基于ERA5再分析数据的海南岛东岸近海波候特征及其对气候变化的响应研究

基于ERA5再分析数据的海南岛东岸近海波候特征及其对气候变化的响应研究目录1.引言 ]等，2018；夏武松[[]夏武松,魏永亮,陆恒星,等.基于ERA5的南大西洋风速和有效波高时空变化特征分析[J].海洋湖沼通报,2024,46(01):1-11.]等，2024）；但海南岛东岸波浪周期的季节性变化存在一些差异，基本上遵循着冬半年波浪周期大，下半年波浪周期小的特征，但是7、8月具有较高的波浪周期，这可能指示着在该月份出现了台风事件[]周水华,俞胜宾,冯伟忠,等.基于多卫星融合资料的南海浪高时空分布特征研究[J].海洋科学,2013,37(10):71-77.[]易风,冯卫兵,曹海锦.基于ERA-Interim资料近37年南海波浪时空特征分析[J].海洋预报,2018,35(01):44-51.[]李晨轩,韦志刚.1979-2021年中国南海海表风速和大风事件的变化特征[J/OL].高原气象:1-14[2024-04-10].[]夏武松,魏永亮,陆恒星,等.基于ERA5的南大西洋风速和有效波高时空变化特征分析[J].海洋湖沼通报,2024,46(01):1-11.[]夏瑞彬,路超越,梁楚进,等.基于WW3的南海北部有效波高时空变化及其极值重现期估算方法分析[J].海洋学报,2023,45(02):13-26.（（a）（b）（c）（d）图3.4研究区三个地点2004——2023年离岸有效波高的月平均情况（e）（e）（f）（g）（h）图3.5研究区三个地点2004——2023年离岸波浪周期的月平均情况3.3波向特征图3.6——图3.8给出了研究区3个地点2004——2023年逐小时一次的波向数据所呈现的波浪玫瑰图，可以看出波向沿着研究区随着季风风向的变化而显著变化，随着每年5月份西南季风的出现和9月份转变为东北季风控制，波向和5月和9月也发生相应的变化。本文将基于东北季风和西南季风的变化特征分为两个时期进行分析。3.3.1东北季风时期（10月至次年4月）东北季风从每年9月份开始出现，此时波向主要为E向和ENE向主导，在东北季风的控制下，研究区的波向从10月到次年的4月波向沿顺时针方向从ENE或NE向经E向转到ESE向。海南岛东岸（E1、E2和E3处）从10月到12月的ENE向逐渐转变为1月——3月的E向，然后到4月的ESE向（图3.6——图3.8）。3.3.2西南季风时期（6月至8月）从5月份开始，东北季风转变为西南季风，波向沿顺时针方向从ESE向逐渐变为S向。6——8月，海南岛东岸（E1、E2和E3）的波向主要为SSE向和S向（图3.6——图3.8）。综上所述，研究区的波向随着季风的变化而产生季节性变化，在海南岛东岸，波向大体从NE向或ENE向沿顺时针方向经过E向、ESE向转变为S向或SSW向。在东北季风时期，主波向为ESE或NE向沿顺时针方向转变为ESE向；在西南季风时期，主波向为S向和SSW向。研究区的波强向为E向和ENE向，在各向波浪中所占比重最大，而S向和SSW向所占频率较低，因此可以判断出：研究区在东北季风控制下的ENE向和E向波浪所占比重要大于西南季风控制下的SSE向、S向和SSW向。图3.6海南岛东岸E1处2004-2023年的逐月波向玫瑰图图3.7海南岛东岸E2处2004-2023年逐月波向玫瑰图图3.8海南岛东岸E3处2004-2023年逐月波向玫瑰图4.厄尔尼诺/拉尼娜事件对波候特征的影响4.1厄尔尼诺系数（NINO3.4）统计分析厄尔尼诺是赤道中东太平洋的海温持续偏高并造成大气环流异常的一种气候现象。通常伴随着大规模的气候变化。这种现象往往会引起全球范围内的气候异常，包括极端降水、干旱、飓风活动增加等。厄尔尼诺事件通常持续几个月至一年左右，但持续时间可以有所不同。厄尔尼诺现象通常与另一种现象称为拉尼娜相对应，拉尼娜是太平洋赤道东部海水温度异常降低的现象，与厄尔尼诺相反。这两种现象通常以相反的方式影响全球气候模式。厄尔尼诺与拉尼娜常常交替出现，循环周期一般为2年到7年，平均周期为4年。我国在2017年正式推出《厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法》国家标准，规定NINO3.4区海温指数（海面温度距平的平均值）3个月滑动平均达到或超过0.5℃，且至少持续5个月，定义为一次厄尔尼诺事件；小于或等于-0.5℃，且至少持续5个月，定义为一次拉尼娜事件。