基于ERA-20C再分析數(shù)據(jù)的中國近海波候研究?

劉 敏， 趙棟梁

(中國海洋大學 1.物理海洋教育部重點實驗室， 山東 青島 266100； 2.青島海洋科技合作創(chuàng)新中心，山東 青島 266100)

海洋表面波是由多個不同頻率不同方向的組分組成，主要分成風浪和涌浪。風浪是指成長中的年輕波浪或與局地風相平衡的波浪，而涌浪則為在其他地方生成，并能遠距離傳播的波浪。波候是指波高、周期等波參數(shù)的長期變化特點，多年平均和極端波候的研究對沿海和海洋工程來說至關(guān)重要[1-3]，進一步了解波候有利于海岸和沿海結(jié)構(gòu)的設(shè)計和運行，以及更加準確地評估波浪資源和泥沙運輸?shù)萚4]。傳統(tǒng)上根據(jù)浮標數(shù)據(jù)和船舶觀測數(shù)據(jù)對波浪進行分析研究，浮標數(shù)據(jù)較為準確但空間分辨率較低，而船舶觀測在極端條件下無法完成。因此，數(shù)據(jù)采集的弊端限制大尺度和長期波候?qū)W的發(fā)展。近年來，衛(wèi)星高度計、波浪模型和再分析數(shù)據(jù)的使用使得全球尺度和區(qū)域尺度波浪氣候的研究更加深入和全面[5-12]。

隨著中國沿海地區(qū)人口和工業(yè)活動的增加，需要進一步的了解中國近海波候變化特征。雖然多數(shù)研究一致認為波高從東海、黃海至渤海沿東南向西北逐漸降低[13-15]，但關(guān)于南海波高的空間分布特點依然存在很多爭議。有些研究認為，夏季南海波高的大值中心分布在北部，冬季分布在西南部[16-17]。而Mirzaei等[18]和齊義泉等[19]則認為夏季和冬季波高均存在兩個波高的大值中心，分別位于南海北部和西南部。與空間分布特點相比，中國近海波高的長期變化趨勢存在著更多的爭議。鄭崇偉等[20-21]和李訓強等[22]的研究結(jié)果表明，中國近海大部分海域的有效波高呈顯著遞增的變化趨勢。Wang等[23]也發(fā)現(xiàn)，1979—2014年期間東海的混合浪呈線性增加的趨勢。另一方面，也有文獻得到中國近海波高遞減的變化趨勢，例如，渤海[24]、東海[11,25]和南海[11,18]均得到波高線性遞減的結(jié)論。顯然，由于上述爭議，需要進一步分析中國近海的波候。

1 數(shù)據(jù)介紹

由于原位波高度觀測的歷史很短，隨著海洋觀測技術(shù)和手段的發(fā)展，在最近數(shù)十年才得以應(yīng)用，且僅在有浮標安放的位置可用。由于同樣的原因，衛(wèi)星觀測手段也僅在過去幾十年得以飛速的發(fā)展[7]。因此，波浪要素的長期變化趨勢通?；谠俜治鰯?shù)據(jù)[8]。波浪再分析數(shù)據(jù)的時間跨度僅限于二十世紀下半葉，直到二十世紀再分析數(shù)據(jù)(20CR)的完成[26]。Wang等[27]使用20CR的海平面壓力數(shù)據(jù)獲得了時間跨度為一個世紀，時間分辨率為6 h的波高數(shù)據(jù)，并首次分析和評估了北大西洋世紀尺度的波高變化趨勢。按照Wang等[27]的方法，Wu等[11]構(gòu)建了有效波高數(shù)據(jù)，并分析了1911—2010年間東海和南海波高的長期變化趨勢。

