北大西洋海表風(fēng)速變化趨勢

摘要：文章使用交叉校準(zhǔn)的多平臺（CCMP）風(fēng)數(shù)據(jù)，采用變分分析法（VAN），計(jì)算北大西洋海表風(fēng)速在32年（1987年7月至2019年4月）的逐年變化趨勢，對北大西洋海域海表風(fēng)場的季節(jié)特征、變化趨勢進(jìn)行研究，為全球氣候變化分析，海上風(fēng)能資源開發(fā)，海洋相互作用以及海面風(fēng)速和風(fēng)速發(fā)生的中長期預(yù)測提供參考幫助。

關(guān)鍵詞：北大西洋;CCMP;海表風(fēng)速;長期變化趨勢

中圖分類號：P732 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-9129（2019）13-0017-02

Abstract： the article use the cross calibration platform （CCMP） wind data， using the method of variational （VAN）， the calculation of the north Atlantic sea surface wind speed in 32 years （July 1987 to April 2019） of the change trend year by year， the season of sea surface wind field in the north Atlantic area characteristics， the tendency of the research， for the analysis of global climate change， sea wind energy resources development， interaction between ocean and sea surface wind speed and wind speed in medium and long term forecast to provide the reference for help.

Key words：north Atlantic; CCMP. SST; Secular trend

1 引言

地球70%以上被海洋覆蓋，海洋也控制著長期的海洋趨勢，包括海面風(fēng)場，并且是氣候變率和變化的關(guān)鍵研究點(diǎn)（Shapiro等，2010; Tkalich等，2013）。北大西洋是指大西洋在赤道以北、北極圈以南的部分，其面積占整個大西洋面積的約60%，同時包括北海、波羅的海、地中海、黑海、里海、墨西哥灣、加勒比海、哈德遜灣、幾內(nèi)亞灣等附屬海灣，多天然良港，因此航運(yùn)發(fā)達(dá)，為世界航運(yùn)的重要一環(huán)。

Valipour（2014）指出，風(fēng)速可能會影響蒸散，從而對太陽輻射，作物等產(chǎn)生重大影響。海面風(fēng)速的長期趨勢也對風(fēng)能開發(fā)和利用以及海洋相互作用產(chǎn)生了重大影響。1979年11月，我國“渤海2h號”鉆井船受寒潮帶來的大浪襲擊而沉沒;2019年，中國近海因臺風(fēng)“利奇馬”造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了5000萬，上百萬人受災(zāi)。在環(huán)境和資源嚴(yán)重困擾人類的當(dāng)今世界，深入研究海表風(fēng)速的變化特征，對防災(zāi)減災(zāi)，應(yīng)對全球變暖等由重要意義。

研究人員為分析長期海面風(fēng)速趨勢做出了巨大貢獻(xiàn)。Ward和Hoskins（1996）發(fā)現(xiàn)海面風(fēng)速在熱帶北大西洋和溫帶北太平洋上呈現(xiàn)上升趨勢，并且在1949年至1988年之間，赤道和熱帶南部以及亞熱帶北太平洋上呈下降趨勢。使用WASA再分析，Gunther（1998）調(diào)查了東北大西洋地區(qū)的風(fēng)速趨勢。在1955年至1994年期間，北海北部地區(qū)的風(fēng)速略有增加（第99百分位數(shù)為3.2 cms-1yr-1，第90百分位為2.6 cms-1yr-1）。從1977年到1999年，Gower（2002）使用浮標(biāo)數(shù)據(jù)確定了海面風(fēng)速的明顯增加趨勢，約為0.2 cms-1yr-1-3.5 cms-1yr-1。在絕大多數(shù)北半球的海洋中，平均風(fēng)速的變化趨勢大約以0.5 ·cms-1yr-1的幅度增加。

本研究旨在確定從1987年到2019年這32年間的長期北大西洋風(fēng)速變化趨勢，并對整個北大西洋海域海表風(fēng)場的季節(jié)特征和長期變化趨勢進(jìn)行深入研究，為航海、海上風(fēng)能資源的開發(fā)、海洋工程提供參考。

