北大西洋海表风速季节特征及长期变化趋势分析

摘 要：利用来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的长时间序列、高精度的ERA-40海表10 m风场资料，对北大西洋海域海表风场的季节特征、长期变化趋势进行深入研究，研究发现：（1）北大西洋海域的海表风速等值线在各季均大致呈东西带状分布，且由高纬度向赤道表现出高—低—高—低的分布特征。MAM和SON期间海表风速的分布特征较为相似，大值中心分布于北半球西风带海域；DJF期间的海表风速为全年最大；JJA期间的海表风速为全年最小。加勒比海海域常年存在一风速的相对大值中心。从多年平均来看，风速存在一明显的、范围较广的大值区：西风带海域，加勒比海也存在一范围较小的大风区。（2）1958年至2001年期间，北大西洋海域的海表风速以0.0049 m·s-1·a-1的速度显著性逐年线性递增。（3）北大西洋海表风速的变化趋势表现出较大的区域性差异：呈显著性逐年线性递增的区域主要分布于30°N以下的低纬度海域，变化趋势在0.01～0.025 m·s-1·a-1左右，西班牙东北部近海的递增趋势最为强劲，达到0.035 m·s-1·a-1以上，墨西哥湾和加勒比海则呈显著性逐年线性递减，趋势为-0.015 m·s-1·a-1左右，其余海域的海表风速无显著变化趋势。（4）近44年期间，北大西洋海域的海表风速存在明显的突变现象，突变期为1972年前后。

关键词：北大西洋 ERA-40风场 季节特征 长期变化趋势

中图分类号：X-1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0135-04

海表风场对海气相互作用、大气循环等都有重要影响[1-5]，海表风场对人类的经济、军事等活动同样有着重要影响，大风大浪常带来严重灾害，甚至灾难，如1979年11月，我国“渤海2h号”钻井船受寒潮带来的大浪袭击而沉没，1982年至1990年间，中国近海因台风浪翻沉各类大小船只14345艘，损坏9468艘，平均每年沉损各类船只2600余艘[1～6]。海表风速的大小、稳定性等更是直接影响着海上风能、波浪能资源的开发利用[6～23]。本文利用来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF—— European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的ERA-40海表10 m风场资料，对整个北大西洋海域海表风场的季节特征和长期变化趋势进行深入研究，为航海、海洋工程、海洋资源开发等提供参考。

1 资料简介

ERA-40海表10 m风场来自欧洲中期天气预报中心[1～5]（ECMWF—— European Centre for Medium-Range Weather Forecasts），其时间范围从1957年09月01日00：00时至2002年8月31日18：00时，时间分辨率为6小时；该数据的空间范围为87.5°S～87.5°N，0°～357.5°E，空间分辨率为2.5°×2.5°。

下载地址为：http：//www.ecmwf.int/products/data/archive/descriptions/e4/era40_lto2.html。

2 海表风场特征分析

2.1 海表风场的季节特征

将北大西洋海域的海表风速从1957年08月至2002年07月取多年季节平均，得到该海域海表风速MAM（March，April，May）、JJA（June，July，August）、SON（September，October，November）、DJF（December，January，February）期间及多年平均海表风速的分布特征，见图1、图2。

季节特征：北大西洋海域的海表风速等值线在各季均大致呈东西带状分布，且有高纬度向赤道表现出高—低—高—低的分布特征，与三风四带相吻合。MAM期间：海表风速的大值中心分布于西风带海域，平均风速在8 m·s-1，高值中心达到9 m·s-1以上，在20°N附近海域存在一个风速的相对低值区，呈东西带状分布，春季和夏季皆存在，平均风速在6 m·s-1左右，赤道附近的平均风速较低，尤其是MAM期间，平均风速在4 m·s-1以内，且还存在一低值中心，风速在3 m·s-1左右；JJA期间：海表风速为全年最小，西风带海域仍为风速的相对大值区，但此时平均风速已经降至7 m·s-1左右，详见图1b；SON期间：海表风速的分布特征与MAM期间较为相似，仅仅是在数值上略高于MAM期间，（见图1a和图1c）DJF期间：海表风速为全年最大，平均风速在10～11 m·s-1，西风带的大风区的平均风速在11 m·s-1以上。值得注意的是：加勒比海海域常年存在一风速的相对大值中心。从多年平均来看，风速存在一明显的、范围较广的大值区：西风带海域，年平均风速约8～9 m·s-1，此外，加勒比海也存在一范围较小的大风区，年平均风速约8 m·s-1。

