近40年长江口及其邻近海域风、浪特征及变化趋势

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全球气候变化背景下河口海岸地区风、浪特征与趋势变化是一个具有重要应用背景的科学问题。气候变化是海洋与大气科学研究的重点之一,海表面风速以及包括有效波高等在内的各种海浪要素对气候变化都具有重要的影响与反映,其与发生在海气界面和海洋上混合层的能量交换存在密切的关系。已有的风、浪变化研究既有着眼于全球的分布变化,也有着眼于中国近海局地变化。长江口地处东海之滨,受季风和台风影响,波浪作用强烈。作为河口海岸水域重要动力条件之一,风、浪变化不仅会影响流场、泥沙运动、水体浊度、底床稳定性等自然过程,也会影响通航条件和海岸防护工程的安全,故研究长江口海域风、浪要素的分布特征与变化趋势具有重要的意义与价值。本文基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5与ERA-Interim再分析资料对近40年(19792018年)长江口及其邻近海域风、浪要素进行系统化、网格化的分析,对ERA-Interim资料的风、浪要素数据进行统计分析,包括气候态统计指标、各等级频率分布、季节特征等,通过EOF分解法分析风、浪场的空间分布特征及其关系,通过Morlet小波变换分析其周期性时间变化,通过Mann-Kendall检验法分析该海域风、浪要素趋势性变化,并结合全球变暖背景下海平面的变化,展望该海域波高在未来可能的变化趋势,另外结合最新的ERA5再分析资料产品与ERA-Interim进行了对比分析。主要研究结论如下:1)近40年风、浪要素气候态统计指标分析:研究海域内平均风速为5.76m/s,平均有效波高为0.90 m,平均波周期为4.90 s。而根据四分位数、极端值与均值的对比可得,发生极端天气事件时,各要素的数值会远远超过其正常的波动范围,甚至会达到均值的数倍以上,以有效波高数值变幅最大。对风、浪要素场所有数据进行各级分布频率统计得,40年间海表面风速大部分分布在25级风力内,频率累计达91.61%,以4级风分布最多,为29.97%,有效波高则大多分布在02.5 m范围,以0.51.25 m的轻浪等级内分布频率最高,为58.86%。2)研究海域内风、浪要素分布存在季节间差异:其中在均值、四分位数以及90th%极端值项上,春、夏季的风速与波高均低于秋、冬季,而就99th%极端值、最大值项而言,夏、秋季则高于冬、春季,该统计结果符合长江口所在东海海域受盛行东亚季风影响的特征。对各季风向、波向按照十六方位表进行分布频率统计,计算得到各季风向与波向在各方位的分布频率,其中分布频率最大的风向方位依次为SSE、S、NNE、N向,分布频率最大的波向方位依次为NNE、SSE、NE、N向,风向与波向的分布形式有一定相似性,反映了当地风向是影响波浪传播方向的重要因素之一。3)研究海域内风、浪要素空间分布特征:逐月距平风速分布第一模态总体呈正偏差,并沿近岸向外海分布越来越高,等值线分布则近似经线或岸线的轮廓,说明海陆差异可能是影响风速场分布形式的主要因素。而波高第一模态在研究海域内分布均呈正偏差,近岸向外海越高,122°30′以东的外海等值线约沿经线分布,122°30′以西存在两个低值区,说明海陆差异与岛屿地形分布是影响波高空间分布的主要因素。4)近40年研究海域内风、浪要素时间变化特征:佘山站附近风速与波高的逐月序列在40年中最强的周期尺度变化为227个月(约18.92年),局部位置还存在着1.5年的周期尺度。趋势分析结果表明近40年(19792018)长江口及邻近海域年均海表面风速和有效波高均呈上升趋势,风速累计增长2.1%,波高累计增长5.4%,结果通过显著性水平为5%的检验。风速与波高各季节与各月分类的年均变化趋势则有正有负。基于ERA5再分析资料计算得到的风速与波高的变化趋势与ERA-Interim资料下计算结果一致。
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