热带气象学报  2019, Vol. 35 Issue (3): 296-303  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.027
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引用本文  

潘卫华, 林毅. 近10年台湾海峡海面风场的时空特征变化动态分析[J]. 热带气象学报, 2019, 35(3): 296-303. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.027.
PAN Wei-hua, LIN Yi. Spatial feature and seasonal variability characteristics of sea surface wind field in taiwan strait from 2007 to 2017[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2019, 35(3): 296-303. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.027.

基金项目

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406014);福建省科技计划重点项目(2014Y0041);福建省自然科学基金项目(2013J01152);华东区域气象科技协同创新基金合作项目(QYHZ201811)共同资助

通讯作者

潘卫华,男,江西省人,高级工程师,主要从事卫星遥感气象应用研究。E-mail: panwh@tom.com

文章历史

收稿日期:2018-06-28
修订日期:2019-01-28
近10年台湾海峡海面风场的时空特征变化动态分析
潘卫华 1, 林毅 2     
1. 福建省气象科学研究所,福建 福州 350001;
2. 福建省气象台,福建 福州 350001
摘要:利用台湾海峡ASCAT海面风场数据和气象观测资料,通过EOF和统计方法综合分析台湾海峡海面风场2007—2017年10年的时空模态变化特征,使用Mann-Kendall法和滑动t-检验法对10年间海面风速进行突变检验,对台湾海峡海面风场季节变化时空特征进行分析研究。(1) “狭管效应”在台湾海峡海面风场上呈现明显的季节性特征,其中春季、秋季和冬季海面风场季节性特征显著,夏季表现不明显。受台湾岛地形和季风环流影响,台湾岛南北两端海面易出现风速增强的角流区,岛中央山脉背风区易出现低风速尾流区。(2) 10年间台湾海峡海面月平均风场EOF空间模态受台湾岛地形影响显著,台湾海峡海域为异常值偏差中心,易发生风速突然增幅和风向改变。时间模态大体表现为季节性振荡型变化,振幅在10年中表现为不活跃,呈逐年递减趋势。(3) Mann-Kendall法和滑动t-检验法等方法的突变检验结果表明风速并未发生显著性突变,10年间台湾海峡海面风速特征表现为从正相位向负相位的改变,且随着趋势持续加大,将可能发生风速突变。
关键词海面风场    ASCAT    时空特征    EOF    台湾海峡    
SPATIAL FEATURE AND SEASONAL VARIABILITY CHARACTERISTICS OF SEA SURFACE WIND FIELD IN TAIWAN STRAIT FROM 2007 TO 2017
PAN Wei-hua 1, LIN Yi 2     
1. Fujian Meteorological Institute of Science, Fuzhou 350001, China;
2. Fujian Meteorological Observatory, Fuzhou 350001, China
Abstract: Using the empirical orthogonal function (EOF) and the statistical analysis method, the ASCAT satellite data and meteorological data were collected to explore the temporal mode characteristics and spatial modes of the sea wind field in the Taiwan Strait from 2007 to 2017. The Mann-Kendall method and the sliding t-test method were used to test the abrupt change of sea surface wind speed. Moreover, the change of seasonal variation of wind field and the possible mechanism in the Taiwan Strait were analyzed and discussed. The main conclusions were as followed. (1) There were "narrow valley effect" in the middle of the straits in spring, autumn and winter except for summer. Terrain had prominent effects on the formation of wind field features, which caused a "corner flow" on the north and south ends of the sea and "wake area" downstream of the central mountain of the island. (2) The EOF spatial pattern of the sea surface wind field in the Taiwan Strait was dominated by the north-south pattern and the center of the anomaly deviation of EOF lay in the narrow strait of sea field as it was affected by the island terrain, which often caused the wind speed to increase. The EOF time mode was the winter-summer monsoon oscillation type, which was affected by the island topography and monsoon. It was noteworthy that the amplitude was decreasing in the past 10 years. (3) Results of comprehensive analysis of Mann-Kendall method and sliding t-test method showed that the wind speed characteristics of the Taiwan Strait had no significant mutation from 2007 to 2017, but changed from positive phase to negative phase. If the trend continued to increase, a sudden change in wind speed might occur as a result of the island terrain and monsoon circulation in the Taiwan Strait.
Key words: sea wind field    ASCAT    spatial and temporal characteristics    empirical orthogonal function    Taiwan strait    
1 引言

海面风场的监测分析对于理解海洋-大气之间的相互作用以及开展海洋、大气领域的相关研究至关重要,在海洋和大气科学研究中,海面风场是决定海洋和大气之间能量交换的重要因素之一,也是气象和海洋环境预报的基本要素之一[1-2]。以往获取海面现场实测风场资料主要是船舶、海上浮标及沿岸和岛屿站等,导致海洋上实时测风资料匮乏且时空分布不均,难以满足气象业务方面的需求。预报和服务需求更多依赖于卫星反演风场和数值预报,卫星遥感技术的快速发展对获取大面积海面风场信息提供了更大可能,加强对卫星遥感风场的研究有利于提高未来海面风场的预报和业务服务水平[3-6]

