基于QuikSCAT/NCEP风场的1999-2009年中国海表风场研究

张德天，郑崇伟，石岭琳，刘志宏，陈晓斌

（1.91388部队95分队，广东湛江524022；2.解放军理工大学气象学院，江苏南京211101；3.92538部队气象台，辽宁大连 116041）

基于QuikSCAT/NCEP风场的1999-2009年中国海表风场研究

张德天1，郑崇伟2,3，石岭琳2，刘志宏3，陈晓斌2,3

（1.91388部队95分队，广东湛江524022；2.解放军理工大学气象学院，江苏南京211101；3.92538部队气象台，辽宁大连 116041）

利用1999年8月—2009年7月具有高精度的QuikSCAT/NCEP混合风场，对中国海海表风场的风速风向、极值风速、大风频率等特征进行分析，研究发现：MAM和SON的风速大值中心位于台湾海峡，JJA位于南海西南部海域，DJF大值区主要位于琉球群岛-台湾海峡-东沙群岛-平顺海岛一带，风向也具有明显的季节特征；极值风速的大值中心都主要集中在台湾以东洋面、琉球群岛附近海域、海南岛以东和东沙群岛附近海域；大部分海域3—25 m/s风速出现的频率都比较高，6级以上大风出现频率较高的海域集中在对马海峡、琉球群岛附近海域、台湾岛附近海域；对逐月风场进行EOF分析的结果与季节特征分析的结果吻合较好，中国海近10年海表风场的线性变化趋势不显著。

中国海；季节特征；极值风速；大风频率；EOF分析

1 引言

中国海位于西太平洋，属于台风多发海域，并处于季风变换带。赵喜喜等[1]利用ERS21、ERS22和QuikSCAT散射计海面风场资料对1992年12月—2005年11月的中国海海面风场时空变化特征进行过分析，刘春霞等[2]利用QuikSCAT散射计对南海大风频数的月变化、空间分布特征进行过统计分析。本文利用具有较高时空分辨率和精度的QuikSCAT/NCEP混合风场，对中国海1999年8月—2009年7月10年的风速风向、极值风速、大风频率等特征进行深入研究，对海上风能开发、航海、海洋工程、防灾减灾都具有极为重要的意义。

2 资料简介

所谓QuikSCAT/NCEP混合风场，就是对卫星散射计（QuikSCAT）观测数据和全球天气中心（NCEP）分析数据的时空混合分析的结果，其空间分 辨率 为 0.5°×0.5°， 每 6小 时 一次 数 据 。QuikSCAT/NCEP风场具有很高时空分辨率和精度，常被用作模拟天气过程的驱动场[3-5]，且取得了很好的效果。目前尚没有利用如此高精度和时空分辨率的海表风场资料对我国海域进行研究的报道。本文利用QuikSCAT/NCEP风场对中国海1999年8月—2009年7月的海表风速进行研究。

3 资料分析

3.1 海表风场的季节特征（见图1）

风 速：MAM（March、April、 May）和 SON（September、October、November）的风速大值区主要集中在台湾附近海域，以台湾海峡最大（MAM约 5.5 m/s，SON 约 8—9 m/s）；JJA（June、July、August），大值中心主要位于南海西南部的平顺海岛附近海域（约6—7 m/s），台湾海峡的风速在JJA为相对低值区，仅2 m/s左右；DJF（December、January、February），大值区主要位于琉球群岛-台湾海峡-东沙群岛-平顺海岛，呈带状分布，均值约8—11 m/s。黄渤海的风速四季皆为相对低值区。

风向：MAM，黄渤海的风向呈顺时针旋转，东海为北-东北风，南海大部分海域为东-东北风，泰国湾为偏南风；JJA，南海为西南风，这应该是由于西南季风造成的，大约以20°N为界，以南的海域为西南风，以北的海域为南-东南风；SON，渤海和黄海北部为北-西北风，黄海中南部、东海、南海北部为东北风，南海南部为西-西南风，这是由于SON为过渡季节，北部海域已经转北风，而南海南部的西南风尚未完全消退；

DJF期间，渤海和黄海中北部海域盛行北-西北风，黄海南部和东海北部盛行偏北风，台湾海峡附近海域、南海大部分海域以东北风为主，泰国湾为偏东风。

图1 中国海近10年平均的MAM、JJA、SON、DJF期间海表风向风速

3.2 极值风速

在广阔的洋面上出现大风的频率远大于陆地，强风常常也会导致灾害，航海、海洋工程、国防工程、海洋能的开发与利用等都非常关注极值风速。本文利用近10年的海表风速，采用耿贝尔曲线法计算了中国海的五十年一遇极值风速和百年一遇极值风速。具体计算方法如下：

