石永芳,楊永增,尹訓強
(1.國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061;
2.海洋環(huán)境科學與數值模擬國家海洋局重點實驗室,山東 青島 266061)
海岸和近海工程建筑物處于嚴酷的海洋環(huán)境下,要保證建筑物在此環(huán)境中安全并能在使用期內發(fā)揮其應有功能,海浪常常是最主要的環(huán)境影響因素,過低地估計海浪的嚴重性將導致海岸和近海工程的破壞,而過高地估計又將導致很大的浪費。因此在進行海上建筑物的規(guī)劃和設計之前,必須得到相應海區(qū)的可靠海浪資料,分析其變化趨勢,掌握其統計特性。
早在1991年,Bacon和Carter[1]利用所有可用的船測走航數據和浮標數據,計算了1962—1986年北大西洋和北海的海浪變化趨勢。1996年,Bouws等[2]收集超過2萬張的手繪波圖,利用這些波圖分析了1960—1985年間海浪的變化趨勢,研究結果表明,在此期間海浪并沒有明顯的變化,這一結果更符合實際的觀測。2002年,Woolf等[3]利用1991-08—2000-02的實測衛(wèi)星高度計資料對海浪隨時間的變化進行了分析,所用數據分辨率為2°×2°的月平均數據,通過分析表明,在北大西洋區(qū)域除了個別點有效波高有明顯的下降或上升,總體看來變化趨勢并不明顯。
隨著計算機技術和海浪模式的發(fā)展,越來越多的工作利用海浪后報和預報的數據來研究波候。1998年,Gǔnther等[4]與北大西洋海浪和風暴研究組織(WAVA Group)[5]通過模式得到了1955—1994年共40a的波浪后報數據,利用線性回歸方法分析了北大西洋的波候。2010年,Guillaume等[6]利用再分析資料驅動海浪模式,計算了過去60a即1953—2009年北大西洋海浪要素,其中包括有效波高、波向和周期,并通過同一經線不同緯度三個點的海浪要素的時間序列,分析了其線性變化的趨勢。
分析上述研究成果,一方面,由于觀測手段和技術的限制,利用數值模式數據研究波候的工作較多,時間跨度長,而使用實測數據對波候研究的工作較少并且時間跨度短;另一方面,國內外學者的研究工作大部分集中在對北大西洋波候的研究,對其他幾大洋乃至全球的波候研究較少。以此為切入點,考慮到現有的數據條件,本文使用了Topex/Poseidon(1993—2001年)和JASON-1(2002—2011年)的衛(wèi)星高度計數據,分析了近20a平均海浪的空間特征及海浪的變化趨勢。
Topex/Poseidon和JASON-1是法國國家空間研究中心(CNES)和美國宇航局(NASA)分別在1992-08和2001-12聯合發(fā)射的高度計微波遙感專用衛(wèi)星。JASON-1是Topex/Poseidon的后繼衛(wèi)星,它們都載有雙頻率Ku波段/C波段高度計,采用微波波段,比采用可見光或紅外波段的激光高度計分辨率更高,可用于精確的測量海陸表面和冰面地形。
JASON-1與Topex/Poseidon都是精確的循環(huán)軌道,軌道高度在1 300km左右,軌道傾角為66°,所以只能在66°N~66°S的區(qū)域內運行,不能覆蓋到極地地區(qū)。它們對地采樣模式相同,為每秒測量1個點,星下點的地面分辨單元距離為6km,循環(huán)周期約為10d[7]。
高度計的觀測包括海面高度、海面溫度、風場、有效波高等諸多變量,時間序列至今約有20a,給人們提供了迄今為止時間序列最長、數據質量最高的全球風、浪和海平面高度同步觀測資料,成為近年來海洋領域科學研究的一個重要數據來源。本文使用了1993—2011年共19a的有效波高及風場數據。
本文首先將軌道數據插值[8]為月平均1°×1°分辨率的規(guī)則網格數據,分析多年年平均海浪的空間分布特征,同時與風場進行對比;衛(wèi)星高度計數據以10d為一個周期,數據覆蓋全球,但并不同步,為了確保計算得到的海浪隨時間變化率的精確性,將全球劃分為0.5°×0.5°的網格點,直接統計了軌道數據在不同時刻落到每個網格點的觀測值。以4個不同緯度點為例(圖1),顯示了0.5°分辨率網格點的統計數據。
從圖1可以看出,采用以上方法統計的每個網格點的數據足夠多,確保了分析結果的可信性。
圖1 180°經線上不同網格點的有效波高Fig.1 The significant wave height at different grid points along the 180°meridian
圖2顯示了1993—2011年期間全球年平均的海浪空間分布,同時與風場進行對比,有效波高的大值主要分布在南北半球的高緯度區(qū)域,在南北太平洋、北大西洋,南印度洋都有一個極值中心,并且北大西洋的有效波高值略大于北太平洋,可以明顯看出,海浪大值分布的路徑與風場的大值分布有明顯的一致性,特別是南半球的西風帶區(qū)域,它是地球上唯一一個東西方向上不被陸地隔斷的區(qū)域,這提供了更長的風區(qū),加上此區(qū)域盛行常年穩(wěn)定的西風,因此有效波高一直較大。雖然熱帶、亞熱帶區(qū)域也存在季風帶,但其風速比中高緯度西風帶的風速小,因此低緯度區(qū)域有效波高常年保持較小且變化也小。
影響海浪場分布的因素很多,包括風速、風時、風區(qū)、風向及地形等,但海浪的成長主要取決于風時、風區(qū)及風的大小,風場也將自身攜帶的大部分能量輸入給海浪。風場是影響海浪空間分布的重要因素。
圖2 1993—2011年年平均的海浪場和風場的空間分布Fig.2 The spatial distributions of the annual average wave field and wind field from 1993to 2011
