中國東部海域冬季風(fēng)場與海浪場的關(guān)聯(lián)特征分析

周媛媛周 林*關(guān) 皓楊 波

(1.解放軍91208部隊,山東 青島266102；2.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院,江蘇 南京211101；3.解放軍61741部隊,北京100085；4.解放軍92682部隊,廣東 湛江524001)

冷空氣大風(fēng)是影響中國東部海域海浪場的主要災(zāi)害性天氣[1-2]。研究表明[3],東亞大陸西北路、東路和西路的冷空氣引起中國東部海域海上大風(fēng)幾率分別為61%,26%和13%。冬季是中國東部海域一年中風(fēng)浪最大、破壞性最強(qiáng)的季節(jié),已有研究表明[4-7],中國東部海域冬季海浪主要受東亞大陸強(qiáng)冷空氣和大風(fēng)的影響,東海和臺灣海峽受其影響最大,大浪區(qū)一般出現(xiàn)在冷鋒或氣旋過境后數(shù)小時內(nèi)。

以往研究大多從個例的角度探討冬季冷空氣對中國東部海域海浪的影響,較少從冬季平均狀態(tài)關(guān)注風(fēng)場與海浪場的關(guān)聯(lián)。為進(jìn)一步研究冬季中國東部海域海浪的發(fā)生、發(fā)展與低層風(fēng)場的關(guān)系,本文將利用奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)方法分析冬季提前0～5 d的東亞大陸地面風(fēng)場與中國東部海域海浪的關(guān)系,以期發(fā)現(xiàn)前期地面風(fēng)場與中國東部海域的海浪關(guān)系密切的作用時間、關(guān)鍵區(qū)以及演變規(guī)律,為中國東部海域的海浪預(yù)報尋找一些強(qiáng)信號因子。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

SVD法是一種尋找2組變量線性組合的方法,是分析2個要素場相關(guān)性的常用有效工具[4-5]。由于SVD方法是以兩要素場之間的最大協(xié)方差為基礎(chǔ)展開計算的,故每對SVD模態(tài)反映的是對應(yīng)要素的擾動場變化。利用SVD方法既可以對2個標(biāo)量氣象要素場(如氣溫、降水量或位勢高度)進(jìn)行診斷分析[6-8],也可以對包含向量場(如風(fēng)場)的兩要素場進(jìn)行奇異值分解[9-10],本文探討風(fēng)場與海浪場的關(guān)聯(lián),故采用王盤興等[9-10]提出的向量SVD方法。

1.2 數(shù)據(jù)來源

風(fēng)場數(shù)據(jù)截取于1993—2011年19 a冬季(前一年12月至次年2月共57個月)逐日的CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)全球風(fēng)場[11-12]資料,其水平空間范圍為100°～130°E,20°～60°N(圖1a),水平分辨率取0.5°×0.5°。

海浪數(shù)據(jù)來自WAVEWATCHⅢ海浪模式模擬的與上述風(fēng)場同一時間段的19 a冬季逐日中國東部海域有效波高資料。資料的水平空間范圍為117°30'～129°00'E,22°～41°N(圖1b),水平分辨率為0.5°×0.5°。該資料已和Jason系列衛(wèi)星高度計資料進(jìn)行過全面檢驗,本研究海區(qū)模擬波高與實(shí)測波高的相關(guān)系數(shù)大于0.7,平均相對誤差小于18.5%。具體的數(shù)值模擬過程、參數(shù)設(shè)置以及模擬結(jié)果檢驗見周媛媛等[13],在此不再贅述。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

本文奇異值分解中,設(shè)風(fēng)場變量場為右場,海浪變量場為左場。右場數(shù)據(jù)是由原始風(fēng)場分解為u和v分量進(jìn)行日平均后通過標(biāo)準(zhǔn)化處理所得,樣本數(shù)目為9 882,時次為1 710。左場數(shù)據(jù)由模擬的有效波高日平均后通過標(biāo)準(zhǔn)化處理所得,去除陸點(diǎn)后樣本數(shù)目為616,時次為1 710(為保證數(shù)據(jù)量的一致性,無論在閏年還是平年,每年2月均只取前28 d的數(shù)據(jù),每天一組數(shù)據(jù))。

為了研究風(fēng)場與海浪場的滯后相關(guān)性,分別提取與海浪場同時次的風(fēng)場、比海浪場提前1～5 d的風(fēng)場共6組數(shù)據(jù),分別對其與海浪場進(jìn)行SVD分解,對比分析其關(guān)鍵區(qū)域和相關(guān)性最大日期。

