基于ERA-20C再分析数据的中国近海波候研究❋

刘 敏， 赵栋梁

(中国海洋大学 1.物理海洋教育部重点实验室， 山东 青岛 266100； 2.青岛海洋科技合作创新中心，山东 青岛 266100)

海洋表面波是由多个不同频率不同方向的组分组成，主要分成风浪和涌浪。风浪是指成长中的年轻波浪或与局地风相平衡的波浪，而涌浪则为在其他地方生成，并能远距离传播的波浪。波候是指波高、周期等波参数的长期变化特点，多年平均和极端波候的研究对沿海和海洋工程来说至关重要[1-3]，进一步了解波候有利于海岸和沿海结构的设计和运行，以及更加准确地评估波浪资源和泥沙运输等[4]。传统上根据浮标数据和船舶观测数据对波浪进行分析研究，浮标数据较为准确但空间分辨率较低，而船舶观测在极端条件下无法完成。因此，数据采集的弊端限制大尺度和长期波候学的发展。近年来，卫星高度计、波浪模型和再分析数据的使用使得全球尺度和区域尺度波浪气候的研究更加深入和全面[5-12]。

随着中国沿海地区人口和工业活动的增加，需要进一步的了解中国近海波候变化特征。虽然多数研究一致认为波高从东海、黄海至渤海沿东南向西北逐渐降低[13-15]，但关于南海波高的空间分布特点依然存在很多争议。有些研究认为，夏季南海波高的大值中心分布在北部，冬季分布在西南部[16-17]。而Mirzaei等[18]和齐义泉等[19]则认为夏季和冬季波高均存在两个波高的大值中心，分别位于南海北部和西南部。与空间分布特点相比，中国近海波高的长期变化趋势存在着更多的争议。郑崇伟等[20-21]和李训强等[22]的研究结果表明，中国近海大部分海域的有效波高呈显著递增的变化趋势。Wang等[23]也发现，1979—2014年期间东海的混合浪呈线性增加的趋势。另一方面，也有文献得到中国近海波高递减的变化趋势，例如，渤海[24]、东海[11,25]和南海[11,18]均得到波高线性递减的结论。显然，由于上述争议，需要进一步分析中国近海的波候。

1 数据介绍

由于原位波高度观测的历史很短，随着海洋观测技术和手段的发展，在最近数十年才得以应用，且仅在有浮标安放的位置可用。由于同样的原因，卫星观测手段也仅在过去几十年得以飞速的发展[7]。因此，波浪要素的长期变化趋势通常基于再分析数据[8]。波浪再分析数据的时间跨度仅限于二十世纪下半叶，直到二十世纪再分析数据(20CR)的完成[26]。Wang等[27]使用20CR的海平面压力数据获得了时间跨度为一个世纪，时间分辨率为6 h的波高数据，并首次分析和评估了北大西洋世纪尺度的波高变化趋势。按照Wang等[27]的方法，Wu等[11]构建了有效波高数据，并分析了1911—2010年间东海和南海波高的长期变化趋势。

ERA-20C是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)二十世纪的第一个大气再分析数据，仅使用海表面压力和风场的观测数据，是ERA-CLIM项目的结果。该数据更加全面，可从网站(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/era20c-wamd/type=an/)获得，时间跨度为1900—2010年[28-29]。Wu等[11]和Kumar等[30]曾使用ERA-20C再分析数据分析海洋中平均波高和极值波高的分布特点。ERA-20C几乎包含了描述风场和波浪场的所有参数，浪场数据包括三种波高(风浪、涌浪和混合浪)，风场的数据包括海面10 m高度处的风速，本文应用波高波向、风速风向和平均波周期等参数综合分析中国近海风候和波候的特点。

本文使用1950—2010年ERA-20C数据，提取波参数的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h。本文研究的海域范围是(0°～41.5°N, 105°E～130°E)，包括中国近海和西北太平洋的部分海域(见图1)，从北向南，中国近海包括渤海、黄海、东海(ECS)和南海(SCS)。另外，将使用尼诺3.4指数研究中国近海波候与大尺度海气相互作用之间的关系，尼诺3.4指数是指热带太平洋东部海表温度(SST)的异常。尼诺3.4指数可从网站(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/)下载。