基于直接統計的網格點數據,采用線性擬合的方法計算了近20a全球海浪隨時間的變化趨勢。由于衛(wèi)星軌道的分辨率(2°×2°)大于所劃分的網格點,并且Topex/Poseidon(1993—2001年)和JASON-1(2002—2011年)的衛(wèi)星軌道并不相同,這樣就會出現網格點的數據為空、前10a數據為空或后10a數據為空的現象,因此,直接計算的有效波高變化率存在較大的誤差,圖3為直接統計的全球海浪變化趨勢空間分布圖。
圖4為全球每個格點的觀測點數統計,從各網格觀測點數的統計可以看出,一部分網格的觀測點數較少,因此統計誤差較大,經檢驗選取大于各網格點總觀測數平均值(2 500)的網格為有效網格點,利用線性回歸的統計方法,計算了海浪近20a的變化趨勢,計算結果如圖5所示。
通過圖5可以得出海浪變化趨勢分布的主要特點:海浪在北太平洋有明顯的減小趨勢,減小率約在0.015m/a左右;在東北大西洋有弱的減小趨勢,與此相反,西北大西洋的海浪增加趨勢明顯;海浪在印度洋、大西洋的低緯度區(qū)域及太平洋東岸的低緯度區(qū)域有弱的增加趨勢,增加率約為0.005m/a;在30°~45°S的南太平洋區(qū)域增加趨勢較強,約0.012~0.016m/a。
在國內外波候的大量研究工作中,由于時間跨度和數據源不同,得到的結果也不盡相同。2002年,Woolf等[3]通過分析1991—2000年的衛(wèi)星高度計數據,結果表明,在北大西洋區(qū)域,除了個別點有效波高有明顯的下降或上升,總體看來變化趨勢并不明顯。2010年,Guillaume等[6]研究表明,1953—2009年夏季平均的有效波高沒有明顯變化,冬季平均的有效波高在其中兩點呈上升趨勢,其中一點無明顯變化。
為了驗證所做工作的正確可信性,將同時間段衛(wèi)星高度計數據的線性回歸結果與Guillaume等[6]工作中1993—2008年在3個不同緯度上數值模式數據的線性回歸結果相比較,比較Guillaume等波候研究結果(圖6)和衛(wèi)星高度計數據的研究結果(圖7)可以看出,3個對應點的變化趨勢一致,都呈減小趨勢,并且減小率相近,說明了實測數據統計結果的正確性。
圖6 Guillaume在12.5°W經線3個不同點的波候研究結果(1993—2008年)Fig.6 Results obtained by Guillaume who studied the wave climate at three different points along the 12.5°W meridian(1993—2008)
圖7 實測數據在12.5°W經線3個不同點的波候研究結果(1993—2008年)Fig.7 Results of wave climate from the data measured at the three different points along the 12.5°W meridian(1993—2008)
本研究利用1993—2011年衛(wèi)星高度計的實測數據,對近20a的全球波候進行了分析。多年年平均的海浪場和風場的比較顯示:海浪的大值分布路徑與風場的大值分布有明顯的一致性,風場是影響海浪空間分布的重要因素。文章在研究海浪隨時間的變化時,選擇了最新時間跨度的實測數據數據源,通過線性回歸的分析方法,計算有效波高近20a的線性變化趨勢,并得到了區(qū)別于以往工作的最新結果:北太平洋的海浪有明顯的減小趨勢,減小率約在0.015m/a左右;東北大西洋有弱的減小趨勢,與此相反,西北大西洋有明顯的增加趨勢;海浪在印度洋、大西洋的低緯度區(qū)域及太平洋東岸的低緯度區(qū)域有弱的增加趨勢,增加率約為0.005m/a;在30°~45°S的南太平洋區(qū)域增加趨勢較強,約0.012~0.016m/a。通過對比,證明了此統計結果的可信性。
很多學者在以往的工作中分析了北大西洋波候特征與NAO(North Atlantic Oscillation)有密切的關系,也有研究證明太平洋海浪的多年變化與厄爾尼諾現象密不可分,即海浪多年的變化趨勢,除與其直接強迫場—風場有關外,還與海氣相互作用的其他因素有密切關系。本文通過實測數據的分析得到了近20a海浪變化趨勢的最新結果,結果顯示了幾個明顯的增大或減小區(qū)域,并通過對比檢驗證明了分析結果的可信性,但引起波候變化的內在機制還需要深入研究。
[1] BACON S,CARTER D J T.Wave climate changes in the North Atlantic and North Sea[J].Int.J.Climatol,1991,11(5):545-558.
[2] BOUWS E,JANNINK D,KOMEN G.The increasing wave height in the North Atlantic Ocean[J].Bull.Amer.Meteor.Soc.,1996,77(10):2275-2277.
[3] WOOLF D K,CHALLENOR P G,COTTON P D.Variability and predictability of the North Atlantic wave climate[J].Journal of Geophysical Research,2002,107(10):3145
[4] G?NTHER H,ROSENTHAL W,STAWARZ M,et al.The wave climate of the Northeast Atlantic over the period 1955—1994:The WASA wave hindcast[J].Global Atmos.Ocean Syst.,1998,(6):121-163.
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[7] 劉宇光.衛(wèi)星海洋學[M].北京:高等教育出版社,2008.
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