蘇 勤,楊 艷,鄭崇偉

(1.海洋出版社 北京 100081;2.92538部隊(duì)氣象臺(tái) 大連 116041)

印度洋-南海海域海表風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征

蘇 勤1,楊 艷1,鄭崇偉2

(1.海洋出版社 北京 100081;2.92538部隊(duì)氣象臺(tái) 大連 116041)

利用來(lái)自ECMWF的ERA-40風(fēng)場(chǎng)資料,采用EOF、線(xiàn)性回歸等方法,分析了1958-2001年期間印度洋-南海海表風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明:(1)該海域背景特征存在兩個(gè)比較明顯的高值區(qū):索馬里附近海域、南海海域,分別反映的是夏季索馬里附近海域強(qiáng)勁的西南季風(fēng)、南海冬季頻繁的冷空氣。(2)該海域海表風(fēng)場(chǎng)的第二模態(tài)在空間分布特征上,北印度洋中緯度海域與赤道附近海域呈反位相分布,40°S與60°S海域也呈反位相分布;第三模態(tài)則整個(gè)北印度洋與南印度洋呈反位相分布。(3)1958-2001年期間,印度洋-南海的海表風(fēng)速整體上呈顯著性逐年線(xiàn)性遞增,尤其以1975—1980年期間的遞增趨勢(shì)最為強(qiáng)勁,1975年的年平均風(fēng)速為近44年的最低點(diǎn)。

印度洋;南海;海表風(fēng)場(chǎng);時(shí)空分布特征;變化趨勢(shì)

1 引言

作為全球第三大洋,印度洋是連接太平洋和大西洋的樞紐,處于世界海權(quán)體系的中心地位,馬漢曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“誰(shuí)控制了印度洋,誰(shuí)就控制了亞洲”,海表風(fēng)場(chǎng)作為一項(xiàng)重要的氣象要素,對(duì)航海、海洋工程、海洋資源開(kāi)發(fā)等都具有重要影響[1]。

研究表明[2]:印度洋10°S以北的大部分洋區(qū)都在季風(fēng)的控制之下。北印度洋是全球海洋上最顯著的季風(fēng)區(qū)。冬季盛行NE風(fēng),夏季盛行SW風(fēng),風(fēng)力、風(fēng)向穩(wěn)定。北印度洋風(fēng)速的分布規(guī)律為:南、北兩端小,中部大;東部小,西部大。南印度洋全年的風(fēng)場(chǎng)基本相似,風(fēng)向基本是以35°S,75°E為中心逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)[3]。梅勇等[4-5]利用ERA-40的10 m風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3海浪模式,模擬得到北印度洋-南海海域44年的海浪場(chǎng)資料,分析發(fā)現(xiàn)北印度洋-南海海域存在3個(gè)大風(fēng)、大浪區(qū),亞丁灣以東洋面風(fēng)力最強(qiáng);海表風(fēng)場(chǎng)和有效波高存在35年、15年和3年的主周期的變化,并自20世紀(jì)70年代中期以來(lái),年平均風(fēng)速和有效波高都存在明顯的增強(qiáng)趨勢(shì),1977年為突變起始年;年平均海表風(fēng)速和有效波高隨時(shí)間增大主要是由冬季和春季海表風(fēng)速和有效波高隨時(shí)間增大引起的;冬季和秋季海表風(fēng)場(chǎng)和有效波高年際和年代際變化的周期或位相比較一致,冬季以35～40年左右的周期為主,秋季以11～12年左右的周期為主。鄭崇偉等[6]曾利用ERA-40海表10 m風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)第三代海浪數(shù)值模式WW3,得到南海-北印度洋1957年9月至2002年8月的海浪場(chǎng),分析了該海域的波候、風(fēng)候特征,結(jié)果表明:北印度洋大部分海域的海表風(fēng)速呈顯著性逐年線(xiàn)性遞增趨勢(shì),約0.01～0.02m/(s·a),南海線(xiàn)性遞增的區(qū)域則較少。由于受到資料等問(wèn)題的限制,以往的研究多是基于極為有限的觀測(cè)資料展開(kāi)的研究,本研究利用來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)測(cè)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA-40風(fēng)場(chǎng)資料,對(duì)印度洋的海表風(fēng)場(chǎng)特征進(jìn)行研究,為航海、海洋資源開(kāi)發(fā)等提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料簡(jiǎn)介

ERA-40風(fēng)場(chǎng)來(lái)自ECMWF,其時(shí)間范圍從1957年09月01日00:00時(shí)至2002年8月31日18:00時(shí),時(shí)間分辨率為6小時(shí);該數(shù)據(jù)的空間范圍為87.5°S—87.5°N,0°—357.5°E,空間分辨率為2.5°×2.5°。ERA-40為45年(1957年中期至2002年中期)的同化數(shù)據(jù),包括航海觀測(cè)、飛機(jī)觀測(cè)、高空探測(cè)以及衛(wèi)星資料在內(nèi)的觀測(cè)資料參與同化。ERA-40包括分辨率為2.5°×2.5°、1.0°×1.0°、0.75°×0.75°的每日00:00時(shí)、06:00時(shí)、12:00時(shí)、18:00時(shí)的數(shù)據(jù)、日平均和月平均等數(shù)據(jù),但對(duì)中國(guó)只提供2.5°×2.5°資料。整體來(lái)看ERA-40再分析資料具有較高的可信度,在國(guó)外也得到廣泛的認(rèn)可和運(yùn)用[7-11]。

