北大西洋海表風速季節(jié)特征及長期變化趨勢分析

摘 要：利用來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的長時間序列、高精度的ERA-40海表10 m風場資料，對北大西洋海域海表風場的季節(jié)特征、長期變化趨勢進行深入研究，研究發(fā)現(xiàn)：（1）北大西洋海域的海表風速等值線在各季均大致呈東西帶狀分布，且由高緯度向赤道表現(xiàn)出高—低—高—低的分布特征。MAM和SON期間海表風速的分布特征較為相似，大值中心分布于北半球西風帶海域；DJF期間的海表風速為全年最大；JJA期間的海表風速為全年最小。加勒比海海域常年存在一風速的相對大值中心。從多年平均來看，風速存在一明顯的、范圍較廣的大值區(qū)：西風帶海域，加勒比海也存在一范圍較小的大風區(qū)。（2）1958年至2001年期間，北大西洋海域的海表風速以0.0049 m·s-1·a-1的速度顯著性逐年線性遞增。（3）北大西洋海表風速的變化趨勢表現(xiàn)出較大的區(qū)域性差異：呈顯著性逐年線性遞增的區(qū)域主要分布于30°N以下的低緯度海域，變化趨勢在0.01～0.025 m·s-1·a-1左右，西班牙東北部近海的遞增趨勢最為強勁，達到0.035 m·s-1·a-1以上，墨西哥灣和加勒比海則呈顯著性逐年線性遞減，趨勢為-0.015 m·s-1·a-1左右，其余海域的海表風速無顯著變化趨勢。（4）近44年期間，北大西洋海域的海表風速存在明顯的突變現(xiàn)象，突變期為1972年前后。

關鍵詞：北大西洋 ERA-40風場 季節(jié)特征 長期變化趨勢

中圖分類號：X-1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（a）-0135-04

海表風場對海氣相互作用、大氣循環(huán)等都有重要影響[1-5]，海表風場對人類的經(jīng)濟、軍事等活動同樣有著重要影響，大風大浪常帶來嚴重災害，甚至災難，如1979年11月，我國“渤海2h號”鉆井船受寒潮帶來的大浪襲擊而沉沒，1982年至1990年間，中國近海因臺風浪翻沉各類大小船只14345艘，損壞9468艘，平均每年沉損各類船只2600余艘[1～6]。海表風速的大小、穩(wěn)定性等更是直接影響著海上風能、波浪能資源的開發(fā)利用[6～23]。本文利用來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF—— European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的ERA-40海表10 m風場資料，對整個北大西洋海域海表風場的季節(jié)特征和長期變化趨勢進行深入研究，為航海、海洋工程、海洋資源開發(fā)等提供參考。

1 資料簡介

ERA-40海表10 m風場來自歐洲中期天氣預報中心[1～5]（ECMWF—— European Centre for Medium-Range Weather Forecasts），其時間范圍從1957年09月01日00：00時至2002年8月31日18：00時，時間分辨率為6小時；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°。

下載地址為：http：//www.ecmwf.int/products/data/archive/descriptions/e4/era40_lto2.html。

2 海表風場特征分析

2.1 海表風場的季節(jié)特征

將北大西洋海域的海表風速從1957年08月至2002年07月取多年季節(jié)平均，得到該海域海表風速MAM（March，April，May）、JJA（June，July，August）、SON（September，October，November）、DJF（December，January，F(xiàn)ebruary）期間及多年平均海表風速的分布特征，見圖1、圖2。

季節(jié)特征：北大西洋海域的海表風速等值線在各季均大致呈東西帶狀分布，且有高緯度向赤道表現(xiàn)出高—低—高—低的分布特征，與三風四帶相吻合。MAM期間：海表風速的大值中心分布于西風帶海域，平均風速在8 m·s-1，高值中心達到9 m·s-1以上，在20°N附近海域存在一個風速的相對低值區(qū)，呈東西帶狀分布，春季和夏季皆存在，平均風速在6 m·s-1左右，赤道附近的平均風速較低，尤其是MAM期間，平均風速在4 m·s-1以內，且還存在一低值中心，風速在3 m·s-1左右；JJA期間：海表風速為全年最小，西風帶海域仍為風速的相對大值區(qū)，但此時平均風速已經(jīng)降至7 m·s-1左右，詳見圖1b；SON期間：海表風速的分布特征與MAM期間較為相似，僅僅是在數(shù)值上略高于MAM期間，（見圖1a和圖1c）DJF期間：海表風速為全年最大，平均風速在10～11 m·s-1，西風帶的大風區(qū)的平均風速在11 m·s-1以上。值得注意的是：加勒比海海域常年存在一風速的相對大值中心。從多年平均來看，風速存在一明顯的、范圍較廣的大值區(qū)：西風帶海域，年平均風速約8～9 m·s-1，此外，加勒比海也存在一范圍較小的大風區(qū)，年平均風速約8 m·s-1。