按照世界气象学会的定义，四季分为：春季(MAM)，包括3、4和5月；夏季(JJA)，包括6、7和8月；秋季(SON)，包括9、10和11月；冬季(DJF)，包括12、1和2月。本文将采取上述方式划分季节。

2 中国近海风候和波候特点

2.1 风场的季节变化

图2显示的是1950—2010年间海表风速的季节变化特征。春季，东海和南海盛行东风，对应于热带太平洋的贸易东风，而在渤海和黄海海域则分别以西南风和东南风为主。此外，风速在宽阔的海域比沿岸大，且在东海东部形成一个风速的大值中心。夏季，风场主要受夏季东亚季风的影响，风向分布较为均匀。除南海外，中国近海以东南风为主，且风速沿东海、黄海和渤海方向逐渐降低。南海夏季盛行西南风，且在南海南部靠近越南的海域形成一个风速的大值中心，约为7 m/s。在渤海和黄海北部，秋季盛行西北风，在东海和黄海南部则主要是以东北风和东南风为主。冬季，南海和东海南部主要为东北风，渤海和黄海以西北风为主。东亚冬季季风十分强劲，且分别在吕宋海峡和南海南部靠近越南的海域形成两个风速的大值中心，风速可以达9 m/s。综上所述，东亚季风对中国近海的风场的分布起到重要作用。

图1 中国近海及邻海域的地形和水深Fig.1 Topography and water depth of China Seas and Adjacent Seas

图2 1950—2010年四季中国近海10 m高度的风速和风向季节分布Fig.2 Seasonal average of theU10(intensity and direction) in China Seas and adjacent region in the period of 1950—2010

2.2 浪场的季节变化

风浪(Hsw)、涌浪(Hss)季节变化的空间分布展示在图3。与图2对比，由于风浪直接受局地风的影响和控制，风浪场和风场的空间分布十分相似。春季，风浪的大值中心位于吕宋海峡和东海东南部海域。受季风影响，夏季风浪波高的大值中心位于东海西南部和南海南部海域。秋季，风浪波高的大值分布在吕宋海峡附近。冬季，则在吕宋海峡和南海南部靠近越南的海域形成两个风浪的大值区。

而涌浪波高空间分布的季节差异并不显著，大值位于吕宋海峡东部，向北沿东海、黄海和渤海的方向递减，在南海波高则沿东北至西南向逐渐降低。涌浪的传播过程中，受传播效应和变浅效应的影响，南海和西北太平洋等开阔海域的涌浪比渤海和北部湾沿海等较狭窄的区域高得多。图中涌浪四季的空间分布特点相似，表明地形和水深对中国近海涌浪空间分布的重要作用。此外，涌浪波高在不同季节差异很大，冬季浪高最大，秋季次之，夏季最小，这说明涌浪波高也受风场的影响。

由于风浪和涌浪具有不同的形成条件和空间分布特点，为进一步研究风浪和涌浪对中国近海浪场的作用，根据文献中的定义计算涌浪指数[6,8,31]。表达式为：

其中：E、H和T分别代表能量、波高和平均周期；下标ss和sm分别代表涌浪和混合浪。涌浪指数S的季节分布特征列见图4。整体上看，在春夏季节，中国近海的大部分海域涌浪主导，而在一些狭窄的海域则是风浪占优，例如：朝鲜半岛西海岸、菲律宾中部的岛屿和海南岛西部的北部湾等。而秋冬季节，冬季季风盛行，涌浪的主导作用被削弱，很多海域完全是风浪占优，包括黄海的东北部、南海、台湾海峡和吕宋海峡等。另一个显著特点是，与风场中风速的大值中心对应，南海南部靠近越南的海域在夏季和冬季风浪占优，为方便描述，将该风浪占优海域称为风浪池。风浪池的大小和位置会随季节发生改变，夏季范围较大且位置偏北，对应夏季的西南季风。冬季的风浪池位置偏南且范围较小，对应冬季的东北季风。Chen等[6]使用卫星高度计数据发现全球范围大部分海域涌浪指数大于0.8，但南海夏季的涌浪指数相对较小。Semedo等[8]通过分析ERA-40数据，认为夏冬季节全球大部分海域的涌浪指数超过0.65。但Zheng等[31]认为中国近海位于西北太平洋的边缘，涌浪指数较宽阔的海域小，中国近海的浪场直接受风场的影响。

