石永芳 楊永增 吳克儉① 尹訓(xùn)強(qiáng)

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋 青島 266100;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

近岸和近海工程建筑物處于嚴(yán)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(nèi)發(fā)揮其應(yīng)有功能,波浪常常是最主要的環(huán)境影響因素,對(duì)波浪嚴(yán)重性估計(jì)過(guò)低將導(dǎo)致近岸和近海工程被破壞,而估計(jì)過(guò)高又將導(dǎo)致很大的浪費(fèi)。另一方面,波浪作為海氣界面一種重要的運(yùn)動(dòng)形式,時(shí)刻影響著海氣界面水汽、熱量、動(dòng)量的交換,對(duì)大尺度海氣相互作用也起著不可忽視的作用。

Bacon等(1991)利用所有可用的船測(cè)走航數(shù)據(jù)和浮標(biāo)數(shù)據(jù),揭示了 1962—1986年整個(gè)北大西洋和北海波浪的增加趨勢(shì)。Bouws等(1996)收集超過(guò)2萬(wàn)張的手繪波圖,利用波圖分析了 1960—1985年北大西洋波浪的變化趨勢(shì),研究結(jié)果表明:在此期間波浪并沒(méi)有明顯的長(zhǎng)時(shí)間尺度變化。Allan等(2000)和Seymour(2011)利用浮標(biāo)觀測(cè)資料分別分析了1980—2000年、1984—2007年?yáng)|北太平洋波浪的變化趨勢(shì),他們的工作一脈相承,結(jié)果都顯示出東北太平洋波浪的增大趨勢(shì),并分別運(yùn)用不同的方法探究引起海浪變化的原因,定量的計(jì)算了海浪的變化與北太平洋濤動(dòng)指數(shù)(EP)、南方濤動(dòng)指數(shù)(MEI)、太平洋十年濤動(dòng)指數(shù)(PDO)的相關(guān)關(guān)系。Woolf等(2002)利用1991年8月—2000年2月的實(shí)測(cè)衛(wèi)星高度計(jì)資料對(duì)波浪隨時(shí)間的變化進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,在北大西洋區(qū)域,除了個(gè)別點(diǎn)有效波高有明顯的下降或上升,總體變化趨勢(shì)并不明顯。

隨著數(shù)值計(jì)算和波浪模式的發(fā)展,越來(lái)越多的工作利用后報(bào)和預(yù)報(bào)的波浪數(shù)據(jù)來(lái)研究波候。波候是某個(gè)時(shí)期內(nèi)波浪要素(波高、波向、周期、極值等)的總體統(tǒng)計(jì)特征。Kushnir等(1997)首次使用 ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的1000hpa風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式,利用所得的月平均有效波高分析北大西洋(0—70°N)10a(1980—1989年)的波浪變化趨勢(shì)。Günther等(1997)和The WASA Group(1998)通過(guò)模式得到了1955—1994年共40a的波浪后報(bào)數(shù)據(jù),利用線性回歸方法分析了北大西洋的波候。黃勇(2008)利用第三代海浪模式構(gòu)建了歷時(shí)45a的西北太平洋地區(qū)的波侯資料,研究發(fā)現(xiàn):由于該地區(qū)的東亞夏季風(fēng)正慢慢減弱,使得東中國(guó)海北部地區(qū)的極值波高存在緩慢的衰減現(xiàn)象。Guillaume等(2010)利用再分析資料驅(qū)動(dòng)波浪模式,計(jì)算了過(guò)去 60a(1953—2009年)北大西洋的波浪要素,包括有效波高、波向和周期,并分析了同一經(jīng)度不同緯度的3個(gè)點(diǎn)的波浪要素時(shí)間序列及其線性變化趨勢(shì)。李訓(xùn)強(qiáng)等(2012)和鄭崇偉等(2012a,b)都利用第 3代海浪數(shù)值模式WAVEWATCH-III,分別得到南海-北印度洋和中國(guó)海的海浪場(chǎng),并分析其變化特征。

