基于多源高度計(jì)數(shù)據(jù)的南大洋海浪特征研究

梁國(guó)洲 楊俊鋼 崔 偉

(1. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266590; 2. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

0 引言

南大洋指約40°S以南的印度洋、大西洋與太平洋南部互相連通的海域,是地球上唯一東西貫穿的大洋水體,因常年存在圍繞南極流動(dòng)的繞極流而受到學(xué)者們的關(guān)注[1]。受到南半球西風(fēng)帶的影響,這一海域海況較為復(fù)雜,海浪波高普遍較高,這對(duì)于航運(yùn)安全以及南極地區(qū)的科考活動(dòng)有著較大的威脅。為了充分認(rèn)識(shí)南大洋海浪狀況,本文擬基于長(zhǎng)時(shí)間序列多源高度計(jì)融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品針對(duì)南大洋海域海浪特征開(kāi)展分析研究。

海浪特征研究一般是通過(guò)多種手段獲取海浪觀測(cè)數(shù)據(jù),基于觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展海浪時(shí)空分布與變化特征分析。目前已有許多學(xué)者開(kāi)展過(guò)海浪特征分析研究。林琿等人[2]利用1993年的托佩克斯(TOPEX)高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)全球海面風(fēng)速和有效波高的季節(jié)變化情況進(jìn)行了定量分析;陳紅霞等人[3]基于1992—2005年的TOPEX/波塞冬(Poseidon)高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)近海海浪季節(jié)特征及其時(shí)間變化進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域的平均波高變化趨勢(shì)為冬季大夏季小,且冬季主要大浪區(qū)為臺(tái)灣海峽、南海北部、中南半島東南海域及呂宋海峽外側(cè);石永芳[4]使用TOPEX/Poseidon及賈森(Jason-1)高度計(jì)數(shù)據(jù)、阿戈(Argo)浮標(biāo)數(shù)據(jù)分析了全球有效波高和混合層深度的分布特征及隨時(shí)間變化情況。

衛(wèi)星遙感觀測(cè)是目前主要的海浪觀測(cè)手段之一。與其他手段相比,利用衛(wèi)星遙感獲取海浪信息具有空間尺度大,獲取速度快等優(yōu)勢(shì)。目前已積累了大量的衛(wèi)星高度計(jì)海浪觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)這些長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分析,可以獲取詳細(xì)的海浪特征信息。本文擬使用2000—2018年的多源高度計(jì)有效波高融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品,對(duì)南大洋海域海浪時(shí)空分布特征與變化規(guī)律進(jìn)行研究,并結(jié)合厄爾尼諾指數(shù)與多平臺(tái)交叉校正(cross calibrated multi-platform,CCMP)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)海浪與風(fēng)場(chǎng)及氣候變化的相關(guān)性進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本研究使用的海浪數(shù)據(jù)為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“全球變化及應(yīng)對(duì)”專項(xiàng)課題“海洋氣候數(shù)據(jù)集生成與分析”生成的2000—2018年的全球海洋海浪融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該產(chǎn)品的空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 d。該海浪融合產(chǎn)品的有效波高數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括TOPEX/Poseidon、Jason-1、Jason-2、Jason-3、ENVISAT、Cryosat-2和HY-2A等高度計(jì)。已有研究對(duì)這些高度計(jì)的有效波高數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了驗(yàn)證,精度較佳[5-8]。在融合處理之前需要對(duì)原始高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,以保證數(shù)據(jù)有效性。使用各高度計(jì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)進(jìn)行質(zhì)量控制,剔除錯(cuò)誤或異常數(shù)據(jù)。并且考慮到海浪的傳播耗散特性,將波高上限設(shè)為25 m。預(yù)處理后選擇反距離加權(quán)法作為融合方法。其原理是以插值點(diǎn)與離散點(diǎn)間的距離作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均處理,距離越近,權(quán)重越大[9]。

