則的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，不適合進(jìn)行相關(guān)性分析。為了得到規(guī)則網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)，本文采用客觀分析中較為經(jīng)典的形式，即Cressman[15]提出的Cressman線性插值，將有效波高和混合層深度的散點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到1°×1°的規(guī)則網(wǎng)格上。

通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)描述海浪與混合層深度的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)越大，相關(guān)程度也越大；反之亦然[16]。由于有效波高平方與海浪能量的變化具有較為一致的變化特征，本文采用有效波高的平方，而非有效波高。

2 有效波高和混合層深度的時(shí)空分布特征

2.1 有效波高的空間分布

圖2是1993—2009年月平均有效波高的空間分布，4個(gè)季節(jié)的典型月份(1，4，7和10月)顯示出了全球有效波高明顯的季節(jié)變化特征。結(jié)果表明：1月，等波高線分布表現(xiàn)為顯著的北強(qiáng)南弱的馬鞍形分布特征，北半球最大有效波高為6 m，出現(xiàn)在北大西洋，此時(shí)南半球有效波高隨南緯增大而增大，最大值出現(xiàn)在45°S～50°S，約為4.5 m；7月，等波高線分布則表現(xiàn)為顯著的南強(qiáng)北弱的分布特征，北半球的大西洋和太平洋有效波高普遍較小，在2.0～2.5 m，阿拉伯海區(qū)域存在波高極值區(qū)域，為3.5 m，7月南半球的有效波高則普遍較大，中高緯度區(qū)域均大于3 m，最大值出現(xiàn)在印度洋南部，為6 m；4月和10月的最大波高都出現(xiàn)在南半球，這一格局主要是由于南北半球海陸分布的差異而造成的，南半球穩(wěn)定的西風(fēng)帶區(qū)域，風(fēng)區(qū)較長(zhǎng)。低緯度區(qū)域的有效波高常年保持較小值。

圖2 月平均有效波高(m)空間分布圖

2.2 混合層深度的空間分布

利用Argo(2003—2009年)、GTSPP(1993—2009年)和SubTS(1993—2006年)三套不同的溫度剖面資料，提取對(duì)應(yīng)的混合層深度，對(duì)處理到空間網(wǎng)格內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多年月平均，下面選取4，7，10和1月來(lái)分析混合層深度的空間分布特點(diǎn)。這與海洋中典型代表月份的選取有所不同，這樣選取是為了同海浪分析相對(duì)應(yīng)。

圖3是Argo、GTSPP和SubTS三套數(shù)據(jù)多年月平均混合層深度的空間分布，3套數(shù)據(jù)的混合層深度的總體空間分布特征相似；由于Argo和GTSPP溫度數(shù)據(jù)是不規(guī)則、不均勻的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，在2005年之前2套數(shù)據(jù)并不能覆蓋全球，特別是在高緯和近海區(qū)域數(shù)據(jù)量較少。因此，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化插值在這些區(qū)域會(huì)造成相對(duì)大的誤差。

混合層深度有顯著的季節(jié)變化特征。冬季，太陽(yáng)輻射最弱，是全年溫度最低的季節(jié)，海面不斷冷卻，對(duì)流混合增強(qiáng)，加上風(fēng)和浪的攪拌混合作用增強(qiáng)了上層海水的混合，混合層較深。夏季，太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，使海洋表層水溫普遍升高，成為全年水溫最高的季節(jié)，因表層增溫快，深層增溫慢，加上夏季對(duì)流、渦動(dòng)混合弱，上層海水混合不強(qiáng)，混合層較淺。1月混合層深度大值區(qū)主要分布在北太平洋和北大西洋，而南半球中高緯度的混合層深度普遍較小?；旌蠈由疃仍?月的空間特征與1月相反，主要呈現(xiàn)出南深北淺態(tài)勢(shì)，大值區(qū)包含了南半球的大部分和北半球赤道附近區(qū)域，北半球中高緯度的混合層深度普遍較小。春、秋季節(jié)是混合加強(qiáng)和減弱的過(guò)渡期。春季，海面溫度不斷升高，對(duì)流、渦動(dòng)混合減弱，混合層深度不斷減小。秋季，海面溫度不斷降低，對(duì)流、渦動(dòng)混合加強(qiáng)，并且秋季也是風(fēng)、浪開(kāi)始增強(qiáng)的季節(jié)，綜合因素作用，使混合層深度有不斷加深的趨勢(shì)。4月份混合層深度的大值區(qū)主要出現(xiàn)在北半球，而10月則主要分布在南半球，它們是冬、夏季混合層形成的過(guò)渡月份。

