近22年西北太平洋海表风速变化趋势及空间分布特征研究

刘志宏，郑崇伟,，庄 卉 ，李 靖 ，姚雪峰

（1.92538部队气象台，辽宁 大连 116041；2.解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

近22年西北太平洋海表风速变化趋势及空间分布特征研究

刘志宏1，郑崇伟1,2，庄 卉2，李 靖2，姚雪峰2

（1.92538部队气象台，辽宁 大连 116041；2.解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

利用来自 ESE(NASA Earth Science Enterprise)的 1988-2009年 CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）风场资料，对西北太平洋海域的海表风速进行研究，发现在1988-2009年期间，西北太平洋大部分海域的海表风速呈显著的逐年线性递增趋势，近岸海表风速的递增趋势明显强于大洋，递增趋势较强的海域分布于日本周边海域、对马海峡、我国近海、中南半岛周边海域；西北太平洋海表风速EOF分析的第一模态呈同位相分布，大值区分布于日本以东洋面，第二、第三模态则表现出西北部海域与东南部呈反位相分布；西北太平洋海域极值风速的大值区位于日本以东的广阔洋面，次大值区分布于台湾以东洋面、南海北部海域、渤海海域，且近海的极值风速明显小于大洋。

CCMP风场；西北太平洋海域；变化趋势；EOF分析；极值风速

我国地处西太边缘，位于季风变换带，气候差异显著，且常常遭受台风的侵袭，深入研究西北太平洋海域海表风速的分布特征，对海上风能开发、防灾减灾、航海、海洋工程等都具有重要的意义。近年来，对于海表风速的研究已有不少，Ward[1]等认为，在20世纪后半叶全球平均近海面风速没有明显的变化趋势，在赤道附近海域、南大西洋热带海域和北太平洋亚热带海域呈减小趋势；Gulev[2-3]和Gower等[4]提出，热带北大西洋[2-3]和北太平洋高纬度海区[3-4]的海表风速呈递增趋势。但对我国近海海表风速变化趋势的研究并不多，柳艳菊等[5]利用西沙台站观测资料研究发现西沙地区地面风速自1975年以来呈明显的下降趋势，梅勇[6]的研究发现南海大风中心 (115°E～117.5°E,15°N～17.5°N)的海表风速在 1958-2001年期间呈显著的逐年线性递增趋势。前人的工作对海表风场的研究做了很大的贡献，由于受资料等问题的限制，以往的研究多是基于非常有限的观测资料，本文则是利用长时间序列、高时空分辨率的CCMP（Cross-Calibrated,Multi-Platform）风场资料，对西北太平洋海域1988-2009年的海表风场进行研究，主要分析了该海域海表风速的长期变化趋势、空间分布特征、极值风速等，为海洋水文保障、海洋工程、海洋权益的维护等提供科学依据。

1 CCMP风场资料简介

CCMP风场资料来自ESE(NASA Earth Science Enterprise)，它结合了 ADEOS-II(Advanced Earth Observing Satellite,2nd Generation)、QuikSCAT、TRMM TMI(Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager)、AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)、SSM/I(Special Sensor Microwave Imager)几种资料，利用变分方法得到，其空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h，空间范围为：78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E， 时间范围从1987年7月至2009年12月。CCMP风场具有很高的精度和时空分辨率[7]。本文从中截取西北太平洋海域范围：0.125°N～60.125°N，95.125°E～180.125°E。

2 海表风速的逐年线性趋势

2.1 区域平均后海表风速的逐年线性趋势

将西北太平洋的海表风速从1988-2009年进行逐年区域平均，分析近22年该海域海表风速的整体变化趋势，见图1。

在1988-2009年期间，西北太平洋海域的海表风速递增趋势为 0.027 7 m·s-1·a-1，相关系数|r|=0.94 ＞ r0.05=0.4，递增趋势显著；该海域的海表风速变化趋势大体可分为两个阶段：在1988-1995年期间，西北太平洋的海表风速变化较为平缓，基本在5.1～5.3 m·s-1，在1995-2009年期间递增趋势较强，在2004-2006年为峰值点，能达到5.7 m·s-1。