為了研究海浪時(shí)空變化特征與全球氣候變化的關(guān)聯(lián)性,本文使用了厄爾尼諾指數(shù),該指數(shù)通過(guò)海表溫度變化來(lái)表征全球氣候變化。厄爾尼諾指數(shù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的氣候產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心,共分為4種不同的指數(shù):1區(qū)+2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、3區(qū)+4 區(qū),每種指數(shù)代表在不同區(qū)域獲取的海面溫度(sea surface temperature, SST)數(shù)據(jù)。

為了研究海浪時(shí)空變化特征與海面風(fēng)場(chǎng)變化的相關(guān)性,本文使用了CCMP海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。 CCMP 海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)于2009 年發(fā)布,是海面以上10 m處風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

基于海浪融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品,對(duì)南大洋海域海浪波高時(shí)空分布與變化特征進(jìn)行分析。首先,計(jì)算南大洋海域海浪波高月平均分布,并對(duì)海浪的空間分布特征進(jìn)行分析。其次,計(jì)算19 a的南大洋每日海浪波高空間均值,分析海浪波高隨時(shí)間變化的趨勢(shì)[10]。再次,將不同年份相同月份的海浪數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差,分析19 a的各區(qū)域不同月份的海浪變化情況。之后,計(jì)算19 a的南大洋每一網(wǎng)格點(diǎn)的月平均波高標(biāo)準(zhǔn)差,分析不同區(qū)域的海浪波高在不同年份是否有較大的起伏變化,并且結(jié)合厄爾尼諾指數(shù)分析海浪波高是否與氣候變化有相關(guān)性。最后,將南大洋的CCMP海表面風(fēng)速月均數(shù)據(jù)與有效波高月均數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,研究海浪時(shí)空變化特征與海面風(fēng)場(chǎng)變化的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 海浪空間分布特征分析

本文選取40°S～66.5°S作為研究區(qū)域,基于1.1節(jié)中介紹的多源高度計(jì)有效波高融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品,計(jì)算每一網(wǎng)格的海浪波高月平均值,最終獲得南大洋海域海浪波高月平均分布結(jié)果。為了直觀展示一年中各時(shí)段的數(shù)據(jù)情況,以數(shù)據(jù)年變化較為明顯的2016年1月、4月、7月和10月為例,制作南大洋海域海浪波高月平均分布圖,結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出,1月份的整體海浪波高較低,波高幾乎都低于4 m,且不同區(qū)域間差距較小;4月份整體海浪波高相較于1月份有所升高,尤其在東半球45° S～60° S之間海域的海浪波高大多達(dá)到4～6 m,而西半球海域海浪波高升高相對(duì)較小;7月份海浪波高進(jìn)一步增大,東西半球差異更為明顯,在凱爾蓋格群島附近海域,海浪月平均波高可以達(dá)到6 m以上;10月份平均海浪高度有所降低,整體高度都處于5 m以下?？偟膩?lái)說(shuō),月均分布結(jié)果顯示南大洋海域海浪有冬季波高大,夏季波高小的特點(diǎn)。

(a)1月的結(jié)果

(b)4月的結(jié)果

(c)7月的結(jié)果

(d)10月的結(jié)果

2.2 海浪時(shí)間變化特征分析

計(jì)算并統(tǒng)計(jì)19 a的南大洋海浪波高空間月平均值,共238個(gè)月,結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,總體上不同年份海浪波高時(shí)間變化基本一致,均為先增大后減小,在南半球冬季(6—8月份)最大,夏季(12—次年2月份)最小。進(jìn)一步比較不同年份發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)不同年份之間總體上存在一定的起伏變化。擬合南大洋海浪波高空間月平均值的線性變化趨勢(shì),并計(jì)算每年的年平均有效波高值。結(jié)果顯示,不同年份之間具有細(xì)微的差異,整體波高隨時(shí)間變化而略微有增大,但并不明顯。

圖2 南大洋海浪波高空間月平均變化與線性擬合結(jié)果圖

考慮到不同年份相同月份之間的海浪情況存在一定差異,計(jì)算南大洋海域19年的各月海浪波高平均值與各月統(tǒng)計(jì)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果如圖3所示。從整體趨勢(shì)來(lái)看,海浪波高多年月平均的變化情況與圖2中的不同年份的月變化結(jié)果基本一致。而標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果表明不同年份的7月與10月的海浪波高波動(dòng)較大,其他各月份波動(dòng)相對(duì)較小。