图3 1950—2010年四季中国近海风浪Hsw(a-d)和涌浪Hss(e-h)浪高和浪向的季节分布Fig.3 Seasonal average of theHsw(a-d) andHss(e-h) (intensity and direction) in China Seas and adjacent region in the period of 1950—2010

图4 1950—2010年四季中国近海涌浪指数的季节分布Fig.4 Spatial distribution of the swell indexSin China Seas in the period of 1950—2010

图5是中国近海混合浪季节变化的空间分布。由于春夏季节大部分海域涌浪占优，因此，除夏季南海南部的风浪池，混合浪与涌浪的空间分布基本一致。而秋冬季节，混合浪场的空间分布均具有风浪场和涌浪场的特点。分别基于1986—1989年的卫星数据和1979—2009年的CFSR风场数据，齐义泉等[19]和Mirzaei等[18]均发现夏季和冬季在南海南部存在波高的大值中心。然而，根据1986—2005年SWAN模式模拟的结果, 宗芳伊和吴克俭[16]得到结论，认为波高的大值中心春夏秋冬分别位于南海中部、菲律宾西侧、吕宋海峡西侧和南海南部。Zhou等[17]依据1976—2005年WW3模式模拟的结果得到相似的结论。虽然南海波高分布存在很多的争议，但在东中国海，波高沿东海、黄海和渤海的方向递减的变化趋势得到很多学者的肯定[14-15]。

图5 1950—2010年四季中国近海混合浪的季节分布Fig.5 Seasonal average of theHsm(intensity and direction) in China Seas and adjacent region in the period of 1950—2010

图6所示的是1950—2010年风速和混合浪波高不同季节的概率分布。对于渤海，风速和波高概率分布的季节差异不明显，最大概率风速为3～5 m/s，波高集中在0.3～0.6 m的范围，春季最大概率混合浪比例可达67%。黄海最大概率风速冬季最大，为7～8 m/s，夏季最小，为4～5 m/s。冬季最大概率波高为0.9～1.2 m，占总体30%以上，其他季节最大概率均高于40%，对应波高为0.6～0.9 m。东海风速和波高分布图相似，冬季的最大概率风速和波高最大，分别为7～8 m/s和1.5～1.8 m，其次是秋季，春夏季节较小。南海的春夏秋三个季节对应的最大概率风速和波高均为5～6 m/s和0.6～0.9 m，冬季则分别为7～8 m/s和1.2～1.5 m。

3 风-浪要素的长期变化特点

3.1 风-浪要素的线性趋势

文献中关于中国近海波高的长期变化趋势存在很多差异，主要观点和结论归纳在表1中。有些文献认为以递增趋势为主[21-22,32]，有些则认为大部分海区是降低的变化趋势[11]。对于渤海，李训强等[22]和Zheng等[31]认为渤海中部海域波高以1.5 cm/a的速率逐年递增。然而，使用NCEP风场驱动SWAN波浪模式，任惠茹等[24]得到年均波高以-0.3 cm/a的速率下降。对于东海，郑崇伟等[20]得到波高的年均增加率约为0.2～0.4 cm/a，Yamaguchi and Hatada[25]和Wu等[11]均认为东海的波高是显著降低的变化趋势，变化率分别为-0.1和-0.18～-0.14 cm/a。南海也存在不同的观点，郑崇伟等[20]研究认为，南海中部和北部的波高增加明显，速率约为0.4～0.6 cm/a。而Wu等[11]发现南海大部分海域的波高是降低的，年均变化趋势为-0.14～-0.18 cm/a。

((a)渤海、(b)黄海、(c)东海和(d)南海 。(a) Bohai Sea, (b) Yellow Sea,(c) East China Sea, (d) South China Sea.)图6 1950—2010年四季10 m高度风速(A)和混合浪(B)的概率分布Fig.6 Probability distribution ofU10(A) andHsm(B)at different seas for all seasons during the period of 1950—2010

表1 不同文献中关于中国近海混合浪长期变化趋势的观点和结论

注：经过95%置信水平检验的用*做标记。Trends which are statistically significant at the 95% level are marked with star.

