1993—2011年北大西洋與北太平洋的波浪變化及其原因探究*

石永芳 楊永增 吳克儉① 尹訓(xùn)強(qiáng)

(1.中國海洋大學(xué)海洋 青島 266100;2.國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,對波浪嚴(yán)重性估計(jì)過低將導(dǎo)致近岸和近海工程被破壞,而估計(jì)過高又將導(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)動形式,時(shí)刻影響著海氣界面水汽、熱量、動量的交換,對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。Bouws等(1996)收集超過2萬張的手繪波圖,利用波圖分析了 1960—1985年北大西洋波浪的變化趨勢,研究結(jié)果表明:在此期間波浪并沒有明顯的長時(shí)間尺度變化。Allan等(2000)和Seymour(2011)利用浮標(biāo)觀測資料分別分析了1980—2000年、1984—2007年東北太平洋波浪的變化趨勢,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,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指數(shù)(EP)、南方濤動指數(shù)(MEI)、太平洋十年濤動指數(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)測衛(wèi)星高度計(jì)資料對波浪隨時(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,總體變化趨勢并不明顯。

隨著數(shù)值計(jì)算和波浪模式的發(fā)展,越來越多的工作利用后報(bào)和預(yù)報(bào)的波浪數(shù)據(jù)來研究波候。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)場驅(qū)動模式,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。Günther等(1997)和The WASA Group(1998)通過模式得到了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)動波浪模式,計(jì)算了過去 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。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-北印度洋和中國海的海浪場,并分析其變化特征。

綜上所述,一方面,由于觀測手段和技術(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,而使用實(shí)測數(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(美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心)提供的月平均風(fēng)場及 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及可能的原因。

通過計(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,并討論了其與大氣調(diào)制作用的相關(guān)關(guān)系,對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)的觀測值,通過線性趨勢分析及顯著性檢驗(yàn),得到有效波高的變化趨勢。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(美國國家大氣研究中心)數(shù)據(jù)庫提供的1993年1月—2011年12月平均風(fēng)場的再分析數(shù)據(jù);(3)NCEP和NCAR數(shù)據(jù)庫提供的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)的觀測值。圖1顯示,超過70%網(wǎng)格的觀測點(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。基于上述方法所得的各網(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 PCA將波浪的變化與大氣的調(diào)制作用聯(lián)系起來,PCA可以將變量場的信息集中在幾個(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及與其對應(yīng)的風(fēng)場、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)場及SLP的變化 圖3為1993—2011年北大西洋有效波高的變化趨勢,波浪的增大趨勢占據(jù)了北大西洋的大部分,在美國和加拿大東岸存在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,大約每年增加0.03m,與此增大趨勢伴隨的減小趨勢主要位于法韋爾角和比斯開灣連線東北部的北大西洋區(qū)域,在過去的 19a中約減小了0.2m(遞減率為0.01m/a)。總體看來,波浪在北大西洋的西南區(qū)域呈增大趨勢,而在東北大西洋區(qū)域呈減小趨勢,這種相反的變化趨勢是一種偶極子的形態(tài),與北大西洋濤動(NAO)形態(tài)相似。

圖3 北大西洋波浪變化趨勢的空間分布(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)該了解過去19a風(fēng)場的變化特征,而風(fēng)場的變化與整個(gè)北大西洋大氣背景場的變化又是密不可分的。因此,利用NCEP提供的月平均風(fēng)場和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。

圖4、圖5分別給出了 19a(1993—2011年)風(fēng)速和SLP的變化趨勢。風(fēng)速變化趨勢的主要特點(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;與此增大趨勢相對應(yīng)的是風(fēng)速在東北大西洋區(qū)域的減小趨勢。總體來看,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,以圖中黑色加粗的 0等值線作為界線,SLP的減小趨勢分布在北大西洋的大部分地區(qū),與此對應(yīng)的增大趨勢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)場變化趨勢的空間分布(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)場驅(qū)動,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的減弱趨勢對應(yīng)著波浪的增大,SLP的增強(qiáng)趨勢對應(yīng)著波浪的減小,二者變化相位相反。我們有理由推測:就整個(gè)北大西洋波浪的長期趨勢而言,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,對過去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)對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)有明顯的年際變化,對時(shí)間系數(shù)進(jìn)行滑動平均,如圖6b所示,虛線為圖6a對應(yīng)的時(shí)間系數(shù),實(shí)線為滑動平均曲線,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)的趨勢圖,可以清楚地看到,時(shí)間系數(shù)呈減小趨勢,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。在過去 19a,第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)總體呈減小趨勢,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。

圖9 北大西洋波浪第二模態(tài)的空間分布(a)及對應(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,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,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,在過去19a約增大了0.4m(遞減率為0.02m/a)。

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

如圖12所示,風(fēng)速的減小趨勢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,與此減小趨勢對應(yīng)的是北美西岸及我國東部沿岸海區(qū)的增大趨勢。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)流場的異常震蕩可能是引起波浪長期變化的重要原因。

圖14 SLP第一模態(tài)的空間分布(a)及對應(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,并由波浪的變化追根溯源到風(fēng)場的變化,進(jìn)一步研究了大尺度背景場-SLP的變化,通過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去19a(1993—2011年)的變化趨勢,利用NCEP/NCAR月平均風(fēng)場和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)波浪的增大趨勢主要分布在北大西洋的西南區(qū)域,自1993年以來,約以0.03m/a的比例增加,與此增大趨勢伴隨的減小趨勢主要位于法韋爾角和比斯開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,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,在過去19a約增大了0.4m(遞減率為0.02m/a)。

2)通過統(tǒng)計(jì)比較波浪、風(fēng)場及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)趨勢對應(yīng)著波浪的遞減,大氣壓的變?nèi)踮厔輰?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有密切的聯(lián)系,具體地說: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)流場的異常震蕩可能是引起波浪長期變化的重要原因。

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