图2 中国海五十年和百年一遇极值风速（单位:m/s）

图3 我国四大海域区划

表1 耿贝尔曲线的离均系数

由图2可以看出，五十年一遇和百年一遇极值风速的大值中心都主要集中在台湾以东洋面、琉球群岛附近海域、海南岛以东和东沙群岛附近海域。台湾以东洋面和琉球群岛附近海域的五十年一遇极值风速在40—45 m/s左右，百年一遇极值风速在45—50 m/s左右；海南岛以东和东沙群岛附近海域的极值风速较台湾以东洋面和琉球群岛附近海域偏小，五十年一遇极值风速在35—40 m/s左右，百年一遇极值风速在40—45 m/s左右。南海中南部海域、黄海中北部海域和渤海的极值风速相对较小，且南海的极值风速分布特征与这周良明[6]的结论较接近。上述极值风速的分布特征应该是由于热带气旋的入侵路径及强度造成的[7-10]。

3.3 重点海域海表风速的月变化特征

本文还分析了台湾海峡、渤海、黄海、东海、南海北部、南海南部（我国几大海域区划标准见图3）海表风速的月变化特征，见图4。发现台湾海峡、渤海、黄海、东海、南海北部的海表风速呈圆滑的“U”型月变化，即在DJF最大，春秋为过渡季节，JJA最小，月变化较平缓；在南海南部则呈圆滑的“W”型月变化，即DJF最大，JJA次之，春秋两个过渡季节最小。

3.4 不同等级风速出现的频率

图4 海表风速的月变化特征

图5 风速在3—25 m/s和7级(13.9 m/s)以上大风出现频率(单位:%)

由于风能开发可利用的风速范围为3—2 5 m/s，7级（13.9 m/s）以上大风经常造成严重灾害，本文对不同月份3—25 m/s的风速和7级以上大风出现的频率进行了统计，为海上风能的开发与利用、防灾减灾提供参考（见图5）。

1月，大部分海域的风速范围为3—25 m/s出现的频率在95%以上，黄渤海和北部湾相对较低，在80%—95%左右，7级以上大风频率的相对大值中心集中分布于对马海峡（约10%—15%）、琉球群岛附近海域（约10%）、台湾海峡（约15%—35%）、吕宋岛西北部海域（约15%—25%）以及位于南海西南部的平顺海岛附近海域（约5%—20%）。该月南海大风频率的分布特征与刘春霞等[2]的研究结论相近。

图5 中国海表风速EOF分析的的空间分布

4月，大部分海域的风速范围为3—25 m/s出现的频率在80%以上，黄渤海和北部湾相对较低，在60%—80%左右，7级以上大风频率的相对大值中心集中分布于台湾海峡（约3%—12%）、琉球群岛附近海域（约3%—6%）、对马海峡（约4%—6%）。黄海中北部、渤海及南海大部分海域7级以上大风出现的频率很低。

7月，大部分海域的风速范围为3—25 m/s出现的频率在85%以上，黄海中北部和渤海相对较低，在70%左右，7级以上大风频率的相对大值中心集中分布于台湾以东洋面（约4%—7%）、台湾岛西北部的富贵角附近海域（约3%—6%），南海大部分海域在2%—5%左右。

图7 中国海表风速EOF分析的第一、第二、第三、第四模态的时间序列

10月，风速范围为3—25 m/s出现频率的大值区集中在台湾周边海域（约95%），7级以上大风频率的大值中心集中在台湾岛附近海域（约6%—30%）和南海北部的东沙群岛附近海域（约3%—12%）。

3.5 EOF分析

对中国海1999年8月—2009年7月的海表风速取逐月平均，得到120个时次的月平均的风场，进行EOF（全称Empirical Orthogonal Function）分析，得到风场的时空分布特征。风场EOF分析的第一模态方差贡献达到了97.78%，第二模态方差贡献达到了0.76%，第三模态方差贡献达到了0.42%，第四模态方差贡献达到了0.3%，前四个模态方差累计贡献率达到了99.269%，取前四个模态用来分析已能充分反映中国海海表风场的特征。

第一模态反映了气候背景场的特征，第二、三、四模态则是反映了叠加在背景场上的扰动场。从背景场的分布可以看出海表风速的大值区主要位于琉球群岛-台湾海峡-东沙群岛-平顺海岛，呈带状分布，这与上述季节特征中的DJF海表风速分布极为相似。从第二模态则可以看出，南海南部与其余海域成反位相分布，第三模态则表现出整个南海与渤海、黄海、东海均呈反位相分布，第四模态则反映出南海南部与南海北部、台湾附近海域呈反位相分布，黄渤海的西部海域与东部海域呈反位相分布（见图6）。

由图7可以看出，EOF分析前四模态的时间序列都具有比较明显的年内变化特征。第一模态时间序列呈弱的线性递减趋势，说明中国海近10年海表风场的线性变化趋势不显著。第一模态时间序列与第二、三、四模态时间序列的相关系数分别为 ： -0.7457、 -0.4888、 0.3363， 均 通 过 了a0.05=0.1946（95%）的信度检验，说明扰动场与背景场有着密切的联系。

