李 靖, 周 林, 鄭崇偉, 韓曉偉, 陳曉斌

(1. 解放軍理工大學 氣象學院, 江蘇 南京 211101; 2. 全軍海洋水文環(huán)境數(shù)值模擬研究中心, 江蘇 南京211101; 3. 92538部隊氣象臺, 遼寧 大連 116041; 4. 92858部隊水文氣象中心, 浙江 寧波 315812)

太平洋海浪場時空特征分析

李 靖1,2, 周 林1,2, 鄭崇偉1,3, 韓曉偉1,4, 陳曉斌1,2

(1. 解放軍理工大學 氣象學院, 江蘇 南京 211101; 2. 全軍海洋水文環(huán)境數(shù)值模擬研究中心, 江蘇 南京211101; 3. 92538部隊氣象臺, 遼寧 大連 116041; 4. 92858部隊水文氣象中心, 浙江 寧波 315812)

為了深入了解太平洋海浪場特別是涌浪場的時空分布特征, 利用44 a(1958～2001年)ERA-40海浪再分析資料對南、北太平洋風浪和涌浪的波高和波向進行了統(tǒng)計分析, 結(jié)果表明： 北太平洋海浪場比南太平洋具有更明顯的季節(jié)變化特征, 四季中南太平洋涌浪均有明顯的越赤道北傳過程。南、北半球西風帶海浪波高隨時間呈線性增長趨勢, 且涌浪分別存在2.4～3.7 a和2.9 a左右的顯著周期, 風浪和混合浪波高存在6.5 a和5.2 a的共同周期。

太平洋; 風浪; 涌浪; 季節(jié)變化

海浪是海洋表面最基本的現(xiàn)象之一, 構(gòu)成了海洋表面的小尺度幾何形態(tài)。太平洋是地球上四大洋中面積最大、深度最深的一個大洋, 深入研究其海浪的空間分布特征和時間變化規(guī)律, 對于太平洋海域海氣相互作用和海上航運、石油開采及其他海上各種活動有重要的意義和應(yīng)用前景[1]。

林琿等[2]利用 TOPEX衛(wèi)星高度計資料, Chelton[3]和 Sandwell[4]利用 Seasat和 GEOS高度計資料分析了全球海面風速和有效波高的季節(jié)變化特征,Chen[5]通過定義風浪和涌浪指數(shù), 研究了全球海洋的主要風浪和涌浪分布區(qū)。Semedo等[6]利用ERA-40資料分析了全球風浪和涌浪的年際變化。韓樹宗等[7-8]使用 75個月高度計資料通過波高成分分析強調(diào)了大西洋涌浪的重要性, 并指出太平洋波高與風速分布特征具有良好關(guān)系。孫群等[9]利用TOPEX衛(wèi)星高度計資料分析了東中國海的風浪場特征。但由于衛(wèi)星高度計資料長度有限且風浪和涌浪尚未分開,無法對風浪和涌浪分別進行研究, 其結(jié)論成果具有一定的局域性。本文采用風浪和涌浪時間序列較長的分離資料重點對太平洋風浪和涌浪的時空特征進行分析研究。

1 資料及方法

本文采用的數(shù)據(jù)為1958～2001年的ERA-40海浪資料 (ECMWF40 year re-analysis data), 其范圍覆蓋全球海域, 時間分辨率為 6 h, 空間分辨率為1.5°×1.5°。ERA-40 海浪再分析資料是全球第一份耦合海浪(WAM)和大氣環(huán)流模式模擬結(jié)果并同化觀測資料得到的再分析產(chǎn)品。在WAM模式[6]中, 其通過能量平衡方程獲得能譜 F (f,θ), 其中f為頻率,為波向,Hs= 4 .04, mn為海浪譜 n階矩,其中SF=∫sin (θ ) F (f, θ )dfd θ , CF=∫cos (θ ) F (f, θ )dfdθ ,通過分離一維譜即可得到風浪和涌浪的有效波高和平均波向。

與浮標觀測資料相比, ERA-40再分析海浪資料的有效波高普遍存在低的波高被高估, 高的波高被低估現(xiàn)象[10-12]。Caires等[13]按照同化資料不同所帶來的誤差特征將其分為 4個不同時期： 無同化資料(1957年9月～1991年12月, 1993年6月～ 12月)、同化Faulty ERS-1 FDP(fast-delivery product)波高資料(1991年 12月～1993年 5月)、同化 Uncalibrated ERS-1 FDP波高資料(1994年1月～1996年5月)及同化ERS-2 FPD資料(1996年～2002年8月)。但由于目前缺乏大量波浪譜的浮標觀測資料, 要獲取海域長期風浪和涌浪的資料, ERA-40海浪再分析資料的風浪和涌浪資料目前仍是唯一的選擇[14]。