3 海表風(fēng)場(chǎng)特征分析

3.1 海表風(fēng)場(chǎng)的空間分布特征

將印度洋-南海海域的海表風(fēng)速?gòu)?958—2001年進(jìn)行逐年平均,得到44個(gè)時(shí)次的年平均海表風(fēng)場(chǎng),用EOF(Empirical Orthogonal Function)分析方法,分析印度洋-南海海域海表風(fēng)速的時(shí)空分布特征 (圖1)。第一模態(tài)主要反映氣候背景場(chǎng)特征,其他模態(tài)則是反映疊加在背景場(chǎng)上的擾動(dòng)場(chǎng)。

計(jì)算得到印度洋-南海海域海表風(fēng)場(chǎng)EOF分析的第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為99.799%,第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為0.052%,第三模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為0.021%,前三模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)率超過(guò)99.8%,取前三模態(tài)做研究已能夠充分反映該海域海表風(fēng)場(chǎng)的主要特征。

從海表風(fēng)場(chǎng)的氣候背景特征可以看出 (圖1a),存在兩個(gè)比較明顯的高值區(qū):索馬里附近海域、南海海域,索馬里附近海域的大值區(qū)呈NE—SW走向,該模態(tài)反映的是夏季索馬里附近海域強(qiáng)勁的西南季風(fēng),也就是說(shuō)該海域的風(fēng)場(chǎng)主要受西南季風(fēng)影響;南海的大值區(qū)位于呂宋海峽至中南半島東南海域一帶,呈NE—SW走向,該大值區(qū)應(yīng)該主要是由于冬季大風(fēng)造成的,也就是說(shuō)該海域的背景場(chǎng)以冬季風(fēng)為主導(dǎo),即第一模態(tài)主要體現(xiàn)了南海海域冬季頻繁的冷空氣過(guò)程。赤道及赤道以南海域的等值線(xiàn)則主要呈東西帶狀分布,由赤道往南半球高緯度海域表現(xiàn)出 “低—高—低—高”的分布特征。赤道附近的低值區(qū)較好地體現(xiàn)了赤道無(wú)風(fēng)帶風(fēng)速較小的特征;40°—60°S的大值區(qū)主要表現(xiàn)的是南半球西風(fēng)帶海域常年都為風(fēng)速的大值中心,這與南印度洋西風(fēng)帶海域素有 “咆哮西風(fēng)帶”之稱(chēng)的特征相吻合。

圖1 a-c:印度洋-南海海域海表風(fēng)場(chǎng)EOF分析的第一、第二和第三模態(tài)的空間分布特征

第二、第三模態(tài)是疊加在氣候背景場(chǎng)上的擾動(dòng)場(chǎng),等值線(xiàn)的分布特征明顯沒(méi)有第一模態(tài)規(guī)則。第二模態(tài)在空間分布特征上,北印度洋中緯度海域與赤道附近海域呈反位相分布,40°S與60°S海域也呈反位相分布。第三模態(tài)整個(gè)北印度洋與南印度洋則呈反位相分布(圖1b和圖1c)。

3.2 海表風(fēng)速的時(shí)間變化特征

采用一元線(xiàn)性回歸分析方法,分析印度洋-南海海表風(fēng)場(chǎng)EOF分析第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)(圖2)。

相關(guān)系數(shù)|r|=0.78＞r0.05=0.29,通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn),說(shuō)明印度洋-南海海表風(fēng)速的線(xiàn)性變化趨勢(shì)是顯著的;回歸系數(shù)為0.458 4,即近44年期間,印度洋-南海的海表風(fēng)速整體上是顯著性逐年線(xiàn)性遞增的。

圖2 印度洋海域海表風(fēng)場(chǎng)EOF分析的第一時(shí)間系數(shù)及其變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

利用ERA-40風(fēng)場(chǎng)資料,采用EOF、線(xiàn)性回歸等方法,分析了1958-2001年期間印度洋-南海海表風(fēng)速的時(shí)空分布特征,結(jié)果表明:

(1)該海域背景特征存在兩個(gè)比較明顯的高值區(qū):索馬里附近海域、南海海域,索馬里附近海域的大值區(qū)呈NE—SW走向,該模態(tài)反映的是夏季索馬里附近海域強(qiáng)勁的西南季風(fēng);南海的大值區(qū)位于呂宋海峽至中南半島東南海域一帶,呈NE—SW走向,主要體現(xiàn)了南海海域冬季頻繁的冷空氣過(guò)程。赤道及赤道以南海域的等值線(xiàn)則主要呈東西帶狀分布,由赤道往南半球高緯度海域表現(xiàn)出 “低—高—低—高”的分布特征。赤道附近的低值區(qū)較好地體現(xiàn)了赤道無(wú)風(fēng)帶風(fēng)速較小的特征;40°—60°S的大值區(qū)主要表現(xiàn)的是南半球西風(fēng)帶海域常年都為風(fēng)速的大值中心,這與南印度洋西風(fēng)帶海域素有“咆哮西風(fēng)帶”之稱(chēng)的特征相吻合。

(2)該海域海表風(fēng)場(chǎng)的第二模態(tài)在空間分布特征上,北印度洋中緯度海域與赤道附近海域呈反位相分布,40°S與60°S海域也呈反位相分布;第三模態(tài)則整個(gè)北印度洋與南印度洋呈反位相分布。

(3)1958-2001年期間,印度洋-南海的海表風(fēng)速整體上呈顯著性逐年線(xiàn)性遞增。1958-1960年期間呈遞增趨勢(shì),1960-1972年期間呈緩慢的遞減趨勢(shì),1974-1975年,風(fēng)速劇烈遞減,并在1975年達(dá)到近44年的最低點(diǎn),1975-1980年期間表現(xiàn)出非常強(qiáng)勁的遞增趨勢(shì),1981-2001年期間呈緩慢的遞增趨勢(shì)。

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