本节分析了1950—2010年风速和混合浪波高的长期变化趋势。对于每个0.25°×0.25°格点，用最小二乘法做风速和波高对时间的线性回归，回归系数的等高线图展示在图7，区域平均的回归系数列在表2。从表2可知，在整个中国海，风速和波高的长期变化趋势分别为0.10 cm·s-1/a和0.36 cm/a。南海大部分海域的风速和波高显著增加，北部和西南部的增加趋势较大，整个南海风速和波高的增加趋势分别为0.27 cm·s-1/a和0.74 cm/a。相比之下，渤海和黄海主要是显著递减的变化趋势，递减率最大的区域为渤海中部和黄海东北部。渤海风速和波高的降低趋势分别为-0.49 cm·s-1/a和-0.8 cm/a，黄海的递减率分别为-0.43 cm·s-1/a和-0.79 cm/a。此外，菲律宾西南部海域以及海南岛西部的北部湾均出现递减的趋势，而东海的变化趋势则不显著。

(基于Mann-Kendall检验，带·标记的为通过95%置信度检验的结果。Trends which are statistically significant at the 95% level are marked with black dots, based on the Mann-Kendall test.)

图7 1950—2010年中国近海10 m高度风速和波高的线性趋势

Fig.7 Linear trends ofU10andHsmin China Seas for the period 1950—2010

不同季节变化趋势的结果也不尽相同，Zheng等[21]发现中国近海波高四季都是增加的趋势，冬季的增加趋势最为显著。Chien等[10]得到台湾隆冬冬季波高以-0.86 cm/a的速度线性递减。许多研究认为中国近海许多海域夏季波高显著增加，如：南海中部[18]、东海中部和南海东部[11]、台湾隆冬[10]。Yamaguchi and Hatada[25]则认为，夏季波高在黄海和东海为递减的变化趋势。很显然，中国近海波高的长期变化的结果较为分散，争议颇多，很重要的一个原因是，不同的研究中所采用的时间段的差异，因为长期趋势的获得依赖时间长度。

表2 对比1950—2010年不同海域风速U10和波高Hsm的长期变化趋势Table 2 Contrast of the linear trends of annualU10and seasonalHsmin various regions in the period of 1950—2010

注：基于Mann-Kendall检验，带*标记的为通过95%置信度检验的结果。Trends which are statistically significant at the 95% level are shown with star marks, based on the Mann-Kendall test.

图8给出的是1950—2010年夏季、冬季和全年不同海域的波高趋势分析结果，线性回归系数列在表2，用*做标记的是经过95%置信度检验的结果。从结果可见，夏季的长期变化趋势是显著的，渤海(-0.67 cm/a)和黄海(-0.21 cm/a)是显著降低的变化趋势，而东海(1.81 cm/a)和南海(0.85 cm/a)是显著增加的趋势。在秋冬季，只有渤海和黄海波高的长期变化趋势是显著的，秋季渤海和黄海的变化率分别为-0.94和-1.17 cm/a，冬季渤海和黄海的变化率分别为-1.31和-1.84 cm/a。春季，渤海的波高是显著降低的(-0.47 cm/a)，而南海的波高则呈现显著增加的变化趋势(1.30 cm/a)。

(红色代表夏季，蓝色代表冬季，绿色代表年均，其中图中的虚线代表线性趋势。Rede,blue and green reprsent summer,winter and annual value,respectively. The dashed lines are the linear trends.)

图8 1950—2010年夏冬和年均波高区域平均的长期变化
Fig.8 Linear trends ofHsmat different seas with regional average in the period of 1950—2010

3.2 与尼诺3.4指数的相关分析

为了研究风和浪的长期变化机制，对中国近海的风速和波高与尼诺3.4指数进行相关性分析。图9可以看出，尼诺3.4指数与风速和波高呈负相关关系，最小二乘法线性拟合的斜率在分别为-0.37和-0.11。冬季尼诺3.4指数与风速和波高之间是负相关的关系，线性拟合的斜率分别为-0.18和-0.06。夏季则呈正相关关系，线性拟合的斜率分别为0.013和0.003。