2 結(jié)果分析

2.1 度量參數(shù)分析

將進(jìn)行SVD的6組數(shù)據(jù)分別命名為SVD0～SVD5,其分別對應(yīng)海浪場與提前0～5 d的風(fēng)場數(shù)據(jù)。將SVD0～SVD5各組數(shù)據(jù)奇異值分解后前三模態(tài)對應(yīng)的奇異值、協(xié)方差平方貢獻(xiàn)率和時間序列相關(guān)系數(shù)列表比較(表1),可以看出,每組數(shù)據(jù)中的奇異值和協(xié)方差平方貢獻(xiàn)率均呈隨模態(tài)順序增長而減小的趨勢,且第一模態(tài)遠(yuǎn)大于其余2個模態(tài),說明各組的第一模態(tài)在描述原始的2個標(biāo)準(zhǔn)化場中具有特別重要的意義。由于各組的協(xié)方差平方貢獻(xiàn)率的第一模態(tài)和第二模態(tài)所占比重較大(二者之和均大于90%),因此,本文在做典型變量場總體相關(guān)分析時,重點(diǎn)關(guān)注前2個模態(tài)。從時間序列相關(guān)系數(shù)來看,每組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)(均通過1%的顯著性水平檢驗)隨模態(tài)順序增長呈現(xiàn)遞減趨勢,但變化幅度較小,說明在同一組數(shù)據(jù)中,雖然相關(guān)性隨模態(tài)減小,但差別并不大,因此,在討論異類相關(guān)系數(shù)時,重點(diǎn)關(guān)注各組的第一模態(tài)。

從各組數(shù)據(jù)的第一模態(tài)中可知,奇異值和相關(guān)系數(shù)均為SVD1＞SVD0＞SVD2＞SVD3＞SVD4＞SVD5,即提前1 d的第一模態(tài)的相關(guān)系數(shù)最大(0.75),SVD0第一模態(tài)(0.73)略小于SVD1第二模態(tài)(0.74)；協(xié)方差平方貢獻(xiàn)率則是SVD0＞SVD1＞SVD2＞SVD3＞SVD4＞SVD5,其減小的幅度也較小,說明在6組數(shù)據(jù)中,SVD0和SVD1是相關(guān)性最強(qiáng)的2組數(shù)據(jù),即:在本文中研究的區(qū)域內(nèi),海浪場與同時次的風(fēng)場及提前1 d的風(fēng)場相關(guān)性最大。但從海浪預(yù)報的角度看,提前1 d的地面風(fēng)場分布和變化更具有實(shí)際意義。

2.2 典型變量場總體相關(guān)分析

由于SVD0和SVD1是相關(guān)性最強(qiáng)(在表1中奇異值、協(xié)方差平方貢獻(xiàn)率和相關(guān)系數(shù)均為最大或次大)的2組數(shù)據(jù),且SVD1第一和第二模態(tài)的相關(guān)系數(shù)(0.75和0.74)分別大于SVD0的第一、第二模態(tài)的相關(guān)系數(shù)(0.73和0.67),故本文重點(diǎn)分析提前1 d和同時次的風(fēng)場與海浪場的奇異向量空間分布和時間系數(shù)曲線,探究它們的典型變量場總體相關(guān)狀況。

提前1 d低層風(fēng)場與海浪場的SVD奇異向量空間分布和時間系數(shù)曲線的第一、第二模態(tài)見圖2和圖3。由SVD1第一模態(tài)(圖2)可見:風(fēng)場(右奇異向量,圖2a)在貝加爾湖以東大陸呈一反氣旋輻散氣流覆蓋,風(fēng)速大值區(qū)位于中國渤海、黃海和東海北部,東海南部尤其臺灣島以東風(fēng)速相對較小,整個海區(qū)風(fēng)向幾乎為一致的西北風(fēng)。海區(qū)浪場的特征向量(左奇異向量,圖2b)均為正值,海浪大值區(qū)和大風(fēng)區(qū)對應(yīng)較好,大值區(qū)主要位于朝鮮半島以南海域和臺灣海峽,海岸附近波高等值線與海岸線平行,梯度較大。第一模態(tài)的模態(tài)相關(guān)系數(shù)為0.75,反映了第一模態(tài)左場(浪高)、右場(風(fēng)場)有很好的總體相關(guān)性。與對應(yīng)時間系數(shù)相結(jié)合,當(dāng)時間系數(shù)為正值時,該模態(tài)主要表征了位于大陸的反氣旋式擾動風(fēng)場對中國東部海域海浪的影響,使東部海區(qū)海浪波高擾動相對增加。當(dāng)時間系數(shù)為負(fù)值時,該模態(tài)主要表征了位于大陸的氣旋式擾動風(fēng)場對中國東部海域海浪的影響,由于海上擾動風(fēng)場為偏南風(fēng),與冬季盛行偏北風(fēng)反向,使東部海區(qū)海浪波高擾動相對減小。

