詹 思,齊琳琳,盧 偉
基于CCMP資料和現場觀測資料的西北太平洋海面風場特征分析
詹 思1,2,齊琳琳2,盧 偉1
(1.解放軍理工大學,江蘇南京211101;2.空軍裝備研究院航空氣象防化研究所,北京100085)
利用由美國宇航局物理海洋學數據分布存檔中心發(fā)布的2007—2011年CCMP風場資料,針對西北太平洋海面風場的季、月、日變化特征進行了分析。結果表明:西北太平洋海面風場具有明顯的季、月變化特征,夏季盛行西南風,風向多變,風速最低;冬季盛行東北風,風速偏高。大風頻發(fā)區(qū)域位于南海海域、臺灣海峽和日本島以東,且冬季發(fā)生頻率明顯高于其他3個季節(jié)。此外,還利用獲取到的2014年8月海面自動觀測站和9月海上探空資料對相應月份的風場特征進行細化分析,表明8月洋區(qū)盛行西南風,而9月西南風逐漸消退,風速減小,變化特征與相應月份CCMP的海面風分析相符。
西北太平洋;海面風場;變化特征;觀測印證
西北太平洋西臨亞洲,北連淺而窄的白令海,并通過白令海峽與北冰洋溝通[1],不僅生物資源繁多,礦物資源豐富,而且地理位置優(yōu)越,具有重要的政治、經濟、軍事地位[2]。海面風是海洋上層運動的主要動力來源,不僅可以驅動洋流或海浪,而且調節(jié)著海洋大氣之間的熱量、水汽和物質交換,維持區(qū)域與全球的氣候平衡[3]。同時,海面風對人類的生活、經濟和軍事等活動有著重要影響[4-5],不穩(wěn)定的海面風往往會造成巨大的經濟損失和航運安全隱患[4]。因此,深入了解西北太平洋海面風分布特征,不僅對保障航海安全、海洋防災減災、海上軍事活動等有重要意義,同時對開發(fā)海洋風能資源、研究海氣相互作用和全球氣候變化等有著重要價值。
早期海面風的研究主要依據布設浮標或走航調查資料[1,6],但由于船舶、浮標以及在沿岸、島嶼等的風場資料數量很稀少且分布很不規(guī)則,使得海面風的時空連續(xù)特征分析存在很大不足。近年來,以衛(wèi)星資料為主,觀測資料為輔的多數據融合再分析資料逐漸發(fā)展和豐富,為海面風細化分析提供了基礎。沈春等[7]和劉春霞等[8]證明了QuikSCAT數據在南海海面風分析的可用性和可信性。Ward等[9]利用COADS資料,Young等[10]利用TOPEX衛(wèi)星高度計數據產品得出了全球海面風速呈遞增趨勢的結論。張德天等[11]、朱苗苗等[12]基于QN(QuikSCAT/ NCEP)混合風場資料分析出中國海海面風的季節(jié)變化特征和大風中心,而王靜等[13]、潘靜等[14]則對西北太平洋的風速特征和長期變化趨勢進行了研究。相比而言,多衛(wèi)星融合形成的CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform)風場資料以高時空分辨率、時間序列長等優(yōu)勢,在海面風研究中得到廣泛應用。毛科峰等[15]對東中國海海域CCMP、ERA和QN混合風場的精度進行了評估和對比分析,認為CCMP資料在深遠海域精度更高。曠芳芳等[16]在臺灣海峽海域對CCMP、NCEP和ERA風場資料進行比較和評估,驗證了CCMP資料在中國海海域應用的準確性。Atlas等[17]證實CCMP較其他單個的衛(wèi)星平臺測量的風場數據在精度方面有很大的提高。鄭崇偉[18]在分析CCMP資料時發(fā)現,中國海的海面風存在明顯的季節(jié)變化,存在東海和南海兩個風速大值中心,且大部分海域海面風速呈逐年遞增趨勢。劉志宏等[19]則基于CCMP資料分析了西北太平洋風速的逐年線性趨勢和極值,得出海面風風速逐年遞增的結論。由此可知,諸多學者針對不同資料的西北太平洋海面風特征分析認為,西太平洋冬季盛行東北風,夏季盛行西南風,且冬季風明顯強于夏季風。同時大部分海域海面風風速呈現逐年緩慢增加趨勢。
針對以往基于CCMP資料的西北太平洋海面風場逐月和各季日變化特征研究的不足,本文利用2007—2011年的CCMP風場資料,針對該海域進行了海面風的季、月、日逐步細化的系統(tǒng)性分布特征及頻率變化研究,并結合獲取到的2014年海上觀測資料對相應月份的分析結果進行細化和驗證,以期為西北太平洋海面風特征的客觀定量化認識提供依據,從而為提高海面風的預報保障能力奠定基礎。