從年平均風速的分布特征來看，大值區(qū)仍主要分布于40°N～60°N之間的西風帶海域，該區(qū)域的年平均風速基本在8 m·s-1以上，高值中心能達到9 m·s-1以上，此外還存在一相對大值區(qū)：加勒比海，年平均風速可達到8 m·s-1以上；哈德孫灣的年平均風速在7 m·s-1左右；20°N～30°N之間海域的年平均風速在6 m·s-1以內；戴維斯海峽和赤道附近海域的年平均風速較小，分別為6 m·s-1以內、5 m·s-1以內，詳見圖2。

2.2 長期變化趨勢

將北大西洋海域的海表風速從1958年至2001年進行逐年區(qū)域平均，采用一元線性回歸方法，分析該海域海表風速近44年的整體變化趨勢。

具體計算方法如下：

（1）

式（1）為回歸方程，b為線性趨勢的回歸系數(shù)。相關系數(shù)為r，用于線性趨勢的信度檢驗。

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

由圖3可見，相關系數(shù)|r|=0.71>r0.05= 0.29，通過了95%的信度檢驗，線性變化趨勢顯著，回歸系數(shù)為0.0049，也就是說，近44年期間，北大西洋海域的海表風速以0.0049 m·s-1·a-1的速度顯著性逐年線性遞增。在1958年至1967年期間，該海域的海表風速變化趨勢較為平緩，1968年至1974年期間則表現(xiàn)出一波較為強勁的遞增趨勢，在1975年至2001年期間表現(xiàn)出緩慢的遞增趨勢，平均風速維持在6.3 m·s-1左右（見圖3）。

為了體現(xiàn)北大西洋海域海表風速變化趨勢的區(qū)域性差異，本文還采用線性回歸方法，計算了2.5°×2.5°逐網(wǎng)格點上海表風速的變化趨勢，見圖4。由圖4可以明顯看出，北大西洋海表風速的變化趨勢表現(xiàn)出較大的區(qū)域性差異：呈顯著性逐年線性遞增的區(qū)域主要分布于30°N以下的低緯度海域，變化趨勢在0.01～0.025 m·s-1·a-1左右，西班牙東北部近海的遞增趨勢最為強勁，達到0.035 m·s-1·a-1以上，此外在冰島附近的一些零星海域也表現(xiàn)出顯著性遞增，墨西哥灣和加勒比海則呈顯著性逐年線性遞減，趨勢為-0.015 m·s-1·a-1左右，其余海域的海表風速無顯著變化趨勢。

2.3 突變形勢

將北大西洋海域的海表風速從1958年至2001年進行逐年區(qū)域平均，利用MK（Mann-Kendall）檢驗分析方法，分析1958年至2001年期間北大西洋海域海表風速的突變形勢。如果UF與UB線相交，且交點位于兩條臨界線之間，則說明存在明顯的突變形式（見圖5）。UF與UB線相交于1972年，表明近45年期間北大西洋海域海表風速的突變期為1972年。值得注意的是：UF曲線在1958年至1967年期間的走勢較為平緩，在1968年至2001年期間則表現(xiàn)出遞增趨勢，與圖3的結論吻合。

3 結論

（1）北大西洋海域的海表風速等值線在各季均大致呈東西帶狀分布，且有高緯度向赤道表現(xiàn)出高—低—高—低的分布特征。MAM和SON期間海表風速的分布特征較為相似，大值中心分布于北半球西風帶海域；DJF期間的海表風速為全年最大；JJA期間的海表風速為全年最小。加勒比海海域常年存在一風速的相對大值中心。從多年平均來看，風速存在一明顯的、范圍較廣的大值區(qū)：西風帶海域，加勒比海也存在一范圍較小的大風區(qū)。

（2）1958年至2001年期間，北大西洋海域的海表風速以0.0049 m·s-1·a-1的速度顯著性逐年線性遞增。在1958年至1967年期間，該海域的海表風速變化趨勢較為平緩，1968年至1974年期間則表現(xiàn)出一波較為強勁的遞增趨勢，在1975年至2001年期間表現(xiàn)出緩慢的遞增趨勢。

（3）北大西洋海表風速的變化趨勢表現(xiàn)出較大的區(qū)域性差異：呈顯著性逐年線性遞增的區(qū)域主要分布于30°N以下的低緯度海域，變化趨勢在0.01～0.025 m·s-1·a-1左右，西班牙東北部近海的遞增趨勢最為強勁，達到0.035 m·s-1·a-1以上，墨西哥灣和加勒比海則呈顯著性逐年線性遞減，趨勢為-0.015 m·s-1·a-1左右，其余海域的海表風速無顯著變化趨勢。

（4）近44年期間，北大西洋海域的海表風速存在明顯的突變現(xiàn)象，突變期為1972年前后。

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