綜上所述,一方面,由于觀測(cè)手段和技術(shù)的限制,利用數(shù)值模式后報(bào)和預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)研究波浪變化的工作較多,時(shí)間跨度長(zhǎng),而使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究波浪變化的工作較少,并且時(shí)間跨度短;另一方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作大部分集中在北大西洋及近岸的區(qū)域,對(duì)其他幾大洋乃至全球的研究較少。以此為切入點(diǎn),考慮到現(xiàn)有的數(shù)據(jù)條件,本文使用了 1993—2011年的 7套衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)(表1)、NCEP(美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心)提供的月平均風(fēng)場(chǎng)及 SLP(Surface Level Pressure)的再分析數(shù)據(jù),分析近 20a北大西洋與北太平洋的波浪變化趨勢(shì)及可能的原因。

通過(guò)計(jì)算本文得到近 20a北大西洋與北太平洋最新的波浪變化趨勢(shì),并討論了其與大氣調(diào)制作用的相關(guān)關(guān)系,對(duì)北大西洋和北太平洋的不同變化形態(tài)進(jìn)行相應(yīng)分析。與前人的研究方法不同,本文將全球劃分為 1°×1°的網(wǎng)格,直接統(tǒng)計(jì)了衛(wèi)星高度計(jì)的軌道數(shù)據(jù)在不同時(shí)刻落在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的觀測(cè)值,通過(guò)線性趨勢(shì)分析及顯著性檢驗(yàn),得到有效波高的變化趨勢(shì)。在分析波浪變化的物理機(jī)制時(shí),所用的方法也略有不同,首先運(yùn)用主成分分析(PCA)的方法分別得到波浪和 SLP的主要變化模態(tài),再進(jìn)一步討論影響波浪變化的主要因素。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要研究區(qū)域?yàn)楸贝笪餮?80°W—20°E,0—66°N)和北太平洋(99°—280°E,0—66°N)。對(duì)每個(gè)區(qū)域,主要采用的數(shù)據(jù)包括:(1)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)(表1);(2)由NCEP和NCAR(美國(guó)國(guó)家大氣研究中心)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的1993年1月—2011年12月平均風(fēng)場(chǎng)的再分析數(shù)據(jù);(3)NCEP和NCAR數(shù)據(jù)庫(kù)提供的1993年1月—2011年12月平均海表面氣壓的再分析數(shù)據(jù)。風(fēng)場(chǎng)和海表面氣壓數(shù)據(jù)的分辨率為2.5°×2.5°。

1.2 研究方法

不同衛(wèi)星的周期不同,經(jīng)過(guò)1個(gè)周期,數(shù)據(jù)覆蓋全球,但并不同步。本文直接統(tǒng)計(jì)了星下點(diǎn)軌道數(shù)據(jù)在不同時(shí)刻落到1°×1°網(wǎng)格點(diǎn)的觀測(cè)值。圖1顯示,超過(guò)70%網(wǎng)格的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)在10000個(gè)以上,以任意兩個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)為例,圖2給出了每個(gè)格點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列?；谏鲜龇椒ㄋ玫母骶W(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)的信息量豐富,能充分反映該網(wǎng)格點(diǎn)的波浪變化特征。

表1 不同衛(wèi)星的基本信息Tab.1 The information of different satellites

圖1 觀測(cè)點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of observation grids

圖2 任意兩網(wǎng)格的有效波高統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of significant wave height of any two grids

通過(guò) PCA將波浪的變化與大氣的調(diào)制作用聯(lián)系起來(lái),PCA可以將變量場(chǎng)的信息集中在幾個(gè)主要的模態(tài)上,分離出的空間結(jié)構(gòu)具有一定的物理意義,正因?yàn)槿绱?通過(guò)這一方法可以更清晰地顯示波浪主要變化與SLP的密切關(guān)系。

2 波浪的變化趨勢(shì)及原因探究

這部分主要分析了19a(1993—2011年)中有效波高的變化趨勢(shì)及與其對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)、SLP的變化,每個(gè)變量的變化率都高于95%的置信水平。

