基于ERA5再分析數(shù)據(jù)的海南島東岸近海波候特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究

基于ERA5再分析數(shù)據(jù)的海南島東岸近海波候特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究目錄1.引言 ]等，2018；夏武松[[]夏武松,魏永亮,陸恒星,等.基于ERA5的南大西洋風(fēng)速和有效波高時(shí)空變化特征分析[J].海洋湖沼通報(bào),2024,46(01):1-11.]等，2024）；但海南島東岸波浪周期的季節(jié)性變化存在一些差異，基本上遵循著冬半年波浪周期大，下半年波浪周期小的特征，但是7、8月具有較高的波浪周期，這可能指示著在該月份出現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)事件[]周水華,俞勝賓,馮偉忠,等.基于多衛(wèi)星融合資料的南海浪高時(shí)空分布特征研究[J].海洋科學(xué),2013,37(10):71-77.[]易風(fēng),馮衛(wèi)兵,曹海錦.基于ERA-Interim資料近37年南海波浪時(shí)空特征分析[J].海洋預(yù)報(bào),2018,35(01):44-51.[]李晨軒,韋志剛.1979-2021年中國(guó)南海海表風(fēng)速和大風(fēng)事件的變化特征[J/OL].高原氣象:1-14[2024-04-10].[]夏武松,魏永亮,陸恒星,等.基于ERA5的南大西洋風(fēng)速和有效波高時(shí)空變化特征分析[J].海洋湖沼通報(bào),2024,46(01):1-11.[]夏瑞彬,路超越,梁楚進(jìn),等.基于WW3的南海北部有效波高時(shí)空變化及其極值重現(xiàn)期估算方法分析[J].海洋學(xué)報(bào),2023,45(02):13-26.（（a）（b）（c）（d）圖3.4研究區(qū)三個(gè)地點(diǎn)2004——2023年離岸有效波高的月平均情況（e）（e）（f）（g）（h）圖3.5研究區(qū)三個(gè)地點(diǎn)2004——2023年離岸波浪周期的月平均情況3.3波向特征圖3.6——圖3.8給出了研究區(qū)3個(gè)地點(diǎn)2004——2023年逐小時(shí)一次的波向數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的波浪玫瑰圖，可以看出波向沿著研究區(qū)隨著季風(fēng)風(fēng)向的變化而顯著變化，隨著每年5月份西南季風(fēng)的出現(xiàn)和9月份轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北季風(fēng)控制，波向和5月和9月也發(fā)生相應(yīng)的變化。本文將基于東北季風(fēng)和西南季風(fēng)的變化特征分為兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析。3.3.1東北季風(fēng)時(shí)期（10月至次年4月）東北季風(fēng)從每年9月份開(kāi)始出現(xiàn)，此時(shí)波向主要為E向和ENE向主導(dǎo)，在東北季風(fēng)的控制下，研究區(qū)的波向從10月到次年的4月波向沿順時(shí)針?lè)较驈腅NE或NE向經(jīng)E向轉(zhuǎn)到ESE向。海南島東岸（E1、E2和E3處）從10月到12月的ENE向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?月——3月的E向，然后到4月的ESE向（圖3.6——圖3.8）。3.3.2西南季風(fēng)時(shí)期（6月至8月）從5月份開(kāi)始，東北季風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂霞撅L(fēng)，波向沿順時(shí)針?lè)较驈腅SE向逐漸變?yōu)镾向。6——8月，海南島東岸（E1、E2和E3）的波向主要為SSE向和S向（圖3.6——圖3.8）。綜上所述，研究區(qū)的波向隨著季風(fēng)的變化而產(chǎn)生季節(jié)性變化，在海南島東岸，波向大體從NE向或ENE向沿順時(shí)針?lè)较蚪?jīng)過(guò)E向、ESE向轉(zhuǎn)變?yōu)镾向或SSW向。