本文選取的太平洋海域為 90°S～90°N, 99°E～60°W, 對南北太平洋海浪的年變化和季節(jié)變化進行了統(tǒng)計分析, 并計算了南北半球西風帶下海浪波高的年際變化及其線性趨勢, 后采用功率譜對其波高進行了周期估計。

2 南北太平洋海浪波高年變化規(guī)律

由于南北太平洋海陸分布的差異, 對海浪波高有較大影響, 因此本文對南北太平洋分別進行研究。通過對南太平洋(-90°S～0°S, 99°E ～300°W)和北太平洋(0°N ～90°N, 99°E ～300°W)的風浪(由當?shù)仫L引起且直到觀測時仍處于風力作用下的海面波浪)、涌浪(風浪離開風的作用區(qū)域后, 在風力甚小或無風水域中依靠慣性維持的波浪統(tǒng)稱為涌浪)和混合浪(不同來源的波系疊加的現(xiàn)象)波高進行多年區(qū)域月平均后繪制成圖1, 其中距平為原變量減去其在某一時期內(nèi)的均值。

圖1 太平洋風浪、涌浪和混合浪波高年變化Fig. 1 Variations of monthly mean wave heights of wind sea, swell and overall waves in the Pacific Ocean

可以看出, 整個太平洋海域涌浪波高均大于風浪波高, 涌浪在混合浪中占主要地位。南太平洋海浪終年波高變化不明顯(變化幅度最大為0.5 m), 風浪、涌浪和混合浪均在6～8月(南半球冬季)達到最大值。北太平洋1～7月風浪、涌浪和混合浪波高逐漸減小,7～12月波高逐漸增大(變化幅度最大為1.4 m), 北太平洋波高隨時間呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律明顯, 最大值出現(xiàn)在北半球的冬季, 夏季最小。

從距平來看, 南、北太平洋風浪和涌浪波高變化趨勢均近似一致。但混合浪波高變化幅度較大, 南太平洋在6月份波高可增長0.3 m, 1月份減少最明顯,達0.5 m。北太平洋1月份波高可突增1.4 m, 7月份最大降幅為0.5 m。可見北半球受陸地、季風等影響,波高年變化明顯, 而南半球海域較廣, 常年受西風帶控制, 近海面風速可較好維持, 波高年變化不明顯。

3 南北太平洋海浪波高季節(jié)變化規(guī)律

3.1 風浪的季節(jié)變化

從圖 2可以看出, 春季(3～5月), 北太平洋風浪波高大值中心位于阿留申群島附近達1.4 m, 夏威夷島附近為中心超過1 m的高值中心。南太平洋西風帶可達 2 m, 赤道地區(qū)最小, 不足 0.4 m。夏季(6～8月), 北太平洋整個區(qū)域偏小, 最大值位于夏威夷島附近達0.8 m, 南太平洋稍有減弱, 小于2 m。秋季(9～11月), 阿留申群島風浪波高開始增長, 波高中心達1.4 m。受南太平洋西風帶影響, 南半球西風帶風浪波高可達2 m以上。冬季(12～2月), 北太平洋風浪波高達到最大值, 阿留申群島附近達2 m, 南太平洋西風帶明顯減小, 不足1.6 m, 這與劉金芳等[15]得到的北太平洋冬季平均浪高1.0～2.0 m結(jié)論一致?？傮w來看, 受西風帶影響明顯, 北半球春冬季, 北太平洋中高緯的中太平洋海域風浪波高為極大值區(qū),南太平洋中高緯海域一年四季均為大值區(qū)。四季中,赤道北側(cè)中太平洋(夏威夷群島附近)均存在一個強度約為1 m的風浪相對大值區(qū)。