2.1 北大西洋

2.1.1 波浪、風(fēng)場(chǎng)及SLP的變化 圖3為1993—2011年北大西洋有效波高的變化趨勢(shì),波浪的增大趨勢(shì)占據(jù)了北大西洋的大部分,在美國(guó)和加拿大東岸存在2個(gè)增大中心,并向東南方向延伸至整個(gè)緯度帶。亞述爾群島西部是一個(gè)明顯的波高遞增區(qū)域,自1993年以來(lái),大約每年增加0.03m,與此增大趨勢(shì)伴隨的減小趨勢(shì)主要位于法韋爾角和比斯開(kāi)灣連線東北部的北大西洋區(qū)域,在過(guò)去的 19a中約減小了0.2m(遞減率為0.01m/a)?？傮w看來(lái),波浪在北大西洋的西南區(qū)域呈增大趨勢(shì),而在東北大西洋區(qū)域呈減小趨勢(shì),這種相反的變化趨勢(shì)是一種偶極子的形態(tài),與北大西洋濤動(dòng)(NAO)形態(tài)相似。

圖3 北大西洋波浪變化趨勢(shì)的空間分布(單位:m/a)Fig.3 Spatial distribution of wave trend in North Atlantic(unit:m/a)

風(fēng)速、風(fēng)暴數(shù)、風(fēng)區(qū)等因素都能直接影響波浪強(qiáng)度,要探究引起波浪變化的可能性原因,應(yīng)該了解過(guò)去19a風(fēng)場(chǎng)的變化特征,而風(fēng)場(chǎng)的變化與整個(gè)北大西洋大氣背景場(chǎng)的變化又是密不可分的。因此,利用NCEP提供的月平均風(fēng)場(chǎng)和SLP數(shù)據(jù),進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)比較北大西洋風(fēng)速和SLP的變化趨勢(shì)。

圖4、圖5分別給出了 19a(1993—2011年)風(fēng)速和SLP的變化趨勢(shì)。風(fēng)速變化趨勢(shì)的主要特點(diǎn)為:在低緯度區(qū)域存在一個(gè)風(fēng)速減小的緯度帶(5°—20°N);在 20°—45°N 左右的中緯度地區(qū),風(fēng)速呈增大趨勢(shì);與此增大趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)的是風(fēng)速在東北大西洋區(qū)域的減小趨勢(shì)?？傮w來(lái)看,風(fēng)速變化的空間分布特征與波浪并不相同,但二者增大和減小的主要區(qū)域都位于美國(guó)東岸和東北大西洋的冰島一帶。圖5顯示了SLP在 1993—2011年的變化趨勢(shì),以圖中黑色加粗的 0等值線作為界線,SLP的減小趨勢(shì)分布在北大西洋的大部分地區(qū),與此對(duì)應(yīng)的增大趨勢(shì)主要位于北大西洋東北部的冰島一帶。SLP變化的空間分布特征與波浪相近,相位相反。

圖4 北大西洋風(fēng)場(chǎng)變化趨勢(shì)的空間分布(單位:m/a)Fig.4 Spatial distribution of wind trend in North Atlantic(unit:m/a)

圖5 北大西洋SLP變化趨勢(shì)的空間分布(單位:hPa/a)Fig.5 Spatial distribution of SLP trend in North Atlantic(unit:hPa/a)

一般認(rèn)為,波浪直接由風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng),主要受風(fēng)速大小的影響,特別是局地海區(qū)的波浪,主要受到當(dāng)?shù)仫L(fēng)的影響。由以上的分析可知,波浪變化的空間分布特征與SLP的變化更接近,SLP的減弱趨勢(shì)對(duì)應(yīng)著波浪的增大,SLP的增強(qiáng)趨勢(shì)對(duì)應(yīng)著波浪的減小,二者變化相位相反。我們有理由推測(cè):就整個(gè)北大西洋波浪的長(zhǎng)期趨勢(shì)而言,其決定因素很有可能是大洋深處大尺度的氣壓震蕩。為了探究波浪變化與 SLP變化的相關(guān)關(guān)系,對(duì)過(guò)去19a的波浪和SLP進(jìn)行PCA。

2.1.2 波浪和SLP的PCA 北大西洋SLP和波浪的PCA結(jié)果表明:SLP前2個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為47.56%和15.48%;波浪前2個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為 28.13%和 23.53%,二者其他模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率均小于10.%。選取2變量前2個(gè)模態(tài)代表其主要的變化,分析二者時(shí)空變化的相關(guān)關(guān)系。