由上述分析可知，混合層深度和有效波高隨季節(jié)的變化特征有較多的相似性，但在赤道地區(qū)，混合層深度在一年四季中都存著較大值，太平洋最為明顯，而有效波高則全年一直較小。

圖3 月平均混合層深度的空間分布圖

2.3 有效波高和混合層深度隨時(shí)間變化

上面分析了有效波高和混合層深度的空間分布特征。為了進(jìn)一步探討二者隨時(shí)間變化的一致性，圖4～7分別給出了緯向平均、沿35°N、赤道和35°S斷面上的有效波高和混合層深度隨時(shí)間的變化。

混合層深度分布具有明顯的季節(jié)變化和年際變化信號(hào)，這與有效波高隨時(shí)間的分布特點(diǎn)相同。在北半球40°N左右和南半球50°S～60°S變化較強(qiáng)烈；赤道區(qū)域，有效波高一直較小，而混合層深度在赤道區(qū)域無(wú)明顯年際和季節(jié)變化且一直保持較大值。在35°N緯線上，有效波高和混合層深度最大值出現(xiàn)在每年的一月份，35°S緯線上，有效波高和混合層深度全年最大值在7月份；赤道地區(qū)，有效波高沒(méi)有明顯的季節(jié)變化，年際變化信號(hào)較弱，混合層深度在赤道區(qū)域一直保持較大值，季節(jié)變化及年際變化特征也不明顯。

圖4 緯向平均混合層深度(m)和有效波高(m)的時(shí)間序列

圖5 沿35°N斷面有效波高和混合層深度的時(shí)間序列圖

圖6 沿赤道斷面有效波高和混合層深度的時(shí)間序列

圖7 沿35°S斷面有效波高和混合層深度的時(shí)間序列

混合層深度緯向平均和沿緯線隨時(shí)間的分布圖顯示：SubTS數(shù)據(jù)得到的混合層深度隨時(shí)間的分布變化較前兩套數(shù)據(jù)年際變化更明顯、穩(wěn)定，雜亂信號(hào)較少；而Argo和GTSPP數(shù)據(jù)得到的混合層深度在某些區(qū)域空白，即這些區(qū)域的溫度剖面數(shù)據(jù)不足，特別是GTSPP數(shù)據(jù)雖然時(shí)間序列比較長(zhǎng)，但是在2005年之前的高緯度地區(qū)數(shù)據(jù)量一直很少，Argo數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)類似情況，直到2005年之后由于Argo數(shù)據(jù)的增加才使得這兩套數(shù)據(jù)基本覆蓋全球。雖空白區(qū)域可經(jīng)過(guò)插值處理進(jìn)行填充，但卻影響結(jié)果的可信度，而SubTS數(shù)據(jù)有覆蓋范圍廣、網(wǎng)格規(guī)則、時(shí)間序列較長(zhǎng)和廣為接受等的特點(diǎn)，是下面對(duì)混合層深度和有效波高做相關(guān)性分析較好的選擇。另外，由于垂向分層的不同，3套數(shù)據(jù)提取的混合層深度不完全一致。

綜上所述，在赤道地區(qū)，有效波高和混合層深度隨時(shí)間的分布變化較雜亂，但在中、高緯地區(qū)有效波高和混合層深度都有明顯季節(jié)及年際變化規(guī)律，且對(duì)應(yīng)性較好，其信號(hào)周期較為一致。

3 相關(guān)性分析

以上分析了海浪和混合層深度的空間變化特征及隨時(shí)間的演變規(guī)律，通過(guò)比較Argo、GTSPP和SubTS溫度數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選擇SubTS數(shù)據(jù)進(jìn)行混合層深度和海浪的相關(guān)性分析。以下將分別分析有效波高平方值和混合層深度的直接相關(guān)、距平及年際距平的相關(guān)性。為了考察二者的相對(duì)變化關(guān)系，計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)考慮了有效波高平方值和混合層深度同步相關(guān)和滯后相關(guān)。風(fēng)場(chǎng)是上層海洋的主要驅(qū)動(dòng)力之一，將大量能量輸入給海洋，為了探究混合層變化的原因，同時(shí)分析了風(fēng)場(chǎng)與混合層深度的相關(guān)性。