3.2 涌浪的季節(jié)變化

由圖3可以看出, 春季, 南半球整個西風帶涌浪波高達3 m以上, 赤道附近為2 m左右, 由赤道向北遞增至北太平洋阿留申群島附近可達2.4 m, 西太平洋海域小于1.5 m。夏季, 北太平洋阿留申群島高值中心消失, 波高均小于2 m, 南太平洋波高有所加強,波高均在2 m以上, 其中, 澳大利亞西南側(cè)波高可達3.5 m以上。秋季, 南半球西風帶有所減弱, 北太平洋阿留申群島附近出現(xiàn)2.4 m波高中心。冬季, 南半球西風帶涌浪波高降至2.7 m以下, 北太平洋阿留申群島附近波高超過3 m, 而西太平洋海域波高仍小于1.8 m。四季中, 赤道中太平洋海域涌浪明顯越赤道北傳, 向北分為兩支, 一支向東流向東太平洋, 一支向西流回新幾內(nèi)亞島。

圖2 太平洋風浪波高和波向的多年平均Fig. 2 Season averages for the wind sea significant wave heights and wave directions in the Pacificj Ocean

整體上, 北半球冬春季, 與風浪不同, 北太平洋中高緯度的東北太平洋涌浪波高存在一個極大值區(qū),可達3 m, 且冬季最強, 夏季最弱。南太平洋中高緯度地區(qū)四季均為涌浪波高的大值區(qū), 可達 3.5 m, 赤道地區(qū)常年均小于2.1 m, 與鄧冰等結(jié)論相一致。四季中, 赤道 160°W 以東涌浪均為由南向北傳播且強度較強, 可傳至北太平洋中緯度海域, 甚至到達中高緯度, 與此海域風浪由東向西傳明顯不一致。鄧冰等[16]曾指出在南太平洋, 夏季西風帶位置為全年最南, 偏西向浪出現(xiàn)在 40°S以南, 冬季偏西向浪北抬至全年最北, 可達30°S。這種S～N走向擺動可能與南半球涌浪的北傳有一定關(guān)系, 還需進一步研究。

3.3 混合浪的季節(jié)變化

由圖 4可以看出, 太平洋混合浪波高的空間分布變化規(guī)律整體呈現(xiàn)為南北強中間弱的特征, 其中夏季(北半球)為北弱南強。四季中, 40°S以南的海域混合浪波高均達3 m以上, 赤道附近最小, 均在2.5 m以下, 赤道地區(qū)常年始終保持為低值海況, 與赤道附近為全球的無風帶有密切關(guān)系。從赤道往中高緯方向, 受西風帶影響明顯, 波高逐漸增大至南北緯50°附近海域達到最大值。北半球高緯洋面多為反氣旋, 南半球高緯地區(qū)因同緯度多為海洋, 波高變化較為平直。

圖3 太平洋涌浪波高和波向的多年平均Fig. 3 Season averages for the swell significant wave heights and wave directions in the Pacific Ocean

圖4 太平洋混合浪波高和波向的多年平均Fig. 4 Season averages for the overall significant wave heights and wave directions in the Pacific Ocean

4 南北半球西風帶下海浪波高年際變化及線性趨勢

近年來, 一些研究者認為全球平均近海面風速沒有明顯的變化趨勢[17], 熱帶北大西洋[18]和北太平洋高緯度海區(qū)風速呈增加趨勢[19], 而赤道、南大西洋熱帶和北太平洋亞熱帶呈減小趨勢[17]。對于北太平洋高緯度至亞熱帶的中間海域, 近海面風速變化規(guī)律尚不清楚, 海浪波高與近海面風速有密切關(guān)系,其變化趨勢應(yīng)一致。四季中風浪和涌浪的大值區(qū)多出現(xiàn)在南北半球西風帶中, 海浪變化特征也最為明顯, 因此了解西風帶海浪變化規(guī)律有重要意義。

圖5 南、北半球西風帶下波高變化及線性趨勢Fig. 5 Variation of wave heights and trend lines of linear regression between the westerlies of the southern and northern hemispheres

這里北半球西風帶取為 30°N～60°N, 160°E～120°W, 南半球西風帶為 40°S～60°S, 100°E ～60°W。圖 5分別給出了南北半球西風帶下風浪、涌浪和混合浪的波高變化及線性趨勢, 可以看出, 南風帶風浪、涌浪和混合浪均比北半球大, 這與其很少受陸地阻擋有關(guān), 但南北半球不論風浪、涌浪還是混合浪其整體波動變化近乎一致, 且都為增長趨勢,均通過了 95%的信度檢驗, 有可能反映高緯至亞熱帶海域的近海風速也應(yīng)為增加趨勢。