SLP第一模態(tài)的空間分布(圖6a)表現(xiàn)為北大西洋南北區(qū)域的反相位震蕩,以 55°N 為分界,正值變異區(qū)位于此線以南,負(fù)值變異區(qū)分布在此線以北的高緯度區(qū)域;第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)有明顯的年際變化,對(duì)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行滑動(dòng)平均,如圖6b所示,虛線為圖6a對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù),實(shí)線為滑動(dòng)平均曲線,其中,1996、2001、2010年的時(shí)間系數(shù)為較小的負(fù)值,此時(shí)南北氣壓變異區(qū)的氣壓差變小,而 1994、2000年的時(shí)間系數(shù)則為較大的正值,它對(duì)應(yīng)著南北氣壓變異區(qū)的氣壓差增強(qiáng)。SLP這一模態(tài)的空間分布特征與北大西洋震蕩的形態(tài)相近,其中時(shí)間系數(shù)與 NAO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.8,可以認(rèn)為這是北大西洋濤動(dòng)的主要形態(tài)。

由圖7a可以看到,波浪第一模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)在北大西洋的南北區(qū)域也呈反相位震蕩,由于波浪受陸地邊界的限制和影響,其空間特征與 SLP略有不同,波浪正負(fù)值變異區(qū)中心分別位于較高緯度的冰島一帶和中緯度區(qū)域的亞述爾群島附近;圖7b的結(jié)果表明,波浪的時(shí)間系數(shù)在 1996、2001、2010年為負(fù)值,而 1994、1999、2000年則為正值。波浪距平場(chǎng)震蕩的時(shí)間序列特征與 SLP的變化特征相近,特別是波浪變化較劇烈的幾個(gè)年份與 SLP一致(圖6b,圖7b的黑色小方框表示),這表明波浪的變化與大氣環(huán)流的異常震蕩可能存在著內(nèi)在聯(lián)系。

SLP第二模態(tài)的空間分布(圖8a)與第一模態(tài)截然不同,其距平場(chǎng)從北大西洋的西南向東北方向延伸,呈現(xiàn)為“負(fù)-正-負(fù)”的3級(jí)結(jié)構(gòu)。負(fù)值變異區(qū)分別位于北大西洋的西南區(qū)域和 60°N以北的東北區(qū)域,正值變異區(qū)分布于北大西洋的中緯度區(qū)域。從時(shí)間系數(shù)(圖8b)可以看到,負(fù)值主要出現(xiàn)在 1994、1995、1999、2001、2007年,而在1996、2005、2011年則為正值,第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)的振幅總體較小。

圖6 北大西洋SLP第一模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.6 Spatial distribution of the first EOF mode(a)and the time factor(b)for the SLP in North Atlantic

圖7 北大西洋波浪第一模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.7 Spatial distribution of the first mode(a)and the time factor(b)for the wave in North Atlantic

圖8 北大西洋SLP第二模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.8 Spatial distribution of the second mode(a)and the time factor(b)for the SLP in North Atlantic

如圖9a所示,波浪第二模態(tài)的空間分布呈現(xiàn)出“正-負(fù)-正”的三級(jí)結(jié)構(gòu),其正負(fù)值變異區(qū)與 SLP第二模態(tài)的空間位置相同,相位相反,其較明顯的負(fù)震蕩主要出現(xiàn)在2001、2007、2010年份,而在2000年則為較明顯的正震蕩(圖9b)。