从年平均风速的分布特征来看，大值区仍主要分布于40°N～60°N之间的西风带海域，该区域的年平均风速基本在8 m·s-1以上，高值中心能达到9 m·s-1以上，此外还存在一相对大值区：加勒比海，年平均风速可达到8 m·s-1以上；哈德孙湾的年平均风速在7 m·s-1左右；20°N～30°N之间海域的年平均风速在6 m·s-1以内；戴维斯海峡和赤道附近海域的年平均风速较小，分别为6 m·s-1以内、5 m·s-1以内，详见图2。

2.2 长期变化趋势

将北大西洋海域的海表风速从1958年至2001年进行逐年区域平均，采用一元线性回归方法，分析该海域海表风速近44年的整体变化趋势。

具体计算方法如下：

（1）

式（1）为回归方程，b为线性趋势的回归系数。相关系数为r，用于线性趋势的信度检验。

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

由图3可见，相关系数|r|=0.71>r0.05= 0.29，通过了95%的信度检验，线性变化趋势显著，回归系数为0.0049，也就是说，近44年期间，北大西洋海域的海表风速以0.0049 m·s-1·a-1的速度显著性逐年线性递增。在1958年至1967年期间，该海域的海表风速变化趋势较为平缓，1968年至1974年期间则表现出一波较为强劲的递增趋势，在1975年至2001年期间表现出缓慢的递增趋势，平均风速维持在6.3 m·s-1左右（见图3）。

为了体现北大西洋海域海表风速变化趋势的区域性差异，本文还采用线性回归方法，计算了2.5°×2.5°逐网格点上海表风速的变化趋势，见图4。由图4可以明显看出，北大西洋海表风速的变化趋势表现出较大的区域性差异：呈显著性逐年线性递增的区域主要分布于30°N以下的低纬度海域，变化趋势在0.01～0.025 m·s-1·a-1左右，西班牙东北部近海的递增趋势最为强劲，达到0.035 m·s-1·a-1以上，此外在冰岛附近的一些零星海域也表现出显著性递增，墨西哥湾和加勒比海则呈显著性逐年线性递减，趋势为-0.015 m·s-1·a-1左右，其余海域的海表风速无显著变化趋势。

2.3 突变形势

将北大西洋海域的海表风速从1958年至2001年进行逐年区域平均，利用MK（Mann-Kendall）检验分析方法，分析1958年至2001年期间北大西洋海域海表风速的突变形势。如果UF与UB线相交，且交点位于两条临界线之间，则说明存在明显的突变形式（见图5）。UF与UB线相交于1972年，表明近45年期间北大西洋海域海表风速的突变期为1972年。值得注意的是：UF曲线在1958年至1967年期间的走势较为平缓，在1968年至2001年期间则表现出递增趋势，与图3的结论吻合。

3 结论

（1）北大西洋海域的海表风速等值线在各季均大致呈东西带状分布，且有高纬度向赤道表现出高—低—高—低的分布特征。MAM和SON期间海表风速的分布特征较为相似，大值中心分布于北半球西风带海域；DJF期间的海表风速为全年最大；JJA期间的海表风速为全年最小。加勒比海海域常年存在一风速的相对大值中心。从多年平均来看，风速存在一明显的、范围较广的大值区：西风带海域，加勒比海也存在一范围较小的大风区。

（2）1958年至2001年期间，北大西洋海域的海表风速以0.0049 m·s-1·a-1的速度显著性逐年线性递增。在1958年至1967年期间，该海域的海表风速变化趋势较为平缓，1968年至1974年期间则表现出一波较为强劲的递增趋势，在1975年至2001年期间表现出缓慢的递增趋势。

