北太平洋海浪特征分析

諸裕良,徐秀枝

(1. 江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210098;2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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北太平洋海浪特征分析

諸裕良1,2,徐秀枝2

(1. 江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210098;2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

利用最新的歐洲中尺度天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的1979—2014年逐6 h的ERA-Interim有效波高和風(fēng)速數(shù)據(jù),分析近36 a北太平洋海浪場的變化特征。結(jié)果表明:有效波高經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)的第1模態(tài)呈同相位分布,該模態(tài)與太平洋10 a濤動指數(shù)(PDO)和厄爾尼諾事件(ENSO)呈顯著的遙相關(guān),可以通過這些氣候因子的變化來預(yù)測有效波高的年代際變化;第2模態(tài)表明北太平洋西部海域的有效波高有顯著的遞增趨勢,而東部海域則逐漸減小;第3模態(tài)以45°N為界,西風(fēng)帶呈現(xiàn)高低緯反相的雙渦型分布,并有顯著的2.5 a左右年際變化周期。北太平洋海域有效波高和風(fēng)速重現(xiàn)期極值的大值區(qū)位于西風(fēng)帶,重現(xiàn)期越長,日本群島南部海域風(fēng)速加強(qiáng)越顯著,加強(qiáng)的極值區(qū)延伸到中國的東海甚至是菲律賓群島的東部海岸。

ERA-Interim;北太平洋;海浪特征;有效波高;EOF分解;重現(xiàn)期極值

在海洋工程中,海浪是最活躍、最重要的動力要素。海洋自然災(zāi)害不僅對沿海建筑物及海上航行條件構(gòu)成威脅,還嚴(yán)重影響人民生命財產(chǎn)的安全。目前興起的海上風(fēng)力發(fā)電和海洋石油平臺建設(shè)等的設(shè)計都需要用到波高的重現(xiàn)期極值,以確保建筑物的持久使用,所以了解海浪的變化特征對工程建筑物的建設(shè)和沿海社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要意義。

國內(nèi)外有諸多學(xué)者對海浪以及極值事件進(jìn)行了研究。Carter等[1]、Bacon等[2]整理北大西洋的觀測數(shù)據(jù)資料,分析發(fā)現(xiàn)北大西洋海域可能從20世紀(jì)50年代起有效波高就開始以一定的速度在增加;張弦等[3]利用1950—1995年共46 a的南印度洋船舶氣象報資料,分析研究了南印度洋的海浪要素。但是他們使用的觀測數(shù)據(jù)長度以及空間分辨率有限,很難確保實測資料時空序列的均一性。在20世紀(jì)70年代隨著觀測衛(wèi)星相繼發(fā)射成功,大量的海洋觀測數(shù)據(jù)誕生。衛(wèi)星高度計資料在海洋波浪研究中的應(yīng)用日漸增多,加上數(shù)據(jù)同化技術(shù)以及數(shù)值模式的發(fā)展,海洋的研究進(jìn)入一個新的階段[4-5]。Swail等[6]基于用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的風(fēng)場數(shù)據(jù)，利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了一系列的數(shù)值實驗,研究了北大西洋的波候變化情況,并對其進(jìn)行修正,將實驗結(jié)果與浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,得到了可靠的數(shù)值模擬結(jié)果。Kushnir等[7]利用數(shù)值模式和相關(guān)性分析手段,對北大西洋地區(qū)的海浪場和海平面壓力做了相關(guān)分析,結(jié)果表明該地區(qū)波候的變化與北大西洋濤動(NAO)存在線性相關(guān)關(guān)系。Caires等[8]利用歐洲中尺度天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的ERA-40再分析數(shù)據(jù)集,計算了全球百年一遇的風(fēng)速、波高極值,并利用浮標(biāo)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,得到重現(xiàn)期要素的變化情況。Yang等[9]利用1989—2008年ECMWF的數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)等的風(fēng)場數(shù)據(jù)，研究了渤海灣風(fēng)速和有效波高的聯(lián)合概率分布，得到渤海灣海域的波浪主要為風(fēng)浪。鄭崇偉等[10]同樣利用歐洲中尺度天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的45 a的ERA-40海浪資料,對太平洋的海表風(fēng)場、浪場特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)太平洋大部分海域的涌浪波高、混合浪波高呈顯著的逐年線性遞增趨勢。