4 结论

（1）MAM和SON期间的风速大值中心位于台湾海峡，JJA位于南海西南部海域，DJF大值区主要位于琉球群岛-台湾海峡-东沙群岛-平顺海岛一带；风向也具有明显的季节特征，MAM，黄渤海的风向呈顺时针旋转，东海为北-东北风，南海大部分海域为东-东北风，泰国湾为偏南风；JJA，大约以20°N为界，以南的海域为西南风，以北的海域为南-东南风；SON，渤海和黄海北部为北-西北风，黄海中南部、东海、南海北部为东北风，南海南部为西-西南风，DJF，渤海和黄海中北部海域盛行北-西北风，黄海南部和东海北部盛行偏北风，台湾海峡附近海域、南海大部分海域以东北风为主，泰国湾为偏东风；

（2）极值风速的大值中心都主要集中在台湾以东洋面、琉球群岛附近海域、海南岛以东和东沙群岛附近海域，这些海域的五十年一遇极值风速在40 m/s左右，百年一遇极值风速在45—50 m/s左右；

（3）大部分海域3—25 m/s风速出现的频率都比较高；7级以上大风出现频率较高的海域集中在对马海峡、琉球群岛附近海域、台湾岛附近海域，其中4月份的大风频率为全年最低；

（4）对风场进行EOF分析的气候背景场的大值区主要位于琉球群岛-台湾海峡-东沙群岛-平顺海岛，呈带状分布，与DJF风速的大值区分布相似；扰动场则体现了不同海域之间的反位相分布。EOF分析前四模态的时间序列都具有比较明显的年内变化特征，中国海近10年海表风场的线性变化趋势不显著。

[1]赵喜喜,侯一筠,齐鹏.中国海海面风场时空变化特征分析[J].高技术通讯,2007,17(5):523-528.

[2] 刘春霞,何溪澄.QuikSCAT散射计矢量风统计特征及南海大风遥感分析[J].热带气象学报,2003,19(S):107-117.

[3]郑崇伟,周林,卢扬等.两种海浪模式对东中国海一次台风浪的模拟比较[J].气象水文装备,2010,21(4):48-50.

[4]LI M Y,Hou Y J.Simulating wind-wave field of the East China Sea with QuikSCAT/NCEP blended wind and WAVEWATCH[J].Marine Sciences 2005,29(6):9-12.

[5]徐艳清.东中国海海浪数值模拟及波候统计分析[D].2005:19-20.

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

[7] 周良明，吴伦宇，郭佩芳等.应用WAVEWATCH—Ⅲ模式对南海的波浪场进行数值计算、统计分析和研究[J].热带海洋学报，2007，26（5）：1-8.

[8]杨亚新.西北太平洋热带气旋发生的时空变化特征[J].海洋预报,2005,22(1):86-91.

[9]王艳萍,田志光.2006年西北太平洋热带气旋（台风）活动特征分析[J].海洋预报,2008,25(1):47-55.

[10]黄勇，李崇银，王颖.2006年西北太平洋热带气旋生成频数和源地异常的成因分析[J].热带气象学报,2008,24(6):590-598.

[11]LIN Z G,LUO S B,LIANG J.Statistical analysis on the stropical cyclones in Dongsha Island seas in recent 56 years[J].JOURNAL OF OCEANOGRAPHY IN TAIWAN STRAIT,2007,26(4):472-475.

Sea surface wind field analyze from 1999 to 2009 in the China Sea by QuikSCAT/NCEPdata

ZHANG De-tian1，ZHENG Chong-wei2,3，SHI Lin-ling2，LIU Zhi-hong3，CHEN Xiao-bin2,3

(1.95 Unit,NO.91388 Army of PLA，Zhanjiang Guangdong 524022 China；2.Institute of Meteorology,PLA Univ.of Sci.＆ Tech.，Nanjing Jiangsu 211101 China；3.12 Unit,NO.92538 Army of PLA，Dalian Liangning 116041 China)

In this paper,the QuikSCAT/NCEP wind field data is used to analyze the characteristics of sea surface wind field in the China Sea from 1999 to 2009.The primary characteristics of wind field were analyzed,such as the sea surface wind speed,wind direction,extreme wind speed and frequency of gale.The wind speed and wind direction show obvious seasonal characteristic.Large values of extreme wind speed occurred in the east area of Taiwan,around Hainan Island and so on.The frequency of wind speed between 3m/s and 25m/s is high.The regions with wind speed larger than 13.9m/s are mainly in the Tsushima strait,Taiwan Island and adjacent area and so on.The result of monthly EOF analysis is similar to the seasonal characteristics of wind field in the China Sea.

China Sea;seasonal characteristics;extreme wind speed;frequency of gale;EOF analysis

P732

A

1003-0239（2011）04-0058-07

2010-10-02

国家重点基础研究发展计划（“973”计划）（2010CB429001）

张德天（1983-），男，本科，主要从事海洋水文保障工作。E-mail：269223118@qq.com

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