東南太平洋海域45年波浪時(shí)空變化規(guī)律研究

中圖分類號(hào)：U65 ;P731 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：105-9857（2025）01-043-09

SpatialandTemporalVariationAnalysisofWavein theSoutheastPacificOceanOverthePast45years

Abstract：Usingthe ERA5 reanalysis datafrom the European Centrefor Medium-Range WeatherForecasts（ECMWF），thesatialandtem oraldistributionsofwindwaves，swelsand mixedwavesintheSoutheastPacificwatersareanalzedforthe eriod1979—2023，aswelas thelong-termtrendofthewavefieldusingtheTheil-sen method.Theresultsshowthat：the windfieldinthisareais dominated bythesoutheasttrade winds，showing a gradualy decreasingdistributionfromthemid-lowlatitudetotheequatorialand mid-latitudeareas;the mixedwavesandswelsaremainlyafectedbytheremoteswelsoftheSoutheastPacificOcean， and the wind and waves are controlled by the local wind field;the wind field，mixed waves， swels，andwindwavesinthedryseasonperiodarehigherthanthatintherainyseasonperiod; thewaveperiodisdominatedbythe medium-longperiod;thejointdistributionofthewave heiht eriodshowsanu erbuleelisoid;themixedwaves，swels，andwindwavesallast foralongtime;andthe wavefield，mixed waves，swels，and wind wavesalcontinueto changeforalongtime.waves，swelwavesandwindwavesalcontinuetoshowageneralupwardtrend，withgrowthratesof 0.21cm/a ， 0.26cm/a and 0.20cm/a ，respectively，withswel wavesshowingthemostsignificantgrowth.Itisexpectedthattheseastatechangerulesintime andspaceobtainedinthispapercanprovidereferenceforshiping，oceanengineringconstructionandoceanener utilizationintheSoutheastPacificOcean.

Keywords：SoutheastPacificOcean，Wavespatialandtemporaldistribution，Theil-Senmethod

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)，中國與南美國家在基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通等領(lǐng)域的合作日益密切。作為中國在南美的全面戰(zhàn)略合作伙伴，秘魯在推動(dòng)“一帶一路”與南美洲基礎(chǔ)設(shè)施一體化倡議（IRSA）對(duì)接方面具有獨(dú)特地位和重要作用[1-2]。但東南太平洋海域的海洋情況十分復(fù)雜，全面研究東南太平洋海域的海況特征對(duì)船舶航行、港口工程建設(shè)及深遠(yuǎn)海資源開發(fā)等具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

Lemos等[3]使用CMIP6全球波浪氣候模型與ERA5再分析和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，該模型也能夠準(zhǔn)確模擬全球波浪氣候，包括有效波高、平均和峰值波周期以及平均波向。Stefanakos等[4]對(duì)比了ERA5再分析數(shù)據(jù)和 WW3模型，結(jié)果表明這兩個(gè)數(shù)據(jù)集基本一致。Aarnes等[5]使用 ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)，研究了1979—2012年全球海上風(fēng)速和有效波高的趨勢。 等[6]使用 模型對(duì)南太平洋海域進(jìn)行了氣候模擬。吳秋原等[7]基于ERA5和ERA-Interim 再分析資料，分析了1979—2018年長江口及鄰近東海海域的風(fēng)場和波浪場特征。杜文彥等[8]利用 ERA5 再分析數(shù)據(jù)，分析了1979—2018年中國近海極端波高的時(shí)空特征及其與厄爾尼諾現(xiàn)象的 關(guān) 聯(lián)。易 風(fēng) 等[9]基 于 ERA-Interim 再分析資料，研究了1979—2015年南海海域波浪的時(shí)空分布特征。李昕昱等[10]基于 ERA5數(shù)據(jù)研究了1979—2020年中國海域風(fēng)能和波浪能的長期趨勢和多尺度變化特征。Shi等[11]結(jié)合中國海域6個(gè)浮標(biāo)的波浪數(shù)據(jù)，對(duì)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析數(shù)據(jù)的波高和周期的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估。Ribal等[12]將13個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)（有效波高與風(fēng)速數(shù)據(jù)集）與國家海洋數(shù)據(jù)中心（NODC）浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗(yàn)證。王華等[13]基于 ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)計(jì)算和分析了全球大氣波導(dǎo)的發(fā)生概率、強(qiáng)度和高度的時(shí)空分布。