2.1 資料
CCMP海面風資料是由美國宇航局物理海洋學數據分布存檔中心(Physical Oceangraphy Distributed Active Archive Center,PO.DAAC)發(fā)布的一種高分辨率(時間、空間)的多衛(wèi)星融合資料,目前在國內外得到廣泛應用。它以歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的再分析和業(yè)務資料為背景場,通過變分同化分析法融合了QuikSCAT、ADEOS-II、AMSR-E、TRMM TMI和SSM/I等多種衛(wèi)星探測海面風產品,以及部分船舶、浮標觀測資料。將該資料與船舶、浮標和TAO浮標觀測資料對比,風速均方根差異分別為1.62 m/s、1.29 m/s和0.57 m/s,風向均方根差異則分別為11.46°、10.07°、7.06°,遠低于其他資料。顯然,CCMP較其他風場數據在精度方面有很大的提高[20]。
目前該資料提供的海面10 m風時間跨度為1987年7月—2011年12月,空間范圍為-78.375°~78.375°、0.125°~359.875°,時間間隔6 h,水平分辨率為0.25°×0.25°,可較好的應用于大氣、海洋研究,以及天氣預報和短期氣候預測等方面。由于2012年及以后的數據網站暫未提供,因此選取2007—2011年的CCMP資料,采用平均值統(tǒng)計法著重分析了西北太平洋(0°~40°N,104°~150°E)海面風的各類特征。
2.2 方法
本文通過平均值統(tǒng)計法計算西北太平洋海面風季節(jié)平均和月平均,分析各個季節(jié)和月份海面風風向風速的空間分布;再利用頻率統(tǒng)計法統(tǒng)計不同風向、風力等級的出現頻率,分析不同時間的盛行風向和風速;最后采用區(qū)域平均法計算某一區(qū)域的海面風平均,通過對其時間序列的分析,得到海面風的時間變化特征。其中,本文采用矢量平均法[21]對海面風的風向風速進行平均值計算。
將風矢表示為U→=(u,v),其中u表示緯向風,v表示經向風。先分別計算緯向風平均和經向風平均:
3.1 風速和風向的季平均分布
圖1 西北太平洋海面風向、風速季平均分布
從多年平均的各季海面風向、風速水平分布可見(見圖1),春季(3—5月)30°N以北(渤海和日本海海域)主要是偏西風,其他海域以東風和東北風為主,尤其在東南洋區(qū)(5°~25°N,125°~150°E)基本表現為平直東風;各區(qū)風速都較小,一般在2.5 m/s以下,臺灣海域和東南海區(qū)存在較高風速,在6.5 m/s左右。對于夏季(6—8月)而言,西北太平洋明顯受夏季風影響,并處于副熱帶高壓控制下。受此影響,南海海域和菲律賓群島附近以西南風為主,在臺灣海峽附近轉為南風,黃海和渤海海域以北風和東北風為主,130°E以東洋面,以東南風為主,東北海區(qū)風向呈現順時針旋轉;各海區(qū)平均風速偏小,但大部分地區(qū)可達2 m/s以上,在此期間,南海季風全面爆發(fā)并持續(xù)整個夏季,南海海域持續(xù)出現風速大值區(qū),平均風速可達6.5 m/s以上,同時,南海季風造成南海上空云量增多,水汽充足,成為我國夏季降水的重要來源之一[22]。同樣,秋季(9—11月)也是一個過渡季節(jié)。35°以北主要表現為偏北風,渤海、黃海和東海都已轉變?yōu)闁|北風,南海海域海面風呈逆時針旋轉,由東北風轉為偏西風,大洋東南部與春季相似,表現為平直東風;各海區(qū)風速分布與春季類似,臺灣海峽大值達到8 m/s以上。至于冬季(12—2月),副熱帶高壓被強盛的阿留申低壓逼退至洋面東南角,大洋洋面基本位于低壓控制之下,大陸上強大的西伯利亞冷高壓致使西部洋區(qū)被冷空氣影響,此外,洋區(qū)還飽受東北冬季風的影響。整片洋區(qū)都表現為偏北風,30°N以北(黃渤海和日本海峽周圍)存在明顯的西北風,30°~25°N之間的東部洋區(qū)出現風向的順時針旋轉,由西北風轉為東北風,25°N以南洋區(qū)基本呈現東北風,赤道附近風向逆時針旋轉,轉為北風;四季之中明顯冬季風速最大,大部分洋區(qū)風速在5 m/s以上,臺灣海峽和南海南部風速可達到9.5 m/s以上。