2 數(shù)據(jù)和方法

CCMP海洋表面風(fēng)產(chǎn)品由物理海洋學(xué)分布式活動檔案中心（PO.DAAC）主辦，已被科學(xué)界廣泛評估和利用（Atlas，2011）。該數(shù)據(jù)來自特殊傳感器微波成像儀（SSM / I），熱帶降雨測量任務(wù)微波成像儀（TMI），地球觀測系統(tǒng)先進(jìn)微波掃描輻射計(jì)（AMSRE），快速散射儀（QuikSCAT）上的SeaWinds和第二顆日本先進(jìn)地球觀測衛(wèi)星（ADEOSII）上的SeaWinds等海洋表面風(fēng)數(shù)據(jù)的交叉校準(zhǔn)和同化。交叉校準(zhǔn)由遙感系統(tǒng)（RSS）在DISCOVER項(xiàng)目的范圍內(nèi)進(jìn)行。使用變分分析方法（VAM）將這些數(shù)據(jù)集與常規(guī)觀測值和風(fēng)場的起始估計(jì)值相結(jié)合。VAM需要對網(wǎng)格u和v風(fēng)分量進(jìn)行背景分析，作為風(fēng)場的先驗(yàn)估計(jì)（Zheng和Pan，2014;Zheng和Li，2015;Zheng等，2016）。以1987年7月至1998年12月為期40年的ECMWF再分析數(shù)據(jù)（ERA-40）作為背景。從1999年開始，隨著四維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化（4DVAR）和空間分辨率的提高，ECMWF操作（ECOP）分析優(yōu)于ERA-40，并在本研究中用作背景分析。ECOP時間分辨率為6小時，在1987年7月至2019年4月的時間范圍內(nèi)，其空間分辨率為0.25°×0.25°，空間范圍為78.375°S-78.375°N和0.125 °E-379.875°E。

CCMP風(fēng)產(chǎn)品已被證明具有高精度。Carvalho（2013）將來自幾個QuikSCAT產(chǎn)品和CCMP項(xiàng)目的海面風(fēng)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)風(fēng)速和風(fēng)向測量進(jìn)行了比較。他們的結(jié)果表明，CCMP能夠在風(fēng)向時間變異性和風(fēng)速平均狀態(tài)方面帶來實(shí)質(zhì)性改進(jìn)?？咸兀?013）對1987-2009年期間12種不同的月平均風(fēng)速數(shù)據(jù)集進(jìn)行了比較。他們指出，原位和再分析數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)出與穩(wěn)定相關(guān)性，并將地球相對風(fēng)速調(diào)整到參考水平10米。衛(wèi)星和混合數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)中性，將等效的表面相對風(fēng)速調(diào)整到參考水平10米。這些風(fēng)速估計(jì)值之間的差異取決于大氣穩(wěn)定性和海流，并且可能大于所必需的目標(biāo)精度。穩(wěn)定性調(diào)整本身是不確定的;然而，這些不確定性可能小于忽略穩(wěn)定性效應(yīng)時產(chǎn)生的偏差。Carvalho（2015）比較了衛(wèi)星測量（CCMP，QuikSCAT，NCDC混合海風(fēng)和IFREMER混合風(fēng)場），再分析（NCEP-CFSR，ERA-Interim，NASA-MERRA和NCEP-RII）以及分析（NCEP-FNL和NCEP-GFS）的海上風(fēng)力數(shù)據(jù)，并且WRF通過對停泊在伊比利亞半島大西洋沿岸的五個浮標(biāo)的現(xiàn)場測量，模擬了近海風(fēng)。從而得出結(jié)論，從CCMP獲取的海上風(fēng)力數(shù)據(jù)具有最低的平均風(fēng)速估計(jì)誤差。