由于觀測資料的有限，且該區(qū)域海況惡劣，以往研究中較少對(duì)東南太平洋海域進(jìn)行較長時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析，本文結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心最新的ERA5再分析資料進(jìn)行空間和時(shí)間上的分析，統(tǒng)計(jì)分析1979—2023年東南太平洋海域風(fēng)場及波浪場的干雨季節(jié)特征，利用 Theil-Sen法分析波浪場年際變化趨勢。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料介紹

作為全球主要再分析數(shù)據(jù)中心之一的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF），其第五代產(chǎn)品 ERA5是最新的再分析數(shù)據(jù)集。ERA5涵蓋1979年至今的數(shù)據(jù)，并持續(xù)更新。相較前一代 ERA-Interim，ERA5采用改良的同化系統(tǒng)和預(yù)報(bào)模式，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性顯著提高。ERA5具有 31km 的高水平分辨率和137層垂直層結(jié)構(gòu)。針對(duì)以往ERA 產(chǎn)品在波浪波高模擬方面的不足，ERA5通過耦合波浪模型，提供了波高和波向等變量，從而改善了對(duì)大氣和海洋狀態(tài)的描述能力。與此同時(shí)，ERA5提供的變量數(shù)量也從 ERA-Interim 的10 個(gè)增加到240 個(gè)。由于數(shù)據(jù)的高精度和全面性，眾多研究人員將其應(yīng)用于大氣和海洋領(lǐng)域的相關(guān)研究。鑒于其優(yōu)勢，本文選擇使用 ERA5 再分析數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究工作。

1.2 Theil-Sen方法

Theil-Sen（TS）方法又稱Sen估計(jì)[9]，是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，能夠計(jì)算出數(shù)據(jù)的趨勢曲線，其通過考慮中位數(shù)而不是幾何平均值來量化隨機(jī)性趨勢，計(jì)算效率高且對(duì)于異常值不敏感。該方法適用于長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢分析。

TS方法計(jì)算的第一步是對(duì)給定的 n 個(gè)等距時(shí)序數(shù)據(jù)點(diǎn)的 Q_i 進(jìn)行求值：

式中： x_j 和 x_k 分別為時(shí)刻 j 和 k 的數(shù)據(jù)值; ? 為窮舉所有情況，故 Q_i 中元素共 n（n-1）/2 個(gè)。然后取Q_i 的中位數(shù) Q_med 即為 方法趨勢斜率值，代表趨勢的大小。

2 波浪時(shí)空特征分析

本文利用 ERA5 再分析數(shù)據(jù)資料分析了東南太平洋海域近45a的波浪特征，選取的研究區(qū)域?yàn)?^°S-28^°S，100^°W-69^°W ，主要包括：風(fēng)場、風(fēng)浪、涌浪及混合浪的分布特征、干雨季節(jié)特征、波高周期聯(lián)合分布以及東南太平洋海域風(fēng)浪、涌浪和混合浪的長期變化趨勢。

2.1 風(fēng)場特征分布

本文統(tǒng)計(jì)分析了 45a 、時(shí)間間隔為 6h 的EAR5海浪再分析資料，多年平均風(fēng)速與風(fēng)向在東南太平洋海域的分布見圖1。東南太平洋海域大部分區(qū)域都處于東南信風(fēng)帶，從赤道向兩極，風(fēng)速逐漸增大。在赤道附近海域，年平均風(fēng)速較小，大約 5～6m/s ;而在中低緯度海域 （8^°S-18^°S） ），年平均風(fēng)速可達(dá)8～10m/s 。在秘魯沿岸的近岸海域，全年風(fēng)場基本比厄瓜多爾和智利的大，整個(gè)風(fēng)場在南半球呈現(xiàn)自西向東逐漸減小的特征，南美近岸的大風(fēng)速帶向東逐漸減弱。從季節(jié)變化來看，中緯度海域 （20^° 以南）風(fēng)場差別不大，均值在 6.5m/s ;中低緯海域，干季期間（5-10月）較雨季期間（1 月至翌年4月）風(fēng)場有 所 增 大，干 季 期 間 風(fēng) 場 大 約 是 雨 季 期 間的1.2倍。

圖1 東南太平洋海域年平均風(fēng)場分布（單位： m/s^? ）Fig.1 DistributionofanualmeanwindfieldsintheSoutheastPacificOcean（Unit：m/s）