3.2 季節(jié)內風速和風向頻率的季平均分布
在季節(jié)平均特征分析基礎上,還對季節(jié)內的風向、風速頻率和6級以上大風頻率進行分析。風速和風向頻率的季節(jié)分布能反映每個季節(jié)的盛行風向和風速,對季節(jié)平均特征進行驗證,還能細化季節(jié)平均下表現出來的風向和風速特征。
如圖2所示,春季和秋季,洋區(qū)主要以偏東風為主,尤其是東、東北和東北偏東風向,出現頻率都在10%以上,偏西風和偏南風出現頻率則偏低。風力等級頻率分布接近于正態(tài)分布,主要集中在1級~5級(0.3~10.7 m/s),2、3、4級風(1.6~7.9 m/s)發(fā)生最為普遍,有時也會出現6級和7級風(10.8~17.1 m/s),但7級以上大風則幾乎未發(fā)生。夏季西北太平洋區(qū)最常出現偏東風和西南風,偏北風發(fā)生頻率極低,幾乎不超過3%,其他方向海面風都有發(fā)生。風力等級頻率比較類似于春秋季,更接近正態(tài)分布。與春秋季相比,1~4級風(0.3~7.9 m/s)出現頻率增加,尤其2、3級風頻率明顯偏高,5級及以上風(>8.0 m/s)則相對減小。由于夏季時,西北太平洋是臺風高發(fā)區(qū)域,風向相對多變,因此風向頻率分析結果與季節(jié)平均有所不同。冬季的海面風則集中表現為東北向風,尤以東北風和東北偏東風向出現頻率明顯最高。風力等級頻率形勢明顯與其他3個季節(jié)不同,主要風速集中在1~6級(0.3~13.8 m/s),1~5級風出現頻率較其他季節(jié)低,6、7級風出現頻率卻明顯高于其他季節(jié)。分析結果與季節(jié)平均分析結果接近,符合東北季風特點。
圖2 西北太平洋季節(jié)風向和風力分布圖
圖3 西北太平洋6級以上大風頻率季節(jié)分布圖
考慮到6級(10.8 m/s)以上大風具有較強的破壞力,經常造成不同程度的災害[1]。因此又重點針對各個季節(jié)分析了6級以上大風頻率的分布(見圖3)。春季,10°N以南幾乎不出現6級以上大風,大風區(qū)主要位于30°N以北和臺灣海峽(15%~25%)。夏季時,大風發(fā)生區(qū)域略南擴,但頻率不高,普遍維持在10%以下,南沙群島附近有個小高值中心(15%左右)。秋季,大風出現頻率逐漸增加,7°N以北都有發(fā)生,頻率最大區(qū)依舊出現在臺灣海峽附近,達到25%以上,日本島以東洋面明顯增加。冬季,5°N以北幾乎是大風頻發(fā)區(qū)域,其中日本島以東、臺灣海峽周圍和南海南部可達到40%以上。顯然,臺灣海峽幾乎全年都有大風事件,這主要是由于臺灣海峽正位于黑潮通過路徑,且地形呈現出南寬北窄的喇叭形而產生狹管效應,二者相疊加,導致大風事件頻發(fā)。
第三部分已經對海面風的季節(jié)變化特征進行了分析,得出季節(jié)變化規(guī)律。本節(jié)在季節(jié)變化基礎上,對海面風逐月變化進行了分析。
4.1 風向和風速月平均分布
多年平均海面風月平均分布圖顯示(見圖4),1月風場分布幾乎與冬季風場相同:以25°N左右為分界線,以北表現為明顯的西北風,25°N附近出現風向的順時針轉動,由西北風變化為東北風,以南則基本處于東北風控制下,只有赤道附近出現風向的逆時針旋轉;洋區(qū)風速普遍偏高,基本達到5 m/s以上,臺灣海峽和南海南部依舊是大值區(qū),風速甚至可達10 m/s以上。2月海面風依舊表現為冬季風場特征,風向分布與1月基本相同,風速則有明顯減小。3月與2月類似,但5 m/s以上風區(qū)逐漸減小至25°N以南。而4月,5°~25°N之間的東北風開始向東風轉化,風速持續(xù)減?。蝗毡緧u以東洋面轉為西風,黃渤海轉為偏北風,幾乎降至0 m/s。