图1 西北太平洋海域1988-2009年逐年区域平均后的海表风速的线性趋势

2.2 每个网格点上海表风速的逐年线性趋势

区域平均后再分析线性趋势能反映出该海域海表风速的整体变化趋势，但却不能体现出变化趋势的区域性差异。本文将西北太平洋海域0.25°×0.25°每个网格点上的海表风速从1988-2009年取逐年平均，分析每个网格点上海表风速的逐年线性趋势，具体计算方法如下：

式（1）为回归方程，b为线性趋势的回归系数。相关系数为r，用于线性趋势的信度检验。

由图2可以很明显的看出，1988-2009年期间，西北太平洋大部分海域的海表风速呈显著的逐年线性递增趋势，与图1的结论一致。近岸海表风速的递增趋势明显强于大洋，递增趋势较强的海域分布于日本周边海域、对马海峡、我国近海、中南半岛周边海域，能达到 0.08～0.16 m·s-1·a-1；在西北太平洋中部海域一椭圆型海域 （约 12°N～25°N，140°E～180°E）及一些零星海域的海表风速没有显著的变化趋势；海表风速呈显著性递减的海域主要分布于日本和菲律宾周边的零星海域。

2.3 EOF分析

将西北太平洋的海表风速从1988-2009年的进行逐年平均，得到22个时次的年平均值，用EOF（Empirical Orthogonal Function）分析方法分析其时空分布特征。第一模态反映了气候背景场，其它模态则是反映了叠加在背景场上的扰动场。西北太平洋海表风速EOF分析的前三模态累积方差贡献率超过99%，取前三模态做研究已，能够充分反映其主要特征。

图2 西北太平洋海域1988-2009年逐年平均海表风速线性趋势的回归系数（m·s-1·a-1），阴影区表示相关系数|r|＞r0.05=0.4，即通过了95%的信度检验，线性趋势显著。

从背景场可以看出，整个西北太平洋的海表风速呈同位相分布，大值区分布于日本以东洋面，呈东西向分布，还存在两个次大值区：台湾以东洋面和南海，台湾以东洋面的次大值区呈东西向椭圆形分布，南海的次大值区呈东北西南向带状分布，详见图3a。第二模态为叠加在背景场上的扰动场，西北部海域与东南部呈反位相分布，大值中心位于菲律宾东北部海域，呈椭圆形分布，第三模态的空间分布特征与第二模态大体相近，详见图3b-图3c。

本文还利用EOF分析第一模态的时间序列，分析了近22年西北太平洋海表风速的变化趋势（图略），发现变化趋势与图1基本相符。

图3 a-c：西北太平洋海域海表风速EOF分析前三模态的空间分布特征

2.4 极值风速

海洋工程、航海、海洋能开发与利用等对极值风速都较为关注，本文利用Gumbel曲线法[8]推算了西北太平洋20 a一遇、50 a一遇和100 a一遇极值风速。

具体计算方法如下：

式（7）中：xp为所求多年一遇的极值；x¯为均值；φ 为离均系数。表1中p’为设计频率[8]。

从图4可以看出，西北太平洋海域极值风速的大值区位于日本以东的广阔洋面，次大值区分布于台湾以东洋面、南海北部海域、渤海海域，且近海的极值风速明显小于大洋。日本以东的广阔洋面20 a一遇极值风速基本都在45 m·s-1以上，高值中心能达到60 m·s-1左右，50 a一遇极值风速基本都在 50 m·s-1以上，高值中心能达到 60～65 m·s-1，100 a 一遇极值风速基本都在50 m·s-1以上，高值中心能达到70 m·s-1以上；台湾以东洋面的20 a一遇极值风速基本都在40 m·s-1以上，高值中心能达到45～50 m·s-1左右，50 a一遇极值风速基本都在 45 m·s-1以上，高值中心能达到 50～55 m·s-1，100 a一遇极值风速基本都在45 m·s-1以上，高值中心能达到60 m·s-1以上；南海北部海域的20 a一遇极值风速基本都在30～35 m·s-1以上，50 a一遇极值风速基本都在 45 m·s-1以上，高值中心能达到35～40 m·s-1，100 a一遇极值风速基本都在45～50 m·s-1；此外，渤海海域的极值风速虽然明显小于上述三个大值区，但也是一个较为明显的相对大值区。