在東北季風(fēng)時(shí)期，主波向?yàn)镋SE或NE向沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)變?yōu)镋SE向；在西南季風(fēng)時(shí)期，主波向?yàn)镾向和SSW向。研究區(qū)的波強(qiáng)向?yàn)镋向和ENE向，在各向波浪中所占比重最大，而S向和SSW向所占頻率較低，因此可以判斷出：研究區(qū)在東北季風(fēng)控制下的ENE向和E向波浪所占比重要大于西南季風(fēng)控制下的SSE向、S向和SSW向。圖3.6海南島東岸E1處2004-2023年的逐月波向玫瑰圖圖3.7海南島東岸E2處2004-2023年逐月波向玫瑰圖圖3.8海南島東岸E3處2004-2023年逐月波向玫瑰圖4.厄爾尼諾/拉尼娜事件對(duì)波候特征的影響4.1厄爾尼諾系數(shù)（NINO3.4）統(tǒng)計(jì)分析厄爾尼諾是赤道中東太平洋的海溫持續(xù)偏高并造成大氣環(huán)流異常的一種氣候現(xiàn)象。通常伴隨著大規(guī)模的氣候變化。這種現(xiàn)象往往會(huì)引起全球范圍內(nèi)的氣候異常，包括極端降水、干旱、颶風(fēng)活動(dòng)增加等。厄爾尼諾事件通常持續(xù)幾個(gè)月至一年左右，但持續(xù)時(shí)間可以有所不同。厄爾尼諾現(xiàn)象通常與另一種現(xiàn)象稱(chēng)為拉尼娜相對(duì)應(yīng)，拉尼娜是太平洋赤道東部海水溫度異常降低的現(xiàn)象，與厄爾尼諾相反。這兩種現(xiàn)象通常以相反的方式影響全球氣候模式。厄爾尼諾與拉尼娜常常交替出現(xiàn)，循環(huán)周期一般為2年到7年，平均周期為4年。我國(guó)在2017年正式推出《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定NINO3.4區(qū)海溫指數(shù)（海面溫度距平的平均值）3個(gè)月滑動(dòng)平均達(dá)到或超過(guò)0.5℃，且至少持續(xù)5個(gè)月，定義為一次厄爾尼諾事件；小于或等于-0.5℃，且至少持續(xù)5個(gè)月，定義為一次拉尼娜事件。從（圖4.1）可看出2004~2023年的厄爾尼諾指數(shù)的變化趨勢(shì)，并且根據(jù)厄爾尼諾事件的定義以及（圖4.1）尼諾系數(shù)的分布情況,可以認(rèn)定2004~2023年共發(fā)生了7次厄爾尼諾事件和8次拉尼娜事件,其中2004/2005，2006/2007，2009/2010，2014/2015，2015/2016，2018/2019，2019/2020為厄爾尼諾事件。其中,2015/2016年厄爾尼諾事件峰值強(qiáng)度超過(guò)2.5℃,是一次超強(qiáng)厄爾尼諾事件，2004/2005年為一次輕度厄爾尼諾事件。2005/2006，2007/2008，2008/2009，2010/2011，2011/2012，2016/2017，2020/2021，2021/2022為拉尼娜事件。其中2005/2006為一次輕度拉尼娜事件，2010/2011為一次強(qiáng)拉尼娜事件。4.2有效波高特征與厄爾尼諾系數(shù)相關(guān)性分析將E1、E2和E3的月平均有效波高進(jìn)行匯總，然后與NINO3.4進(jìn)行相關(guān)性分析，統(tǒng)計(jì)在2004—2023年中發(fā)生厄爾尼諾事件或者拉尼娜事件的年份，將厄爾尼諾事件發(fā)生的年份與拉尼娜事件發(fā)生年份的尼諾系數(shù)與有效波高相關(guān)性進(jìn)行比較（如表1），發(fā)現(xiàn)整體上發(fā)生厄爾尼諾事件的年份有效波高與尼諾系數(shù)的相關(guān)性低于發(fā)生拉尼娜事件的年份，并且在發(fā)生厄爾尼諾事件的年份中只有2004年與2006年的相關(guān)性大于0.2，以及只有在2004年的E2和E3處的相關(guān)性大于0.3，由此可得有效波高與厄爾尼諾事件的相關(guān)性較差。在發(fā)生拉尼娜事件的年份中，有效波高與尼諾系數(shù)的相關(guān)性整體上除了2016年之外均大于0.3，并且在發(fā)生拉尼娜事件的年份中，在2005、2011、2017和2021這些年份中，有效波高與尼諾系數(shù)的相關(guān)性平均值大于0.7，由此可得有效波高與拉尼娜事件具有顯著相關(guān)性。