自从1978年6月美国国家航空航天局(NASA)发射了全球第一个星载散射计SEASCAT/SASS以来,卫星遥感技术为海面风场观测提供了独特优势,国内外许多学者为此开展了大量技术研究和应用。1999年7月发射的QuikSCAT极大地推动了散射计反演风场资料在天气分析、预报和数值模式中的应用[7-9]。后续的MetOp星载ASCAT散射计延续了QuikSCAT的技术优势,并在海面风场上得到广泛应用[10-11]。但大量文献显示目前ASCAT研究还比较集中在精度检验和对比验证方面[12-19],对台湾海峡海面风场开展研究的不多[20],如张增海等[21]对ASCAT反演风场在中国海域进行检验分析研究结果表明ASCAT反演风场具有较好的精度,与浮标观测风速具有较好的一致性,提高了对ASCAT产品的认识和应用能力。谢小萍等[22]对ASCAT近岸风场产品和浮标观测进行对比分析。姚日升等[23]对浙江近海冬季的ASCAT的风速进行订正研究。

台湾海峡地处我国东南部,海峡两侧多为海拔1 500 m以上的山脉,尤其以台湾岛的玉山山脉3 952 m为最高,在海峡两岸地形和天气系统共同作用下,台湾海峡海域风场呈现显著的“狭管效应”[24],是我国近海冬季的最大风区之一[25-27]。台湾海峡海域海面风场空间格局上存在着复杂性、季节性变化大等特点,以往研究中缺乏对台湾海峡的海面风场的时空变化特征展开的研究分析,而台湾海峡作为联系台湾和大陆的重要纽带,是“一带一路”的重要经济带和“海上丝绸之路”起点,本文开展基于ASCAT卫星资料的台湾海峡海面风场时空变化特征及规律研究,对两岸经贸合作和人员往来等都具有非常重要的意义。

2 资料和方法 2.1 数据来源和处理

研究数据为欧洲气象卫星应用组织(EUMETSAT)的ASCAT海面风场卫星资料、气象台站以及浮标等气象数据,由于台湾海峡为南北狭长型海域,海面风场空间分布差异性明显的特点(图 1),常规的海洋气象观测站数量严重不足,导致海面风观测资料缺乏,利用卫星遥感资料正好弥补这一不足。研究区范围涵盖台湾海峡及周边的海域(116.125 °E,20.125 °N~ 125.125 °E,28.125 °N)。按福建地理位置和天气气候演变规律,研究对台湾海峡按季节分为春季(3—6月)、夏季(7—9月)、秋季(10—11月)和冬季(12—翌年2月)。

图 1 台湾海峡海域地形示意图

其中使用的卫星资料空间分辨率为12.5 km,时间为2007—2017年近10年的ASCAT海面风场数据,数据经过C-2015地球物理模型处理和质量控制,并剔除缺测数据。研究利用闽台航线“海峡号”气象观测资料对ASCAT风场进行了精度检验,将ASCAT海面风场通过双线性插值到牛山岛、海峡号码头、平潭浮标、台湾新竹、台湾基隆等5个自动站,对实况平均风、极大风和卫星反演风5个检验点卫星反演风速和实况风速具有较高相关性,除基隆站预报风速和实况风速相关系数在0.5左右,其它站点相关系数均达到0.7以上,且通过0.01的显著性检验。

2.2 研究方法

采用经验正交函数分解法(EOF)[28-29]对研究区10年的ASCAT长序列数据进行风速和风向特征分析,将卫星风场资料X分解为时间函数Z和空间函数V两部分,以探讨台湾海峡风场时空特征。正交分解公式如下:

(1)
(2)
(3)

Vj=(Vj1Vj2,……,Vjm)T是第j个典型场,它仅仅是空间的函数。

(4)

Z为时间的函数,由VX确定,z1z2,……,zm称为向量XV1V2,……,Vm坐标下的投影。

采用Mann-Kendall法对台湾海峡风场变化进行突变检测分析,若正序列曲线(UF)和反序列曲线(UB)两统计量序列仅有一个明显的交叉点,且位于显著性线之内,则表明该交叉点为突变点。若存在多个明显的交叉点,利用滑动t-检验法不同序列进行Mann-Kendall检验,以验证是否为真正的突变点。