3.1 混合層深度與有效波高及風(fēng)場(chǎng)的直接相關(guān)性分析

有效波高平方值和混合層深度直接相關(guān)的空間分布特征與前面分析的二者的時(shí)空變化規(guī)律一致。圖8中，黑色等值線是相關(guān)系數(shù)為0的等值線，赤道地區(qū)有效波高平方值和混合層深度按時(shí)間的變化信號(hào)較雜亂(圖6)，此區(qū)域的相關(guān)系數(shù)大部分也在零線以內(nèi)，表明海浪和混合層深度在赤道附近相關(guān)程度低甚至呈負(fù)相關(guān)；隨著南、北緯度的增大，二者的相關(guān)系數(shù)變大，大值區(qū)覆蓋了南、北半球中高緯度的大部分區(qū)域，最大值達(dá)0.8以上，海浪和混合層深度的相關(guān)程度較高。相關(guān)系數(shù)的緯向平均在赤道附近最小，從赤道向南北緯不斷增大，在高緯度地區(qū)又有所減小，幾乎以赤道為軸線南北對(duì)稱，并且北半球二者的相關(guān)性大于南半球。

圖8 海浪和混合層深度直接相關(guān)系數(shù)的空間分布及緯向平均

范聰慧[17]通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究了多因素對(duì)海洋上混合層深度的影響，證明了風(fēng)場(chǎng)的作用對(duì)混合層深度的變化較為敏感。為了探究海浪在混合層深度變化中所起的作用，我們又計(jì)算了風(fēng)場(chǎng)與混合層深度的相關(guān)系數(shù)(圖9)，風(fēng)場(chǎng)與混合層深度直接相關(guān)系數(shù)的空間分布結(jié)構(gòu)與前者相似，但明顯小于有效波高平方值與混合層深度的相關(guān)系數(shù)，并且其緯向平均沒(méi)有南北對(duì)稱的特點(diǎn)。風(fēng)應(yīng)力首先將能量由大氣輸入給海浪，海浪對(duì)風(fēng)的響應(yīng)時(shí)間同步且較為敏感，海浪再通過(guò)自身攪拌混合的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)一步影響混合層深度的變化，這也是造成混合層變化的原因之一。

圖9 風(fēng)場(chǎng)和混合層深度直接相關(guān)系數(shù)的空間分布及緯向平均

比較3個(gè)不同對(duì)應(yīng)時(shí)間的直接相關(guān)系數(shù)可以看出，當(dāng)混合層深度滯后1個(gè)月時(shí)，混合層深度與海浪及風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)大值區(qū)覆蓋范圍最大，特別是北太平洋最為明顯。

3.2 有效波高平方值與混合層深度距平的相關(guān)性分析

考慮到年周期的變化是海浪和海洋混合層變化的部分，我們將代表年周期的氣候態(tài)月平均場(chǎng)減掉作為距平。繪制了混合層深度與有效波高平方值距平相關(guān)系數(shù)的空間分布(圖10)并和混合層深度與風(fēng)場(chǎng)的距平相關(guān)系數(shù)做了比較(圖11)。

圖10 海浪和混合層深度距平相關(guān)系數(shù)的空間分布及緯向平均

圖11 混合層深度與風(fēng)速和海浪距平相關(guān)系數(shù)的對(duì)比

海浪與混合層深度距平的相關(guān)系數(shù)在太平洋東部及南太平洋、南印度洋較大，最大值為0.6，但在赤道地區(qū)較小，相關(guān)性不顯著；風(fēng)場(chǎng)與混合層深度的距平相關(guān)系數(shù)全場(chǎng)普遍較小，并沒(méi)有明顯的大值區(qū)。比較30°N、30°S緯線上混合層深度與海浪及風(fēng)場(chǎng)的距平相關(guān)系數(shù)，在大部分位置點(diǎn)上，混合層深度與有效波高平方值的距平相關(guān)系數(shù)較大且30°S緯線上更明顯。

