中国海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场时空分布特征研究

郑崇伟 陈志禄 贾本凯1, 刘志宏

1. 解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

2. 91967部队气象台，河北 沙河 054100； 3. 92538部队气象台，辽宁 大连 116041

中国海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场时空分布特征研究

郑崇伟1,3陈志禄2贾本凯1,2刘志宏

1. 解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

2. 91967部队气象台，河北 沙河 054100； 3. 92538部队气象台，辽宁 大连 116041

利用来自ECMWF的ERA-40海浪再分析资料，采用EOF、线性回归、功率谱分析等方法，对中国海的海表风场、风浪、涌浪、混合浪的变化趋势的及周期进行研究，为海洋水文保障、海洋工程等提供参考。

中国海；海表风场；风浪；涌浪；混合浪Abstract

In this paper, the ERA-40 wave reanalysis was used to analyze the characteristics of sea surface wind field, wind sea, swell and mixed wave field in the China Sea from the year 1958 to 2001. The long-term trend and periods of sea surface wind field, wind sea, swell and mixed wave field were analyzed, which can apply guidance to wave energy development, navigation, marine engineering and so on.

the China Sea; sea surface wind field; wind sea;swell; mixed wave field

引言

中国海位于西北太平洋，针对中国海的波候特征，前人做了较多工作。邓兆青等[1]利用RAMS模式输出的20年风场驱动SWAN模式，对渤海近20年的海浪场进行了模拟发现，模拟的有效波高与实测值较一致，辽东湾的常浪向为SSW，强浪向为SSW，渤海中部的常浪向为S，强浪向为NE，渤海海峡的常浪向为NNW，强浪向为NNW，莱州湾的常浪向为S，强浪向为NNE，渤海湾常浪向为S，强浪向为NE；并利用Gumbel极值推算方法计算了渤海的极值波高，发现极值波高的大值区位于渤海东南部海域，百年一遇极值波高能达到6.7米。齐义泉等[2]利用1992年10月～1997年8月共59个月的TOPEX/Poseidon高度计反演的海表风速和有效波高，用EOF方法分析了南海海表风场和浪场的时空分布特征，发现南海海表风场和浪场的第一、第二模态具有很好的相似性。

前人的工作对于中国海的波候研究作了很大的贡献，但以往多是针对空间分布特征的研究，且主要是针对混合浪的研究，本文在前人的基础上深入，利用来自ECMW F（欧洲天气预报中心）将风浪、涌浪分离的ERA-40海浪再分析资料，对中国海的海表风场、风浪、涌浪、混合浪场的长期变化趋势及周期进行研究，为海洋水文保障、海洋工程、海洋权益的维护等提供参考。

1 资料简介

E R A-4 0海浪再分析资料来自E C M W F，是全球第一份耦合海浪（W AM）和大气环流模式模拟结果并同化观测资料得到的再分析产品。该资料覆盖全球大部分海域，时间范围从1957年09月01日-2002年08月31日，空间分辨率为1.5°×1.5°，时间分辨率为6小时。ERA-40海浪再分析资料具有较高精度和时空分辨率[3][4]，被国外广泛运用[3][4][5]。

2 资料分析

将中国海的海表风速、风浪、涌浪、混合浪波高从1958年-2001年的进行逐年平均，分别得到各个要素场44个时次的年平均值，用EOF方法分析其时空分布特征。

第一模态反映了气候背景场，其他模态则是叠加在背景场上的扰动场。从表1可看出各要素EOF分析的第一模态方差贡献达都超过98%，各要素的前两模态累积方差贡献率超过99%，取前两模态已能够充分反映各要素的主要特征。

图1 ：中国海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场EOF分析的

第一模态（a-d）和第二模态（e-h）空间分布特征

表1 年际变化中各要素前3个特征向量的原始场的方差贡献率

2.1 风场、浪场空间分布特征

由图1a-图1d可以看出,海表风场、风浪、涌浪、混合浪场EOF分析的第一模态在整个中国海呈同位相分布。海表风场和风浪场的空间分布特征较为一致，第一模态的大值区位于琉球群岛——吕宋海峡——中南半岛东南海域一线，高值中心位于吕宋海峡和中南半岛东南部海域，与冬季海表风场的大值区一致；涌浪场和混合浪场的空间分布特征较为接近，第一模态的等值线在黄渤海和东海呈东西带状分布，在南海则呈东北-西南走向，大值区位于南海北部海域。

