南海-北印度洋波高的长期变化:Ⅰ.重点区域的趋势、周期和突变分析

利用ERA-40海表10 m风场驱动WAVEWATCH-Ⅲ(WW3)海浪模式,模拟得到南海-北印度洋1957年9月—2002年8月的海浪资料,采用线性回归、功率谱分析、MK检验等方法,分析了该海域有效波高(SWH)的线性趋势、变化周期、突变形势。结果表明:(1)近44 a期间,吕宋岛东北部近海、吕宋海峡、南海大风区、斯里兰卡-苏门答腊岛、索马里以东的SWH有线性递增趋势;(2)索马里以东、斯里兰卡-苏门答腊岛、南海大风区、吕宋岛以东近海的SWH存在共同的3.3—5.2 a显著性变化周期和26 a以上的长周期震荡;(3)索马里以东的SWH存在显著的突变现象,突变期为1982年;斯里兰卡-苏门答腊岛的SWH无显著的突变现象;南海大风区和吕宋岛以东近海的SWH均存在显著的突变现象,突变期分别为1971年和1969年。     

经略21世纪海上丝路之海洋环境特征:波候统计分析

文章利用来自ECMWF的ERA-interim海浪再分析资料,统计分析了21世纪海上丝路涉及海域的波候特征,结果表明:1 2月,南海的有效波高(SWH——significant wave height)在1.4m以上,明显大于北印度洋。南海的波向以NE向为主导;北印度洋以偏S、偏E向为主。5月,北印度洋以偏S向浪为主;南海中部为SE向,北部为偏E向。北印度洋的SWH在1.2m以上,明显大于南海。8月,南海—北印度洋以SW向的浪为主。阿拉伯海的SWH在2.2m以上,孟加拉湾为1.4~2.8m;南海的SWH相对最弱。11月,南海的波向以NE向为主,北印度洋以偏S、偏E向为主。南海的SWH明显大于北印度洋。2 2月,南海以偏NE向的浪出现频率最高,需要引起重视的有NE、NNE、ENE向的强浪。北印度洋主要以偏S向的浪为主,强浪出现频率很低。8月,南海—北印度洋以偏S、SW向的浪为主;需要注意的是SSW、SW、WSW向的强浪。3 2月、11月,北印度洋的大浪频率在10%以内,南海明显高于北印度洋。5月,南海—北印度洋在10%以内。8月,阿拉伯海的大浪频率在40%以上,孟加拉湾次之,南海的频率低于北印度洋。4 1979-2014年期间,南海大部分海域的SWH显著性递增,趋势在每年0.4cm/s以上。孟加拉湾、印度半岛西部海域没有显著的变化趋势。阿拉伯海西部、印度洋15°S-0°显著递增,趋势为每年0.1~0.4cm/s。仅部分零星海域表现出显著性递减。     

近44年北印度洋海表风速变化趋势分析

利用来自ECMWF的ERA-40风场资料,就北印度洋海表风速的长期变化趋势展开分析,以期可为海洋水文保障、防灾减灾、研究全球气候变化提供参考.结果表明:(1)1958-2001年期间,北印度洋低纬度海域、索马里至斯里兰卡一带的大范围海域的海表风速表现出显著的逐年线性递增趋势,基本在0.01-0.02 m·s-1·a-1;呈显著性递减的区域主要分布于亚丁湾、红海、波斯湾、斯里兰卡北部零星海域、以及缅甸仰光西南部近海等小范围海域,约-0.01-0.005m·s-1·a-1;阿拉伯海、孟加拉湾等海域的海表风速在近44年期间则无显著性变化趋势;(2)近44年期间,北印度洋海域的海表风速整体上以0.0061m·s-1 ·a-1的速度显著性震荡递增,震荡区间在5.0-5.5 m·S-1之间;(3)不同海域海表风速的变化趋势在不同季节表现出很大差异:冬季和夏季,大部分海域海表风速的变化趋势显著,春季次之,秋季仅在赤道附近一带海域呈显著性递增;(4)近44年期间,北印度洋的海表风速存在显著的2.0年、2.6-3.7年、5.2年的变化周期,以及26年以上的长周期震荡.     