我國瀕臨西北太平洋,深入了解太平洋海域的海洋環(huán)境特征,對海洋開發(fā)、海洋工程、防災(zāi)減災(zāi)、遠(yuǎn)海國防等都具有極為重要的意義。而目前對太平洋海域的波候變化特征還沒有系統(tǒng)的研究,此外,數(shù)據(jù)集精度也限制其發(fā)展。近幾年,ECMWF發(fā)布了一個最新的再分析同化數(shù)據(jù)集ERA-Interim[11],它比ERA-15和ERA-40數(shù)據(jù)集更加精確,耦合了大氣、海洋和陸地模型,采用最新的四維變分分析同化技術(shù),結(jié)合改進(jìn)的濕度分析、衛(wèi)星數(shù)據(jù)誤差校正等技術(shù),實現(xiàn)了再分析資料質(zhì)量的提升。本文采用ERA-Interim數(shù)據(jù)集對北太平洋海域的海浪場特征進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)來源及方法介紹

文章采用ECMWF中ERA-Interim數(shù)據(jù)集提供的有效波高(Hs)和10 m風(fēng)場數(shù)據(jù),其時間分辨率為6 h,空間分辨率為0.75°×0.75°,時間跨度為1979年1月至2014年12月,計算范圍為0°～70°N,100°E～100°W。在進(jìn)行統(tǒng)計分析的時候主要用到的分析方法是經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)方法和極值估計方法。EOF方法是一種分析波候變化特征的主要方法[12-13],它可以將隨時間變化的變量場分解為不隨時間變化的空間函數(shù)部分以及只依賴時間變化的時間函數(shù)部分[14]。采用一元線性回歸來分析時間序列的變化趨勢,再采用相關(guān)性分析進(jìn)行顯著性檢驗,其表達(dá)式為

(1)

γ的范圍為-1～1,γ的絕對值越大,表示2個變量的相關(guān)程度越高。通常給出顯著性水平為α?xí)r相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著的最小值γα,若|γ|>γα就說明相關(guān)系數(shù)顯著,否則說明相關(guān)系數(shù)不顯著。

極值估計方法目前常用的主要有皮爾遜Ⅲ型曲線法、耿貝爾(Gumbel)曲線法和威布爾(Weibull)曲線法。皮爾遜Ⅲ型曲線是皮爾遜曲線族中的一種線型,為純經(jīng)驗型,在海洋學(xué)的極值統(tǒng)計中很常用。耿貝爾分布即為Fisher-TippettⅠ型極值分布,主要應(yīng)用于降水、氣溫、風(fēng)速及波高等水文氣象要素的推算中。耿貝爾曲線最大項的極值分布函數(shù)為

(2)

式中:a——極值分布的眾值；b——常數(shù)。求解這2個參數(shù)的方法有矩法、最小二乘法、極大似然法等,本文采用最小二乘法求解。

威布爾分布近些年來被廣泛用于風(fēng)速和波高最大值重現(xiàn)期的計算。它的分布函數(shù)為

(3)

式中:c——位置參數(shù);β——尺度參數(shù)；η——形狀參數(shù)。常用的求解參數(shù)方法有最小二乘法、概率權(quán)重矩法和極大似然法等,本文采用概率權(quán)重矩法[15]求解威布爾3個參數(shù)。