ERA-20C是歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)二十世紀的第一個大氣再分析數(shù)據(jù)，僅使用海表面壓力和風場的觀測數(shù)據(jù)，是ERA-CLIM項目的結(jié)果。該數(shù)據(jù)更加全面，可從網(wǎng)站(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/era20c-wamd/type=an/)獲得，時間跨度為1900—2010年[28-29]。Wu等[11]和Kumar等[30]曾使用ERA-20C再分析數(shù)據(jù)分析海洋中平均波高和極值波高的分布特點。ERA-20C幾乎包含了描述風場和波浪場的所有參數(shù)，浪場數(shù)據(jù)包括三種波高(風浪、涌浪和混合浪)，風場的數(shù)據(jù)包括海面10 m高度處的風速，本文應(yīng)用波高波向、風速風向和平均波周期等參數(shù)綜合分析中國近海風候和波候的特點。

本文使用1950—2010年ERA-20C數(shù)據(jù)，提取波參數(shù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h。本文研究的海域范圍是(0°～41.5°N, 105°E～130°E)，包括中國近海和西北太平洋的部分海域(見圖1)，從北向南，中國近海包括渤海、黃海、東海(ECS)和南海(SCS)。另外，將使用尼諾3.4指數(shù)研究中國近海波候與大尺度海氣相互作用之間的關(guān)系，尼諾3.4指數(shù)是指熱帶太平洋東部海表溫度(SST)的異常。尼諾3.4指數(shù)可從網(wǎng)站(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/)下載。

按照世界氣象學會的定義，四季分為：春季(MAM)，包括3、4和5月；夏季(JJA)，包括6、7和8月；秋季(SON)，包括9、10和11月；冬季(DJF)，包括12、1和2月。本文將采取上述方式劃分季節(jié)。

2 中國近海風候和波候特點

2.1 風場的季節(jié)變化

圖2顯示的是1950—2010年間海表風速的季節(jié)變化特征。春季，東海和南海盛行東風，對應(yīng)于熱帶太平洋的貿(mào)易東風，而在渤海和黃海海域則分別以西南風和東南風為主。此外，風速在寬闊的海域比沿岸大，且在東海東部形成一個風速的大值中心。夏季，風場主要受夏季東亞季風的影響，風向分布較為均勻。除南海外，中國近海以東南風為主，且風速沿東海、黃海和渤海方向逐漸降低。南海夏季盛行西南風，且在南海南部靠近越南的海域形成一個風速的大值中心，約為7 m/s。在渤海和黃海北部，秋季盛行西北風，在東海和黃海南部則主要是以東北風和東南風為主。冬季，南海和東海南部主要為東北風，渤海和黃海以西北風為主。東亞冬季季風十分強勁，且分別在呂宋海峽和南海南部靠近越南的海域形成兩個風速的大值中心，風速可以達9 m/s。綜上所述，東亞季風對中國近海的風場的分布起到重要作用。

圖1 中國近海及鄰海域的地形和水深Fig.1 Topography and water depth of China Seas and Adjacent Seas

圖2 1950—2010年四季中國近海10 m高度的風速和風向季節(jié)分布Fig.2 Seasonal average of theU10(intensity and direction) in China Seas and adjacent region in the period of 1950—2010

2.2 浪場的季節(jié)變化

風浪(Hsw)、涌浪(Hss)季節(jié)變化的空間分布展示在圖3。與圖2對比，由于風浪直接受局地風的影響和控制，風浪場和風場的空間分布十分相似。春季，風浪的大值中心位于呂宋海峽和東海東南部海域。受季風影響，夏季風浪波高的大值中心位于東海西南部和南海南部海域。秋季，風浪波高的大值分布在呂宋海峽附近。冬季，則在呂宋海峽和南海南部靠近越南的海域形成兩個風浪的大值區(qū)。

而涌浪波高空間分布的季節(jié)差異并不顯著，大值位于呂宋海峽東部，向北沿東海、黃海和渤海的方向遞減，在南海波高則沿東北至西南向逐漸降低。涌浪的傳播過程中，受傳播效應(yīng)和變淺效應(yīng)的影響，南海和西北太平洋等開闊海域的涌浪比渤海和北部灣沿海等較狹窄的區(qū)域高得多。圖中涌浪四季的空間分布特點相似，表明地形和水深對中國近海涌浪空間分布的重要作用。此外，涌浪波高在不同季節(jié)差異很大，冬季浪高最大，秋季次之，夏季最小，這說明涌浪波高也受風場的影響。

