1957 2002年北大西洋海表风速时空分布特征及变化周期研究

1957 2002年北大西洋海表风速时空分布特征及变化周期研究摘要：利用来自ECMWF的ERA-40海表10m风场资料，采用EOF、功率谱等分析方法，对北大西洋海域海表风场的时空分布特征、变化周期等进行分析，研究发现：（1）北大西洋海域海表风场EOF分析的第一模态呈同位相分布，由高纬至低纬表现出“高-低-高-低”的分布特征；第二模态在空间分布特征上，北大西洋中部海域与东西两岸表现出反位相分布；第三模态的等值线也表现出东北-西南向，东部海域和西部海域表现出反位相分布特征，（2）北大西洋海域的海表风速在近44年期间整体呈显著的逐年线性递增趋势。

在1958-1967年期间，海表风速的变化趋势较为平缓，1968-1974年期间则表现出一波较为强劲的递增趋势，在1975-2001年期间表现出缓慢的递增趋势。

（3）北大西洋海域的海表风速存在明显的2.0-2.36年、3.71年以及26年以上的长周期震荡。

关键词：ERA-40海表10m风场；北大西洋；时空分布特征；变化周期1 引言人类生存的地球70%以上为海洋覆盖，全球气候的长期变化趋势很大程度上取决于海洋，在环境和资源严重困扰人类的当今世界，深入研究海表风速的变化特征，对防灾减灾、应对全球变暖等有重要意义。

北大西洋在世界航海、渔业等军事和经济领域中都占有举足轻重的地位，在世界政治格局中占有重要的战略地位，是我国全球战略中极为重要的一部分。

海表风作为人类最为关注的气象要素之一，对人类的日常生活、经济建设等都具有重要影响。

随着社会的飞速发展，人类对能源的需求日益增加，而煤、石油等常规能源却日益紧缺，人类将目光转移到了丰富的海洋能，尤其是海上风能[1-3]，海上风力资源丰富，比陆地风力发电量大．通常离岸10 km的海表风速比沿岸陆地大25%左右[4-5]，且受环境影响小，可利用风力资源为陆上3倍且海上风能资源开发不需要移民[6-8]，对人类活动没有大的干扰，降低了投资成本[9-12]。

深入研究海表风场的分布特征，可为海上风能资源的开发利用提供参考。

齐义泉等[13]利用约59个月（1992年10月23日-1997年8月12日）的T/P（TOPEX/Poseidon）高度计反演的海表风速，采用EOF （Empirical Orthogonal Function——经验（自然）正交函数分析）方法，分析了南海海表风场的时空分布特征，研究发现风场的第1典型场表现为影响南海较大空间尺度的天气现象，这一模态应该是季风强盛期的风场特征，第2典型场显示南海海面风速呈反位相变化，其分界线约在15°N线附近，这一模态揭示的是季风转换时期的风场特征。

齐义泉等[14-15]还利用1987-1988两年的Geosat高度计遥感资料，对南海的海表风场的月平均、季平均特征进行过分析，研究发现南海的月平均海表风速在东北季风期较大，冬季风向夏季风转换的时期较小，且在12月最大，5月最小；10月至翌年3月为东北季风影响的冬半年时期，4、5月是冬季风向夏季风转换的时期，9月份冬季风开始入侵南海东北部海域，10-12月东北季风逐渐加强。

在西南季风期间，海表风速呈现出南大北小的特点，其余季节则表现出由南向北增强的分布特征，在10°N，110°E附近海域为常年的风速大值区。

前人对海面风场做过较多工作，但针对大西洋的研究却较少，本文利用来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的ERA-40海表10米风场资料，采用EOF、功率谱等分析方法，对北大西洋海域海表风场的时空分布特征、变化周期等进行分析，为海上风能资源的开发利用、航海、海洋工程等提供参考。

2 资料简介ERA-40 海表10米风场来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts），其时间范围从1957年09月01日00:00时-2002年8月31日18:00时，时间分辨率为6小时；该数据的空间范围为87.5°S～87.5°N，0°～357.5°E，空间分辨率为2.5°×2.5°。

该数据在国外得到广泛使用。

下载地址为：http：//www.ecmwf.int/products/data/archive/descriptions/e4/era40_lto2.html3 北大西洋海表风场特征分析3.1 海表风场的空间分布特征将北大西洋海域的海表风速从1958-2001年的进行逐年平均，得到44个时次的年平均海表风场，用EOF分析方法[14]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。

北大西洋海域海表风场EOF分析的第一模态方差贡献率为97.89%，第二模态的方差贡献为0.55%，第三模态的方差贡献为0.36%，前三模态累积方差贡献率超过98.8%，取前三模态做研究已能够充分反映该海域海表风场的主要特征。

由图1a可以看出，整个北大西洋海域海表风场EOF分析的第一模态呈同位相分布，由高纬至低纬表现出“高-低-高-低”的分布特征，明显的大值区分布于北大西洋的西风带海域。

等值线呈东西带状分布。

第一模态反映的是该海域海表风场的气候背景场，第二、第三模态是叠加在气候背景场上的扰动场，第二模态在空间分布特征上，北大西洋中部海域与东西两岸表现出反位相分布，中部海域呈正偏差，而两岸则呈负偏差，等值线主要呈东北-西南向走势；第三模态的等值线也表现出东北-西南向，东部海域和西部海域表现出反位相分布特征，详见图1a和图1c。

3.2 海表风速的时间变化特征采用线性回归方法，分析北大西洋海域近44年海表风场EOF分析第一模态时间系数的逐年变化趋势，见图2。

海表风场第一模态时间系数的回归系数为0.2445；相关系数|r|=0.64>r0.05=0.29, 线性变化趋势显著；也就是说，北大西洋海域的海表风速在近44年期间整体呈显著的逐年线性递增趋势。

