黃渤海海域波浪時(shí)空變化特征分析

邱文博,李冠宇,徐俊臣,胡軼群,王亞丁,石洪源

(1.國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津 300111; 2.魯東大學(xué)土木工程學(xué)院,煙臺(tái) 264025)

黃渤海的波浪具有明顯的季節(jié)性。針對(duì)黃渤海地區(qū)的波浪特征分析,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多相關(guān)方面的研究[1-4]。其中,有一些研究是利用實(shí)測(cè)資料開展,因?qū)崪y(cè)資料具有時(shí)空限制性和區(qū)域性,無(wú)法滿足在長(zhǎng)時(shí)間跨度、寬領(lǐng)域尺度情況下對(duì)波浪分布特征的研究。隨著衛(wèi)星遙感的發(fā)展,利用衛(wèi)星開展波浪特征的研究也逐步展開,例如齊義泉等[5]為分析黃海中部的風(fēng)、浪基本統(tǒng)計(jì)特征及季節(jié)分布特征,利用了衛(wèi)星高度計(jì)遙感資料; 陳紅霞等[6]為分析中國(guó)近海隨時(shí)間變化和季節(jié)變化的特點(diǎn),利用了TOPEX衛(wèi)星高度計(jì)資料。王廣運(yùn)等[7]根據(jù)T/P衛(wèi)星高度計(jì)資料和 ESR-1衛(wèi)星散射計(jì)資料,推算出中國(guó)兩個(gè)海域多年一遇的波高極值。雖然衛(wèi)星遙感技術(shù)具有觀測(cè)范圍大、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn),但是其也存在一定的局限性,例如在極端天氣情況下,遙感數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大誤差,同時(shí)衛(wèi)星軌道具有周期性,其周期10～35 d不等,不能做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)覆蓋性[8]。隨著數(shù)值模式的發(fā)展成熟,目前第三代數(shù)值模型廣泛被應(yīng)用于海浪相關(guān)研究工作中,例如謝冬梅等[9]利用WAMC4數(shù)值模型對(duì)東中國(guó)海1950年—2009年的波浪進(jìn)行后報(bào)模擬,并以模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)展開了對(duì)該海域波浪時(shí)空分布特征的研究。陳國(guó)光[10]通過(guò)SWAN數(shù)值模型,對(duì)黃海海域波浪有效波高的季節(jié)變化特征展開了研究。

由此可以看出,前人已展開了較多關(guān)于黃渤海波浪特征相關(guān)方面的研究,開展這些研究的數(shù)據(jù)主要以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬或衛(wèi)星資料為主。本文采用European Centre for Medium-Range Weather Forecasting (ECMWF)第五代再分析數(shù)據(jù)集(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)的高時(shí)空分辨率的波浪場(chǎng)(0.125°×0.125°),針對(duì)黃渤海區(qū)域近 20 a(2000—2019年)的波浪特征進(jìn)行分析,包括四季有效波高(Significant wave height,Hs)和平均周期(Mean period,T)的分布規(guī)律,然后對(duì)波高進(jìn)行 EOF分解,最后選取 4個(gè)代表點(diǎn)給出其波浪玫瑰圖。上述工作是前人比較少涉及的,本研究主要分析了黃渤海地區(qū)波浪在時(shí)間和空間的分布及其變化特征,所得結(jié)論對(duì)海洋水文保障、海洋工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)等具有重要的科學(xué)參考價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

ECMWF在全球再分析數(shù)據(jù)集中,是比較知名的。其中它的 ERA5數(shù)據(jù)集使用了專為再分析而開發(fā)的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(IFS cycle 41r2)[11],相比于ERAInterim[12],數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到了顯著改善[13-14]。許多研究人員將其用于大氣和海洋研究,例如Naseef等[15-16]利用39 a ERA5數(shù)據(jù)(1979—2017年)分別研究了臺(tái)風(fēng)對(duì)印度洋海域百年一遇波浪極值的影響以及該區(qū)域波浪及氣候特征的變化趨勢(shì)。Bruno等[17]利用實(shí)測(cè)資料評(píng)估了ERA5數(shù)據(jù)在涌浪占主導(dǎo)海域的適用性,結(jié)果證明 ERA5數(shù)據(jù)具有良好的適用性。本文利用黃海海域2個(gè)實(shí)測(cè)站點(diǎn)浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)(2011年1月1日—2017年12月31日)對(duì)ERA5的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,觀測(cè)站位見圖1。