表1 耿贝尔曲线的离均系数[8]

图4 a-c：西北太平洋海域20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇极值风速/m·s-1

3 结论

（1）1988-2009年期间，西北太平洋大部分海域的海表风速呈显著的逐年线性递增趋势，近岸海表风速的递增趋势明显强于大洋，递增趋势较强的海域分布于日本周边海域、对马海峡、我国近海、中南半岛周边海域，能达到0.08～0.16 m·s-1·a-1。

（2）西北太平洋海表风速EOF分析的第一模态呈同位相分布，大值区分布于日本以东洋面，呈东西向分布，台湾以东洋面和南海为两个次大值区，台湾以东洋面的次大值区呈东西向椭圆形分布，南海的次大值区呈东北西南向带状分布，第二模态则表现出西北部海域与东南部呈反位相分布，大值中心位于菲律宾东北部海域，第三模态的空间分布特征与第二模态大体相近。

（3）西北太平洋海域极值风速的大值区位于日本以东的广阔洋面，次大值区分布于台湾以东洋面、南海北部海域、渤海海域，且近海的极值风速明显小于大洋。

[1]Ward M N， B Hoskins.Near surface wind over the global ocean 1949-1988[J].J.Climate,1996，9：1877-1895.

[2]Gulev S K,L Hasse.Changes of wind waves in the north Atlantic over the last 30 years[J].Int J Climatol,1999，19：1091-1117.

[3]Gulev S K,O Zolina，S Grigotieva.Last century changes in ocean wind wave height from global visual wave data[J].Geophy Res Lett,31,L24302,doi:10.1029/2004GL021040.

[4]Gower J F R.Temperature,wind and wave climatologies,and trends from marine meteorological buoys in the northeast pacific[J].J Climate,2002，15：3709-3718.

[5]柳艳菊,闫俊岳,宋艳玲.近50年南海西沙地区的气候变化特征研究[J].地理科学，2008,28(6):804-808.

[6]梅勇.北印度洋—南海海面风场、海浪场的特征分析及海浪数值模拟[D].2010.

[7]Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers[J/OL].2010.http://www.sciencedirect.com/

[8]侍茂崇，高郭平，鲍献文，等.海洋调查方法[M].青岛：青岛海洋大学出版社，2000.

Long-Term Trend and Special Characteristics of Sea Surface Wind Speed in the Northwest Pacific Ocean During the Last 22 Years

LIU Zhi-hong1,ZHENG Chong-wei1,2,ZHUANG Hui2,LI Jing2,YAO Xue-feng2
（1.12 Unit,No 92538 Army of PLA.Dalian Liaoning 116041,China;2.Institute of Meteorology,PLA Univ of Sci＆ Tech,Nanjing Jiangsu 211101,China）

Using the data of 0.25°×0.25°ESE (NASA Earth Science Enterprise)CCMP sea surface wind field from 1988 to 2009,the long-term trend,special characteristics and extreme value of the sea surface wind speed in the Northwest Pacific Ocean were analyzed.It is found that the sea surface wind speed in a majority area of the Northwest Pacific Ocean has an obvious increasing trend,with coastal surface wind speed stronger than offshore and area of extreme wind speed located in the east area of Japan,east area of Taiwan,north area of the South China Sea and Bohai Sea.

CCMP wind field;Northwest Pacific Ocean;trend;EOF analysis;extreme wind speed

P732

A

1003-2029（2011）02-0127-04

2010-12-21

国家自然科学基金资助项目（40675040）

刘志宏（1969-），男，工程师，主要从事水文气象保障。E-mail：364704410@qq.com，Tel：13387858665

通讯作用：郑崇伟（1983-），男，硕士生，主要从事波候及波浪能资源研究。 E-mail：zhengzhang.xia@163.com，Tel：15851859023