到了5月洋區(qū)風速偏低,只有菲律賓群島-馬里亞納海溝區(qū)域可達5 m/s以上,洋區(qū)大部分區(qū)域仍處于偏東風控制,但南海季風逐漸發(fā)展,并在5月中下旬開始爆發(fā),因此南海海域已經開始出現西南風[23]。6月除了0°~20°N,130°~150°E洋區(qū)為偏東風,其他區(qū)域都表現為偏南風,且南海周圍和臺灣以東風速逐漸增大。7月南海海域和日本島以東盛行西南風,其他海域基本表現為偏南風,且南海南部存在相對大值中心,最大風速可達8 m/s。但到了8月風速相對大值區(qū)開始縮小。進入秋季,9月黃渤海海域已經出現東北風,夏季風開始崩潰。進入10月15°N以北偏南風完全消失,南海北部也出現東北風。10°以南幾乎無風,臺灣海峽卻表現為風速大值區(qū)。11月東北風區(qū)持續(xù)南擴,黃渤海域轉為西北風;5°以北的大面積洋區(qū)風速繼續(xù)增大,臺灣海峽的大值區(qū)南延至南海海域。到了12月海面風分布狀況已有明顯的冬季風場特征。
4.2 逐月風向和風速頻率的月平均分布
圖5為逐月風向玫瑰圖和風速頻率分布圖。由圖可見,1月東北風頻率明顯最高,其次是東北偏東風和東北偏北風,偏南風頻率在3%以下。2月開始,偏東北方向風頻率逐漸降低,偏南方向風開始增多,但頻率仍不超過6%。5月東北方向風明顯減少,偏西南風迅速增多。6月開始盛行西南方向風,同時東風頻率依舊很高。7月東風頻率明顯降低,偏西南風繼續(xù)增加,西北方向風出現頻率降至2%。8月開始,偏西南風逐漸減少,與之對應的偏東北風則陸續(xù)增加,并隨時間推移重新占據主導地位。12月的風向頻率分布狀況幾乎與2月重合,明顯以東北方向風為主,但頻率較1月偏低。在風力等級方面,1月風力明顯偏高,5級風(8.0~10.7 m/s)為主,6級及以上大風(>10.8 m/s)頻率也明顯高于其他月份。2月開始,高頻率風力等級逐漸降低,2、3、4月以4級風(5.5~7.9 m/s)為主,5月開始3級風(3.4~5.4 m/s)占據主要地位,頻率分布曲線特征近似于正態(tài)分布。6、7、8月時3級風頻率一直維持在25%以上,6級風頻率則成為全年最低。8月之后,依舊以3級風為主,但是頻率逐漸降低,9、10月幾乎與2級風(1.6~3.3 m/s)頻率持平。11月開始高頻率風力等級逐漸增大,正態(tài)分布形態(tài)消失,且2、3級風頻率持續(xù)減小,4級風成為主導風。
圖4 西北太平洋海面風向、風速月平均分布
圖5 西北太平洋各月風向和風力分布圖
依舊考慮6級以上(>10.8 m/s)大風的破壞性,分析逐月6級以上大風頻率分布圖可知(圖略),1月時大風頻率分布與冬季分布十分相似,10°N以北整片洋區(qū)大風頻率都不低于20%,臺灣海峽、南海海域和日本島以東洋面甚至超過40%。2月開始大風發(fā)生范圍逐漸北縮,頻率也逐漸降低,5月時只有日本島以東洋面和臺灣海峽周圍有大風發(fā)生,且頻率都不超過15%。6月西北太平洋6級以上大風發(fā)生頻率為全年最低,只有日本島以東洋面以及中國海海域附近偶爾發(fā)生。7、8月大風發(fā)生區(qū)域逐漸南擴,并在洋區(qū)中部連成一片,但頻率普遍不高,15%以上區(qū)域只存在與南海-臺灣海峽一帶。8月過后,大風發(fā)生范圍擴展至整個10°N以北洋區(qū),且發(fā)生頻率逐漸增大,尤其在臺灣海峽和日本島以東洋面迅速增至30%以上。到12月時,大風頻率空間分布狀況已與1月類似,只是頻率較1月時偏低,10°~25° N之間的東部洋面大風頻率在5%以下。
考慮到分析海面風季節(jié)內日變化過程有助于海面風的短時臨近預報和趨勢預報,為此以4、7、10和1月作為春、夏、秋、冬四季代表月,對其風向風速進行區(qū)域平均(選取臺灣海峽-南海海域,10.5°~16.5°N,113.5°~119.5°E)后進行季節(jié)日變化特征分析。