圖1 研究區(qū)域、代表點(diǎn)(黑色圓圈)和驗(yàn)證點(diǎn)(黑色三角)位置 (審圖號(hào): GS(2020)4631號(hào))Fig.1 Research area and locations of the representative and validation points (On drawing No.GS(2020)4631)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見圖2和表1。經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)Y1和Y2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.97。因此,本文認(rèn)為ERA5再分析數(shù)據(jù)在我國(guó)海域具有一定的適用性,可用于本文相關(guān)研究。

圖2 實(shí)測(cè)站點(diǎn)與ERA5數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison of measured site and the ERA5 data

表1 實(shí)測(cè)站點(diǎn)和ERA5數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results between the measured site and the ERA5 data

1.2 研究范圍

空間范圍: 本文選取渤海及黃海大部分區(qū)域(117°～125°E,30°～41°N)作為研究對(duì)象(見圖1),空間分辨率為0.125°。為便于直觀分析黃渤海區(qū)域波浪特征,分別在渤海和黃海各選擇兩個(gè)代表點(diǎn),命名為A(119.75°E,38°N)、B(120.25°E,39.5°N) 、C(123°E,38.5°N)和D(123°E,35°N)。

時(shí)間范圍: 本文計(jì)算時(shí)間為 2001—2019年,共20 a,時(shí)間分辨率為1 h。

2 黃渤海波浪特征分析

2.1 波高分布季節(jié)特征

黃渤海區(qū)域受季風(fēng)影響明顯,其風(fēng)場(chǎng)的基本特征為冬、夏季風(fēng)盛行,冬季風(fēng)持續(xù)時(shí)間為10月至次年3月,期間由于蒙古高壓控住南海北部,導(dǎo)致東北風(fēng)盛行。夏季風(fēng)持續(xù)時(shí)間為5月至9月中旬,期間由于印度低壓和太平洋副熱帶高壓的影響,導(dǎo)致偏南風(fēng)盛行。

本文分別對(duì)黃渤海春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)和冬(12月—次年2月)的有效波高Hs展開分析,其在黃渤海海域的年均分布見圖3。

圖3可知,渤海區(qū)域整體有效波高較小,呈現(xiàn)周邊小,中間大的特點(diǎn),這與水深有密切關(guān)系。其中,渤海中部年均有效波高可達(dá)0.5 m以上,周邊海域年均有效波高僅冬季可達(dá) 0.5 m左右,其余季節(jié)不足0.5 m; 黃海海域有效波高呈現(xiàn)由南向北降低的趨勢(shì),其中最大值出現(xiàn)在黃海南部的長(zhǎng)江口外海域; 北黃海海域冬季年均有效波高最高可達(dá)1.2 m,其余季節(jié)均在1 m以下。

圖3 研究區(qū)域有效波高的季節(jié)年均值(單位: m)Fig.3 Seasonal annual mean Hs in the research area (Unit: m)

2.2 周期分布季節(jié)特征

平均周期T的季節(jié)分布類似于有效波高Hs的季節(jié)均值分布(圖4)。渤海中間海域平均周期T的季節(jié)均值較大,四周淺水區(qū)域平均周期T的季節(jié)均值較小,僅秋冬季平均周期T的季節(jié)均值存在大于4 s的區(qū)域,春夏季平均周期T的季節(jié)均值均不足4 s。平均周期T的季節(jié)均值在黃海海域也呈現(xiàn)出由南向北遞減的趨勢(shì),其中長(zhǎng)江口外海區(qū)域秋冬季平均周期T的季節(jié)均值可達(dá)6 s; 北黃海海域全年T的季節(jié)均值均在5 s以下。

圖4 研究區(qū)域平均周期的季節(jié)年均值(單位: s)Fig.4 Seasonal annual mean T in the research area (Unit: s)

2.3 有效波高的EOF分解

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)方法現(xiàn)已經(jīng)成為大氣、海洋及其他地球物理科學(xué)中數(shù)據(jù)分析的有利工具。該方法最早在1902年由統(tǒng)計(jì)學(xué)家 Pearson[18]提出,該方法通過(guò)將場(chǎng)的時(shí)間序列作為分析對(duì)象,將原始場(chǎng)分解成兩個(gè)不同的函數(shù),分別為只依賴空間的函數(shù)和只依賴時(shí)間的函數(shù),然后將兩個(gè)函數(shù)相乘,以此進(jìn)行分析。但在20世紀(jì)80年代以前,由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稀缺,很難進(jìn)行大范圍領(lǐng)域和長(zhǎng)時(shí)間寬度的 EOF分析。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用和數(shù)值模擬技術(shù)的完善,EOF法逐漸應(yīng)用于海洋領(lǐng)域的研究。例如韓樹宗等[19]利用EOF分解對(duì)南海海域32 a的波浪場(chǎng)進(jìn)行了研究。