（3）北大西洋海表风速的变化趋势表现出较大的区域性差异：呈显著性逐年线性递增的区域主要分布于30°N以下的低纬度海域，变化趋势在0.01～0.025 m·s-1·a-1左右，西班牙东北部近海的递增趋势最为强劲，达到0.035 m·s-1·a-1以上，墨西哥湾和加勒比海则呈显著性逐年线性递减，趋势为-0.015 m·s-1·a-1左右，其余海域的海表风速无显著变化趋势。

（4）近44年期间，北大西洋海域的海表风速存在明显的突变现象，突变期为1972年前后。

参考文献

[1]郑崇伟，潘静，田妍妍，等.全球海域风浪、涌浪、混合浪波候图集[M].海洋出版社，2012.

[2]郑崇伟.中国海波候、风候特征分析及波浪能、风能资源评估[M].海洋出版社，待刊.

[3]郑崇伟.全球海域波浪能资源图集[M]，海洋出版社，待刊.

[4]郑崇伟.全球海域风候风能资源图集[M]，海洋出版社，待刊.

[5]郑崇伟.中国海波候、风候图集[M]，海洋出版社，待刊.

[6]郑崇伟，李训强.基于WAVEWATCH-III模式的近22年中国海波浪能资源评估[J].中国海洋大学学报：自然科学版，2011，41（11）：5-12.

[7]ZHENG Chong-Wei，ZHUANG Hui， LI Xi，et al.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea [J].SCI CHINA TECH SCI，2012，55（1）：163-173.

[8]郑崇伟，庄卉，李训强，等.基于两种数据集的全球SST变化趋势的对比研究[J].海洋科学进展，2012，30（2）：171-176.

[9]郑崇伟，周林.西沙、南沙海域波浪及波浪能季节变化特征[J].海洋科学进展，2011，29（4）：419-426.

[10]郑崇伟.全球海域风能资源储量分析[J].中外能源，2011，16（7）：43-47.

[11]郑崇伟，潘静.全球海域风能资源评估及等级区划[J].自然资源学报，2012，27（3）：364-371.

[12]郑崇伟，郑宇艳，陈洪春.基于SWAN模式的近10年南海北部波浪能资源研究[J].亚热带资源与环境学报，2011，6（2）：54-59.

[13]ZHENG Chong-wei，LI Xun-qiang. Long-Term Trend of Sea Surface Wind Speed and（Wind Wave，Swell，Mixed Wave）Wave Height in Global Ocean During the Last 44 Years[J].Acta Oceanologica Sinica，accepted.

[14]郑崇伟.南海波浪能资源与其他清洁能源的优缺点比较研究[J].亚热带资源与环境学报，2011，6（4）：40-45.

[15]郑崇伟，刘志宏.钓鱼岛、黄岩岛附近海域风、浪特征分析[J].军事气象水文，待刊.

[16]郑崇伟，刘志宏.永暑礁附近海域波浪能资源研究[J].军事气象水文，2012.

[17]郑崇伟.基于CCMP风场的近22年中国海海表风场特征分析[J].气象与减灾研究，2011，34（3）：41-46.

[18]郑崇伟，张霞.基于WAVEWATCH-III模式的近10年南海波候统计分析[J].气象与减灾研究，2011，34（1）：48-55.

[19]郑崇伟.关注海浪—— 海浪对人类的影响[J]，气象知识，待刊.

[20]郑崇伟.西沙海域波浪能、风能资源开发的可行性研究[M].海洋经济发展与海岛保护，北京：海洋出版社，2011：400-415.

[21]郑崇伟，李训强，潘静.近45年南海-北印度洋波浪能资源评估[J].海洋科学，2012，41（11）：5-12.

[22]郑崇伟，林刚，孙岩，等.近45年太平洋波浪特征分析[J].热带海洋学报，2012（6）.

[23]郑崇伟，周林.近10年南海波浪特征分析及波浪能研究[J]，太阳能学报，2012，33（8）：1349-1356.