圖3 南大洋海浪波高多年月平均變化圖

為了分析南大洋不同區(qū)域的海浪波高在不同年份是否有較大的起伏變化,計(jì)算了19 a的南大洋每一網(wǎng)格點(diǎn)處的月平均波高的標(biāo)準(zhǔn)差。比較結(jié)果發(fā)現(xiàn),南大洋海域海浪波高變化較大的區(qū)域主要位于南美洲西南海岸(麥哲倫海峽西側(cè)),如圖4所示，變化較大的月份為5月、7月和10月。為了分析海浪波高變化是否與氣候變化相關(guān),選取麥哲倫海峽西側(cè)區(qū)域(50°S～60°S,70°W～120°W)、19 a的月平均海浪波高與月均厄爾尼諾指數(shù)進(jìn)行比較,圖4為與1區(qū)+2區(qū)厄爾尼諾指數(shù)對(duì)比結(jié)果。與4種厄爾尼諾指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為:-0.257(1區(qū)+2區(qū))、0.195(3區(qū))、0.205(4區(qū))和0.334(3區(qū)+4區(qū))。可以看出,兩者之間雖有一定相關(guān)性,但并不明顯,這表明全球氣候變化對(duì)南大洋海浪波高變化有微弱的影響。

圖4 麥哲倫海峽西部海浪波高月平均值與厄爾尼諾指數(shù)對(duì)比圖

2.3 海浪與風(fēng)場(chǎng)相關(guān)性分析

為了研究南大洋海浪時(shí)空變化特征與海面風(fēng)場(chǎng)變化的相關(guān)性,將南大洋的CCMP海表面風(fēng)速月均數(shù)據(jù)與有效波高月均數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖5所示。從圖中發(fā)現(xiàn),海面風(fēng)場(chǎng)與海浪二者之間存在一定的聯(lián)系。計(jì)算月均海面風(fēng)速與月均海浪波高的相關(guān)系數(shù)得到,兩種數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)為0.568。將全年分為夏季半年(10—次年3月)和冬季半年(4—9月),分別計(jì)算相關(guān)系數(shù)結(jié)果為0.762與0.453。這表明,冬季半年海浪波高變化與海面風(fēng)場(chǎng)變化的相關(guān)性更強(qiáng)。

圖5 南大洋海面風(fēng)速與有效波高月變化對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于南大洋海域海浪波高融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品,開(kāi)展了南大洋海域海浪空間與時(shí)間變化特征分析;結(jié)合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與厄爾尼諾指數(shù),開(kāi)展了南大洋海浪與風(fēng)場(chǎng)及全球氣候變化的相關(guān)性分析。本文研究的主要結(jié)論如下:

(1)從海浪波高年變化來(lái)看,一年內(nèi)南大洋海域海浪波高變化總體趨勢(shì)是先增大后減小。南半球冬季最高,南大洋海浪波高空間均值大多在4 m以上,最高可達(dá)4.5 m,夏季最低,約在3 m左右。

(2)通過(guò)分析19 a的海浪波高數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)南大洋海域海浪空間平均波高值隨時(shí)間變化有輕微增加的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)19 a的各月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),8月與10月的月均數(shù)據(jù)波動(dòng)較明顯。對(duì)19 a的南大洋海域海浪波高數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差并分析發(fā)現(xiàn),麥哲倫海峽西側(cè)區(qū)域海浪的變化相對(duì)較大。通過(guò)與厄爾尼諾指數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者之間存在一定的相關(guān)性,這表明全球氣候變化對(duì)南大洋海浪波高變化有一定影響。

(3)通過(guò)南大洋海浪月均波高與月均海面風(fēng)速的比較分析,發(fā)現(xiàn)南大洋海域夏季風(fēng)浪間的相關(guān)性大于冬季。