2 北太平洋海浪場時空特征分析

表1 1979—2014年北太平洋月平均有效波

2.1 有效波高的EOF分析

將北太平洋海域1979年1月至2014年12月36 a的月平均有效波高距平值做EOF分解,探究其變化特性,為海浪場的經(jīng)驗預(yù)測和分析提供一定的參考。表1中列出了前10個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率。從表1可以看出前10個模態(tài)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到81.35%,說明這10個模態(tài)基本上可以反映北太平洋月平均有效波高的時空變率特征。

本文主要分析前3個模態(tài)的變化規(guī)律。為了分析時間序列的變化周期,過濾掉一些高頻的信號,對時間序列做11點(diǎn)滑動平均過濾掉年以內(nèi)的信號,然后對各模態(tài)的時間序列進(jìn)行功率譜分析,得到各個對應(yīng)的時間序列的振蕩周期,分析其年際變化規(guī)律。

圖1給出了第1模態(tài)的空間典型場和對應(yīng)的時間序列以及功率譜分析圖。從圖1可以看出整個北太平洋海域第1典型場均為負(fù)值,呈現(xiàn)出同相位的變化規(guī)律。在西風(fēng)帶內(nèi)(155°W,40°N)附近出現(xiàn)一個大值中心,且北太平洋東部有效波高的變化明顯強(qiáng)于西部海域,西風(fēng)帶強(qiáng)于信風(fēng)帶。這一空間典型場反映了有效波高距平值的平均特征,體現(xiàn)了北太平洋有效波高的空間分布。

為了分析有效波高多種時間尺度上的周期變化,對第1模態(tài)時間系數(shù)進(jìn)行11點(diǎn)滑動平均然后再進(jìn)行譜分析,見圖1。功率譜的最大譜峰值(0.083)所對應(yīng)的周期是5.9 a,表現(xiàn)出顯著的年際變化特征。在1982年、1983年和1997年、1998年是歷史上的強(qiáng)厄爾尼諾事件(El Nio),1988年、1989年、2000年等是強(qiáng)拉尼娜事件(La Nia),從第1模態(tài)圖中可以看出這些年份北太平洋的距平有效波高值都發(fā)生了異常的減小或者增大,這就說明了這種變化與ENSO事件有可能存在一定的聯(lián)系。此外,Zhu等[16]指出在20世紀(jì)90年代末,太平洋10 a濤動(PDO)指數(shù)由正相位轉(zhuǎn)換為負(fù)相位,這一變化對全球的氣候都產(chǎn)生了一定的影響,而時間序列在1997年前后也發(fā)生由負(fù)相位到正相位的轉(zhuǎn)換,因此有效波高與PDO也有可能存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。

圖1 有效波高第1模態(tài)時空分析Fig. 1 Temporal and spatial analysis of first EOF mode of Hs

圖2為第2模態(tài)的空間典型場和對應(yīng)的時間序列以及功率譜分析圖。第2模態(tài)典型場呈現(xiàn)出東西反相的蹺蹺板式的變化規(guī)律,正負(fù)值中心分別在(160°E,35°N)和(135°W,40°N)附近。而且北太平洋西部有效波高的變化比東部海域顯著。這一模態(tài)典型場對應(yīng)的時間序列中線性變化趨勢的相關(guān)系數(shù)γ=0.283大于γα=0.097,通過了95%的顯著性檢驗,說明線性增長趨勢顯著。結(jié)合空間典型場的分布特征,說明北太平洋西部海域的有效波高有顯著的增加趨勢,而東部海區(qū)則有逐漸減小的特點(diǎn)。此外,時間序列圖中1997年前后,時間系數(shù)發(fā)生了相位轉(zhuǎn)換,由1997年以前的負(fù)異常轉(zhuǎn)換為1997年以后的正異常,時間系數(shù)在整體增加的線性趨勢上疊加有年際周期振蕩,功率譜的譜峰值(0.019)所對應(yīng)的主周期是2.5 a,表明北太平洋有效波高這種東西反相的分布具有年際變化的特征。