由于風浪和涌浪具有不同的形成條件和空間分布特點，為進一步研究風浪和涌浪對中國近海浪場的作用，根據(jù)文獻中的定義計算涌浪指數(shù)[6,8,31]。表達式為：

其中：E、H和T分別代表能量、波高和平均周期；下標ss和sm分別代表涌浪和混合浪。涌浪指數(shù)S的季節(jié)分布特征列見圖4。整體上看，在春夏季節(jié)，中國近海的大部分海域涌浪主導，而在一些狹窄的海域則是風浪占優(yōu)，例如：朝鮮半島西海岸、菲律賓中部的島嶼和海南島西部的北部灣等。而秋冬季節(jié)，冬季季風盛行，涌浪的主導作用被削弱，很多海域完全是風浪占優(yōu)，包括黃海的東北部、南海、臺灣海峽和呂宋海峽等。另一個顯著特點是，與風場中風速的大值中心對應(yīng)，南海南部靠近越南的海域在夏季和冬季風浪占優(yōu)，為方便描述，將該風浪占優(yōu)海域稱為風浪池。風浪池的大小和位置會隨季節(jié)發(fā)生改變，夏季范圍較大且位置偏北，對應(yīng)夏季的西南季風。冬季的風浪池位置偏南且范圍較小，對應(yīng)冬季的東北季風。Chen等[6]使用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)全球范圍大部分海域涌浪指數(shù)大于0.8，但南海夏季的涌浪指數(shù)相對較小。Semedo等[8]通過分析ERA-40數(shù)據(jù)，認為夏冬季節(jié)全球大部分海域的涌浪指數(shù)超過0.65。但Zheng等[31]認為中國近海位于西北太平洋的邊緣，涌浪指數(shù)較寬闊的海域小，中國近海的浪場直接受風場的影響。

圖3 1950—2010年四季中國近海風浪Hsw(a-d)和涌浪Hss(e-h)浪高和浪向的季節(jié)分布Fig.3 Seasonal average of theHsw(a-d) andHss(e-h) (intensity and direction) in China Seas and adjacent region in the period of 1950—2010

圖4 1950—2010年四季中國近海涌浪指數(shù)的季節(jié)分布Fig.4 Spatial distribution of the swell indexSin China Seas in the period of 1950—2010

圖5是中國近?；旌侠思竟?jié)變化的空間分布。由于春夏季節(jié)大部分海域涌浪占優(yōu)，因此，除夏季南海南部的風浪池，混合浪與涌浪的空間分布基本一致。而秋冬季節(jié)，混合浪場的空間分布均具有風浪場和涌浪場的特點。分別基于1986—1989年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和1979—2009年的CFSR風場數(shù)據(jù)，齊義泉等[19]和Mirzaei等[18]均發(fā)現(xiàn)夏季和冬季在南海南部存在波高的大值中心。然而，根據(jù)1986—2005年SWAN模式模擬的結(jié)果, 宗芳伊和吳克儉[16]得到結(jié)論，認為波高的大值中心春夏秋冬分別位于南海中部、菲律賓西側(cè)、呂宋海峽西側(cè)和南海南部。Zhou等[17]依據(jù)1976—2005年WW3模式模擬的結(jié)果得到相似的結(jié)論。雖然南海波高分布存在很多的爭議，但在東中國海，波高沿東海、黃海和渤海的方向遞減的變化趨勢得到很多學者的肯定[14-15]。

圖5 1950—2010年四季中國近?；旌侠说募竟?jié)分布Fig.5 Seasonal average of theHsm(intensity and direction) in China Seas and adjacent region in the period of 1950—2010