3 風(fēng)速變化趨勢

3.1 區(qū)域性差異。通過計(jì)算北大西洋在每個網(wǎng)格點(diǎn)上的海表風(fēng)速的逐年變化趨勢，發(fā)現(xiàn)其具有顯著的區(qū)域性差異，主要表現(xiàn)在3個方面。①呈顯著性逐年線性遞增的區(qū)域主要分布于30°N以下的低緯度海域，遞增趨勢在1～2.5 cms-1yr-1左右;西班牙東北部近海的遞增趨勢最為強(qiáng)勁，達(dá)到3.5 cms-1yr-1以上。②呈顯著性逐年遞減趨勢的區(qū)域主要分布于墨西哥灣和加勒比海，趨勢為-1.5 cms-1yr-1左右。③其余海域的海表風(fēng)速無顯著變化趨勢。

從年平均風(fēng)速的分布特征來看，大值區(qū)仍主要分布于40°N～60°N之間的西風(fēng)帶海域，該區(qū)域的年平均風(fēng)速基本在8m·s-1以上，高值中心能達(dá)到9m·s-1以上。此外還存在一相對大值區(qū)：加勒比海，年平均風(fēng)速可達(dá)到8m·s-1以上;哈德孫灣的年平均風(fēng)速在7m·s-1左右;20°N～30°N之間海域的年平均風(fēng)速在6m·s-1以內(nèi);戴維斯海峽和赤道附近海域的年平均風(fēng)速較小，分別為6m·s-1以內(nèi)、5m·s-1以內(nèi)。

3.2長期變化趨勢。從1987年到2019年確定了北大西洋海面風(fēng)速的區(qū)域平均值，然后評估了長期的風(fēng)速趨勢。

使用線性回歸，相關(guān)系數(shù)|R|=0.71>r0.05=0.29，通過了95%的顯著性檢驗(yàn);回歸系數(shù)為0.0049。也就是說，近32年期間，北大西洋海域的海表風(fēng)速以0.0049m·s-1·a-1的速度顯著性逐年線性遞增。在1958年至1967年期間，該海域的海表風(fēng)速變化趨勢較為平緩，1968年至1974年期間則表現(xiàn)出一次較為強(qiáng)勁的遞增趨勢，在1975年至2001年期間表現(xiàn)出緩慢遞增趨勢，平均風(fēng)速維持在6.3m·s-1左右。

為了反映北大西洋海面風(fēng)速變化趨勢的區(qū)域差異，本文還采用線性回歸方法計(jì)算了海上2.5°×2.5°格網(wǎng)地表風(fēng)速變化趨勢。由此可知，北大西洋海表風(fēng)速的變化趨勢顯示出較大的區(qū)域差異：逐年線性增長顯著的區(qū)域主要分布在30°N以下的低緯海域，變化趨勢為0.01～0.025m·s-1·a-1，西班牙東北部的上升趨勢最強(qiáng)，超過0.035m·s-1·a-1。 此外，冰島附近的一些零星海域也顯示出顯著增加，墨西哥灣和加勒比海地區(qū)則線性下降，趨勢約為-0.015m·s-1·a-1，其他海域海面風(fēng)速無明顯變化趨勢。

3.3季節(jié)性差異。將北大西洋海域的海表風(fēng)速從1987年7月至2019年4月取多年季節(jié)平均，得到該海表風(fēng)速M(fèi)AM（March，April，May）、JJA（June，July，August）、SON（September，Octuber，November）、DJF（December，January，F(xiàn)ebruary）期間平均風(fēng)速的分布特征，北大西洋海域的海表風(fēng)速等值線在各季均大致呈東西帶狀分布，且有高緯度向赤道表現(xiàn)出高—低—高—低的分布特征，與三風(fēng)四帶相吻合。

在MAM中，海表風(fēng)速的大值中心分布于西風(fēng)帶海域，平均風(fēng)速在8m·s-1，高值中心達(dá)到9m·s-1以上，在20°N附近海域存在一個風(fēng)速的相對低值區(qū)，呈東西帶狀分布，春季和夏季皆存在，平均風(fēng)速在6m·s-1左右，赤道附近的平均風(fēng)速較低，尤其是在MAM期間，平均風(fēng)速在4m·s-1以內(nèi)，且還存在一低值中心，風(fēng)速在3m·s-1左右。