圖2 SVD1第一模態(tài)的奇異向量空間分布和時間系數(shù)曲線Fig.2 Space distribution and time coefficient of the first mode of SVD1

由SVD1第二模態(tài)(圖3)可見:影響海區(qū)的風(fēng)場(圖3a)是一個中心位于中國蘇北平原(華北平原南端)東南部附近的反氣旋擾動。受該反氣旋輻散氣流擾動影響,東海南部、臺灣海峽、臺灣島以東洋面擾動風(fēng)速較大,黃海和渤海風(fēng)速較小,尤以反氣旋擾動的渦旋中心附近的黃海中南部風(fēng)速最小。與風(fēng)場相對應(yīng)的海浪場特征向量(圖3b)的分布呈現(xiàn)以東海中部SW—NE走向零值線為界南北反相的變化；海浪場特征向量的大值區(qū)分布在南部的臺灣海峽和南海北部以及北部的山東半島周邊海域。該分布型態(tài)和右場(風(fēng)場)有較好的對應(yīng),第二模態(tài)的模態(tài)相關(guān)系數(shù)為0.74,亦即海浪場和風(fēng)場時間系數(shù)隨時間基本同步變化。結(jié)合第二模態(tài)的時間系數(shù)(圖3c)可見,SVD1第二模態(tài)反映中國東部海域海浪場和風(fēng)場的一種擾動模態(tài),即中國東部海域的海浪受到蘇北平原入海的反氣旋(或氣旋)擾動氣流的影響。當(dāng)時間系數(shù)大于零時,反氣旋擾動風(fēng)場增強(qiáng),東海南部偏北擾動風(fēng)速加大,風(fēng)向與冬季盛行風(fēng)(或背景風(fēng))風(fēng)向一致,故波高擾動為正；而渤、黃海擾動風(fēng)場風(fēng)向與冬季盛行風(fēng)向相反,故波高擾動為負(fù)。當(dāng)時間系數(shù)為負(fù)值時,海域為氣旋式擾動風(fēng)場,東海南部偏南風(fēng)擾動風(fēng)速增大,風(fēng)向與冬季盛行風(fēng)(或背景風(fēng))風(fēng)向相反,故波高擾動為負(fù),而渤、黃海擾動風(fēng)場風(fēng)向與冬季盛行風(fēng)向相同,故波高擾動為正。該模態(tài)主要反映了位于中國東部平原(華北平原和長江中下游平原附近)入海的大尺度氣旋(或反氣旋)擾動風(fēng)場對中國東部海域海浪擾動的影響。

同時次的SVD0奇異向量空間分布和時間系數(shù)曲線的第一、第二模態(tài)見圖4和圖5。由圖4、圖5與圖2、圖3對比可以發(fā)現(xiàn),SVD0和SVD1的第一模態(tài)與第二模態(tài)均十分相似。由SVD0第一模態(tài)(圖4)可見,隨著貝加爾湖以東反氣旋擾動的南下,海區(qū)偏北大風(fēng)擾動區(qū)也向南移動并覆蓋整個中國東部海域,海區(qū)浪場的特征向量在朝鮮半島西部和東海北部形成閉合高中心；而SVD0第二模態(tài)(圖5)則反映出前一天中心位于中國蘇北平原的反氣旋擾動?xùn)|移至朝鮮半島南部,研究海區(qū)受其后半部影響,海區(qū)浪高仍存在南北反相的變化。第一模態(tài)(圖4c)的模態(tài)相關(guān)系數(shù)為0.73,它和SVD1第一模態(tài)(圖2c)相關(guān)系數(shù)也十分相似。從第一模態(tài)時間系數(shù)的逐年變化來看,1999年前冬季逐日振幅相對較小,海浪場6個時次、風(fēng)場4個時次超過2.0,1999年后時間系數(shù)的振幅明顯變大,海浪場71個時次、風(fēng)場38個時次超過2.0,特別是在2004年、2006年、2008年、2009年和2011年冬季,有些天時間系數(shù)有長長的拖尾現(xiàn)象,振幅接近4.0,這反映1999年后該區(qū)域風(fēng)場風(fēng)速和浪場波高擾動變化比1999年前劇烈。第二模態(tài)(圖5c)的模態(tài)相關(guān)系數(shù)為0.67,也和SVD1第二模態(tài)(圖3c)相關(guān)系數(shù)相似；比較第二模態(tài)的時間系數(shù)的逐年變化,可以發(fā)現(xiàn)時間系數(shù)有較明顯的負(fù)拖尾現(xiàn)象,即海浪場66個時次、風(fēng)場54個時次時間系數(shù)小于-2.0,對比時間系數(shù)大于2.0的海浪場和風(fēng)場分別有20和27個時次,意味著該海域冬季常發(fā)生由東部平原入海的氣旋式擾動,造成黃海和渤海擾動波高增加,東海南部海域波高減小的擾動現(xiàn)象。