圖2 有效波高第2模態(tài)時空分析Fig. 2 Temporal and spatial analysis of second EOF mode of Hs

圖3為第3模態(tài)有效波高的時空分布特征,它的典型場主要表現(xiàn)為北太平洋西風(fēng)帶高低緯反相的雙渦型分布特征,以45°N為界,西風(fēng)帶高緯度區(qū)域為正相位,低緯度區(qū)域為負(fù)相位。正負(fù)極值中心分別位于(170°W,50°N)和(170°W,35°N)附近。這一空間典型場反映了西風(fēng)帶有效波高距平值的空間分布。時間序列中,線性變化趨勢的相關(guān)系數(shù)γ=0.123大于γα=0.097,通過了95%的顯著性檢驗,說明西風(fēng)帶有效波高線性增長趨勢顯著。空間典型場和時間序列表明西風(fēng)帶北部(45°N～60°N)呈增加趨勢,西風(fēng)帶南部(30°N～45°N)呈減小趨勢。同樣,在1997年時間系數(shù)由負(fù)異常轉(zhuǎn)換為正異常。第3模態(tài)時間序列的功率譜分析顯示,西風(fēng)帶具有2.4 a左右的變化主周期,說明西風(fēng)帶的這種南北反相變化有顯著的年際變化。

2.2 有效波高與PDO、ENSO的關(guān)系

上文分析得到北太平洋有效波高存在著顯著的年際變化,與PDO指數(shù)和ENSO事件可能存在一定的聯(lián)系。所以下面將分析有效波高與這些氣候因子的相關(guān)性。Nio3.4區(qū)(5°N～5°S,170°W～120°W)能很好地監(jiān)測和反映厄爾尼諾信號,而且該區(qū)微小的溫度變化也會對氣候產(chǎn)生較大的影響[17],因此本文采用Nio3.4區(qū)海表溫度距平SSTA指數(shù)來定義ENSO事件。為了解決數(shù)據(jù)的可比性,采用Z-score數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化將PC1、PDO和Nio3.4指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后再求解它們的相關(guān)系數(shù)。

圖4是北太平洋月平均有效波高經(jīng)EOF分解后,第1模態(tài)的時間序列PC1與PDO、Nio3.4指數(shù)的相關(guān)性。計算PC1與PDO的相關(guān)系數(shù)γp為-0.44,與Nio3.4的相關(guān)系數(shù)γe為-0.53,均通過了95%的顯著性檢驗,說明北太平洋有效波高與PDO和Nio3.4指數(shù)存在遙相關(guān)且為負(fù)相關(guān),當(dāng)PDO、Nio3.4指數(shù)為正相位時,PC1基本為負(fù)相位,而PDO、Nio3.4指數(shù)為負(fù)相位時,PC1基本為正相位。

圖3 有效波高第3模態(tài)時空分析Fig. 3 Temporal and spatial analysis of third EOF mode of Hs

此外,從圖4中還發(fā)現(xiàn),PC1的某些強(qiáng)正負(fù)相位剛好對應(yīng)強(qiáng)ENSO事件的發(fā)生。在PC1為強(qiáng)正相位年時,這些年份大多是La Nia事件年,有效波高表現(xiàn)為正異常,而PC1為強(qiáng)負(fù)相位年時,大多是El Nio事件年有效波高則表現(xiàn)為負(fù)異常,所以北太平洋有效波高存在很強(qiáng)的ENSO信號。而ENSO信號和太平洋10 a濤動都具有顯著的年代際變化周期,所以,氣候因子的年代際振蕩周期可以為有效波高的年代際變化提供一定的預(yù)報依據(jù)。

圖4 有效波高的時間序列PC1與PDO、Nio3.4指數(shù)的相關(guān)性Fig. 4 Correlations of PC1 of Hs with PDO index and Nio3.4 index

圖5 時間序列PC1與Nio3.4指數(shù)空間相關(guān)性Fig. 5 Spatial distribution of correlation between PC1 and Nio3.4 index