2.2 波浪場分布特征

東南太平洋海域波浪屬于中長周期波，且干季（5-10月）與雨季（1 月至翌年4月）期間波浪區(qū)別非常明顯，為研究東南太平洋海域波浪場干、雨季期間變化特征，將45a、時(shí)間間隔為 6h 的混合浪、涌浪及風(fēng)浪等數(shù)據(jù)進(jìn)行多年平均（圖2）。

東南太平洋海域不同月份的波高分布如圖2所示，風(fēng)浪的分布與混合浪與涌浪有明顯區(qū)別，最大值區(qū)并不出現(xiàn)在中緯海域，而是位于南美近岸的中低緯度海域 （6^°S-20^°S） ），而赤道和中緯海域的風(fēng)浪要偏低，呈現(xiàn)的是類橢圓形分布。東南太平洋海域風(fēng)場主要為東南信風(fēng)帶，中低緯度海域 （8^°S-18^°S） 年平均風(fēng)速可達(dá) 8～10m/s ，風(fēng)速較高。風(fēng)浪的強(qiáng)度與風(fēng)速、持續(xù)時(shí)間和吹送距離等因素密切相關(guān)。因此，該海域中低緯區(qū)風(fēng)浪較強(qiáng)主要是因?yàn)榇颂庯L(fēng)速大、持續(xù)時(shí)間長且開闊海域吹送距離充足所致。此外，由于東南太平洋赤道附近海域年平均風(fēng)速較小 （5～6m/s） ），風(fēng)浪強(qiáng)度較弱。而中緯度海域雖然風(fēng)速較大，但由于靠近南美大陸，吹送距離受限，因此風(fēng)浪也較弱，大部分區(qū)域在 0.5～1m 。同時(shí)，干季風(fēng)場明顯強(qiáng)于雨季，也是導(dǎo)致干季風(fēng)浪較雨季風(fēng)浪強(qiáng)度增加的主要原因。

圖2 東南太平洋海域多年平均波浪分布（單位： mΩ ）

Fig.2 DistributionofanualmeanwaveintheSoutheastPacificOcean（Unit：m）

該海域波浪的主導(dǎo)成分是涌浪，其分布呈現(xiàn)南 北走向，并在智利與秘魯沿岸形成了最大值中心，平均波高可達(dá) 1.8m 左右。說明太平洋的遠(yuǎn)程涌浪是控制該海域大尺度波浪分布的關(guān)鍵因素。雨季時(shí)期，涌浪波高從中緯的 1.8m 傳播至赤道的1.2m ;干季時(shí)期，涌浪波高明顯增大，分布海域較雨季時(shí)期增加約 0.2m 的高度。

混合浪是風(fēng)浪和涌浪共同作用的結(jié)果。由于東南太平洋海域風(fēng)浪和涌浪的分布差異較大，因此混合浪的分布呈現(xiàn)風(fēng)浪和涌浪共同作用的特點(diǎn)。在中低緯度海域，東南太平洋海域的混合浪呈現(xiàn)西南 東北走向的帶狀分布，從高緯海域向低緯海域逐步遞減。干季時(shí)期，東南太平洋海域的混合浪波高可達(dá) 2m 以上;雨季時(shí)期，混合浪傳播到近岸有所降低，浪高在 1.8m 以下。

東南太平洋海域的混合浪、涌浪及風(fēng)浪存在明顯的年內(nèi)周期變化規(guī)律。干季時(shí)期混合浪、涌浪及風(fēng)浪顯著增強(qiáng)，而雨季期間，波浪強(qiáng)度相對(duì)較弱。該海域波浪分布格局的形成主要受控于以下兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是東南太平洋的主導(dǎo)性遠(yuǎn)程涌浪及其傳播路徑;二是東南太平洋海域大尺度環(huán)流風(fēng)場的空間分布和季節(jié)變化特征。前者主導(dǎo)了混合浪和涌浪的大尺度分布，后者主導(dǎo)了局地風(fēng)浪的分布規(guī)律。兩者的協(xié)同作用造就了該海域復(fù)雜的波浪分布格局。

2.3 周期分布特征

圖 給出了雨季和干季的平均波浪周期分布。整體來看，平均波浪周期呈現(xiàn)中低緯 （6^°S-17^°S） ）海域低、赤道和中緯海域高的規(guī)律。東南太平洋海域的平均波浪周期數(shù)值范圍大致在 9～11s ，屬于中長周期波浪范疇。與該海域主要受東南太平洋涌浪傳播的影響有關(guān)，涌浪一般具有較長的周期特征。阿里卡海域是平均波浪周期最大的區(qū)域，平均波浪周期可達(dá)10.5s以上，這與該區(qū)域地形和波浪傳播方向相關(guān)。東南太平洋海域在干季與雨季時(shí)期的平均波浪周期變化不大。