圖5 SVD0第二模態(tài)的奇異向量空間分布和時間系數(shù)曲線Fig.5 Space distribution and time coefficient of the second mode of SVD0

2.3 風(fēng)場影響海浪場的關(guān)鍵區(qū)分析

SVD的異類相關(guān)系數(shù)分布型代表了兩變量場相互關(guān)系的分布結(jié)構(gòu),分析異類相關(guān)系數(shù)場可以尋找一個場對另一個場相互影響的關(guān)鍵區(qū)。圖6a～圖6l分別為當(dāng)天至提前5 d的異類相關(guān)系數(shù)場的第一模態(tài)。

由圖6可知,當(dāng)天(圖6a和圖6g)影響海區(qū)浪場的擾動風(fēng)場關(guān)鍵區(qū)(大值偏北風(fēng))主要位于海區(qū)的海面,海浪場的大部分海域的相關(guān)系數(shù)均超過0.5,最大值大于0.7,位于黃海南部和東海北部；提前1 d時(圖6b和圖6h)擾動風(fēng)場關(guān)鍵區(qū)向中國渤海北部北上,海浪場的相關(guān)系數(shù)場和同時次的相似,大值區(qū)整體略有南移,大于0.7的高值區(qū)范圍有所擴(kuò)大,除東海北部外,臺灣海峽也出現(xiàn)大于0.7的高值區(qū)；提前2 d時(圖6c和圖6i)擾動風(fēng)場關(guān)鍵區(qū)已移至內(nèi)蒙古、蒙古和中國東北平原西部,海浪場的相關(guān)系數(shù)場分布形態(tài)和前一天相似,但相關(guān)系數(shù)減小,大于0.6的高值區(qū)位于東海和臺灣海峽；提前3 d時(圖6d和圖6j)擾動風(fēng)場關(guān)鍵區(qū)已移到貝加爾湖以東以及蒙古國附近,海浪場的相關(guān)系數(shù)場大值區(qū)繼續(xù)南移并減小,大于0.5的高值閉合區(qū)位于臺灣海峽和臺灣島東北部海域；提前4 d和5 d時,擾動風(fēng)場(圖6k和圖6l)關(guān)鍵區(qū)已移到貝加爾湖以北和西北附近,而海浪場(圖6e和圖6f)的相關(guān)系數(shù)場閉合大值區(qū)已消失,海域最大相關(guān)系數(shù)分別不超過0.4和0.3,且提前4 d和5 d的第一模態(tài)相關(guān)系數(shù)僅為0.38和0.29(表1),所以對于影響中國冬季中國東部海域海浪的大風(fēng)的關(guān)鍵區(qū)可以提前3 d出現(xiàn)在貝加爾湖東南以及蒙古國附近,并隨著時間的臨近通過偏北風(fēng)逐步由蒙古、內(nèi)蒙古南下影響我國東北和華北,最后到達(dá)中國東部海域,影響關(guān)系最密切的海區(qū)為東海和臺灣海峽。

3 結(jié) 論

通過對數(shù)值模擬的1993—2011年中國東部海域19 a冬季逐日海浪場與提前0～5 d的東亞大陸地面風(fēng)場進(jìn)行SVD分析,探究冬季逐日風(fēng)場與海浪場的關(guān)聯(lián),找尋地面風(fēng)場對海浪場的作用時間、關(guān)鍵區(qū)以及演變規(guī)律,得到結(jié)論:

1)SVD分析揭示了冬季提前0～5 d的逐日地面風(fēng)場變化與海浪場變化有顯著的聯(lián)系,尤其是提前1 d的風(fēng)場與海浪場的關(guān)聯(lián)更有意義。

2)SVD第一模態(tài)反映了來自貝加爾湖以東反氣旋(或氣旋)式擾動南下的偏北(偏南)擾動大風(fēng)對海面浪場波高擾動的影響；第二模態(tài)代表中國東部平原入海的氣旋式(占多數(shù))或反氣旋式(占少數(shù))擾動風(fēng)場對中國東部海域海浪波高擾動的影響。1999年后研究區(qū)域的風(fēng)速和浪高擾動變化比1999年前劇烈。

3)SVD分析揭示出冬季影響中國東部海域海浪的擾動大風(fēng)關(guān)鍵區(qū)可以提前3 d出現(xiàn)在貝加爾湖以東以及蒙古國附近,并隨著時間的臨近通過偏北風(fēng)逐步由蒙古、內(nèi)蒙古南下影響中國東北和華北,最后到達(dá)中國東部海域,影響關(guān)系最密切的海區(qū)為東海和臺灣海峽。