5 南北半球西風帶下海浪波高功率譜分析

功率譜分析可將時間序列的總能量分解到不同頻率的分量, 根據(jù)不同頻率的方差貢獻診斷出序列的主要周期, 從而確定周期的主要頻率, 即序列隱含的顯著周期。圖 6中通過對波高年平均功率譜進行計算, 將功率譜估計和標準譜繪成曲線圖(若功率譜估計曲線的峰點超過標準譜, 則說明峰點所對應(yīng)的周期是顯著的), 得到了南、北半球西風帶下涌浪波高分別存在 2.4～3.7 a和 2.9 a左右的顯著周期;南、北太平洋西風帶風浪和混合浪波高存在6.5 a和5.2 a的共同周期(見表1), 這與韓樹宗等[7]曾得到太平洋混合浪波高變化的顯著周期為5.2 a相一致。此外, 南、北半球混合浪波高還存在 2.2～2.4 a左右的另一顯著周期。

表1 南北半球西風帶海浪波高變化周期Tab. 1 Period of significant wave heights between the westerlies of the southern and northern hemispheres

6 結(jié)論

(1)北太平洋較南太平洋風浪、涌浪具有更明顯的年變化和季節(jié)變化特征, 其波高隨時間呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律, 最大值出現(xiàn)在北半球的冬季, 夏季最小。

(2)整體上, 南太平洋風浪和涌浪均強于北太平洋, 涌浪在混合浪中占主要地位。太平洋風浪、涌浪和混合浪波高受西風帶影響明顯, 波高呈現(xiàn)南北高緯海域強、赤道弱的空間分布特征。北半球冬春季節(jié), 風浪在中太平洋有明顯的大值中心, 而涌浪波高極大值區(qū)位于東北太平洋海域。四季中, 赤道北側(cè)中太平洋(夏威夷群島)都存在一個波高約為 1 m 的風浪相對大值區(qū), 赤道160°W以東涌浪均為由南向北傳播且強度較強, 可傳至北太平洋中緯度海域, 甚至到達中高緯度, 與此海域風浪由東向西傳明顯不一致。

(3)南、北半球西風帶下的風浪、涌浪和混合浪波高波動變化一致, 且均為線性增長。南、北太平洋西風帶下的涌浪波高分別存在2.4～3.7 a和2.9 a左右的顯著周期, 風浪和混合浪存在6.5 a和5.2 a的共同周期。此外, 南北半球混合浪波高還存在 2.2～2.4 a左右的另一顯著周期。

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Spatial-temporal variation analysis of sea wave field in the Pacific Ocean

LI Jing1,2, ZHOU Lin1,2, ZHENG Chong-wei1,3, HAN Xiao-wei1,4, CHEN Xiao-bin1,2
(1. Institute of Meteorology, University of Science and Technology of the People’s Liberation Army, Nanjing 211101, China; 2. The People’s Liberation Army for Ocean Environment and Numerical Modeling Research Center,Nanjing 211101, China; 3. 12 Unit, NO. 92538 Army of People’s Liberation Army, Dalian 116041, China; 4. The hydro meteorological Center of troop 92858 Army of People’s Liberation Army, Ningbo 315812, China)

Sep.,28,2010

the Pacific Ocean; wind sea; swell; seasonal variation

The seasonal characteristics of wave field in the Pacific Ocean from the year 1958 to 2001 were analyzed with ERA-40 wave data obtained from ECMWF. The seasonal variations of significant wave height and wave direction in the north Pacific Ocean were more salient than those in the south Pacific Ocean. The wave height grew linearly with trend line of linear regression between the westerlies of the southern and northern hemispheres.According to the spectral analysis of swell and the overall significant wave height in the Pacific Ocean, the northern and southern hemispheres changed periodically and had equal cycle lengths. The cycle lengths were about 6.5 years and 5.2 years, about 2.4～3.7 years and 2.9 years (wind sea) in the southern and northern hemispheres, respectively.

P731

A

1000-3096(2012)06-0094-07

2010-09-28;

2012-03-08

國家自然科學基金項目(41106014)

李靖(1986-), 男, 山西朔州人, 碩士研究生, 主要從事海氣相互作用研究, E-mail： canshang200503@yahoo.com.cn; 周林(1963-), 通信作者, 電話： 025-80831621, E-mail： zhou_lin4458@163.com

(本文編輯：劉珊珊)