圖3 東南太平洋海域多年平均波浪周期分布（單位：s）

Fig.3 DistributionofanualmeanwaveperiodintheSoutheastPacificOcean（Unit：s）

2.4 波高周期聯(lián)合分布

本文選取了厄瓜多爾 （0^°S-5^°S，80^°W-85^°W） ）、秘魯 （8^°S-13^°S ， 76°W-81°W， ）和智利 （19^°S^° —24^°S，70^°W — 75^°W）3 個(gè)近岸代表性區(qū)域，繪制了各區(qū)域的混合浪波高與周期的聯(lián)合分布圖（圖4）。3個(gè)區(qū)域的分布形態(tài)非常相似，均呈現(xiàn)一個(gè)上鼓型的橢圓形。從聯(lián)合分布圖中可見，3個(gè)區(qū)域的高值區(qū)（概率密度最大）均位于混合浪波高 1～2m 與譜峰周期 8.0～12.0 附近，體現(xiàn)了這些區(qū)域主導(dǎo)波浪類型均為中長周期、中等強(qiáng)度的波浪。在聯(lián)合分布圖的上端和右端，都可見到外延的較低概率密度分布“尾巴”，分別對(duì)應(yīng)周期更長、波高更高的波浪成分。這些輪廓可能反映了偶爾出現(xiàn)的異常大浪過程或大涌浪事件的影響。

圖4 各區(qū)域波高周期聯(lián)合分布規(guī)律

Fig.4 Jointdistributionpaternofwaveheightandperiodinvariousregions

雖然3個(gè)區(qū)域分布形態(tài)相似，但從表1數(shù)據(jù)可見，由北向南（厄瓜多爾—秘魯—智利），這些區(qū)域的多年平均混合浪波高數(shù)值均呈逐漸增大趨勢：智利區(qū)域最大，混合浪均值為 2.016m ;秘魯區(qū)域混合浪均值為 1.870m ;而厄瓜多爾區(qū)域最小，混合浪均值為 1.662m ，這與東南太平洋海域波浪的傳播和地理位置差異相關(guān)。在譜峰周期方面，3個(gè)區(qū)域的多年平均值相近，均分布在 13s 左右。

表1 各區(qū)域多年混合浪與譜峰周期均值

Table1 Multi-yearwaveheightandpeakperiodaverages byregion

2.5 波高長期變化趨勢

利用 方法分析了 — 年東南太平洋海域風(fēng)浪、涌浪和混合浪波高在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)（分辨率為 0.5^°×0.5^°） ）上的長期變化趨勢，結(jié)果如圖5和圖6 所 示。統(tǒng) 計(jì) 區(qū) 域 通 過 了 95% 的 置 信 度檢驗(yàn)。

圖5 風(fēng)浪、涌浪與混合浪近45年增長趨勢（單位： cm/a）

Fig.5 Trendsinthegrowthofwind，swelandmixedwavesoverthelast45years（Unit： cm/a ）

風(fēng)浪在1979—2023年的變化趨勢線整體呈上升態(tài)勢，其量值約為 0.1～0.4cm/a 。風(fēng)浪的增長范圍趨勢與風(fēng)場分布基本一致，呈現(xiàn)的是中低緯海域增長量大、赤道及中緯海域增量小的特點(diǎn)。中低緯海域 （10^°S-20^°S，100^°W-78^°W） ）增長量值約為0.3～0.4cm/a ;赤道、中緯以及近岸海域風(fēng)浪的增量約為 0～0.1cm/a 。涌浪近45年也呈上升趨勢，相比風(fēng)浪的變化范圍，涌浪增長趨勢從東南向西北依次增大。智利海域增值最大，約為 0.45cm/a ;秘魯海域增值約為 0.25～0.35cm/a ;而厄瓜多爾海域增量最小，約為 0.1cm/a 。東南太平洋海域以涌浪為主，因此混合浪分布規(guī)律跟涌浪一致。增長趨勢分布在 0.1～ 0.4cm/a ，逐步從南向北遞減。涌浪和混合浪的增長趨勢與Zheng等[14]計(jì)算的增長趨勢一致，產(chǎn)生差異的原因主要是數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)的時(shí)間不同，Zheng等的數(shù)據(jù)集為1957—202 年，而本文的數(shù)據(jù)集為1979—年。此外，氣候變暖會(huì)加劇溫度差異，導(dǎo)致大氣環(huán)流異常，從而加強(qiáng)風(fēng)場，進(jìn)而促進(jìn)波浪的發(fā)展。