圖6所示的是1950—2010年風速和混合浪波高不同季節(jié)的概率分布。對于渤海，風速和波高概率分布的季節(jié)差異不明顯，最大概率風速為3～5 m/s，波高集中在0.3～0.6 m的范圍，春季最大概率混合浪比例可達67%。黃海最大概率風速冬季最大，為7～8 m/s，夏季最小，為4～5 m/s。冬季最大概率波高為0.9～1.2 m，占總體30%以上，其他季節(jié)最大概率均高于40%，對應(yīng)波高為0.6～0.9 m。東海風速和波高分布圖相似，冬季的最大概率風速和波高最大，分別為7～8 m/s和1.5～1.8 m，其次是秋季，春夏季節(jié)較小。南海的春夏秋三個季節(jié)對應(yīng)的最大概率風速和波高均為5～6 m/s和0.6～0.9 m，冬季則分別為7～8 m/s和1.2～1.5 m。

3 風-浪要素的長期變化特點

3.1 風-浪要素的線性趨勢

文獻中關(guān)于中國近海波高的長期變化趨勢存在很多差異，主要觀點和結(jié)論歸納在表1中。有些文獻認為以遞增趨勢為主[21-22,32]，有些則認為大部分海區(qū)是降低的變化趨勢[11]。對于渤海，李訓強等[22]和Zheng等[31]認為渤海中部海域波高以1.5 cm/a的速率逐年遞增。然而，使用NCEP風場驅(qū)動SWAN波浪模式，任惠茹等[24]得到年均波高以-0.3 cm/a的速率下降。對于東海，鄭崇偉等[20]得到波高的年均增加率約為0.2～0.4 cm/a，Yamaguchi and Hatada[25]和Wu等[11]均認為東海的波高是顯著降低的變化趨勢，變化率分別為-0.1和-0.18～-0.14 cm/a。南海也存在不同的觀點，鄭崇偉等[20]研究認為，南海中部和北部的波高增加明顯，速率約為0.4～0.6 cm/a。而Wu等[11]發(fā)現(xiàn)南海大部分海域的波高是降低的，年均變化趨勢為-0.14～-0.18 cm/a。

((a)渤海、(b)黃海、(c)東海和(d)南海 。(a) Bohai Sea, (b) Yellow Sea,(c) East China Sea, (d) South China Sea.)圖6 1950—2010年四季10 m高度風速(A)和混合浪(B)的概率分布Fig.6 Probability distribution ofU10(A) andHsm(B)at different seas for all seasons during the period of 1950—2010

表1 不同文獻中關(guān)于中國近?；旌侠碎L期變化趨勢的觀點和結(jié)論

注：經(jīng)過95%置信水平檢驗的用*做標記。Trends which are statistically significant at the 95% level are marked with star.

本節(jié)分析了1950—2010年風速和混合浪波高的長期變化趨勢。對于每個0.25°×0.25°格點，用最小二乘法做風速和波高對時間的線性回歸，回歸系數(shù)的等高線圖展示在圖7，區(qū)域平均的回歸系數(shù)列在表2。從表2可知，在整個中國海，風速和波高的長期變化趨勢分別為0.10 cm·s-1/a和0.36 cm/a。南海大部分海域的風速和波高顯著增加，北部和西南部的增加趨勢較大，整個南海風速和波高的增加趨勢分別為0.27 cm·s-1/a和0.74 cm/a。相比之下，渤海和黃海主要是顯著遞減的變化趨勢，遞減率最大的區(qū)域為渤海中部和黃海東北部。渤海風速和波高的降低趨勢分別為-0.49 cm·s-1/a和-0.8 cm/a，黃海的遞減率分別為-0.43 cm·s-1/a和-0.79 cm/a。此外，菲律賓西南部海域以及海南島西部的北部灣均出現(xiàn)遞減的趨勢，而東海的變化趨勢則不顯著。

(基于Mann-Kendall檢驗，帶·標記的為通過95%置信度檢驗的結(jié)果。Trends which are statistically significant at the 95% level are marked with black dots, based on the Mann-Kendall test.)