3.3 有效波高平方值與混合層深度年際距平的相關(guān)性分析

年際距平即當(dāng)年的變量值減去前一年的變量值，如2002年有效波高的年際距平是2002年有效波高減去2001年，它反映了一個(gè)年際變化的高頻分量[18]。常用變量的距平反映了其異常情況，但距平是相對(duì)于某個(gè)時(shí)間段平均的異常值，因此隨時(shí)間段選取的不同，同一年變量距平的符號(hào)及大小都有可能不同。用距平來(lái)計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)，就難免受到數(shù)據(jù)時(shí)間段選取的影響。因此，本文進(jìn)一步計(jì)算了混合層深度與海浪年際距平的相關(guān)系數(shù)(圖12)同時(shí)也與風(fēng)場(chǎng)與混合層深度年際距平相關(guān)系數(shù)做比較(圖13)。

圖12 海浪和混合層深度年際距平相關(guān)系數(shù)的空間分布及緯向平均

混合層深度與海浪年際距平相關(guān)性與其距平相關(guān)性的分析結(jié)果大致相同，其特點(diǎn)及大值分布區(qū)域與距平相關(guān)系數(shù)的結(jié)果對(duì)應(yīng)；從圖13看出，海浪與混合層深度的年際距平相關(guān)系數(shù)明顯的大于風(fēng)場(chǎng)與混合層深度的年際距平相關(guān)系數(shù)。

當(dāng)混合層深度滯后一個(gè)月時(shí)，海浪與混合層深度的距平及年際距平的相關(guān)系數(shù)最大。比較混合層深度與海浪及風(fēng)場(chǎng)的距平、年際距平的相關(guān)系數(shù)看出，風(fēng)場(chǎng)與混合層的相關(guān)性整體上小于海浪與混合層深度的相關(guān)性，這也反映了海浪對(duì)混合層深度有更直接影響。與直接相關(guān)不同，混合層深度與海浪的距平、年際距平相關(guān)系數(shù)在太平洋東部、印度洋東部的大值很明顯。Chen等[19]利用衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)了大洋東邊界存在涌浪強(qiáng)化的現(xiàn)象，鄧增安等[20]又進(jìn)一步計(jì)算了太平洋東邊界波浪輸運(yùn)，發(fā)現(xiàn)在太平洋東邊界存在強(qiáng)烈的涌浪，這與有效波高與混合層深度的距平、年際距平相關(guān)系數(shù)的分布特點(diǎn)相吻合，這一區(qū)域盛行東南信風(fēng)和東北信風(fēng)，研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向和波浪輸運(yùn)方向存在很大的偏差，基本在90°左右，眾所周知，風(fēng)浪的平均方向與風(fēng)向是一致的，這一區(qū)域二者方向差異較大，說(shuō)明這一海域涌浪占優(yōu)，而不是直接受當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)影響的風(fēng)浪，因此，我們有理由推測(cè)，相對(duì)于風(fēng)場(chǎng)而言，這一海域的涌浪對(duì)海洋上混合層的影響更直接，因此二者的相關(guān)系數(shù)較大，但其物理過(guò)程及原因有待于探討，內(nèi)部機(jī)制也需進(jìn)一步研究。

值得注意的是，混合層深度與海浪的直接相關(guān)、距平及年際距平的相關(guān)系數(shù)在赤道區(qū)域一直較小。赤道附近，全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)，大氣向上層海洋輸入熱通量，對(duì)海洋上混合層起著直接加熱的作用，加強(qiáng)了混合層內(nèi)部的層化效果，而且此區(qū)域存在南、北赤道流、赤道逆流及赤道潛流，南、北赤道流與赤道逆流及赤道潛流方向相反，赤道逆流與北赤道流之間存在輻散上升運(yùn)動(dòng)，赤道潛流與南、北赤道流形成垂直剪切作用，這些海洋動(dòng)力過(guò)程必然對(duì)赤道地區(qū)混合層深度的變化有一定的影響。赤道區(qū)域的海浪全年的變化一直很小，海浪不再是混合層深度變化的主導(dǎo)因素。

圖13 混合層深度與風(fēng)速和海浪年際矩平相關(guān)系數(shù)的對(duì)比

4 結(jié) 論

本文從海洋溫度和海浪有效波高的觀測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，分析和探討了海洋上混合層深度與海浪之間變化的相關(guān)性，得到如下結(jié)論：

