近45年北印度洋海表風、浪特征研究

鄭友華, 鄭崇偉, 李訓強, 劉志宏

(1. 海軍蚌埠士官學校, 安徽 蚌埠 233012; 2. 解放軍理工大學 氣象學院, 江蘇 南京 211101; 3. 92538部隊氣象臺, 遼寧 大連 116041)

近45年北印度洋海表風、浪特征研究

鄭友華1, 鄭崇偉2,3, 李訓強2, 劉志宏3

(1. 海軍蚌埠士官學校, 安徽 蚌埠 233012; 2. 解放軍理工大學 氣象學院, 江蘇 南京 211101; 3. 92538部隊氣象臺, 遼寧 大連 116041)

基于第三代海浪數值模式(WAVEWATCH-Ⅲ), 以 ERA-40海表風場為驅動場, 得到北印度洋1957年9月~2002年8月的海浪場, 并分析其特征。研究發現, 北印度洋1958~2001年年平均海表風速和有效波高均呈緩慢遞增趨勢; 北印度洋的海表風速、有效波高存在2.36~5.2 a左右的共同周期及26 a的長周期震蕩; 北印度洋海域年平均海表風速、有效波高的突變形勢與冬季相似, 突變期在20世紀80年代初。本研究可以為在北印度洋這一重要戰略通道上作業的船只提供重要參考。

第三代海浪數值模式(WAVEWATCH-Ⅲ ); ERA-40海表風場; 年變化; 周期; 突變

北印度洋是全球海上航運中心之一, 具有重要的戰略地位, 亞丁灣是我國護航重點海域。該海域海表風、浪特征分布復雜, 對航海、海洋工程設計、軍事等方面都有重要影響, 對印度洋的海表風、浪特征做更深入研究極為重要。目前我國國內對印度洋中某些重點海域的研究較多, 專門研究整個北印度洋風、浪特征的還較少。本文研究北印度洋長時間風、浪特征, 關注其分布特征以及變化規律, 以期為在北印度洋這一重要戰略通道上作業的船只提供參考。

1 資料來源、模擬方法及資料驗證

ERA-40(歐洲中期天氣預報中心40年再分析)海表風場的空間分辨率為 2.5°×2.5°, 時間分辨率為6 h。該數據的時間范圍從1957年9月1日00:00 ~2002年8月31日18:00, 空間范圍覆蓋全球。

本文以 ERA-40海表風場驅動第三代海浪數值模式(WAVEWATCH-Ⅲ), 計算范圍為 10°S～30°N,40°～140°E, 分辨率取 0.5°×0.5°, 計算時間從 1957年9月1日00:00~2002年8月31日18:00。積分步長900 s, 每3 h輸出一次結果。海表風場、海浪資料均已經過梅勇等[1]與 ICOADS(綜合海洋大氣數據集)對比檢驗, 具有較高精度。從中截取北印度洋(0°S～30°N, 40°～105°E)用作本文分析。

2 結果分析

2.1 海表風速、波高、周期的季節特征

以 ERA-40海表 10 m 高度風場驅動WAVEWATCH-Ⅲ, 得到北印度洋風速、風向及有效波高、波向和平均周期季平均特征及全年風速、有效波高平均特征, 如圖1~圖3, 可以看出:

(1)春季, 大陸沿岸季平均風速較大, 大洋中部季平均風速較小。阿拉伯海東北部沿岸、孟加拉灣西部及北部沿岸、索馬里沿岸(含亞丁灣)季平均風速較大, 前兩者達5 m/s以上, 后者也達到4.5 m/s以上;蘇門答臘周邊海域、孟加拉灣東南部、阿拉伯海盆中部以及赤道中西印度洋具有較小的季平均風速,均在1 m/s以下, 局部在0.5 m/s以下。以60°E左右為界, 西面吹東風或偏東風, 東面吹西風或偏西風,阿拉伯海盆中部低值區(14°N, 58°E附近)有顯著的反氣旋式環流, 印度半島近岸海域風向呈經典的沿岸風(左岸)特征, 即印度半島以西吹西北風或偏北風、以東吹西南風或偏南風, 波斯灣呈大陸風特征。與風速相對應, 北印度洋春季沿岸波高較大, 大洋中部波高較小。阿拉伯海東北部沿岸、孟加拉灣北部沿岸、斯里蘭卡東南部海域以及索馬里東部沿岸具有較大的季平均有效波高, 前三者達 0.8 m以上,后者也達0.6 m以上; 蘇門答臘周邊海域、孟加拉灣東南部、阿拉伯東南海域、波斯灣以及赤道中西印度洋具有較小的季平均有效波高, 均在0.2 m左右。北印度洋春季海浪有明顯的從低緯向高緯傳播的特征, 在印度半島近岸海域, 波向幾乎與岸平行, 60°E以西波向與風向正好相反, 以東波向與風向相吻合。春季北印度洋波周期均較小, 除蘇門答臘西岸部分海區外, 平均周期均在5 s以下。

圖1 近45年北印度洋春、夏、秋、冬季的平均風速和平均有效波高及其方向Fig. 1 Average speeds and directions of surface winds and average wave-heights in the North Indian in various seasons from 1957 to 2002

圖2 近45年北印度洋年平均風速和年平均有效波高Fig. 2 Average surface wind-speeds and wave-heights in the North Indian from 1957 to 2002

圖3 近45年北印度洋春、夏、秋、冬季的平均波周期分布Fig. 3 Distribution of average wave periods in the North Indian in seasons from 1957 to 2002

(2)夏季, 除波斯灣、紅海等吹大陸風外, 北印度洋均吹西南風或偏西風。孟加拉灣中部和阿拉伯海西南大部具有很大的季平均風速, 前者在8 m/s以上,后者更是達12 m/s以上;赤道中東印度洋、波斯灣季平均風速相對較小, 在3 m/s左右, 其中蘇門答臘周邊海域在2 m/s以下。夏季北印度洋波向與風向相對應, 并從低緯向高緯傳播, 并有自西向東傳播的趨勢。與季平均風速對應, 阿拉伯海西南大部海域季平均有效波高在 3 m以上, 其中索科特拉島附近超過3.5 m, 孟加拉灣中部季平均有效波高也在1.5 m以上; 赤道中東印度洋、印度半島東部沿海、波斯灣和亞丁灣季平均有效波高相對較小, 在0.5 m以下。夏季北印度洋波周期很大, 其中阿拉伯海、赤道東印度洋平均周期均在7 s以上, 表現出很強的涌浪特征。

(3)秋季, 大洋中部仍受西南季風的影響, 與夏季環流形式一致, 而在印度半島周邊海域, 形成一個非常明顯的氣旋式環流, 其西面已經完全轉向為西北風。斯里蘭卡南部海域、亞丁灣和肯尼亞東海岸均具有5 m/s以上季平均風速, 阿拉伯海大部、孟加拉灣北部季平均風速均在2 m/s以下, 其中阿拉伯半島東南部存在一個風速在0.5 m/s以下的準靜風區,位置比春季準靜風區稍靠北。秋季北印度洋平均有效波高較夏季小了很多, 除索馬里東部和斯里蘭卡東南部海域外, 均在1 m以下。波向與夏季相當, 從低緯向高緯傳播, 在 6°N 以南的低緯海區, 自西向東傳播的趨勢非常明顯。秋季北印度洋波周期比春季略大, 大部分海區均在5 s以上。

(4)冬季, 除波斯灣、紅海等吹大陸風外, 北印度洋盛行東北風或偏北風。西北印度洋大部以及孟加拉灣南部均有5 m/s以上季平均風速, 其中索馬里東部沿海達7 m/s以上; 蘇門答臘周邊海域、印度半島西南沿海以及波斯灣季平均風速均在2 m/s以下, 局部在1.5 m/s以下。冬季, 除印度半島西部沿海、孟加拉灣東北部以及波斯灣自東南向西北傳播外, 北印度洋大部分海區海浪均從東北向西南傳播, 在6°N以南的低緯海區, 幾乎平行于赤道向西傳。季平均有效波高比秋季更小, 除索馬里東部沿海在1.2 m以上、孟加拉灣西南部在0.8 m以上外, 其他均在0.6 m以下。冬季, 除赤道印度洋外, 北印度洋平均周期均小于5 s。