在1958-1967年期间，海表风速的变化趋势较为平缓，1968-1974年期间则表现出一波较为强劲的递增趋势，在1975-2001年期间表现出缓慢的递增趋势，详见图2。

3.3 海表风速的变化周期将北大西洋海域的海表风速从1958-2001年取逐年区域平均，利用功率谱分析该海域海表风速的变化周期，谱密度大于红噪音（或者白噪音）检验标准谱的时候，说明存在该显著性周期。

由图3可见，北大西洋海域的海表风速存在多种尺度的变化周期，具有明显的2.0-2.36年、3.71年以及26年以上的长周期震荡。

4 结论（1）北大西洋海域海表风场EOF分析的第一模态呈同位相分布，由高纬至低纬表现出“高-低-高-低”的分布特征，明显的大值区分布于北大西洋的西风带海域；第二模态在空间分布特征上，北大西洋中部海域与东西两岸表现出反位相分布，中部海域呈正偏差，而两岸则呈负偏差；第三模态的等值线也表现出东北-西南向，东部海域和西部海域表现出反位相分布特征，（2）北大西洋海域的海表风速在近44年期间整体呈显著的逐年线性递增趋势。

在1958-1967年期间，海表风速的变化趋势较为平缓，1968-1974年期间则表现出一波较为强劲的递增趋势，在1975-2001年期间表现出缓慢的递增趋势。

（3）北大西洋海域的海表风速存在多种尺度的变化周期，具有明显的2.0-2.36年、3.71年以及26年以上的长周期震荡。

参考文献：[1] 郑崇伟，潘静，田妍妍，等. 全球海域风浪、涌浪、混合浪波候图集[M]. 北京：海洋出版社，2012.[2] Zheng Chong-wei, Li Xun-qiang. ?Long-Term Trend of Sea Surface Wind Speed and (Wind Wave, Swell, Mixed Wave) Wave Height in Global Ocean During the Last 44 Years [J]. Acta Oceanologica Sinica, in press.[3] 郑崇伟，张霞. 基于W A VEWATCH-III模式的近10年南海波候统计分析[J]. 气象与减灾研究，2011，34（1）：48-55.[4] 郑崇伟，李训强. 基于W A VEW ATCH-III模式的近22年中国海波浪能资源评估[J]. 中国海洋大学学报（自然科学版），2011，41（11）：5-12.[5] 郑崇伟，周林. 西沙、南沙海域波浪及波浪能季节变化特征[J]. 海洋科学进展，2011，29（4）：419-426.[6] Zheng Chong-wei, Zhuang Hui, Li Xin, et al. Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea [J]. Science China Technology Sciences, 2012, 55(1): 163-173.[7] 郑崇伟，苏勤，刘铁军. 1988-2010年中国海波浪能资源模拟及优势区域划分[J]. 海洋学报，2013，35（3）：104-111.[8] 郑崇伟，林刚，邵龙潭. 1988-2010年中国海大浪频率及其长期变化趋势[J]. 厦门大学学报（自然科学版），2013，52（3）：395-399.[9] Zheng Chong-wei, Pan Jing, Li Jia-xun. Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009 [J]. Ocean Engineering, 2013, 65: 39-48.[10] 郑崇伟，林刚，孙岩，等. 近45年太平洋波浪特征分析[J]. 热带海洋学报，2012，31（6）：6-12.[11] 郑崇伟，林刚，孙岩. 近22年南海波浪能资源模拟研究[J]. 热带海洋学报，2012，31（6）：13-19.[12] 郑崇伟，周林，刘志宏. 近45年大西洋波候统计分析[J]. 海军大连舰艇学院学报，2011，34（2）：50-53.[13] 齐义泉，施平，毛庆文，等. 基于T/P资料分析南海海面风、浪场特征及其关系[J]. 水动力学研究与进展，2003，Ser.A，18（5）：619-624.[14] 齐义泉，施平. 采用卫星高度计资料分析南海风、浪的月平均特征[J]. 热带海洋，1999，18（2）：90-96.[15] 齐义泉，施平，毛庆文. 南海海面风场和浪场季平均特征的卫星遥感分析[J]. 中国海洋平台，1997，12（3）：118-123.Analysis of Sea Surface Wind Field in the North Atlantic Ocean from the year 1957 to 2002Abstract: In this study, the ERA-40sea surface wind data from ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) was used to analyze the characteristics of wind field in the North Atlantic Ocean. We use the EOF and Power spectrum methods were used to analyze the temporal and spatial characteristics, periods. Results show that: (1) North Atlantic sea surface wind field of the first mode EOFanalysis showed the same phase distribution from high latitudes to low latitudes exhibit “high - low - high - low” distribution characteristics; second mode on the spatial distribution, the central North Atlantic waters and coasts exhibit anti-phase distribution; third-modal contours also showed northeast - southwest to the eastern and western sea waters exhibit anti-phase distribution. (2) North Atlantic sea surface wind speed in the past 44-year period as a whole showed a significant linear increasing trend year by year. In the 1958-1967 period, the trend of sea surface wind speed is more gentle,1968-1974 period showed a relatively strong wave of increasing trend in the 1975-2001 period showed a slow increasing trend. (3) North Atlantic sea surface wind speed obvious 2.0-2.36 years, 3.71 years, and 26 years of long-period oscillation.Keywords: ERA-40sea surface wind data; North Atlantic Ocean; temporal and spatial characteristics, periods。