1) 有效波高與混合層要素在直接相關(guān)中，除赤道區(qū)域及南大洋部分區(qū)域外二者相關(guān)性程度較高；距平及年際距平的相關(guān)性分析表明有效波高和混合層要素相關(guān)系數(shù)較大的區(qū)域主要分布太平洋的東邊界及南印度洋的中緯度區(qū)域，有效波高和混合層要素存在著一定的相關(guān)性且在某些區(qū)域較為顯著并且混合層深度的變化對(duì)海浪的響應(yīng)有一定的滯后性。

2) 與風(fēng)場(chǎng)相比，海浪作為大氣向海洋輸入能量的一種重要運(yùn)動(dòng)形式，它與混合層深度的直接相關(guān)、距平及年際距平的相關(guān)性均大于風(fēng)場(chǎng)與混合層深度的相關(guān)性，是影響混合層深度變化的更直接的因素。海浪過(guò)程是風(fēng)輸入能量向次表層海洋傳播的一個(gè)重要途徑，但是二者間互相影響的內(nèi)在機(jī)制還需要進(jìn)一步深入研究。

致謝：Coriolis Argo資料中心提供的準(zhǔn)實(shí)時(shí)Argo數(shù)據(jù); NOAA 國(guó)際海洋數(shù)據(jù)中心(DODC)提供的GTSPP數(shù)據(jù)。

[1] WANG W, HUANG R X. Wind energy input to the Ekman layer[J]. Journal of Physical Oceanograph,2004a, 34(5): 1267-1275.

[2] WANG W, HUANG R X. Wind energy input to surface waves[J]. Journal of Physical Oceanograph,2004b, 34(5): 1276-1280.

[3] TENG Y, YANG Y Z, QIAO F L, et al. Energy budget of surface waves in the global ocean[J]. Acta Oceanologica Sinica,2009, 28(3):5-10.

[4] MAKIN V K，KUDRYAVTESEV V N. Coupled sea surface-atmosphere model:1.Wind over waves coupling[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 1999, 104:7613-7623.

[5] SUN Q. Numerical investigation of the effect of wave breaking on ocean surface mixed layer[D].Qingdao: The Ocean University of China, 2003.孫群.海浪破碎對(duì)海洋上混合層影響的數(shù)值研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2003.

[6] YUAN Y L, QIAO F L, YIN X Q, et al. Analytical estimation of mixing coefficient induced by surface wave-generated turbulence based on the equilibrium solution of the second-order turbulence closure model[J]. Science China Earth Science,2013,56(1): 71-80.

[7] YANG Y Z, ZHAN R, TENG Y. Parameterization of ocean wave-induced mixing processes for finite water depth[J]. Acta Oceanologica Sinica,2009,28(4): 16-22.

[8] QIAO F L,YUAN Y L, YANG Y Z,et al. Wave induced mixing in the upper ocean: Distribution and application to global ocean circulation model[J]. Geophysical Research Letters,2004,31(11):293-317.

[9] WANG Y G, QIAO F L, FANG G H, et al. Application of wave-induced vertical mixing to the K profile parameterization scheme[J]. Journal of Geophysical Research, 2010,115(C9):703-710.

[10] CHEN H X, HUA F,YUAN Y L. Seasonal characteristics and temporal variations of ocean wave in the chinese offshore waters and adjacent sea area[J].Advances in marine science,2006,24(4):407-415.陳紅霞，華鋒，袁業(yè)立.中國(guó)近海及臨近海域海浪的季節(jié)特征及其時(shí)間變化[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展，2006, 24(4):407-415.

[11] CHEN Y D, ZHANG R, JIANG G R, et al. The type judge and characteristic analyses of the thermocline in the Pacific Ocean[C]∥Argo applied research papers. Beijing: Ocean Press,2006:204-214.陳奕德，張韌，蔣國(guó)榮，等．太平洋海域溫躍層分類及其特征分析[C]∥Argo應(yīng)用研究論文集,北京：海洋出版社，2006：204-214．

[12] SUN Z Y,LIU L,YU W D. Study on seasonal variations in the tropical indian ocean mixed layer depth derived from argo float data[J]. Advances In Marine Science,2007,25(3):280-288.孫振宇，劉琳，于衛(wèi)東.基于Argo浮標(biāo)的熱帶印度洋混合層深度季節(jié)變化研究[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2007, 25(3): 280-288.