本文利用月平均處理的方法,將從 ERA5上獲取的2000—2019年20 a的黃渤海浪場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了 240 m的逐月有效波高均值數(shù)據(jù),然后求得240 m的距平場(chǎng)之后對(duì)其進(jìn)行EOF分析。值得注意的是,本分析中的距平不能采用240 m均值的距平,這會(huì)造成第一模態(tài)對(duì)方差的貢獻(xiàn)率很大,應(yīng)按照月份求得12 m的均值,再得到20 a中各月距平。

有效波高距平場(chǎng)EOF分析的前5個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率見表2。其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了97.42%,其中前 3個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率之和達(dá)到 93.91%,因此本文對(duì)前3個(gè)模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

表2 模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率(前5個(gè))Tab.2 Variance contribution rate of modes (Top 5)

第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為 74.74%。南黃海區(qū)域?yàn)槠淇臻g分布的大值區(qū)域,大致呈 NW-SE走向(圖5a),大值區(qū)域位于長(zhǎng)江口至濟(jì)州島連線的中間區(qū)域,這里變化較大的原因主要是臺(tái)風(fēng)引起,造成有效波高值起伏較大。此外,第一空間模態(tài)的有效波高距平場(chǎng)在研究地區(qū)顯示為正值,表明研究地區(qū)的有效波高的總體變化趨勢(shì)是同增或同減,表明了該研究區(qū)域波浪變化的一致性。第一模態(tài)的時(shí)間序列以1年為單位呈現(xiàn)周期變化,從圖6可知,冬季的時(shí)間序列呈現(xiàn)出＞0的形態(tài),表明黃渤海的有效波高在冬季時(shí)增大的; 春季的時(shí)間序列大部分呈現(xiàn)出＜0的形態(tài),表明黃渤海的有效波高在春季是減小的。此模態(tài)的物理意義是黃渤海波浪在風(fēng)場(chǎng)的作用下,一年內(nèi)變化的主要趨勢(shì)與形式和黃渤海區(qū)域的季風(fēng)密切相關(guān)。

第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為 14.03%,其空間分布上在34°N附近有一條大致呈E-W方向的分界線,以南為負(fù)值,以北為正值(圖5b),表明兩個(gè)分區(qū)的波高變化呈現(xiàn)出相反的關(guān)系,即34°N以北海域波高變化幅度大,以南海域波高變化幅度小。據(jù)推測(cè),此模態(tài)的物理意義可能代表有效波高受季風(fēng)周期性影響的變化。時(shí)間系數(shù)在冬季呈現(xiàn)負(fù)值,表明在冬季風(fēng)增強(qiáng)的影響下,34°N以北海域的波浪呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),34°N以南海域有效波高變化除了受冬季風(fēng)影響之外,可能還受涌浪分布等影響; 夏季的時(shí)候時(shí)間系數(shù)為正,這個(gè)趨勢(shì)剛好相反(圖6)。

圖5 有效波高距平場(chǎng)模態(tài)空間分布Fig.5 Modal spatial distributions of the significant wave height anomaly field

圖6 有效波高距平場(chǎng)模態(tài)時(shí)間系數(shù)(前3個(gè))Fig.6 Modal time coefficients of significant wave height anomaly field (Top 3)

第三模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為 5.14%,該模態(tài)的空間分布情況,從圖5可知,黃海深水區(qū)為其小值區(qū)域,而渤海以及黃海沿岸區(qū)域?yàn)槠浯笾祬^(qū)域。從圖6可知,第三模態(tài)的時(shí)間系數(shù)呈現(xiàn)出以年為周期的變化趨勢(shì),對(duì)物理意義進(jìn)行分析推斷可知,此模態(tài)的等值線趨勢(shì)是沿海岸或海底地形進(jìn)行分布的,這可能表示地形對(duì)有效波高的某種影響。但該模態(tài)僅解釋了 5.14%的方差貢獻(xiàn)率,所以難以排除是一些較小的物理過(guò)程對(duì)波浪變化的影響。

2.4 特征點(diǎn)波浪特征

以A—D為代表點(diǎn),本文對(duì)20 a的黃渤海區(qū)域波浪特征展開具體分析,其中4個(gè)點(diǎn)的波浪玫瑰圖見圖7。

圖7 代表點(diǎn)的波浪玫瑰圖(2000—2019年)Fig.7 Wave rose in representative points (2000—2019)