從西北太平洋多年各季風向日變化(見圖6)可以看出,春、秋、冬季風向變化比較明顯,春季由東北風逐漸向偏西南風變化,秋季則與春季相反,由西南風和偏西風向東北風變化,2009年和2010年在10月18—24日的異常分別與有記載的臺風記錄“盧碧(Lupit)”和“梅姬(Megi)”吻合。冬季,風向明顯穩(wěn)定在東北方向。夏季風向變化略復雜,雖以西南風和偏南風為主,但是變化頻繁,主要是因為夏季時臺灣海峽-南海海域為臺風頻發(fā)地區(qū),所以時序變化特征與季節(jié)、月平均變化特征有所出入。
而對于西北太平洋多年各季風速日變化(見圖7)而言,春季風速整體呈遞減趨勢;夏季風速偏低,一般在5 m/s左右,7月中旬和月末出現風速的明顯增加;秋季,前期受夏季影響下風速變化大,中后期呈現緩慢增加趨勢;冬季風速最大,隨時間呈震蕩變化。
考慮海上實際觀測資料的應用對于上述基于CCMP風場的分析結果具有很好的細化和驗證意義,為此,我們還利用2014年8月海面自動觀測站資料和9月海調探空資料,對海面10 m風進行了時序變化分析,并與之前的基于CCMP資料分析結果進行了對比。
2014年8月2—20日的海面自動觀測資料分布從黃海南延至臺灣島以東,向東南方向穿過菲律賓海盆,最終終止在新幾內亞島以北(見圖8)。資料每分鐘4個記錄,分析采用的是逐小時一次。從圖9的風隨時間變化來看,2—20日期間,風向呈有規(guī)律地連續(xù)變化,不存在明顯的風向突變。其中,5—6日、15—16日期間的風向呈明顯的順時針變化;風速在1~8 m/s間波動,而8月7日晚至8月9日晚間,則出現連續(xù)存在10 m/s以上大風。
圖6 西北太平洋多年各季風向日變化圖
圖7 西北太平洋多年各季風速日變化圖
結合觀測時段觀測點海面風全部記錄的風向和風速頻率(見圖10)可知,8月,黃海-臺灣-新幾內亞島一帶,偏西南方向(S-SW-W)風占據主導地位出現頻率相加超過50%,偏東南方向(NNE-NE)風出現頻率次之,頻率在10%左右。主要風力等級在1~5級(0.3~10.7 m/s),偶有6級及以上(>10.8 m/s)大風出現。這一特征與之前基于CCMP風場的8月分析結果總體相似,即東風出現頻率減少,偏西南風頻率增加。
相比而言,9月的海上探空觀測均集中于南海海域(見圖11)。該資料時段為8月29日—9月21日,逐6 h、逐10 m一個記錄。分析主要針對距海面10 m處風向、風速隨時間的變化進行。由圖12可知,該時段該海域沒有明顯變化規(guī)律,以偏東方向風偏多,大多風向在東北偏東和東南偏東方向,中旬有少數西南風出現。由此推斷,該時段西南季風已經崩潰,逐漸向東北季風轉變。風速大多集中在5 m/s以下,少數時刻突破10 m/s。分析結果與之前基于CCMP風場的9月特征分析類似。
圖8 海上自動觀測站點分布圖
圖9 2014年8月2—20日海面自動觀測風向和風速隨時間變化圖
圖10 2014年8月2—20日海面自動觀測風向和風力分布圖
圖11 海上探空站點分布圖
本文利用2007—2011年CCMP風場資料,對西北太平洋海面風場的季、月、日變化等特征進行了分析,并結合獲取到的2014年海上觀測資料對相應月份的分析結果進行細化和驗證。研究表明:
(1)海面風存在明顯的季節(jié)變化特征,且海面風的月特征與其季節(jié)變化特征存在較好的對應關系。夏季(6—8月)西北太平洋區(qū)盛行西南風,風速大值區(qū)位于南海海域,冬季(12月—次年2月)盛行東北風,整體風速偏高,達到一年最大值;全年中以7月時西南風特征最為明顯,次年1月東北風最為強烈。春(3—5月)、秋(9—11月)兩季屬于風向風速的冬夏過渡時期,其中風向多變,不存在固定盛行風向;風速存在漸變過程,風速大值區(qū)在臺灣海峽和菲律賓群島以東海域;
(2)6級以上大風,夏季主要發(fā)生在南海海域,頻率最低;冬季頻率最高,范圍最廣,自南海至日本島以東都有發(fā)生;春季和秋季頻率偏低,發(fā)生區(qū)域較冬季時偏北;
圖12 2014年8月29—9月21日海面觀測的10 m處風向和風速(隨時間變化圖
(3)海面風日變化,4月海面風由東北風向南風轉化,風速逐漸減?。?月時風向以西南風為主,有時會出現風向的劇烈變化,風速一般維持在6 m/s以下;10月風向有西南風向東北風,風速隨時間遞增;1月風向穩(wěn)定,風速一般維持在4 m/s以上;