(5)西北印度洋索馬里沿海和孟加拉灣南部具有很大的年平均風速, 前者在 7 m/s以上, 局地超過8 m/s, 后者也在6 m/s以上; 蘇門答臘周邊海域、孟加拉灣東部、北部和印度半島西南沿海以及波斯灣具有較小的年平均風速, 在2 m/s以下。與風速對應,阿拉伯海大部具有1.2 m以上的年平均有效波高, 其中索馬里東北部海域達1.4 m以上, 孟加拉灣南部也具有1 m以上的年平均有效波高。赤道東印度洋全年平均波周期較大, 均在5.5 s以上。

綜合全年來看, 北印度洋主要受季風影響, 冬夏兩季風速較大, 春秋兩季風速較小; 夏秋兩季有效波高較大, 冬春兩季較小。其中夏季風速、有效波高明顯高于其他三季。從海區來看, 索馬里附近海域冬夏兩季均存在大風大浪, 春秋呈準靜風狀態, 但有效波高仍然很大, 斯里蘭卡東南部海域則相反,春秋兩季均存在明顯的大風大浪區, 冬夏兩季不明顯。這表明此兩海區的季節調整比其他海區更早且更明顯。蘇門答臘周邊海域常年存在風、浪低值區。赤道東印度洋波周期常年較大, 表現出將明顯的涌浪特征; 紅海、阿拉伯海等邊緣海區波周期常年很小。

2.2 海表風速、波高的年平均變化特征

將北印度洋 1958~2001年的海表風速、有效波高進行逐年平均, 得到各個要素 44年的年平均值,用線性回歸方法[2]分析其變化趨勢, 如圖4。

圖4 1958~2001年北印度洋海表風速、有效波高的年平均變化趨勢及其回歸曲線Fig. 4 Trend and regression curve of annual average speeds ofsurface winds and wave heights in the North Indian from 1958 to 2001

海表風速回歸系數為 0.0062, 相關系數|r|=0.5258>r0.01=0.38; 有效波高回歸系數為 0.002,相關系數|r|=0.5689>r0.01=0.38。表明北印度洋1958~2001年年平均海表風速和有效波高均呈緩慢遞增趨勢, 且都通過了α=0.01的顯著性檢驗。

2.3 海表風速、波高的周期變化特征

將北印度洋 1958~2001年的海表風速、有效波高進行逐年平均, 得到各個要素 44年的年平均值,用功率譜[2]分析各個要素的周期, 如圖5。

圖5 北印度洋海表風速、有效波高的功率譜Fig. 5 Power spectra of surface winds and wave heights in the North Indian

海表風速具有明顯的 2.36~5.2 a的主周期變化及26 a的長周期震蕩, 有效波高具有明顯的2~5.2 a的主周期變化及26 a的長周期震蕩。

在上述要素的這些周期上, 功率譜估計值都超過了a=0.05(95%)的紅噪音檢驗標準譜。北印度洋的海表風速、有效波高存在 2.36~5.2 a的共同周期及26 a的長周期震蕩。

2.4 M-K檢驗

M-K(MANN-KENDALL)檢驗方法是一種非參數統計檢驗方法, 它不需要樣本遵從一定的分布,也不考慮少數異常值的干擾。其優點在于不僅計算簡便, 而且可以明確突變時間, 給出突變區域。通過分析UF與UB曲線, 用M-K檢驗方法可以非常直觀地看出統計量的突變形式[3]。

將北印度洋 1958~2001年的海表風速、有效波高進行逐年季節平均和逐年平均, 得到各個要素 44年的季節平均值及年平均值, 用 M-K檢驗方法分析其突變特征, 如圖6。

圖6 北印度洋1958~2001年逐年冬、夏季及全年的平均風速、有效波高的M-K檢驗Fig. 6 M-K inspection in average surface wind-speeds and wave-heights in the North Indian in winters,summers or years from 1958 to 2001

