石永芳，楊永增，尹訓(xùn)強

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；

2.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061）

海岸和近海工程建筑物處于嚴酷的海洋環(huán)境下，要保證建筑物在此環(huán)境中安全并能在使用期內(nèi)發(fā)揮其應(yīng)有功能，海浪常常是最主要的環(huán)境影響因素，過低地估計海浪的嚴重性將導(dǎo)致海岸和近海工程的破壞，而過高地估計又將導(dǎo)致很大的浪費。因此在進行海上建筑物的規(guī)劃和設(shè)計之前，必須得到相應(yīng)海區(qū)的可靠海浪資料，分析其變化趨勢，掌握其統(tǒng)計特性。

早在1991年，Bacon和Carter［1］利用所有可用的船測走航數(shù)據(jù)和浮標數(shù)據(jù)，計算了1962—1986年北大西洋和北海的海浪變化趨勢。1996年，Bouws等［2］收集超過2萬張的手繪波圖，利用這些波圖分析了1960—1985年間海浪的變化趨勢，研究結(jié)果表明，在此期間海浪并沒有明顯的變化，這一結(jié)果更符合實際的觀測。2002年，Woolf等［3］利用1991－08—2000－02的實測衛(wèi)星高度計資料對海浪隨時間的變化進行了分析，所用數(shù)據(jù)分辨率為2°×2°的月平均數(shù)據(jù)，通過分析表明，在北大西洋區(qū)域除了個別點有效波高有明顯的下降或上升，總體看來變化趨勢并不明顯。

隨著計算機技術(shù)和海浪模式的發(fā)展，越來越多的工作利用海浪后報和預(yù)報的數(shù)據(jù)來研究波候。1998年，Gǔnther等［4］與北大西洋海浪和風(fēng)暴研究組織（WAVA Group）［5］通過模式得到了1955—1994年共40a的波浪后報數(shù)據(jù)，利用線性回歸方法分析了北大西洋的波候。2010年，Guillaume等［6］利用再分析資料驅(qū)動海浪模式，計算了過去60a即1953—2009年北大西洋海浪要素，其中包括有效波高、波向和周期，并通過同一經(jīng)線不同緯度三個點的海浪要素的時間序列，分析了其線性變化的趨勢。

分析上述研究成果，一方面，由于觀測手段和技術(shù)的限制，利用數(shù)值模式數(shù)據(jù)研究波候的工作較多，時間跨度長，而使用實測數(shù)據(jù)對波候研究的工作較少并且時間跨度短；另一方面，國內(nèi)外學(xué)者的研究工作大部分集中在對北大西洋波候的研究，對其他幾大洋乃至全球的波候研究較少。以此為切入點，考慮到現(xiàn)有的數(shù)據(jù)條件，本文使用了Topex／Poseidon（1993—2001年）和JASON－1（2002—2011年）的衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)，分析了近20a平均海浪的空間特征及海浪的變化趨勢。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)介紹

Topex／Poseidon和JASON－1是法國國家空間研究中心（CNES）和美國宇航局（NASA）分別在1992－08和2001－12聯(lián)合發(fā)射的高度計微波遙感專用衛(wèi)星。JASON－1是Topex／Poseidon的后繼衛(wèi)星，它們都載有雙頻率Ku波段／C波段高度計，采用微波波段，比采用可見光或紅外波段的激光高度計分辨率更高，可用于精確的測量海陸表面和冰面地形。

JASON－1與Topex／Poseidon都是精確的循環(huán)軌道，軌道高度在1 300km左右，軌道傾角為66°，所以只能在66°N～66°S的區(qū)域內(nèi)運行，不能覆蓋到極地地區(qū)。它們對地采樣模式相同，為每秒測量1個點，星下點的地面分辨單元距離為6km，循環(huán)周期約為10d［7］。

高度計的觀測包括海面高度、海面溫度、風(fēng)場、有效波高等諸多變量，時間序列至今約有20a，給人們提供了迄今為止時間序列最長、數(shù)據(jù)質(zhì)量最高的全球風(fēng)、浪和海平面高度同步觀測資料，成為近年來海洋領(lǐng)域科學(xué)研究的一個重要數(shù)據(jù)來源。本文使用了1993—2011年共19a的有效波高及風(fēng)場數(shù)據(jù)。

