风—浪要素的全球分布特征研究

【摘要】：气候变化问题历来是各个国家最为关注的科学问题,而作为与之密切相关的海洋环境变化问题,尤其是海面风场、波浪场的发展变化也随着技术条件的发展,逐步引起重视并在上个世纪七十年代得到迅速发展。 本文总结了波候研究的相关进展,阐述了波候研究意义,并指出波候的发展变化与大尺度大气环流的变异可能存在某种联系,同时针对1977/1978年出现的全球气候跃变讨论了波候特征相应的变化情况。 本文利用了欧洲中尺度气象中心(ECMWF)提供的最新的近45年(1957-2002)全球数据资料同化集(ERA-40),该资料集提供每天4次的风场及波浪场的相关数据。本研究从其中提取了海面上10米的风速、有效波高、平均周期、平均波向等数据进行研究。 论文首先研究了风速标量和有效波高的全球平均分布,发现风速和有效波高有较好的对应关系,并且高纬度地区比中低纬度强,南半球比北半球强,风速、波高极值出现于南大洋,同时风速和波高均有很强的季节变化特征。通过1977/1978年前后的比较,发现大洋中部高纬度地区的波高值有增加的趋势,而靠近大陆边缘的波高值似乎在减弱,风速的变化不明显。 对于风速和有效波高重现期的研究,本文采用了三个常用极值分布函数曲线(皮尔逊Ⅲ型曲线、耿贝尔曲线和威布尔曲线),讨论了样本数据分别为年极值和月极值时对重现期估计结果的影响,并选取了皮尔逊Ⅲ型曲线估计了全球5年、10年、20年、50年和100年的重现期极值,发现风速和有效波高重现期极大值均出现于北大西洋,最小值在赤道区域。同样对其做77/78年前后的变化研究,发现风速重现期在西北太平洋上有增强的迹象,特别是50年一遇的极值,而百年一遇的极值没有发现变化,有效波高的变化比较复杂,全球分别有增强区和减弱区。 由于大尺度大气环流的变异预示着大洋中的涌浪存在变异,因此本文首先提出了三个指标(风-浪相关系数、波龄和涌浪指标)来描述全球风浪-涌浪的分布情况,通过三个指标的纬向分布和季节分布分析,本文得出了大洋中的涌浪确实存在长期东向强化的趋势(即存在“涌浪池”),并有强烈的季节变化特征,这与前人的研究结果一致。同时通过对平均波向的季节变化分析,发现大洋中的涌浪来源于南北半球高纬度地区。而77/78年前后的变化也比较显著,太平洋的涌浪池在78年后加强了,并有向外扩张的趋势,而大西洋的涌浪池却明显缩小了,太平洋洋西岸的风浪主宰区在78年后有所减弱,此与东亚季风在78年之后减弱的趋势是一致的。 为使本文研究结果具有实用意义,本文选取了三条从我国上海市到加拿大温哥华市的航线,分别对航线上大于5年一遇有效波高和风速极值的频率进行了统计,并分季节表示。结果显示,航线Ⅰ适合冬季航行,而航线Ⅱ适合春秋航行,夏季有效波高和风速都比较弱,三条航线统计结果相当。 由于波候的变异对于气候变化有着重要的影响,因此,对其做进一步细致的研究有着重要的意义,特别对于重点变异区域,需要更多的高分辨率数据的支持,对其做更深刻的研究。