圖7 1950—2010年中國近海10 m高度風速和波高的線性趨勢

Fig.7 Linear trends ofU10andHsmin China Seas for the period 1950—2010

不同季節(jié)變化趨勢的結(jié)果也不盡相同，Zheng等[21]發(fā)現(xiàn)中國近海波高四季都是增加的趨勢，冬季的增加趨勢最為顯著。Chien等[10]得到臺灣隆冬冬季波高以-0.86 cm/a的速度線性遞減。許多研究認為中國近海許多海域夏季波高顯著增加，如：南海中部[18]、東海中部和南海東部[11]、臺灣隆冬[10]。Yamaguchi and Hatada[25]則認為，夏季波高在黃海和東海為遞減的變化趨勢。很顯然，中國近海波高的長期變化的結(jié)果較為分散，爭議頗多，很重要的一個原因是，不同的研究中所采用的時間段的差異，因為長期趨勢的獲得依賴時間長度。

表2 對比1950—2010年不同海域風速U10和波高Hsm的長期變化趨勢Table 2 Contrast of the linear trends of annualU10and seasonalHsmin various regions in the period of 1950—2010

注：基于Mann-Kendall檢驗，帶*標記的為通過95%置信度檢驗的結(jié)果。Trends which are statistically significant at the 95% level are shown with star marks, based on the Mann-Kendall test.

圖8給出的是1950—2010年夏季、冬季和全年不同海域的波高趨勢分析結(jié)果，線性回歸系數(shù)列在表2，用*做標記的是經(jīng)過95%置信度檢驗的結(jié)果。從結(jié)果可見，夏季的長期變化趨勢是顯著的，渤海(-0.67 cm/a)和黃海(-0.21 cm/a)是顯著降低的變化趨勢，而東海(1.81 cm/a)和南海(0.85 cm/a)是顯著增加的趨勢。在秋冬季，只有渤海和黃海波高的長期變化趨勢是顯著的，秋季渤海和黃海的變化率分別為-0.94和-1.17 cm/a，冬季渤海和黃海的變化率分別為-1.31和-1.84 cm/a。春季，渤海的波高是顯著降低的(-0.47 cm/a)，而南海的波高則呈現(xiàn)顯著增加的變化趨勢(1.30 cm/a)。

(紅色代表夏季，藍色代表冬季，綠色代表年均，其中圖中的虛線代表線性趨勢。Rede,blue and green reprsent summer,winter and annual value,respectively. The dashed lines are the linear trends.)

圖8 1950—2010年夏冬和年均波高區(qū)域平均的長期變化
Fig.8 Linear trends ofHsmat different seas with regional average in the period of 1950—2010

3.2 與尼諾3.4指數(shù)的相關(guān)分析

為了研究風和浪的長期變化機制，對中國近海的風速和波高與尼諾3.4指數(shù)進行相關(guān)性分析。圖9可以看出，尼諾3.4指數(shù)與風速和波高呈負相關(guān)關(guān)系，最小二乘法線性擬合的斜率在分別為-0.37和-0.11。冬季尼諾3.4指數(shù)與風速和波高之間是負相關(guān)的關(guān)系，線性擬合的斜率分別為-0.18和-0.06。夏季則呈正相關(guān)關(guān)系，線性擬合的斜率分別為0.013和0.003。

基于NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)，Chen等[33]指出，厄爾尼諾現(xiàn)象能削弱東亞冬季風的強度，而拉尼娜現(xiàn)象則會加劇東亞冬季風。在厄爾尼諾年，季風變?nèi)酰袊５娘L速就會降低，波高下降，在拉尼娜年情況則相反，因此，中國近海冬季的風速和波高與尼諾3.4指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系。Chien等[11]指出，在臺灣島附近，拉尼娜年的波高增加，厄爾尼諾年降低。使用1979—2014年的再分析數(shù)據(jù)，Wang等[23]也得到相同的結(jié)論，風速和波高與尼諾3.4指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系。

(紅星和垂直桿分別代表平均值和標準偏差。The red star marks represent the mean values and the vertical bars represent the standard deviation of the difference measure computed over the Nio 3.4 index.)