印度洋-南海海域海表风场的时空分布特征

利用来自ECMWF的ERA-40风场资料,采用EOF、线性回归等方法,分析了1958-2001年期间印度洋-南海海表风场的时空分布特征。结果表明：（1）该海域背景特征存在两个比较明显的高值区：索马里附近海域、南海海域,分别反映的是夏季索马里附近海域强劲的西南季风、南海冬季频繁的冷空气。（2）该海域海表风场的第二模态在空间分布特征上,北印度洋中纬度海域与赤道附近海域呈反位相分布,40°S 与60°S 海域也呈反位相分布;第三模态则整个北印度洋与南印度洋呈反位相分布。（3）1958-2001年期间,印度洋-南海的海表风速整体上呈显著性逐年线性递增,尤其以1975-1980年期间的递增趋势最为强劲,1975年的年平均风速为近44年的最低点。     

基于CCMP风场的中国近海风能资源的长期变化分析

基于1988—2009年高时空分辨率的CCMP风场资料,分析了中国海及周边海域风能密度的分布特征,给出了这些海域风能密度的整体变化趋势、变化趋势的区域性差异和季节性差异,以期为风能资源开发工作提供科学依据。结果表明:(1)中国海及周边海域风能密度大值区主要分布于琉球群岛-台湾岛-南海大风区一线,呈东北-西南向带状分布,年平均风能密度能达到450 W/m~2以上。渤海、渤海海峡、黄海北部的年平均风能密度基本在200 W/m~2以内;黄海中南部为200~350 W/m~2;东海基本都在300 W/m~2以上;5°N以北的南海大部分海域的风能密度基本都在200 W/m~2以上;(2)近22 a期间,该区域的风能密度整体上以4.1637 W/(m2·yr)的速度逐年递增;(3)中国海及周边海域大范围海域的风能密度表现出显著性逐年线性递增趋势,同时也表现出较大的区域性差异,仅部分零星海域的风能密度表现出显著性递减趋势;(4)中国海及周边海域风能密度的变化趋势在近22 a期间表现出很大的季节性差异。冬季的递增趋势最为强劲,呈递增趋势的区域范围夜最广,春季次之,夏季和秋季呈显著性递增的区域范围相对较小。     

1957～2002年南海—北印度洋海浪场波候特征分析

利用ERA-40海表10 m风场驱动第三代海浪数值模式WAVEWATCH-Ⅲ,得到南海—北印度洋1957年9月至2002年8月的海浪场,并分析其波候(风候)特征.研究发现如下主要特征:(1)该海域的波高波向、风速风向受季风影响显著;(2)北印度洋大部分海域的海表风速呈显著性逐年线性递增趋势,大约0.01～0.02 m/(s·a),南海线性递增的区域则较少,有效波高呈显著性逐年线性递增的区域主要集中在低纬度中东印度洋(约0.003～0.006 m/a)、索马里附近海域(大约0.002～0.005 m/a)、南海大部分海域(约0.002～0.004 m/a),线性递减的区域主要集中在孟加拉湾海域(约-0.002 m/a);(3)Nino3指数与南海—北印度洋的海表风场、浪场存在密切的关系;(4)南海—北印度洋的海表风速与有效波高存在5.2a左右的共同周期,南海的海表风速、有效波高还存在2.0a左右的共同周期,北印度洋的海表风速、有效波高还存在26.0a的长周期震荡.     