比較而言,波浪和 SLP第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)的變化特征不同,而其較明顯的正負(fù)震蕩年份與北大西洋濤動(dòng)模態(tài)的變化特征更吻合(以圖9b中的黑色小方框表示)。SLP第一模態(tài)的大尺度震蕩可能是影響波浪長(zhǎng)期變化的主導(dǎo)因素。圖10為SLP第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的趨勢(shì)圖,可以清楚地看到,時(shí)間系數(shù)呈減小趨勢(shì),遞減率為-2.343hPa/a,這表明南北氣壓變異區(qū)的氣壓差總體變小,在較大的正時(shí)間系數(shù)年,冰島低壓和亞速爾高壓偏強(qiáng),中緯度西風(fēng)帶加強(qiáng),北大西洋中部為強(qiáng)的高壓脊控制,向西移動(dòng)的颶風(fēng)容易受高壓脊的影響轉(zhuǎn)向偏北,從北美東北部沿岸到大不列顛島直至斯堪得納維亞半島,風(fēng)暴活動(dòng)加強(qiáng),此時(shí)東北大西洋的波浪值較大;而較大的負(fù)時(shí)間系數(shù)年,冰島低壓和亞速爾高壓都減弱,西風(fēng)帶偏弱,風(fēng)暴主要在北美東北沿岸和中緯度海區(qū)活動(dòng)。在過(guò)去 19a,第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)總體呈減小趨勢(shì),特別是在1997—2000年及 2007—2011年的 2個(gè)時(shí)間段,負(fù)時(shí)間系數(shù)占優(yōu),這一方面抑制了東北大西洋波浪的增大,另一方面也有利于北大西洋西南方向波浪的成長(zhǎng)。

圖9 北大西洋波浪第二模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.9 Spatial distribution of the second mode(a)and the time factor(b)for the wave in North Atlantic

2.2 北太平洋

2.2.1 波浪、風(fēng)場(chǎng)及 SLP的變化 圖11顯示了1993—2011年有效波高在北太平洋的變化趨勢(shì),其空間分布的主要特點(diǎn)是在30o—45oN的北太平洋中緯度區(qū)域呈明顯的減小趨勢(shì),遞減率約為 0.01m/a;在北太平洋東北和西南方向的小區(qū)域呈增大趨勢(shì),在過(guò)去19a約增大了0.4m(遞減率為0.02m/a)。

類(lèi)比于北大西洋波浪的研究方法,利用NCEP提供的月平均風(fēng)場(chǎng)和 SLP數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)比較了 1993—2011年北太平洋風(fēng)場(chǎng)和SLP的變化。

如圖12所示,風(fēng)速的減小趨勢(shì)主要分布在北太平洋的中緯度(30o—45oN)區(qū)域,并由中緯度帶向南、北方向擴(kuò)展至北太平洋的其他部分,與此減小趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的是北美西岸及我國(guó)東部沿岸海區(qū)的增大趨勢(shì)。圖13顯示了SLP在1993—2011年的變化特征,其遞增區(qū)主要分布在北太平洋的中高緯地區(qū),遞減區(qū)位于北太平洋的西南區(qū)域,與風(fēng)速變化的空間分布相比,SLP變化的等值線更平滑并且與波浪多年變化的空間形態(tài)更相近,相位相反,此特點(diǎn)與北大西洋的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

圖10 北大西洋SLP時(shí)間系數(shù)(第一模態(tài))的變化趨勢(shì)Fig.10 The trend of SLP time factor(the first mode)in North Atlantic

圖11 北太平洋波浪變化趨勢(shì)的空間分布(單位:m/a)Fig.11 Spatial distribution of wave trend in North Pacific(unit:m/a)

圖12 北太平洋風(fēng)速變化趨勢(shì)的空間分布(單位:m/a)Fig.12 Spatial distribution of wind trend in North Pacific(unit:m/a)

圖13 北太平洋SLP變化趨勢(shì)的空間分布(單位:hPa/a)Fig.13 Spatial distribution of SLP trend in North Pacific(unit:hPa/a)

2.2.2 波浪和SLP的主成分分析 1993—2011年北太平洋波浪和SLP的PCA結(jié)果顯示,二者前2個(gè)模態(tài)的貢獻(xiàn)率分別為 40.33%、12.00%(SLP)和24.87%、12.93%(波浪),其余模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率均小于9.6%,因此,下面主要分析SLP和波浪前2個(gè)模態(tài)的主要變化特征。

如圖14所示,SLP的第一模態(tài)在整個(gè)北太平洋呈同相位變化,最大的正值變異中心位于北太平洋的中緯度區(qū)域(約45°N)。其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)有顯著的年際變化,其中,在1998、2001、2003和2010年的時(shí)間系數(shù)為負(fù)值,北太平洋氣壓場(chǎng)為整體減弱型,而在1995、2002、2003、2009年則為正值,此時(shí),北太平洋的氣壓場(chǎng)整體增強(qiáng)。波浪第一模態(tài)空間分布的主要特征是在北太平洋中緯度區(qū)域有一個(gè)明顯的負(fù)值變異中心(圖15a),由圖15b可以看出,波浪的負(fù)值時(shí)間系數(shù)主要出現(xiàn)在1998、2001、2003和2010年,正值時(shí)間系數(shù)出現(xiàn)在1994、2002、2009年。