將1979—2023年東南太平洋海域 （0^°S-28^°S ，100^°W-70^°W） ）風(fēng)浪、涌浪及混合浪數(shù)據(jù)進(jìn)行逐年區(qū)域平均，分析近45a該海域風(fēng)浪、涌浪及混合浪的整體變化趨勢（圖6）。

圖6 東南太平洋海域1979—2023年年均波高

Fi.6 MeananualwaveheihtsintheSoutheasternPacificOceanfrom1979to2023

從圖6可以看出，整個(gè)研究海域的年均波高在1979—2023年呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。東南太平洋海域的風(fēng)浪均值為 0.70m ，以每年 0.20cm 的速度顯著遞增。涌浪數(shù)值從1979年的約 1.52m 增長至2023年的約 1.70m ，近 45a 涌浪的均值為 1.66m ，增長速度約為 0.26cm/a ，明顯高于風(fēng)浪的增長速度。混合浪從1979年的約 2.04m 上升至2023年的約 2.19m ，均值約為 2.16m ，增長速度約為0.21cm/a ，介于風(fēng)浪和涌浪之間。盡管波浪存在總體增長趨勢，但從年際波動(dòng)曲線可見，它們并非呈現(xiàn)持續(xù)單調(diào)上升，而是伴隨著一定的年際波動(dòng)，這些年際波動(dòng)可能與區(qū)域氣候系統(tǒng)厄爾尼諾和拉尼娜等的周期性振蕩有關(guān)，顯著影響熱帶太平洋地區(qū)的風(fēng)場和海溫，進(jìn)而影響該區(qū)域的波浪場。

3 結(jié)論

本研究利用ECMWF的ERA5再分析資料，結(jié)合風(fēng)場數(shù)據(jù)，全面地分析了東南太平洋海域波浪的時(shí)空分布特征，主要探討了風(fēng)場、混合浪、涌浪、風(fēng)浪及周期的干季和雨季分布，厄瓜多爾、秘魯和智利的波高周期聯(lián)合分布及其波浪近45年來的長期變化趨勢，獲得主要結(jié)論如下。

（1）東南太平洋海域風(fēng)場為東南信風(fēng)帶，在赤道附近海域，年平均風(fēng)速較小，大約 5～6m/s ;而在中低緯度海域 （8^°S-18^°S） ），年平均風(fēng)速可達(dá) 8～ 10m/s ，干季期間風(fēng)場大約是雨季期間的 倍。

（2）風(fēng)浪的分布受風(fēng)場帶分布影響，呈現(xiàn)的是類橢圓形分布，大部分區(qū)域在 0.5～1m ，干季時(shí)期風(fēng)浪波高比雨季時(shí)期風(fēng)浪要大;涌浪分布呈現(xiàn)南-北走向，雨季時(shí)期，涌浪從中緯的 1.8m 傳播至赤道的 1.2m ，干季時(shí)期較雨季時(shí)期增加約 0.2m 的高度;混合浪呈現(xiàn)西南- 東北走向的帶狀分布，干季時(shí)期，混合浪達(dá) 2m 以上，雨季時(shí)期，混合浪在近岸的浪高在 1.8m 以下，周期全年變化不大。

（3）不同區(qū)域（厄瓜多爾、秘魯和智利）波高與周期的聯(lián)合分布形式相似，表現(xiàn)為上鼓型的橢圓形分布，混合浪波高 1～2m 與譜峰周期 8.0～12.0 s附近，且由北向南，波高值逐漸增大。

（4）1979—2023年，東南太平洋海域的混合浪、涌浪和風(fēng)浪均呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，年變化率分別為 0.21cm/a，0.26cm/a 和 0.20cm/a 。涌浪和混合浪增長趨勢從東南向西北依次增大;風(fēng)浪的增長范圍趨勢受風(fēng)場影響，呈現(xiàn)的是中低緯海域增長量大、赤道及中緯海域增量小的特點(diǎn)。

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