在JJA中，海表風(fēng)速為全年最小，西風(fēng)帶海域仍為風(fēng)速的相對大值區(qū)，但此時平均風(fēng)速已經(jīng)降至7m·s-1左右。

在SON中，海表風(fēng)速的分布特征與MAM期間較為相似，僅僅是在數(shù)值上略高于MAM期間。

在DJF中，海表風(fēng)速為全年最大，平均風(fēng)速在10～11m·s-1，西風(fēng)帶的大風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速在11m·s-1以上。

值得注意的是，加勒比海海域常年存在一風(fēng)速的相對大值中心。

3.4 海表風(fēng)速的變化周期。

北大西洋的海表風(fēng)速是1958年至2001年的平均值。使用功率譜分析了該海域海表風(fēng)速的變化周期。當(dāng)光譜密度大于紅色噪聲（或白色噪聲）測試的標(biāo)準(zhǔn)光譜時，表明存在顯著性循環(huán)。北大西洋的海表風(fēng)速具有不同的尺度，不同的周期，有明顯的長周期振蕩，分別為2.0至2.36年，3.71年和26年以上。

3.5 突變形勢。

1958年至2001年是北大西洋海域風(fēng)速的區(qū)域平均值。MK（Mann-Kendal1）測試分析方法用于分析1958年至2001年北大西洋海域風(fēng)速的突變。如果UF和UB線相交，并且相交點(diǎn)位于兩條臨界線之間，則存在明顯的突變形式。 UF和UB線在1972年相交，表明在過去45年中北大西洋海表風(fēng)的突變期是1972年。值得注意的是，從1958年到1967年，UF曲線的趨勢相對平穩(wěn)，并且從1968年到2001年呈上升趨勢。

4 結(jié)論

4.1北大西洋海面風(fēng)速的等高線在每個季節(jié)都分布在東西向帶，并且在向赤道高緯度地區(qū)具有高-低-高-低的分布特征。在MAM和SON期間，海面風(fēng)速的分布特征相似，大值中心位于北半球的西風(fēng)區(qū)。DJF期間的海面風(fēng)速是全年最大的;JJA期間的海面風(fēng)速是全年最低的。在整個加勒比海，風(fēng)速的大值中心相對較大。多年來，平均而言，有一個明顯且范圍廣泛的大風(fēng)速區(qū)域：西風(fēng)帶海域，而加勒比海也有一個小規(guī)模的高風(fēng)區(qū)域。

4.2從1958年到2001年，北大西洋的海表風(fēng)速以0.0049 m·s-1a-1的顯著速度逐年線性增加。從1958年到1967年，該地區(qū)海表風(fēng)速趨勢相對平緩。從1968年到1974年，它呈現(xiàn)出相對強(qiáng)勁的增長趨勢。從1975年到2001年，它呈緩慢增長趨勢。

4.3北大西洋海表風(fēng)速的變化趨勢顯示出較大的區(qū)域差異：逐年呈線性增長的區(qū)域主要分布在30°N以下的低緯度海域，其趨勢是從0.01-0.025 m·s-1a-1附近，西班牙東北部的增長趨勢最為明顯，達(dá)到0.035 m·s-1a-1以上，而墨西哥灣和加勒比海則呈逐年顯著的線性下降趨勢，趨勢為0.015 m·s-1a-1附近，其余海域的海面風(fēng)速沒有顯著變化。

4.4在過去的44年中，北大西洋海表風(fēng)速發(fā)生了急劇變化。突變期大約是1972年。4.5北大西洋有多種尺度的海面風(fēng)速，明顯的長期振蕩為2.0至2.36、3.71和超過26年。

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作者簡介：張新淼（1999-），女，漢族，山東省青島市人，大學(xué)本科在讀，山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院2017級遙感科學(xué)與技術(shù)（海洋監(jiān)測與調(diào)查方向）專業(yè)，研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測與調(diào)查方向。