[13] LIU Y G. Satellite Oceanography[M].Beijing: Higher Education Press, 2009: 72-77.劉玉光.衛(wèi)星海洋學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009: 72-77.

[14] Marine survey specification-Marine survey data processing:GB 12763.7-2007[S].Beijing: China Standard Press,2007.海洋調(diào)查規(guī)范-海洋調(diào)查資料交換:GB 12763.7-2007[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[15] CRESSMAN G P.An operational objective analysis system[J].Monthly Weather Review,1959，87(10):367-374.

[16] WEI F Y. Modern climatic statistical diagnosis and prediction technology[M]. Beijing: Meteorological Press,1999:35-37. 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù).北京：氣象出版社，1999: 35-37.

[17] FAN C H. Numerical simulation of the ocean surface mixed layer depth influenced by the multi-factors[D].Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences,2007.范聰慧. 多因素對(duì)海洋上混合層深度影響的數(shù)值模擬[D].青島：中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，2007.

[18] FAN K, LIN M J,GAO Y Z. Predict the flood season precipitation of north China using annual increment method[J]. Since China,2008,38(11):1452-1459.范可，林美靜，高煜中.用年際增量方法預(yù)測(cè)華北汛期降水[J].中國(guó)科學(xué),2008, 38(11):1452-1459.

[19] CHEN G, CHAPRON B, EZRATY R, et al. A global view of swell and wind sea climate in the ocean by satellite altimeter and scatterometer[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2002, 19(11):1849-1859.

[20] DENG Z A,WU K J,YU T. The wave transport of the eastern area of the Pacific[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2007,29(6):1-9. 鄧增安，吳克儉，于婷.太平洋東邊界波浪輸運(yùn)[J].海洋學(xué)報(bào),2007,29(6):1-9.

Received: January 23, 2015

Correlation Analysis of the Waves and the Mixing Layer Depth Based on the Observation

SHI Yong-fang1, YIN Xun-qiang1，2, YANG Yong-zeng1，2

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.LaboratoryofMarineScienceandNumericalmodeling,SOA, Qingdao 266061, China)

This study focused on the relationship between waves and the upper ocean mixing layer depth(MLD). Satellite altimeter observation data of significant wave height (SWH) and three sets of temperature observation data are used. An improved method is employed to obtain the ocean MLD. Both the spatial distribution and temporal variation of the monthly averaged SWH and MLD are analyzed and their correlationship is studied. Results indicated that correlation coefficient over both hemisphere mid-latitude regions is large, but small in equatorial regions. We filter monthly averaged climate state field that changes in annual periodicity, and get the anomaly correlation coefficient. While it is smaller in the equatorial region, in both eastern and southern Pacific Ocean and southern Indian Ocean, the anomaly correlation is significant. Furthermore, the annual anomaly correlation coefficient of SWH and MLD is also calculated. Its spatial characteristic is similar to the previous results. For studying the influence factors of mixing layer depth, the correlation coefficient of wind field and MLD are calculated. In conclusion, the study indicates that there is a certain correlation between ocean waves and upper ocean MLD. The former plays an important role in reducing the latter, which mechanisms are to be further studied.

significant wave height; mixing layer depth; correlation analysis

2015-01-23

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目——亞洲區(qū)域海陸氣相互作用機(jī)理及其在全球變化中的作用(2010CB950404)和中尺度渦旋在海洋混合中的作用研究(41106032)； 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目——南海及周邊海域風(fēng)浪流耦合同化精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)與信息服務(wù)系統(tǒng)(2013AA09A506)；海洋可再生能源專項(xiàng)資金項(xiàng)目——波浪能重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用區(qū)資源勘查和選劃(OE-W01區(qū)塊)(GHME2011ZC07)

石永芳(1987-),女,山東商河人,博士研究生,主要從事物理海洋學(xué)方面研究.E-mail:shiyf@fio.org.cn*

楊永增(1969-)，男，山東泰安人，研究員，博士，主要從事海浪變分同化、海浪對(duì)海水的攪拌混合作用方面研究.E-mail:yangyz@fio.org.cn

(李 燕 編輯)

P73

A

1671-6647(2016)01-0022-15

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.003