基于NCEP/NCAR再分析数据，Chen等[33]指出，厄尔尼诺现象能削弱东亚冬季风的强度，而拉尼娜现象则会加剧东亚冬季风。在厄尔尼诺年，季风变弱，中国近海的风速就会降低，波高下降，在拉尼娜年情况则相反，因此，中国近海冬季的风速和波高与尼诺3.4指数呈负相关关系。Chien等[11]指出，在台湾岛附近，拉尼娜年的波高增加，厄尔尼诺年降低。使用1979—2014年的再分析数据，Wang等[23]也得到相同的结论，风速和波高与尼诺3.4指数呈负相关关系。

(红星和垂直杆分别代表平均值和标准偏差。The red star marks represent the mean values and the vertical bars represent the standard deviation of the difference measure computed over the Nio 3.4 index.)

图9 1950—2010年尼诺3.4指数与风速和波高距平的散点图
Fig.9 A scatter diagram of Nio 3.4 index and fluctuations ofU10andHsmduring the period 1950—2010

为了探究整个中国海的风速和波高与厄尔尼诺事件的相关关系，图10和11展示了不同季节相关系数的空间分布。总体上，尼诺3.4指数与风速和波高的相关系数的空间分布是相似的，风速和波高长期变化趋势的空间和时间分布很相近(见图7)。除南海南部，冬季基本呈现负相关关系，尤其是东海南部和南海北部的负相关关系最强。这表明在厄尔尼诺现象发生时，冬季季风较弱，从而导致波高降低。而在夏季，东海和南海的大部分海域显示正相关关系，其中，南海南部的正相关性最强。秋季，东海南部和南海北部以负相关为主，而渤海和黄海北部存在较弱的正相关关系。春季是从负向正相关的过渡季节，南海北部湾附近相关系数为正，尼诺3.4指数负相关主要分布在吕宋海峡。Mirzaei等[18]分析了1979—2009年南海波浪与尼诺3.4指数之间的相关性。他们认为，南海中部海域冬季的相关系数为负值，而夏季整个南海南部是正相关关系。

图10 1950—2010年四季尼诺 3.4指数和中国近海风速(U10)相关系数的空间分布Fig.10 Correlation coefficients between Nio 3.4 index and fluctuation ofU10in the China Seas for spring, summer, autumn and winter in the period of 1950—2010

图11 1950—2010年四季尼诺3.4指数和中国近海波高(Hsm)相关系数的空间分布Fig.11 Correlation coefficients between Nio 3.4 index and fluctuation ofHsmin the China Seas for spring, summer, autumn and winter, respectively in the period of 1950—2010

4 结论

(1) 基于1950—2010年ERA-20C再分析资料，综合分析了中国近海(0°～41.5°N, 105°E～130°E)风候和波候特点，得出结论:中国近海的风场主要受东亚季风控制，夏季和冬季分别在南海南部靠近越南的海域形成一个风速的大值中心，风速大小分别为7和9 m/s。由于风浪直接受局地风的影响，风浪和风速的空间分布图十分相似，受传播效应和变浅效应的影响，涌浪的空间分布与地形相关，外海的涌浪波高较近岸高。

(2) 除朝鲜半岛西海岸、菲律宾中部的岛屿、南海南部靠近越南的海域和海南岛西部的北部湾等一些狭窄的海区，春夏季节大部分海域涌浪占优；而秋冬季节，冬季季风盛行削弱涌浪的主导作用，渤海、黄海台湾海峡、吕宋海峡和南海南部靠近越南的海域的大部分地区是风浪占优。

(3) 风速和波高的长期变化趋势一致，南海大部分地区显著增加，风速和波高增加趋势分别为0.27 cm·s-1/a和0.74 cm/a；渤海和黄海主要是显著递减的变化趋势，最大递减率位于渤海中部和黄海东北部；渤海风速和波高的降低趋势分别为-0.49 cm·s-1/a和-0.85 cm/a，黄海的递减率分别为-0.43 cm·s-1/a和-0.79 cm/a，东海的变化则不显著。相关性分析结果显示，尼诺3.4指数与年均风速和波高呈负相关关系，最小二乘法线性拟合的斜率分别为-0.37和-0.11。秋季东海南部和南海北部以及冬季的大部分海域均呈负相关关系，而夏季，东海和南海的大部分海域呈正相关关系。