近22年南海波浪能资源模拟研究

利用目前国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,对近22年南海的波浪能资源进行模拟研究。综合能流密度大小、能级频率、有效波高(significantwave height,SWH)和能流密度的长期变化趋势以及能流密度的稳定性等各方面,发现我国南海尤其是南海北部海域蕴藏着较为丰富、适宜开发的波浪能资源;并探索性地构建了一套资源评估系统,对南海的波浪能资源进行综合分析,寻找资源的相对优势区域,为海浪发电、海水淡化等波浪能资源开发工作提供科学依据。结果表明:1)南海大部分海域的能流密度在2—16kW m 1,大值区分布于吕宋海峡—中南半岛东南海域一线。2)近22年期间,南海大部分海域的SWH以0.005—0.025m a 1的速度显著性逐年线性递增,大部分海域的波浪能流密度以0.05—0.55kW m 1 a 1的速度显著性逐年线性递增。3)南海大部分海域2W m 1以上能流密度出现频率在60%以上。4)南海大部分海域波浪能流密度各月的变异系数Cv基本都在0.9以内,稳定性较好,大部分海域的月变化指数Mv指数在6以内,季节变化指数Sv指数在4以内。5)南海北部为波浪能资源的相对优势区域。     

1988-2010年中国海域波浪能资源模拟及优势区域划分

基于国际先进的第三代海浪数值模式WAVEWATCH -Ⅲ,以CCMP风场为驱动场,模拟得到中国海域域1988年1月-2010年12月的海浪场。从提高波浪能资源利用效率的角度出发,定义了波浪能资源开发的有效时间,综合考虑波浪能流密度的大小、资源开发有效时间出现的频率、能流密度的稳定性(变异系数)、SWH和能流密度的变化趋势、资源的总储量和有效储量等方面,对中国海域域的波浪能资源进行评估。研究发现:(1)南海北部四季皆为能流密度的大值区,各个季节基本都在8 kW/m以上,秋冬两季更是高达20 kW/m以上。(2)东海和南海大部分海域的波浪能资源开发有效时间出现频率较高。(3)能流密度的稳定性在1月最好,4月和10月次之,7月最差;南海能流密度的稳定性好于其余海域,其中又以南海北部海域的稳定性最好。(4)中国海域域大部分海域单位面积的波浪能总储量在2×104 kW·h/m以上,高值中心分布于南海北部海域,有效储量的分布特征与总储量基本一致。(5)我国大部分海域的SWH和波浪能流密度呈显著的逐年线性递增趋势,SWH的递增趋势为0.5~2.5 cm/a,能流密度的递增趋势为0.05~0.55 kW/(m·a)。(6)我国大部分海域蕴藏着较为丰富的波浪能资源,其中南海北部、台湾以东洋面及琉球群岛附近海域为波浪能资源的优势区域。     

近百余年来西北太平洋SST长期变化趋势研究

利用来自英国气象局Hadley中心的海表温度(SST—Sea SurfaceTemperature)资料,计算了近百余年来(1870—2010年)西北太平洋SST的整体变化趋势、变化趋势的区域性差异、季节性差异、变化周期、突变形势,结果表明:(1)近百余年来,西北太平洋的SST整体上以3.9×10-3℃/a的速度显著性逐年线性递增。在1870—1910年期间表现出缓慢的递减趋势,1910—1930年期间的SST为近百余年来的波谷,曲线走势非常平缓,1930年以后,SST持续性递增至今;(2)西北太平洋大部分海域的SST表现出显著性逐年线性递增趋势,近海的递增趋势强于大洋。近海的递增趋势基本都在3×10-3℃/a以上,福建和广东沿岸、台湾周边海域、琉球群岛-日本一带周边海域的递增趋势最为强劲,基本在9×10-3℃/a以上,高值中心可达12×10-3℃/a以上;仅在鄂霍次克海西部近海呈显著的递减趋势,-15×10-3—-9×10-3℃/a;(3)西北太平洋SST的变化趋势表现出较大的季节性差异,秋冬两季的递增趋势强于春夏两季。鄂霍次克海的SST在冬春两季表现出显著性递减趋势,在秋季则表现出显著性递增趋势,夏季为过渡季节;(4)西北太平洋海域的SST存在多种尺度的变化周期:具有显著的2.1—2.3年、2.6—3.0年、3.3—3.8年、4.1—4.3年、4.7—6.0年、6.9—9.0年的显著性变化周期,以及45年以上的长周期震荡。近百余年来,西北太平洋海域的SST并不存在显著的突变现象。     