1.2 統(tǒng)計方法

本文首先將軌道數(shù)據(jù)插值［8］為月平均1°×1°分辨率的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，分析多年年平均海浪的空間分布特征，同時與風(fēng)場進行對比；衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)以10d為一個周期，數(shù)據(jù)覆蓋全球，但并不同步，為了確保計算得到的海浪隨時間變化率的精確性，將全球劃分為0.5°×0.5°的網(wǎng)格點，直接統(tǒng)計了軌道數(shù)據(jù)在不同時刻落到每個網(wǎng)格點的觀測值。以4個不同緯度點為例（圖1），顯示了0.5°分辨率網(wǎng)格點的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

從圖1可以看出，采用以上方法統(tǒng)計的每個網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)足夠多，確保了分析結(jié)果的可信性。

圖1 180°經(jīng)線上不同網(wǎng)格點的有效波高Fig.1 The significant wave height at different grid points along the 180°meridian

2 結(jié)果與分析

2.1 空間特征

圖2顯示了1993—2011年期間全球年平均的海浪空間分布，同時與風(fēng)場進行對比，有效波高的大值主要分布在南北半球的高緯度區(qū)域，在南北太平洋、北大西洋，南印度洋都有一個極值中心，并且北大西洋的有效波高值略大于北太平洋，可以明顯看出，海浪大值分布的路徑與風(fēng)場的大值分布有明顯的一致性，特別是南半球的西風(fēng)帶區(qū)域，它是地球上唯一一個東西方向上不被陸地隔斷的區(qū)域，這提供了更長的風(fēng)區(qū)，加上此區(qū)域盛行常年穩(wěn)定的西風(fēng)，因此有效波高一直較大。雖然熱帶、亞熱帶區(qū)域也存在季風(fēng)帶，但其風(fēng)速比中高緯度西風(fēng)帶的風(fēng)速小，因此低緯度區(qū)域有效波高常年保持較小且變化也小。

影響海浪場分布的因素很多，包括風(fēng)速、風(fēng)時、風(fēng)區(qū)、風(fēng)向及地形等，但海浪的成長主要取決于風(fēng)時、風(fēng)區(qū)及風(fēng)的大小，風(fēng)場也將自身攜帶的大部分能量輸入給海浪。風(fēng)場是影響海浪空間分布的重要因素。

圖2 1993—2011年年平均的海浪場和風(fēng)場的空間分布Fig.2 The spatial distributions of the annual average wave field and wind field from 1993to 2011

2.2 時間變化

基于直接統(tǒng)計的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法計算了近20a全球海浪隨時間的變化趨勢。由于衛(wèi)星軌道的分辨率（2°×2°）大于所劃分的網(wǎng)格點，并且Topex／Poseidon（1993—2001年）和JASON－1（2002—2011年）的衛(wèi)星軌道并不相同，這樣就會出現(xiàn)網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)為空、前10a數(shù)據(jù)為空或后10a數(shù)據(jù)為空的現(xiàn)象，因此，直接計算的有效波高變化率存在較大的誤差，圖3為直接統(tǒng)計的全球海浪變化趨勢空間分布圖。

圖4為全球每個格點的觀測點數(shù)統(tǒng)計，從各網(wǎng)格觀測點數(shù)的統(tǒng)計可以看出，一部分網(wǎng)格的觀測點數(shù)較少，因此統(tǒng)計誤差較大，經(jīng)檢驗選取大于各網(wǎng)格點總觀測數(shù)平均值（2 500）的網(wǎng)格為有效網(wǎng)格點，利用線性回歸的統(tǒng)計方法，計算了海浪近20a的變化趨勢，計算結(jié)果如圖5所示。

通過圖5可以得出海浪變化趨勢分布的主要特點：海浪在北太平洋有明顯的減小趨勢，減小率約在0.015m／a左右；在東北大西洋有弱的減小趨勢，與此相反，西北大西洋的海浪增加趨勢明顯；海浪在印度洋、大西洋的低緯度區(qū)域及太平洋東岸的低緯度區(qū)域有弱的增加趨勢，增加率約為0.005m／a；在30°～45°S的南太平洋區(qū)域增加趨勢較強，約0.012～0.016m／a。

在國內(nèi)外波候的大量研究工作中，由于時間跨度和數(shù)據(jù)源不同，得到的結(jié)果也不盡相同。2002年，Woolf等［3］通過分析1991—2000年的衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在北大西洋區(qū)域，除了個別點有效波高有明顯的下降或上升，總體看來變化趨勢并不明顯。2010年，Guillaume等［6］研究表明，1953—2009年夏季平均的有效波高沒有明顯變化，冬季平均的有效波高在其中兩點呈上升趨勢，其中一點無明顯變化。