3 结果分析 3.1 风场季节变化特征

对台湾海峡2007—2017年10年的海面风场资料按季节进行累计平均处理,分别得到春、夏、秋和冬季海面风场分布图(图 2)。台湾海峡冬季风场(图 2d)明显要比其它季节来得高,受东亚季风环流控制,盛行的东北大风受到台湾岛山脉的分流作用在海峡内部发生增幅作用,产生明显的“狭管效应”,以海峡中部海域风速为最高,季节平均风速在13 m/s以上。东北大风在台湾岛中央山脉的阻挡作用下,靠近台湾岛北部海域海面气压梯度被迫加大,导致北部的“角流区”风速增强。由于背风地形倒槽作用,靠近台湾岛南部海域存在明显的低风速“尾流区”。台湾岛中央山脉整体呈偏东北-西南走向,与东北大风几乎平行,使得研究区海面风向整体未发生明显变化。

图 2 台湾海峡2007—2017年累计月平均海面风场分布 a.春季; b.夏季; c.秋季; d.冬季。

台湾海峡秋季风场特征(图 2c)与冬季风场特征(图 2d)基本一致,海面盛行东北大风,海峡中部的“狭管效应”和台湾岛南部海域的低风速尾流区也都存在,季节平均风速要比冬季来得低。春季风场特征(图 2a)也较冬季风场特征(图 2d)比较类似,主要受东北和偏东风影响,海峡中部海域受“狭管效应”而风速增强。台湾岛东部海域为偏东风,在中央山脉的遮挡下,岛西南背风区海域出现低风速尾流区,而岛南端海域受地形倒槽作用气压梯度增大,形成高风速角流区。夏季风场特征(图 2b)比较复杂,在季节时间尺度下,受东北大风影响下,西南风和偏南风的风向特征不显著,同时受到中央山脉阻挡动力强迫下,台湾海峡内部仍以东北大风为主,只有在海峡南部海域风向出现轻度转向。台湾岛南部和东侧海域风场风速普遍较小,风向均发生改变。由于风向多样性,台湾海峡海域未出现“狭管效应”,台湾岛北部和南部海域出现风速增强的角流区。

3.2 EOF风场月变化特征分析

对ASCAT散射计2007—2017年的逐月风场数据先进行距平和标准化处理,利用EOF法分别对风速、风向进行分析,并通过North特征值显著性检验,最后给出风速和风向前5个模态的方差贡献率(表 1),从表 1可看出台湾海峡风场特征主要集中在前2个模态,其中风速前2个模态累计方差贡献率超过70%,风向前2个模态累计方差贡献率为45%。

表 1 风场矢量EOF分析前5个模态的方差贡献率(%)

风速EOF分析的第一模态为主要模态,偏差贡献率达到60.48%,反映出研究区海域海面风场分布的主要特征。由第一模态空间场(图 3a)可见,振荡异常度区域主要集中在台湾岛周边海域,显示出受台湾岛地形影响显著。台湾岛北部外海异常度小,台湾海峡及南部外海异常度大,其中正值中心(正负中心代表异常值偏差程度)主要位于台湾海峡和台湾岛南部外海(120.5 °E,21.6 °N)附近海域,尤以台湾岛西侧海域异常度最大。

图 3 风速EOF分析第一模态空间分布(a)、第二模态空间分布(b)、第一模态时间系数(c)和第二模态时间系数(d)

从时间曲线(图 3c)上分析,2007—2017年10年中主要为季节性振荡变化,冬季表现为正值,夏季表现为负值,春季和秋季表现为正负值间的转换,大体表现为冬-夏季风振荡型,时间曲线在2013年前振荡幅度比较大,随之逐年呈递减趋势,显示海面风场活跃度在变小。

与第一模态相比,EOF分析的第二模态方差贡献率较低,方差贡献率仅为11.57%。风速第二模态空间场(图 3b)分布呈现明显东、西反相结构,台湾海峡和台湾岛东部外海分别存在负值中心(119.3 °E,24.6 °N)和正值中心(124.1 °E,22.9 °N)。时间曲线(图 3d)整体表现为在0值上下振荡,幅度普遍偏小。冬春、夏秋季节交替时振荡相对显著。

相比之下,风向显著性比风速低,第一模态偏差贡献率为36.82%,第二模态贡献率为8.89%。在空间格局上,第一模态(图 4a)和第二模态(图 4b)表现为台湾岛南部海域异常度大,这一海域风向变化大。值得注意的是,台湾海峡海域风向异常度基本在0值附近,表明风向比较稳定,这与以往认识的台湾海峡东北大风和西南风交替盛行不同,而主要以东北大风单一风向为主。由于受季风和地形汇合影响,台湾岛南部外海风向异常值最大,风向变化复杂,主要集中在台湾岛左下和偏东海域东北大风和西南风交汇区一带。第二模态也反映出这一特征,异常偏差正值区和负值区分别位于台湾岛东部和南部海域,受台湾岛地形影响显著。