(4)2014年8月海上自動觀測站資料和同年9月海上探空資料的分析顯示,8月洋區(qū)盛行西南風,風速起伏較大;9月南海海域風向紊亂,西南風減少,風速逐漸降低?;贑CMP資料分析所得,8月西南風仍為西北太平洋區(qū)的主導風向,盛行風速偏低;9月西南季風崩潰,偏東風逐漸占據主導地位,風速較8月略有偏低。分析結果與CCMP資料所得結論相似。
致謝:中國科學院南海所王東曉研究員和陳舉研究員,大氣物理研究所朱江研究員為本文的海上觀測資料的應用分析給予了熱情指導幫助,在此一并感謝。
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Analysis of sea surface wind in Northwest Pacific based on CCMP satellite data
ZHAN Si-yu1,2,QI Lin-lin2,LU Wei1
(1.School of Meteorology of PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101 China;2.Institute of Aeronautical Meteorology,Beijing 100085 China)
The seasonal,monthly and daily characteristics of sea surface wind field in the northwestern Pacific are analyzed based on the high resolution CCMP satellite dataset.The results show that:the sea surface wind in the northwestern Pacific displays obvious seasonal and monthly variation characteristics.The southwester prevails in summertime with variable wind direction and the lowest velocity,while the northeaster does in winter with higher speed.The area of frequent gales mainly located in the South China Sea,Taiwan Strait and east of Japan Island.The frequency in winter is significantly higher than the other three seasons.The automatic observation data in August 2014 and GPS data in September are analyzed to validate the result of the above.The result proves that the southwest still prevailed inAugust,but decreased in September.
Northwest Pacific Ocean;sea surface wind;variable characteristics;observation verify
P732
A
1003-0239(2017)02-0010-11
10.11737/j.issn.1003-0239.2017.02.002
2016-06-03;
2016-07-17。
國家“863”計劃項目(2012AA091801);國家自然科學青年基金(41005030,41205044)。
詹思玙(1991-),碩士在讀,從事海洋氣象研究。E-mail:zsyzsy0603@163.com
齊琳琳(1973-),高級工程師,博士,從事海洋氣象研究。E-mail:niceqll@mail.iap.ac.cn