西北太平洋海域海表风速长期变化趋势研究

利用来自ECMWF的ERA-40海表10m风场资料,对西北太平洋海域海表风速的长期变化趋势等进行研究,研究发现:(1)1958-2001年期间,西北太平洋第一岛链以内海域的海表风速不存在显著的逐年变化趋势,第一岛链以外地广阔洋面则基本表现出显著性逐年线性递增趋势,递增趋势约0.005-0.02 m·s1·a-1,呈显著性逐年线性递减的海域主要分布于一些零星海域;(2)近44年期间,西北太平洋海域的海表风速整体上以0.0072m·s-1·a-1的速度显著性逐年线性递增,在1958-1974年期间,海表风速的递增趋势较强,1975-2001年期间,西北太平洋海域的海表风速整体上变化趋势较为平缓,尤其是在1976-1983年期间,海表风速的走势甚为平缓;(3)西北太平洋海域的海表风速不存在显著的逐MAM、逐JJA变化趋势,逐SON和逐DJF则表现出显著的线性递增趋势,逐SON的递增趋势为0.0047 m· s-1· a-1,逐DJF的递增趋势为0.0079m·s-1·a-1;(4)西北太平洋海域的海表风速存在多种尺度的变化周期,具有明显的2.0-2.4年、4.3-5.2年以及26年以上的长周期震荡.     

北印度洋-南海海域海浪场、风场的年际变化特征分析

利用1957年9月～2002年8月共45年的逐6小时ERA40 10 m风场,驱动WAVEWATCHⅢ海浪模式,得出北印度洋-南海海域3小时一次,分辨率为0.5°×0.5°的海浪场;对上述海浪场和对应风场进行EOF分析,讨论它们的年际变化的特征。研究结果指出:亚丁湾以东洋面、孟加拉湾和南海都存在海浪和风速场的高值变化中心,尤其是亚丁湾以东洋面风力最强,有效波高最高;赤道印度洋中东部有效波高为高值区可能是南印度洋西风带产生的涌浪向北传播引起的;北印度洋-南海海域海面风速和有效波高呈线性增强趋势,海面风速还存在3年左右的周期变化现象。     

1870-2011年全球海域SST变化趋势

利用来自英国气象局哈德莱中心(Met Office Hadley Centre)的海表面温度(Sea Surface Temperature, SST)资料, 对全球海域近140余年来SST的长期变化进行分析。研究发现:(1)1870—2011年期间, 全球大部分海域的SST表现出显著的逐年线性递增趋势, 在两极大部分海域、格陵兰南部海域呈显著的递减趋势, 仅在部分小范围海域及一些零星海域的SST无显著变化。近海的递增趋势强于大洋, 大洋西岸的递增趋势强于大洋东岸。(2)近140余年来, 整体上全球的SST以0.0038℃/a的速度显著增加, 其中1870—1910年表现出较为显著的递减趋势, 1910年至今表现出较强的递增趋势。(3)1870—1910年期间, 全球大范围海域的SST无显著变化; 呈显著递减的海域主要分布于东海、阿拉斯加半岛南部海域、北大西洋30°N附近海域、冰岛南部海域、南印度洋西风带海域、新西兰附近海域; 呈显著递增的区域较为分散。1910—2011年期间, 全球大范围海域的SST逐年显著递增, 在两极大部分海域呈显著的递减趋势。(4)1870—1960年期间, 两极的SST走势较为平缓; 1960—2011年期间, 南极尤其是威德尔海的SST表现出显著的递减趋势, 其中逐8月的递减趋势尤为强劲; 北极逐2月、逐5月的SST呈显著性递减, 逐8月呈显著性递增且趋势较为强劲, 达到0.0402℃/a, 逐11月的SST无显著变化。     

