全球风速和波高的变化趋势外文翻译资料

 2022-11-27 02:11

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全球风速和波高的变化趋势

I. R. Young,* S. Zieger, A. V. Babanin

气候变化研究通常被认为是温度长期的观测或预报。但气候研究比温度研究更多一些。在海洋上，风速和风所产生的表面重力波的变化发挥重要的作用。我们使用校准和验证过的卫星高度计观测的23年数据库，以调查全球海洋的风速和波高在此期间变化。我们发现在此期间风速值和波高较小程度增长的全球总体趋势。极端事件的增长率相比于平均条件更大。

海洋风速和波高有助于控制从大气到海洋[1]和海洋混合层上层[2]的能量通量。因此，它们很大程度上影响海气相互作用的机制[3]。以前曾尝试用船舶观测[4-8]，点测量[9]，数值模拟[10-15]，或卫星观测[16]来调查海洋风速和波高的趋势。几乎所有这些研究都是区域性而不是全球性的。虽然有各种不同的结论，但许多研究显示有效波高有增长的趋势，特别是在北大西洋和北太平洋，常与年际变率如北大西洋涛动有关。船舶观测[4-6]也表明由当地风生成的波浪（以下称为风海）和涌浪现象非常不同，而且风速和波高存在相当不同的趋势。此次分析使用最近开发的卫星高度计数据集，以详细调查在全球范围内的这种趋势。

基于卫星的观测系统提供了一种直观或现场观测海洋中的风速和波高的替代方法，使用包括高度计，散射仪和合成孔径雷达等各种设备，能够提供覆盖全球的风和浪。这些仪器中，雷达高度计提供了迄今为止持续时间最长的记录。自1985年GEOSAT卫星发射以来就存在一个几乎连续的（1990-1991年有间歇）共有七种不同高度计任务的观测记录。大量高度计的校准表明，这些仪器可以用于测量有效波高，，其中E是波浪场的总能量，以及风速，U10，有效波高和风速的均方根误差分别小于0.2米[17]和1.5米/秒[17-21]。从高度计任务获得的数据已被用于研究全球范围内海洋平均风候和浪候[21,22]。最近，Zieger等[20]实现了对过去整个23年时间里所有合适的高度计测量进行了系统的校准和跨平台的验证。这项研究提供了一个长时间较为一致的数据集。由于数据集跨越多个卫星平台，所以研究长期趋势时，一致的校准和验证是至关重要的。在本研究中，我们使用这个数据集，以研究在此期间在海洋风浪气候是否有系统的变化。由于季节性的周期较大，必须谨慎地根据数据集确定趋势的信息。

我们这里的目的是确定是否存在具有统计学上的显著趋势（其中趋势被定义为平均意义上的线性增加或减少），即全球2°times;2°空间分辨率的风速和波高的月平均、90%和99%出现率。在分析中，我们要特别小心，以确保趋势可以从季节性成分中分离。

趋势定量为持续时间的线性函数。分析表明，从GEOSAT高度计获得的90%和99%出现率的风速数据的质量是可疑的，因此，这些数据被排除在分析之外。其结果是，波高分析研究的是从1985-2008年，然而风速分析研究是从1991-2008年的较短时间。对于每个2°times;2°空间分辨率的区域，相对于平均条件下的变化趋势用年增减百分比表示。风速和波高的月平均、90%和99%出现率的趋势值分别显示在图1至图3（百分比增加或减少）和图S7至图S9（绝对增加或减少）。

三个统计结果表明风速有明显的全球增长。平均值和90%出现率的风速趋势是比较相似的，且增幅比99%出现率风速增幅小。这样的结果表明，极端事件的强度比平均值条件下以更快的速度增长。处在平均值和90%出现率的条件下，世界大多数海洋的风速每年至少有0.25%至0.5％的增长率增加（过去20年净增加5％至10％）。这种趋势在南半球比北半球更强。这一增加趋势唯一显著的例外是北太平洋中部，那里的风速以每年约0.25％的趋势增长，还有些地方存在较弱的负趋势。

还表明（图1〜3）全球通过了95%的显著性检验的区域。全球主要区域的风速趋势都通过显著性检验，例外的是上文所提到的一些增加趋势弱的地区，特别是在北太平洋。

在99%出现率情况下，风速趋势变得更加积极，这表明世界大部分海洋的极端风速以至少每年0.75%的趋势在增长。在北太平洋中部对于平均值和90%出现率风速表现微弱增长趋势，目前该地区显示的每年约0.50％的较强趋势，这种趋势在统计上是显著的。