為了驗證所做工作的正確可信性，將同時間段衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)的線性回歸結(jié)果與Guillaume等［6］工作中1993—2008年在3個不同緯度上數(shù)值模式數(shù)據(jù)的線性回歸結(jié)果相比較，比較Guillaume等波候研究結(jié)果（圖6）和衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)的研究結(jié)果（圖7）可以看出，3個對應(yīng)點的變化趨勢一致，都呈減小趨勢，并且減小率相近，說明了實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的正確性。

圖6 Guillaume在12.5°W經(jīng)線3個不同點的波候研究結(jié)果（1993—2008年）Fig.6 Results obtained by Guillaume who studied the wave climate at three different points along the 12.5°W meridian（1993—2008）

圖7 實測數(shù)據(jù)在12.5°W經(jīng)線3個不同點的波候研究結(jié)果（1993—2008年）Fig.7 Results of wave climate from the data measured at the three different points along the 12.5°W meridian（1993—2008）

3 結(jié) 語

本研究利用1993—2011年衛(wèi)星高度計的實測數(shù)據(jù)，對近20a的全球波候進行了分析。多年年平均的海浪場和風(fēng)場的比較顯示：海浪的大值分布路徑與風(fēng)場的大值分布有明顯的一致性，風(fēng)場是影響海浪空間分布的重要因素。文章在研究海浪隨時間的變化時，選擇了最新時間跨度的實測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源，通過線性回歸的分析方法，計算有效波高近20a的線性變化趨勢，并得到了區(qū)別于以往工作的最新結(jié)果：北太平洋的海浪有明顯的減小趨勢，減小率約在0.015m／a左右；東北大西洋有弱的減小趨勢，與此相反，西北大西洋有明顯的增加趨勢；海浪在印度洋、大西洋的低緯度區(qū)域及太平洋東岸的低緯度區(qū)域有弱的增加趨勢，增加率約為0.005m／a；在30°～45°S的南太平洋區(qū)域增加趨勢較強，約0.012～0.016m／a。通過對比，證明了此統(tǒng)計結(jié)果的可信性。

很多學(xué)者在以往的工作中分析了北大西洋波候特征與NAO（North Atlantic Oscillation）有密切的關(guān)系，也有研究證明太平洋海浪的多年變化與厄爾尼諾現(xiàn)象密不可分，即海浪多年的變化趨勢，除與其直接強迫場—風(fēng)場有關(guān)外，還與海氣相互作用的其他因素有密切關(guān)系。本文通過實測數(shù)據(jù)的分析得到了近20a海浪變化趨勢的最新結(jié)果，結(jié)果顯示了幾個明顯的增大或減小區(qū)域，并通過對比檢驗證明了分析結(jié)果的可信性，但引起波候變化的內(nèi)在機制還需要深入研究。

［1］ BACON S，CARTER D J T.Wave climate changes in the North Atlantic and North Sea［J］.Int.J.Climatol，1991，11（5）：545－558.

［2］ BOUWS E，JANNINK D，KOMEN G.The increasing wave height in the North Atlantic Ocean［J］.Bull.Amer.Meteor.Soc.，1996，77（10）：2275－2277.

［3］ WOOLF D K，CHALLENOR P G，COTTON P D.Variability and predictability of the North Atlantic wave climate［J］.Journal of Geophysical Research，2002，107（10）：3145

［4］ G?NTHER H，ROSENTHAL W，STAWARZ M，et al.The wave climate of the Northeast Atlantic over the period 1955—1994：The WASA wave hindcast［J］.Global Atmos.Ocean Syst.，1998，（6）：121－163.

［5］ The WASA Group.Changing waves and storms in the Northeast Atlantic？［J］.Bull.Am.Meteorol.Soc.，1998，79（5）：741－760.

［6］ GUILLAUME D，XAVIER B，RUI T.Wave climate variability in the North－East Atlantic Ocean over the last six decades［J］.Ocean Modelling，2010，31（3－4）：120－131.

［7］ 劉宇光.衛(wèi)星海洋學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［8］ CRESSMAN G P.An operational Objective Analysis System ［J］.Monthly Weather Review，1959，87（10）：367－374.