A和B分別位于渤海海域的南部和北部,代表了渤海不同海區(qū)的波浪特征。由圖5可知A點(diǎn)波浪以NNE向?yàn)橹?其頻率為17.6%,其次為S向,頻率為14.8%,有效波高2.5 m以上的大浪主要集中在NNE和 NE向。B點(diǎn)波浪主浪向?yàn)?NE向,其頻率可達(dá)19.0%,次浪向?yàn)镾和SSW向,二者相差不多,分別為13.5%和13.2%,有效波高2.5 m以上的大浪僅NE向存在,相比A點(diǎn)波浪而言,這主要與冬季北風(fēng)風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度有關(guān),因此A點(diǎn)有效波高最大值高于B點(diǎn)。

C點(diǎn)和D點(diǎn)分別位于北黃海和南黃海,其中C點(diǎn)波浪主浪向?yàn)?S向,次浪向?yàn)?SSE向,分別為16.7%和12.6%。有效波高大于2.5 m的大浪分布在N、NWW和SE向。D點(diǎn)波浪的主浪向?yàn)镾SE向,頻率為14.3%,次浪向?yàn)镹向,頻率為13.0%; 有效波高大于2.5 m的大浪分布N、SSE和SE向。

與前人研究成果對(duì)比,本文對(duì)20 a波浪特征展開分析,這在之前的研究中很少有人提及。根據(jù)特征點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以得到黃渤海海域主浪向、大浪分布等特征,為海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)等提供一定參考。

3 總結(jié)

前人研究中,黃渤海海浪特征多集中在時(shí)空領(lǐng)域研究,例如波高周期的年均、季節(jié)時(shí)空變化等,本文采用 ECMWF的ERA5再分析波浪數(shù)據(jù),首次利用EOF分解的方法,對(duì)黃渤海近20 a的波浪展開主成分分析,探討黃渤海海浪特征表征的主次要因素,從而為黃渤海海浪的特征分析、變化預(yù)測(cè)等提供一種新思路。同時(shí),利用該數(shù)據(jù)集,選取 4個(gè)代表點(diǎn),獲得波浪統(tǒng)計(jì)結(jié)果,主要結(jié)論如下:

1) 黃渤海海區(qū)波浪具有明顯的季節(jié)性,冬季有效波高均值大于其他季節(jié),這與冬季風(fēng)有直接聯(lián)系。其中,渤海區(qū)域有效波高呈現(xiàn)出周邊小,中間大的特點(diǎn),這與渤海的水深有一定聯(lián)系; 黃海海域有效波高Hs呈現(xiàn)由南向北降低的趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在長(zhǎng)江口外海域,冬季均值可達(dá)1.7 m。

2) 黃渤海區(qū)域黃渤海平均周期T的季節(jié)分布類似于有效波高的季節(jié)均值分布。渤海僅秋冬季T的均值存在大于4 s的區(qū)域; 黃海海域T的季節(jié)分布也呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢(shì),其中長(zhǎng)江口外海區(qū)域秋冬季T的季節(jié)均值可達(dá)6 s,北黃海海區(qū)全年均值不足 5 s。

3) 有效波高距平場(chǎng)EOF分解結(jié)果顯示,第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為 74.74%,反映了波浪變化的主要形態(tài),其時(shí)間系數(shù)為正,表明有效波高的變化趨勢(shì)具有一致性,整個(gè)區(qū)域大致上是同增大或同減小;第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為 14.03%,反映了季風(fēng)的季節(jié)轉(zhuǎn)換對(duì)有效波高的影響; 第三模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為 5.14%,其空間模態(tài)的等值線分布有和岸線或地形有貼近的趨勢(shì),代表的可能是地形的變化對(duì)有效波高變化的影響。值得注意的是,本研究中對(duì)不同模態(tài)代表的意義可能并不具有空間的普適性,其具體含義待進(jìn)一步研究。

4) 4個(gè)代表點(diǎn)顯示,整個(gè)渤海地區(qū)的常浪向?yàn)镹NE-NE,強(qiáng)浪向以NE和NNE為主; 黃海海域的常浪向?yàn)镾SE-SE向,強(qiáng)浪向以N和SSE為主。這主要是由于冬季風(fēng)的風(fēng)速大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)造成的。 該統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可為海洋工程建設(shè)提供一定參考。