平均波高的趋势（图1）表明相对中立的状态。北太平洋和北大西洋的大部分区域呈现弱负趋势（每年0.25％），在大洋盆地的大部分赤道地区也是如此。然而，南半球一致呈弱的积极趋势每年约0.25％。但是几乎所有这些区域趋势统计上显著（SOM）。90%（图2）和99%图3）的波高趋势是逐步明确的，在两个半球高纬度地区（大于plusmn;35ordm;）90%和99%出现率分别表现出每年约0.25%和0.50%的显著趋势，而在所有洋盆的赤道和热带地区波高呈中立的趋势。从平均到99%出现率波高的趋势转变变得更加显著（也就是转向更极端的条件）。应当注意的是，从平均和90%出现率观察到呈弱趋势的大部分区统计上不显著。对于99%出现率的浪高，在高纬度较强的正趋势在统计上显著，然而赤道地区的弱趋势统计不显著。整个全球平均而言，以下每个趋势的百分比统计显著都在90/95%信度水平，分别为：风速，48/36％（平均数），53/40％（90%），68 / 55％（99%）;波高，15/ 8％（平均数），20/12％（90%），60/ 47％（99%）。

为了验证在高度计数据中观察到的趋势，Zieger等[20]采用12个深水浮标应用于同样的分析。结果在表1中显示，在2°times;2°空间分辨率下的高度计值集中在每个浮标的位置。很显然，在同一地理区域浮标结果之间存在差异，浮标与高度计趋势值之间也存在差异。然而，从高度计观察到的一般特征与浮标数据是一致的。在每一个浮标的位置，月平均、90%和99%的时间序列的每一个风速变化趋势都是正的。极值趋势的幅度也在增加，这与高度计结果一致。对于高度计观测，浮标所测的波高月平均数据没有明显的趋势。然而，浮标的波高极值具有增加值更大的变化趋势，对于风速这种变化趋势相对较弱，与高度计结果一致。

将高度计全球趋势值与数值模拟结果相比较来进一步验证。图S6显示从NCEP（国家环境保护中心）再分析结果中所算得的月平均风速趋势[25]。结果与图1定性上一致。

由于在极值情况下观测到风速和波高都有增强趋势，目前的分析不能绝对地断定为什么风速的趋势比波高或底层的物理过程的趋势更强。局地波浪形成的观察表明[26,27]，对于风浪其有效波高近似正比于风速。因此，初步预期风速和波高的空间分布图是相似的。不过，这种情况变得越来越复杂是因为开放海洋中的波高是由当地产生的风浪和远处传来的涌浪混合成的。虽然在风浪的趋势会与局地风速趋势相关，但研究表明，涌浪不仅受气象系统产生的强度影响而且还受它们的频率所影响[4,6]。因此，风浪（替代风速）和涌浪有不同的趋势是合理的。

目前的结果确实显示风速和波高的趋势之间的因果关系。南大洋是受强烈的西风吹过大洋风区所控制。这块区域中风速和波高如预期一样有着良好的增强趋势。同样在北半球高纬度地区也是如此。与此相反，热带地区的波候受远处传来的涌浪所控制，结果表明这些地区的风速和波高的趋势之间几乎没有相关性。对于极端条件而言（例如，99%出现率），波往往会由当地风暴产生，因而人们会认为风速和波高之间有着较强的相关性。目前结果表明，在99%出现率条件下风速和波高表现出相似的加强趋势，这与该假说具有一致性。

观测趋势的详细分析需要有风浪和涌浪及其传播方向和特定盆地分析的信息。这样的数据不能直接从高度计得到。

目前分析的目的是确定在观测时间内是否有线性趋势（约23年）。并不一定遵循观察到的趋势作为结果，例如，全球变暖。高纬度风带的年际到年代际变化确实已经观测到了， Hemer等[28]已经表明了南半球的波候受南半球环流模态影响。月平均高度计的有效波高和南半球环流模态指数之间的回归分析显示弱相关，南大洋大部分区域的相关系数高达0.4。类似的年际变化也表明和北大西洋波高有关[5,10,11,13,14]。因此，它极有可能，这种长期振荡将显著影响全球海洋风和波候。因为本数据集只有二十年长，因此不可能区别一个稳定的增加或加速的趋势，被推测到将来或只是一个年代际震荡的向上部分。只有一个更长的数据集才有可能分离这些可能性。

然而本分析表明在过去的二十年间风速有一致的加强趋势。对于波高，结果更较复杂，因为月平均值没有明显的统计显著趋势。在更极端的条件下，在高纬地区波高的增长有明显的统计加强趋势和赤道地区更平稳。

图1 平均趋势的彩色等值线图（每年%）。顶部显示的是风速底部显示的是波高。通过季节性肯达尔检验统计显著的地方用点表示。

图1 平均趋势的彩色等值线图。顶部显示的是风速底部显示的是波高。通过季节性肯达尔检验统计显著的地方用点表示。

图2 90%出现率趋势彩色等值线图（每年%）。顶部显示的是风速底部显示的是波高。通过季节性肯达尔检验统计显著用点表示

图3 99%出现率趋势彩色等值线图（每年%）。顶部显示的是风速底部显示的是波高。通过季节性肯达尔检验统计显著用点表示

表1浮标和高度计数据估计趋势比较。顶部表格表示风速和底部的表格表示波高，位置由地理区域分组。粗体值是通过两个显著性检验（正态分布和均方差检验）统计学显著在95%（粗体和下划线）和90%（粗体）信度水平上

参考文献

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