圖9 1950—2010年尼諾3.4指數(shù)與風速和波高距平的散點圖
Fig.9 A scatter diagram of Nio 3.4 index and fluctuations ofU10andHsmduring the period 1950—2010

為了探究整個中國海的風速和波高與厄爾尼諾事件的相關(guān)關(guān)系，圖10和11展示了不同季節(jié)相關(guān)系數(shù)的空間分布?？傮w上，尼諾3.4指數(shù)與風速和波高的相關(guān)系數(shù)的空間分布是相似的，風速和波高長期變化趨勢的空間和時間分布很相近(見圖7)。除南海南部，冬季基本呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，尤其是東海南部和南海北部的負相關(guān)關(guān)系最強。這表明在厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時，冬季季風較弱，從而導致波高降低。而在夏季，東海和南海的大部分海域顯示正相關(guān)關(guān)系，其中，南海南部的正相關(guān)性最強。秋季，東海南部和南海北部以負相關(guān)為主，而渤海和黃海北部存在較弱的正相關(guān)關(guān)系。春季是從負向正相關(guān)的過渡季節(jié)，南海北部灣附近相關(guān)系數(shù)為正，尼諾3.4指數(shù)負相關(guān)主要分布在呂宋海峽。Mirzaei等[18]分析了1979—2009年南海波浪與尼諾3.4指數(shù)之間的相關(guān)性。他們認為，南海中部海域冬季的相關(guān)系數(shù)為負值，而夏季整個南海南部是正相關(guān)關(guān)系。

圖10 1950—2010年四季尼諾 3.4指數(shù)和中國近海風速(U10)相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.10 Correlation coefficients between Nio 3.4 index and fluctuation ofU10in the China Seas for spring, summer, autumn and winter in the period of 1950—2010

圖11 1950—2010年四季尼諾3.4指數(shù)和中國近海波高(Hsm)相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.11 Correlation coefficients between Nio 3.4 index and fluctuation ofHsmin the China Seas for spring, summer, autumn and winter, respectively in the period of 1950—2010

4 結(jié)論

(1) 基于1950—2010年ERA-20C再分析資料，綜合分析了中國近海(0°～41.5°N, 105°E～130°E)風候和波候特點，得出結(jié)論:中國近海的風場主要受東亞季風控制，夏季和冬季分別在南海南部靠近越南的海域形成一個風速的大值中心，風速大小分別為7和9 m/s。由于風浪直接受局地風的影響，風浪和風速的空間分布圖十分相似，受傳播效應(yīng)和變淺效應(yīng)的影響，涌浪的空間分布與地形相關(guān)，外海的涌浪波高較近岸高。

(2) 除朝鮮半島西海岸、菲律賓中部的島嶼、南海南部靠近越南的海域和海南島西部的北部灣等一些狹窄的海區(qū)，春夏季節(jié)大部分海域涌浪占優(yōu)；而秋冬季節(jié)，冬季季風盛行削弱涌浪的主導作用，渤海、黃海臺灣海峽、呂宋海峽和南海南部靠近越南的海域的大部分地區(qū)是風浪占優(yōu)。

(3) 風速和波高的長期變化趨勢一致，南海大部分地區(qū)顯著增加，風速和波高增加趨勢分別為0.27 cm·s-1/a和0.74 cm/a；渤海和黃海主要是顯著遞減的變化趨勢，最大遞減率位于渤海中部和黃海東北部；渤海風速和波高的降低趨勢分別為-0.49 cm·s-1/a和-0.85 cm/a，黃海的遞減率分別為-0.43 cm·s-1/a和-0.79 cm/a，東海的變化則不顯著。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，尼諾3.4指數(shù)與年均風速和波高呈負相關(guān)關(guān)系，最小二乘法線性擬合的斜率分別為-0.37和-0.11。秋季東海南部和南海北部以及冬季的大部分海域均呈負相關(guān)關(guān)系，而夏季，東海和南海的大部分海域呈正相關(guān)關(guān)系。