近45 年南海-北印度洋波浪能资源评估

利用 ERA-40海表10 m 风场驱动第三代海浪数值模式(WAVEWATCH-,Ⅲ简称 WW3),得到南海–北印度洋1957年9月~2002年8月的海浪资料,计算该海域的波浪能,分析波浪能流密度的四季分布特征、不同能级出现的频率及波浪能流密度的稳定性,为海浪发电、海水淡化等选址提供依据.研究发现,南海–北印度洋海域蕴藏着较为丰富的波浪能:(1)南海–北印度洋大部分海域的年平均波浪能流密度在2 kW/m 以上,大值区位于南海、孟加拉湾、索马里附近海域.(2)南海–北印度洋海域波浪能流密度大于2 kW/m 和大于4 kW/m 出现的频率都较高.(3)南海–北印度洋的波浪能流密度具有较好的稳定性,春季、秋季、冬季的稳定性好于夏季,南海的稳定性好于北印度洋     

“21世纪海上丝绸之路”的海洋环境研究——印度洋海表风速变化趋势

文章利用ERA-40海表10m风场,采用一元线性回归方法,计算印度洋海表风速在45年间(1957年9月至2002年8月)的逐年变化趋势,为"21世纪海上丝绸之路"建设、海上风能开发和全球气候变化研究等提供科学依据。研究表明:海表风速呈显著性逐年递增的区域主要分布于25°S—10°N的海域和南半球咆哮西风带所控制的海域,递增趋势为0.01~0.035m·s-1·a-1,仅零星海域呈显著性递减趋势,其余海域的海表风速无显著变化趋势;南、北印度洋的海表风速分别以0.010 2m·s-1·a-1和0.004 7m·s-1·a-1的速度显著性逐年线性递增,年平均海表风速分别在7.5m·s-1左右和5.2m·s-1左右;南、北印度洋存在共同的2.6~2.7a和5.2a的变化周期以及26a以上的长周期变化,且海表风速的突变期分别为1989年和1978—1980年。     

近45 年北印度洋海表风、浪特征研究

基于第三代海浪数值模式(WAVEWATCH-Ⅲ),以ERA-40海表风场为驱动场,得到北印度洋1957年9月～2002年8月的海浪场,并分析其特征.研究发现,北印度洋1958～2001年年平均海表风速和有效波高均呈缓慢递增趋势;北印度洋的海表风速、有效波高存在2.36～5.2 a左右的共同周期及26 a的长周期震荡;北印度洋海域年平均海表风速、有效波高的突变形势与冬季相似,突变期在20世纪80年代初.本研究可以为在北印度洋这一重要战略通道上作业的船只提供重要参考.     

基于两种数据集的全球SST变化趋势的对比研究

分别利用了来自NOAA和Hadley中心的SST(Sea Surface Temperature)资料,分析了全球海域每个网格点上SST的变化趋势,并将两种资料分析的结果进行比较。研究发现:近150a期间,全球大部分海域的SST以0.003℃.a-1左右的速度显著性逐年线性递增,仅在格陵兰南部海域和两极部分海域呈显著的逐年线性递减趋势;NOAA的SST变化趋势的区域性差异比Hadley的SST明显,但后者变化趋势的强度稍大于前者;不同海域SST的逐年变化趋势由不同的季节主导;在1910年为近150a来SST的最低点,之后缓慢上升,在1942年附近达到1个相对高点,而后略有下降,但很快又恢复上升趋势,上升趋势一直延续至今。     