由图1e-图1h可以明显看出, 海表风场、风浪、涌浪、混合浪场EOF分析的第二模态空间分布特征都较为接近，四者存在一个显著的共同特点：约以15°N为界，南北呈反位相分布，高值中心位于黄海中部海域，低值区位于中南半岛东南海域。

2.2 风速、波高长期变化趋势

采用线性回归方法，分析中国海近44年海表风速、风浪、涌浪、混合浪波高EOF分析的第一模态时间系数的变化趋势。

图2 a～d：中国海海表风场、风浪、涌浪、混合浪EOF分析第一模态时间序列及变化趋势

海表风速EOF第一模态时间系数的回归系数为0.0565；相关系数|r|=0.31>r0.05=0.29, 递增趋势显著；

风浪EOF第一模态时间系数的回归系数为0.0099；相关系数|r|=0.21

涌浪EOF第一模态时间系数的回归系数为0.0793；相关系数|r|=0.65>r0.05=0.29, 线性递增趋势显著；

混合浪EOF第一模态时间系数的回归系数为0.08；相关系数|r|=0.67>r0.05=0.29, 线性递增趋势显著。

中国海的海表风速、涌浪、混合浪波高在1958-2001年期间呈显著的逐年现行递增趋势，风浪波高在1958-2001年期间则无明显的变化趋势，详见图2。

2.3 周期分析

对中国海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场EOF分析的第一模态时间系数进行功率谱分析，分析各个要素的变化周期，见图3a-图3d。

海表风场存在2～2.3年、3.3年、4.29～6年的周期变化及30年的长周期震荡；风浪场存在3～6年的周期变化；涌浪场存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期变化及30年的长周期震荡；混合浪场存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期变化及30年的长周期震荡。

海表风场和风浪场存在3.3年和4.29～6年的共同周期；涌浪场和混合浪场共同存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期变化及30年的长周期震荡。

3 结论

（1）海表风场、风浪、涌浪、混合浪场EOF分析的第一模态在整个中国海呈同位相分布。海表风场和风浪场的空间分布特征较为一致，第一模态的大值区位于琉球群岛——吕宋海峡——中南半岛东南海域一线；涌浪场和混合浪场的空间分布特征较为接近，第一模态的等值线在黄渤海和东海呈东西带状分布，在南海则呈东北-西南走向。海表风场、风浪、涌浪、混合浪场EOF分析的第二模态空间分布特征都较为接近，四者存在一个显著的共同特点：约以15°N为界，南北呈反位相分布。

（2）中国海的海表风速、涌浪、混合浪波高在1958-2001年期间呈显著的逐年现行递增趋势，风浪波高在1958-2001年期间则无明显的变化趋势。

图3 a～d：中国海海表风场、风浪、涌浪、混合浪EOF分析第一模态时间序列的功率谱分析

（3）中国海的海表风场、风浪、涌浪、混合浪场存在多尺度的周期变化。海表风场和风浪场存在3.3年和4.29～6年的共同周期；涌浪场和混合浪场共同存在2～2.5年、3.3～4.29年的周期变化及30年长周期震荡。

[1]邓兆青，周良明，吴伦宇，等.渤海重现期波高的数值计算[J]. 海洋湖沼通报.2 0 0 7，（增刊）：8-1 4

[2]齐义泉，施平，毛庆文，等.基于T/P资料分析南海海面风、浪场特征及其关系[J]. 水动力学研究与进展.2003, Ser.A, 18(5):619-624

[3]Alvaro Semedo，Kay Suelj. A Global View of the Wind Sea and Swell Waves Interannual Variability from ERA-40 11th International workshop on wave. Handcasting and Forcasting,2009，4:8-23

[4]Alvaro Semedo，Kay Suelj, Anna Rutgersson,et al. A Global View on the Wind Sea and Swell Climate and Variability from ERA-40[J].Journal of Climate,2010.doi:10.1175/2010JCLI3718.1

[5]M.A. Hemer, J.A. Church and J.R. Hunter.Waves and Climate Change on the Australian Coast[J]. Journal of Coastal Research, 2007,50:432-437

Characteristics of Sea Surface W ind Field and Wave Field Analysis in the China Sea

Zheng Chongwei1,3Chen Zhilu2JIA Benkai1,2LIiu Zhihong3
(1. Institute of Meteorology, PLA Univ. of Sci.＆ Tech.，Jiangsu Nanjing 211101)(2. Meteorological Section, NO. 91967 Army of PLA，Hebei Shahe 524022；3. 12 Unit, NO. 92538 Army of PLA，Liaoning Dalian 116041)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.015

郑崇伟（1 9 8 3-），男，四川宜宾人，硕士生，主要从事波候及波浪能资源研究。