从（图4.1）可看出2004~2023年的厄尔尼诺指数的变化趋势，并且根据厄尔尼诺事件的定义以及（图4.1）尼诺系数的分布情况,可以认定2004~2023年共发生了7次厄尔尼诺事件和8次拉尼娜事件,其中2004/2005，2006/2007，2009/2010，2014/2015，2015/2016，2018/2019，2019/2020为厄尔尼诺事件。其中,2015/2016年厄尔尼诺事件峰值强度超过2.5℃,是一次超强厄尔尼诺事件，2004/2005年为一次轻度厄尔尼诺事件。2005/2006，2007/2008，2008/2009，2010/2011，2011/2012，2016/2017，2020/2021，2021/2022为拉尼娜事件。其中2005/2006为一次轻度拉尼娜事件，2010/2011为一次强拉尼娜事件。4.2有效波高特征与厄尔尼诺系数相关性分析将E1、E2和E3的月平均有效波高进行汇总，然后与NINO3.4进行相关性分析，统计在2004—2023年中发生厄尔尼诺事件或者拉尼娜事件的年份，将厄尔尼诺事件发生的年份与拉尼娜事件发生年份的尼诺系数与有效波高相关性进行比较（如表1），发现整体上发生厄尔尼诺事件的年份有效波高与尼诺系数的相关性低于发生拉尼娜事件的年份，并且在发生厄尔尼诺事件的年份中只有2004年与2006年的相关性大于0.2，以及只有在2004年的E2和E3处的相关性大于0.3，由此可得有效波高与厄尔尼诺事件的相关性较差。在发生拉尼娜事件的年份中，有效波高与尼诺系数的相关性整体上除了2016年之外均大于0.3，并且在发生拉尼娜事件的年份中，在2005、2011、2017和2021这些年份中，有效波高与尼诺系数的相关性平均值大于0.7，由此可得有效波高与拉尼娜事件具有显著相关性。本研究还分别选取E1、E2和E3三个研究点的轻度厄尔尼诺事件和强厄尔尼诺事件以及轻度拉尼娜事件和强拉尼娜事件的年份做线性拟合分析，在线性拟合分析中Pearson'sr值大于0.7时为强相关，Pearson'sr在0.5——0.7时为中等相关，Pearson'sr值在0.3——0.5时为弱相关。从图中可以看出E1、E2和E3三个研究点的有效波高与尼诺指数相关性差别不大（如图4.2、4.3、4.4所示）。但是在三个研究点中，通过散点图可得，在轻度厄尔尼诺事件与强厄尔尼诺事件中Pearson'sr值均小于0.2，则说明尼诺系数与有效波高的相关性并不高，相反在轻度拉尼娜事件与强拉尼娜事件中，除了发生轻度拉尼娜事件的2005年的E1处Pearson'sr值接近0.7，其余研究点的Pearson'sr值均大于0.7。并且在发生轻度拉尼娜事件的年份中，三个研究点的Pearson'sr值均小于发生强拉尼娜事件的Pearson'sr值，由此可得强拉尼娜事件比弱拉尼娜事件与有效波高的相关性更高，并且可得拉尼娜事件中尼诺系数与有效波高具有显著的相关性，并且从图中可知拉尼娜事件中尼诺系数与有效波高呈负相关关系，当尼诺系数越低时，有效波高越高。表1E1、E2、E3三个研究点厄尔尼诺事件与拉尼娜事件中尼诺系数与有效波高的的相关性分析表年份厄尔尼诺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图4.12004——2023年厄尔尼诺系数（NINO3.4指数）统计图4.2E1处厄尔尼诺与拉尼娜事件与有效波高线性图图4.3E2处厄尔尼诺与拉尼娜事件与有效波高线性图图4.4E3处厄尔尼诺与拉尼娜事件与有效波高线性图4.结论本文通过ECMWF提供的ERA5再分析波浪数据，对海南岛东岸近海海域的波候参数分布特征及变化趋势展开了相关研究，结果表明：海南岛东岸近海海域的有效波高出现频率最高的范围是0.9—1.2m，波浪周期出现频率最高的范围是5—7.5s，在该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异，总体呈现自北向南逐渐减少，在季节分布上，有效波高以及周期总体呈现夏季有效波高低且周期较短，冬季有效波高高且周期相对较长。从变化趋势上看，研究区海域年均有效波高有一定的起伏，并且各点的起伏趋势一致，但总体呈现增长趋势，且有效波高在研究区中自北向南逐渐减少，年均波浪周期在研究区中，整体差异不大，但在海南岛东岸近海海域中，南北波浪周期相对中部海域较短。从研究区的月均变化上看，有效波高以及周期呈现显著的季节性变化差异，夏季的有效波高以及波浪周期相对较低且短，冬季的有效波高以及周期则相对较高且长，有效波高最低出现在5月，周期最短出现在6月，但7、8又呈现增长趋势，说明可能受到台风天气的影响。从季风环流的角度而言，海南岛东岸近海海域的波向特征的逐月波向总体上各研究点的月份差异不大，但在不同季风影响