集合最优插值方法在北印度洋海浪同化中的应用

基于第三代海浪模式WaveWatch III,采用集合最优插值(EnOI)方法对北印度洋海浪进行同化数值实验研究。在集合样本选取方案上,针对不同的实验分别选取有效波高(SWH)的历史后报场(样本A)、24h变化(样本B)以及以同一时刻72h预报时效和24h预报时效的差异(样本C)用于估计背景误差协方差。样本A和样本B是为海浪模拟而设计,样本C是为海浪预报而设计;通过与由高度计数据确定的模式背景误差进行比较,认为样本B优于样本A。采用样本B对2011年北印度洋海浪场进行同化模拟,结果表明2011-03-11相对误差改进都在5%及以上,其中7月份改进效果最佳。采用样本C对2013-07的有效波高进行0~72h预报,发现同化使0~24h预报改进最明显:均方根误差改进0.12m,相对误差改进5%。浮标检验结果支持上述结论。     

基于ERA-Interim资料近37年南海波浪时空特征分析

基于ECMWF的ERA-interim37a的风场及海浪场再分析资料,探讨了南海海域波浪的时空分布特征,主要分析了波浪场和风场的空间分布、季节特征以及4个海域(南沙、西沙、中沙、东沙)波高与周期的联合分布以及南海波高的长期变化趋势。结果表明:南海海域的有效波高大值区呈东北-西南走向,且具有明显季节性变化特征,波高与风速以及波向与风向整体相关性较好;有效波高和波周期有良好的对应关系,不同区域波高与周期联合分布相近。1979—2015年期间,南海大部分海域的有效波高呈逐年递增趋势,其量值约为0.2~0.8 cm/yr。本文的研究成果,对南海远洋运输、海洋工程设计、岛礁建设及海洋能开发与利用等有着重要的参考价值。     

WAVEWATCHIII 同化模块的建立和检验

将基于最优插值 (OI) 的同化并行模块植入全谱空间的第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14,建立数据同化的海浪模式预报系统, 并通过实际的预报个例对同化系统进行检验。个例实验是以5°S 以北的印度洋海域为目标计算区域, 海面风场强迫采用业务单位的中尺度天气预报模式WRF(weather research and forecast) 提供的逐时海面风场预报产品。模式积分过程中连续同化2010 年12 月15 日、16 日和17 日过境北印度洋的Jason-2 卫星高度计沿轨有效波高 (SWH) 数据 (需要指出的是, 每次同化得到新的SWH 分析场后需重构相应的二维海浪谱用于谱模式)。SWH 同化分析值和无同化的对照组分别与高度计沿轨观测数据比较发现, 就日平均统计来看, 同化较无同化使SWH分析值的均方根误差减小约25%～50%。以SWH 同化分析场作为初始场的预报表明, 同化对预报影响的时效性可延长至48～60 h。本研究目的是通过将高度计测量的SWH 数据同化到海浪模式进一步提升海浪数值预报的准确度。     

1988—2009年中国海波候、风候统计分析

利用高精度、高时空分辨率、长时间序列的CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场,驱动国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),得到中国海1988年1月～2009年12月的海浪场。对中国海的波候(风候)进行精细化的统计分析,分析了海表风场和浪场的季节特征、极值风速与极值波高、风力等级频率和浪级频率、海表风速和波高的逐年变化趋势,结果显示:(1)中国海的海浪场与海表风场具有较好的一致性,尤其是在DJF(December,January,February)期间;海表风速和波高在MAM(March,April,May)期间为全年最低,在DJF期间达到全年最大;MAM和JJA(June,July,August)期间,中国海大部分海域的波周期在3～5.5s,SON(September,October,November)和DJF期间为4.5～6.5s。(2)中国海极值风速、极值波高的大值区分布于渤海中部海域、琉球群岛附近海域和台湾以东广阔洋面、台湾海峡、东沙群岛附近海域、北部湾海域、中沙群岛南部海域。(3)吕宋海峡在MAM、SON、DJF期间均为6级以上大风和4m以上大浪的相对高频海域,JJA期间,6级以上大风的高频海域位于中国南半岛东南部海域,4m以上大浪主要出现在10°N以北。(4)在近22a期间,中国海大部分海域的海表风速、有效波高呈显著性逐年线性递增趋势,风速递增趋势约0.06～0.15m.s-1.a-1,波高递增趋势约0.005～0.03m.a-1。