北太平洋SLP第二模態(tài)的空間分布(圖16a)與第一模態(tài)不同,其空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)南北反相位變化,以40°N 緯線作為分界,正值變異區(qū)分布在此線南,負(fù)值變異區(qū)分布在此線以北,中心位置在阿留申群島附近。從時(shí)間系數(shù)(圖16b)可以看到,負(fù)值主要出現(xiàn)在 1997、2003、2009、2011年,此時(shí)北太平洋正負(fù)值變異中心的氣壓差變小,而在 1999和 2008則為正值,此時(shí),南北變異中心氣壓差增大。與第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)相比,SLP第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)的變化較平緩。圖17a給出了波浪第二模態(tài)的空間分布,波浪的空間變化也呈現(xiàn)出南北“正-負(fù)”的 2級(jí)結(jié)構(gòu),其正負(fù)值變異區(qū)與 SLP第二模態(tài)空間分布的位置相同,相位相反。波浪較明顯的負(fù)震蕩主要出現(xiàn)在1997、2003、2011年,而在1999和 2008年則為較明顯的正震蕩(圖17b)。SLP和波浪第二主模態(tài)的變化是一種偶極子形態(tài),2個(gè)變異中心分別對(duì)應(yīng)著阿留申低壓區(qū)(北)和夏威夷高壓區(qū)(南),從二者時(shí)間系數(shù)的變化看,波浪和SLP震蕩較強(qiáng)的年份出現(xiàn)在 1997、1999、2003、2008、2011 年(以圖16b、17b的小黑框標(biāo)示)。

綜上所述,北大西洋和北太平洋波浪距平場(chǎng)變化的主要空間形態(tài)及時(shí)間系數(shù)與 SLP的變化相近,特別是波浪變化較劇烈的年份(1996、2001、2010(北大西洋),1998、2003、2010(北太平洋))。由此可以定性地看出,大氣環(huán)流場(chǎng)的異常震蕩可能是引起波浪長(zhǎng)期變化的重要原因。

圖14 SLP第一模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.14 Spatial distribution of the first mode(a)and the time factor(b)for the SLP in North Pacific

圖15 波浪第一模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.15 Spatial distribution of the first mode(a)and the time factor(b)for the wave in North Pacific

3 結(jié)果與討論

本文利用高質(zhì)量的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)直接統(tǒng)計(jì)了波浪的變化趨勢(shì),并由波浪的變化追根溯源到風(fēng)場(chǎng)的變化,進(jìn)一步研究了大尺度背景場(chǎng)-SLP的變化,通過(guò)PCA得到了SLP和波浪主要變化信息的空間形態(tài),從而揭示它們之間的相關(guān)關(guān)系。基于7套衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)分析了北大西洋和北太平洋波浪在過(guò)去19a(1993—2011年)的變化趨勢(shì),利用NCEP/NCAR月平均風(fēng)場(chǎng)和SLP的再分析資料,統(tǒng)計(jì)比較了波浪、風(fēng)速、SLP的變化關(guān)系。并進(jìn)一步利用PCA方法,分析比較波浪和 SLP的主要變化模態(tài)及時(shí)間系數(shù),從而得到了波浪變化與大氣環(huán)流變化相關(guān)關(guān)系的清晰圖像。

圖16 SLP第二模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.16 Spatial distribution of the second mode(a)and the time factor(b)for the SLP in North Pacific

圖17 波浪第二模態(tài)的空間分布(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)Fig.17 Spatial distribution of the second mode(a)and the time factor(b)for the wave in North Pacific

通過(guò)資料分析可以得到北大西洋和北太平洋波浪變化的如下特征:

1)波浪的增大趨勢(shì)主要分布在北大西洋的西南區(qū)域,自1993年以來(lái),約以0.03m/a的比例增加,與此增大趨勢(shì)伴隨的減小趨勢(shì)主要位于法韋爾角和比斯開(kāi)灣連線東北部的北大西洋區(qū)域,遞減率為0.01m/a。這種相反的變化趨勢(shì)是一種偶極子的形態(tài)。北太平洋波浪變化的最顯著特征是中緯度帶的明顯減小趨勢(shì),遞減率約為 0.01m/a,波浪在北太平洋東北和西南方向的小區(qū)域呈增大趨勢(shì),在過(guò)去19a約增大了0.4m(遞減率為0.02m/a)。

2)通過(guò)統(tǒng)計(jì)比較波浪、風(fēng)場(chǎng)及SLP的變化特征得出:與風(fēng)速變化的空間分布相比,SLP變化趨勢(shì)的等值線更平滑并且與波浪大尺度變化的空間形態(tài)更相近,相位相反,大氣壓的增強(qiáng)趨勢(shì)對(duì)應(yīng)著波浪的遞減,大氣壓的變?nèi)踮厔?shì)對(duì)應(yīng)著波浪的遞增。

3)PCA方法揭示了1993—2011年北大西洋波浪的變化與北大西洋濤動(dòng)有密切的聯(lián)系,具體地說(shuō):波浪在北大西洋西南區(qū)域的增強(qiáng)和東北區(qū)域的減弱與SLP時(shí)間系數(shù)的減小趨勢(shì)有關(guān),此時(shí),亞述爾高壓和冰島低壓減弱,2個(gè)氣壓變異中心的氣壓差較小。北太平洋波浪變化的主要模態(tài)呈現(xiàn)整體同相位變化(第一模態(tài))和南北反相位變化(第二模態(tài)),時(shí)間系數(shù)震蕩較劇烈的幾個(gè)年份主要分布1994、1998、2002、2009年(第一模態(tài))和 1997、1999、2003、2008 年(第二模態(tài)),波浪的這種大尺度變化與SLP距平場(chǎng)的大尺度震蕩特征十分吻合,由此可以定性地看出,大氣環(huán)流場(chǎng)的異常震蕩可能是引起波浪長(zhǎng)期變化的重要原因。

李訓(xùn)強(qiáng),鄭崇偉,蘇 勤等,2012.1988—2009年中國(guó)海波候、風(fēng)候統(tǒng)計(jì)分析.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),42(9):1—9

鄭崇偉,李訓(xùn)強(qiáng),潘 靜,2012a.近45年南海-北印度洋波浪能資源評(píng)估.海洋科學(xué),36(6):101—104

鄭崇偉,林 剛,孫 巖等,2012b.近 45年太平洋海浪特征分析.熱帶海洋學(xué)報(bào),31(6):6—12

黃 勇,2008.東中國(guó)海波候?qū)值貧夂蜃兓捻憫?yīng)研究.青島:中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士學(xué)位論文

Allan J,Komar P,2000.Are ocean wave heights increasing in the eastern North Pacific? Eos Transactions American Geophysical Union,81:561—567

Bacon S,Carter D J T,1991.Wave climate changes in the North Atlantic and North Sea.International Journal of Climatology,11(5):545—558

Bouws E,Jannink D,Komen G J,1996.The increasing wave height in the North Atlantic Ocean.Bulletin of the American Meteorological Society,77(10):2275—2277

Gǖnther H,Rosenthal W,Stawarz Met al,1997.The wave climate of the Northeast Atlantic over the period 1955—1994:The WASA wave hindcast.The Global Atmosphere and Ocean System,6:121—163

Guillaume D ,Xavier B,Rui T,2010.Wave climate variability in the North-East Atlantic Ocean over the last six decades.Ocean Modelling,31(3—4):120—131

Kushnir Y,Cardone V J,Greenwood J G,1997.The recent increase in North Atlantic wave heights.Journal of Climate,10:2107—2113

Seymour R J,2011.Evidence for Changes to the Northeast Pacific Wave Climate.Journal of Coastal Research,27(1):194—201

The WASA Group,1998.Changing waves and storms in the Northeast Atlantic? Bulletin of the American Meteorological Society,79(5):741—760

Woolf D K,Challenor P G,Cotton P D,2002.Variability and predictability of the North Atlantic wave climate.Journal Of Geophysical Research ,107(10):3145—3159