3 有效波高和風(fēng)速的極值分布特征

海洋的極值風(fēng)浪通常會造成災(zāi)害性的海況,想要確保建筑物的持久使用以及航行安全,僅了解海浪場的平均態(tài)特性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,像目前興起的海上風(fēng)力發(fā)電和海洋石油平臺建設(shè)等的設(shè)計都需要用到多年一遇的波高和風(fēng)速。海洋要素極值的計算是一個嚴(yán)峻又具有重大實際意義的工作,無論對于近岸工程建筑物的持久使用,還是沿海社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展都有密切的關(guān)系。所以為了提高建筑物的防御能力以及確保航行及人類的生命財產(chǎn)安全,本節(jié)對有效波高和風(fēng)速的極值分布進(jìn)行分析研究。

3.1 重現(xiàn)期分布曲線選取

選取不同的分布函數(shù)會對有效波高和風(fēng)速多年一遇重現(xiàn)期結(jié)果產(chǎn)生不同的影響,大量的研究表明適用于海洋資料分析的推算極值的概率分布函數(shù)主要有皮爾遜Ⅲ型分布(簡稱P-Ⅲ型),耿貝爾(Gumbel)分布以及威布爾(Weibull)分布[18]。

P-Ⅲ分布曲線在擬合數(shù)據(jù)時,人為因素太大,不具有客觀性,而且在實際的研究分析中,獲取的樣本數(shù)量有限,這就會導(dǎo)致偏態(tài)系數(shù)的誤差很大,所以一般不采用。耿貝爾分布完全為理論分布,但只含有2個參數(shù),在適應(yīng)數(shù)據(jù)的能力上不強(qiáng)。相比于耿貝爾分布,威布爾分布更便于應(yīng)用。威布爾分布一方面是從理論上推導(dǎo)出的分布函數(shù),另一方面又含有3個未知參數(shù),靈活性大,易于與實際資料結(jié)合,精度上更高,因此使用廣泛。本文采用威布爾三參數(shù)分布曲線估計北太平洋有效波高和風(fēng)速的多年一遇重現(xiàn)期極值。

3.2 北太平洋海域重現(xiàn)期分布

利用ECMWF數(shù)據(jù)將北太平洋海域每個網(wǎng)格點(diǎn)上1979—2014年的年極值取出,用威布爾分布曲線進(jìn)行擬合,從而得到北太平洋多年一遇重現(xiàn)期的空間分布特征。圖6和圖7分別給出了有效波高和風(fēng)速的多年一遇重現(xiàn)期分布。從圖6中可以看出,隨著重現(xiàn)期的增加,分布圖上的極值也在增加。圖6中5 a一遇的有效波高最大值在12.8 m,20 a和50 a一遇的最大值分別為14.2 m和15.0 m,到了100 a一遇的最大值達(dá)到了15.8 m。最大值均出現(xiàn)在西風(fēng)帶內(nèi),這主要是由于北太平洋高緯度地區(qū)氣旋活動頻繁容易形成風(fēng)浪和涌浪,所以波高值很大。對于不同重現(xiàn)期,區(qū)域的空間分布基本相同,在30°N以北海域受地形的限制呈環(huán)狀分布,30°N往南有效波高迅速減小,0 °N～30 °N范圍大致呈帶狀遞減分布,到赤道區(qū)域極值最小,甚至在2 m以下。

圖6 有效波高重現(xiàn)期分布Fig. 6 Hs distribution for different return periods

圖7中風(fēng)速的重現(xiàn)期分布與有效波高的相比最大值區(qū)域北移,空間上從高緯到低緯度地區(qū)呈遞減的帶狀分布,依然是在赤道區(qū)域最小。不同重現(xiàn)期風(fēng)速最大值增加,從5 a一遇的35.4 m/s到100 a一遇的43.6 m/s。從圖7中還可以發(fā)現(xiàn),重現(xiàn)期越長,在北太平洋西北部,即日本群島南部海域風(fēng)速加強(qiáng)顯著,且加強(qiáng)的極值區(qū)域呈向西南延伸的舌狀,超過50 a一遇后延伸到中國的東海甚至是菲律賓群島的東部海岸。