图 4 风向EOF分析第一模态空间分布(a)、第二模态空间分布(b)、第一模态时间系数(c)和第二模态时间系数(d)

从时间曲线上分析,第一模态(图 4c)和第二模态(图 4d)都表现为冬季、春季前期振荡比较小,夏季和秋季振荡比较大的特征。由于主要受东北大风控制,研究区冬春季节(1月上旬—4月上旬、10月下旬—12月底)海面风向都表现为稳定的东北向。在春夏季和夏秋季交替期间,由于同时还受偏南风和西南风影响,台湾岛南部海域风向发生变化大,而台湾海峡内部海域风向变化不大。由于风场资料为月平均数据,台风对风向的影响信号在时间曲线上表现不显著。

3.3 风场趋势变化分析

以往台湾海峡海面风场研究多侧重于风场精度验证和特征分析,未对风场变化进行趋势分析。本文对2007—2017年ASCAT海面风场时间曲线第一模态特征值进行趋势分析,分别用多项式法和单项式法对变化趋势进行模拟(图 5),从结果两种方法均得到10年间研究区风速特征表现从正相位向负相位的改变,多项式变化趋势显示2013年12月,单项式变化趋势显示时间点是2011年6月由正位相转为负位相,虽存在发生改变的时间点不同,都表明10年间台湾海峡海面风速可能存在突变的潜在影响机制。由于风向变化随机性大,未进行突变分析。

图 5 台湾海峡10年海面风速变化特征趋势分析

为进一步分析其变化特征,利用Mann-Kendall法和滑动t-检验法分别对2007—2017年10年的ASCAT风场风速进行突变检测,从Mann-Kendall法(置信区间为0.05)的曲线图(图 6)得到,UF和UB曲线在序列起始4—6月均有交点,考虑到统计方法对样本数量的要求,起初的交点不确定性太大,不计入可靠的突变点。从曲线上看序列中后期也存在数个交点,理论上表明这些时间点可能存在风场风速突变,但是UF曲线整体上并没有大幅度波动,没有显著的变化趋势,因此认为这10年中未发生风速突变。滑动t-检验法(n=9)的结果与Mann-Kendall法吻合,10年中t统计量均未通过显著性水平检验,因此可确定台湾海峡2007—2017年10年中海域风场风速未发生显著性突变。从变化趋势上分析,10年间台湾海峡海面风速变化幅度整体呈递减,由正位相向负位相变化并趋势加大,若继续持续这种趋势,不排除未来台湾海峡海面风场风速将发生突变。

图 6 台湾海峡风速突变检验分析(左:MK检验右:滑动t-检验)
4 结论和讨论

台湾海峡由于其特殊的地理位置,在天气系统和地形地貌条件共同作用下造成其复杂多变的海面大风,影响到“海上丝绸之路”和海峡两岸的经贸和人员往来。本文就2007—2017年近10年的台湾海峡海面风场进行分析。

(1) 台湾海峡月平均海面风场2007—2017年10年中存在比较显著的时空变化特征,受台湾岛地形影响,振荡异常度大值区集中在台湾海峡及南部外海,这也很好印证台湾海峡为我国海洋大风区特点,这一海域对闽台两岸的航线来往和海上渔业捕捞等会产生影响。时间模态上主要为季节性振荡变化,振幅在10年中呈减弱趋势,表明台湾海峡海域风场活跃度在变小。

与传统的台湾海峡季风交替认识不同,台湾海峡海域全年风向主要以东北大风为主,风向EOF空间模态特征和多年风场季节性特征分析都很好地印证这一点。风向空间模态特征异常偏差大值区集中在台湾岛南部和东侧海域。在时间模态上风向振荡不大,主要受台湾岛地形和季风共同影响。

(2) 台湾海峡海面风场季节性特征明显,冬、春和秋季风场特征比较相似,台湾海峡呈现显著的“狭管效应”,造成海峡风速突然增大,而夏季表现不明显。风向在季节尺度上主要为东北大风,西南风表现不明显。

在台湾海峡中央山脉阻挡和大气环流共同影响,空间格局上台湾岛南北两端均易出现风速增强的角流区,而受中央山脉遮挡的背风区易出现低风速的尾流区。

(3) 10年间台湾海峡海面风场风速特征发生从正相位向负相位的改变,风速变化幅度整体呈递减趋势,通过Mann-Kendall法和滑动t-检验法的综合检测分析,台湾海峡海域风场风速10年中未发生显著性突变,但从趋势上分析,若风速特征相位改变逐年继续加大,存在发生突变的可能。由于本文使用资料主要为逐月平均数据,影响台湾海峡的台风特征在研究中表现不明显,有待进一步探讨。

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