自1981年, 北印度洋海域冬季海表風速存在較強的增強趨勢, 增強趨勢均超過 0.05顯著性水平臨界線(臨界值為±1.96), UF線與UB線交于20世紀80年代初, 且交點在臨界線之間, 說明北印度洋海域的冬季海表風速突變期在20世紀80年代初。冬季有效波高的突變形勢與海表風速突變形勢吻合較好,只是在1974年到1980年之間有一個調整期。

北印度洋海域夏季海表風速沒有明顯的突變形勢, 自 1969年, 一直都只有非常弱小的年變率。夏季有效波高1964年到1973年之間進入調整期, 之后緩慢增強。

北印度洋海域年平均海表風速、有效波高的突變形勢與冬季大體相似, 突變期比冬季晚1～2 a。

對照文獻[4~5], 可以看出, 北印度洋風速、有效波高的突變形勢與海表溫度、水平環流突變形勢是相似的。

3 結論

(1)索馬里附近海域冬夏兩季均存在大風大浪,春秋呈準靜風狀態, 但有效波高仍然很大, 斯里蘭卡東南部海域春秋兩季均存在明顯的大風大浪區,冬夏兩季不明顯。表明此兩海區的季節調整比其他海區更早且更明顯。蘇門答臘周邊海域常年存在風、浪低值區。赤道東印度洋波周期常年較大, 表現出將明顯的涌浪特征。

(2)北印度洋1958~2001年年平均海表風速和有效波高均呈緩慢遞增趨勢。

(3)北印度洋的海表風速、有效波高存在 2.36~5.2 a的共同周期及26 a的長周期震蕩。

(4)北印度洋海域海表風速冬季自 1981年存在較強的增強趨勢, 有效波高的突變形勢與海表風速突變形勢吻合較好; 夏季沒有明顯的突變形勢。年平均風速、有效波高的突變形勢與冬季大體相似, 突變期在20世紀80年代初。

[1]梅勇, 周林. 北印度洋－南海海域海浪場、風場的年變化特征分析[J]. 氣象水文裝備, 2010, 21(5): 37-40.

[2]陳上及, 馬繼瑞. 海洋數據處理分析方法及其應用[M].北京: 海洋出版社, 1991.

[3]魏鳳英. 現代氣候統計診斷與預測技術[M]. 北京:氣象出版社, 1999: 69-70.

[4]肖棟. 全球海氣系統年代際突變的研究[D]. 蘭州:蘭州大學, 2008.

[5]徐建軍, 王東曉. 印度洋-太平洋海溫的年際、年代際異常及其對亞洲季風的影響[J]. 海洋學報, 2000,22(3): 34-43.

Wave analysis of the North Indian Ocean from 1957 to 2002

ZHENG You-hua1, ZHENG Chong-wei2,3, LI Xun-qiang2, LIU Zhi-hong3
(1. Bengbu Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012,China; 2. Institute of Meteorology, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China; 3. 12 Unit, NO. 92538 Army of PLA, Dalian 116041,China)

Oct.,3,2010

WAVEWATCH - Ⅲ; ERA-40; annual variation; cycle; saltation

Characteristics of waves from Sep. 1957 to Aug. 2002 in the North Indian had been analyzed, on the basis of WAVEWATCH - Ⅲ drived with ERA- 40 sea-surface wind field. The North Indian monsoon was affected mainly by winter and summer. Wave-heights in summer were obviously higher than those in other seasons.Year-averages of surface winds or wave-heights were slowly increasing in the North Indian, 1958~2001. The cycles of 2.36–5.2 years of sea-surface winds and wave-heights were the same, and so were the cycles of longer than 26 years. In the North Indian, saltation with year-average of surface winds and wave-heights were similar to winter in the early 1980s.

P731.22

A

1000-3096(2012)08-0053-06

2010-10-03;

2012-06-11

國家自然科學基金項目(41076048)

鄭友華(1986-), 男, 重慶大足人, 碩士, 主要從事海洋動力學及數值計算研究工作, 電話: 15955209383, E-mail: 147695116@qq.com

劉珊珊)