圖7 風(fēng)速重現(xiàn)期分布Fig. 7 Wind speed distribution for different return period

4 結(jié) 論

利用ECMWF中的ERA-Interim數(shù)據(jù)集對北太平洋海域1979—2014年的海浪場變化特征進(jìn)行了分析研究,主要得到以下結(jié)論:

a. 北太平洋有效波高EOF分解的第1模態(tài)呈同位相分布,且北太平洋東部有效波高的變化明顯強(qiáng)于西部海域,這一模態(tài)的時間序列與氣候因子PDO、ENSO都呈顯著的遙相關(guān)關(guān)系,可以通過氣候因子來預(yù)測有效波高的年代際變化。

b. 第2模態(tài)表現(xiàn)為東西反相的蹺蹺板式的變化規(guī)律,北太平洋西部海域的有效波高有顯著的逐年遞增趨勢,而東部海域則有逐漸減小的特點(diǎn)。第3模態(tài)表現(xiàn)為北太平洋西風(fēng)帶高低緯反相的雙渦型分布特征,以45°N為界,西風(fēng)帶高緯度區(qū)域有效波高增加,低緯度區(qū)域有效波高減小。并且以上的變化特征都有2.5 a左右的年際變化規(guī)律。

c. 北太平洋海域有效波高和風(fēng)速重現(xiàn)期極值的大值區(qū)都位于西風(fēng)帶內(nèi)。重現(xiàn)期的增加,分布圖上的極值也增加。有效波高最大值從5 a一遇的12.8 m增加到100 a一遇的15.8 m。風(fēng)速從5 a一遇的35.4 m/s到100 a一遇的43.6 m/s。而且重現(xiàn)期越長,在日本島南部海域風(fēng)速加強(qiáng)越顯著,加強(qiáng)的極值區(qū)延伸到中國的東海甚至是菲律賓半島的東部海岸。有效波高和風(fēng)速的重現(xiàn)期極值計算可為深海操作提供一定的量化指導(dǎo)。

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Analysis of wave characteristics in North Pacific Ocean

ZHU Yuliang1,2, XU Xiuzhi2

(1.JiangsuKeyLaboratoryofCoastOceanResourcesDevelopmentandEnvironmentSecurity,Nanjing210098,China；2.CollegeofHarbour,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Using the latest ERA-Interim sea surface wind field and wave field data from every 6 h from 1979 to 2014 provided by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), the wave characteristics in the North Pacific Ocean for the last 36 years were analyzed. The results show that the first mode decomposed from the empirical orthogonal function (EOF) of significant wave height (Hs) exhibits in-phase change rules and is teleconnected with the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and El Nio-Southern Oscillation (ENSO); the second mode shows thatHsexhibits a significant increasing trend in the western region of the North Pacific Ocean, and a gradually decreasing trend in the eastern region of the North Pacific Ocean; and the third mode mainly exhibits inverse double-eddy-type distributions at high and low latitudes in the westerlies, with 45°N as a boundary. The maximum extremes ofHsand wind speed for different return periods appear in the westerlies; for a relatively long return period, wind speed shows a significant increase in the area to the south of Japanese islands. The area with increased extremes extends to the East China Sea or even the east coast of Philippine islands.

ERA-interim; North Pacific Ocean; wave characteristic; significant wave height; empirical orthogonal function decomposition; extreme for return period

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.06.013

2016-03-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(2016B10414,2016B20814,2015B26414)

諸裕良(1965—),男,江蘇無錫人,教授,博士,主要從事水動力研究。E-mail:zhuyl@hhu.edu.cn

P73

A

1000-1980(2016)06-0550-08