本研究還分別選取E1、E2和E3三個(gè)研究點(diǎn)的輕度厄爾尼諾事件和強(qiáng)厄爾尼諾事件以及輕度拉尼娜事件和強(qiáng)拉尼娜事件的年份做線性擬合分析，在線性擬合分析中Pearson'sr值大于0.7時(shí)為強(qiáng)相關(guān)，Pearson'sr在0.5——0.7時(shí)為中等相關(guān)，Pearson'sr值在0.3——0.5時(shí)為弱相關(guān)。從圖中可以看出E1、E2和E3三個(gè)研究點(diǎn)的有效波高與尼諾指數(shù)相關(guān)性差別不大（如圖4.2、4.3、4.4所示）。但是在三個(gè)研究點(diǎn)中，通過(guò)散點(diǎn)圖可得，在輕度厄爾尼諾事件與強(qiáng)厄爾尼諾事件中Pearson'sr值均小于0.2，則說(shuō)明尼諾系數(shù)與有效波高的相關(guān)性并不高，相反在輕度拉尼娜事件與強(qiáng)拉尼娜事件中，除了發(fā)生輕度拉尼娜事件的2005年的E1處Pearson'sr值接近0.7，其余研究點(diǎn)的Pearson'sr值均大于0.7。并且在發(fā)生輕度拉尼娜事件的年份中，三個(gè)研究點(diǎn)的Pearson'sr值均小于發(fā)生強(qiáng)拉尼娜事件的Pearson'sr值，由此可得強(qiáng)拉尼娜事件比弱拉尼娜事件與有效波高的相關(guān)性更高，并且可得拉尼娜事件中尼諾系數(shù)與有效波高具有顯著的相關(guān)性，并且從圖中可知拉尼娜事件中尼諾系數(shù)與有效波高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)尼諾系數(shù)越低時(shí)，有效波高越高。表1E1、E2、E3三個(gè)研究點(diǎn)厄爾尼諾事件與拉尼娜事件中尼諾系數(shù)與有效波高的的相關(guān)性分析表年份厄爾尼諾事件年份拉尼娜事件E1E2E3E1E2E320040.270.340.412005-0.69-0.73-0.7520060.240.280.272007-0.42-0.45-0.432009-0.020.010.062008-0.36-0.36-0.3520140.160.170.182011-0.77-0.76-0.7620150.190.190.1620160.120.070.0520180.130.160.162017-0.71-0.73-0.7420190.120.090.062020-0.55-0.58-0.572021-0.79-0.81-0.80圖4.12004——2023年厄爾尼諾系數(shù)（NINO3.4指數(shù)）統(tǒng)計(jì)圖4.2E1處厄爾尼諾與拉尼娜事件與有效波高線性圖圖4.3E2處厄爾尼諾與拉尼娜事件與有效波高線性圖圖4.4E3處厄爾尼諾與拉尼娜事件與有效波高線性圖4.結(jié)論本文通過(guò)ECMWF提供的ERA5再分析波浪數(shù)據(jù)，對(duì)海南島東岸近海海域的波候參數(shù)分布特征及變化趨勢(shì)展開(kāi)了相關(guān)研究，結(jié)果表明：海南島東岸近海海域的有效波高出現(xiàn)頻率最高的范圍是0.9—1.2m，波浪周期出現(xiàn)頻率最高的范圍是5—7.5s，在該海域的不同位置的有效波高以及周期的最大最小值有一定的差異，總體呈現(xiàn)自北向南逐漸減少，在季節(jié)分布上，有效波高以及周期總體呈現(xiàn)夏季有效波高低且周期較短，冬季有效波高高且周期相對(duì)較長(zhǎng)。從變化趨勢(shì)上看，研究區(qū)海域年均有效波高有一定的起伏，并且各點(diǎn)的起伏趨勢(shì)一致，但總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且有效波高在研究區(qū)中自北向南逐漸減少，年均波浪周期在研究區(qū)中，整體差異不大，但在海南島東岸近海海域中，南北波浪周期相對(duì)中部海域較短。從研究區(qū)的月均變化上看，有效波高以及周期呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化差異，夏季的有效波高以及波浪周期相對(duì)較低且短，冬季的有效波高以及周期則相對(duì)較高且長(zhǎng)，有效波高最低出現(xiàn)在5月，周期最短出現(xiàn)在6月，但7、8又呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明可能受到臺(tái)風(fēng)天氣的影響。從季風(fēng)環(huán)流的角度而言，海南島東岸近海海域的波向特征的逐月波向總體上各研究點(diǎn)的月份差異不大，但在不同季風(fēng)影響