基于船舶目测观测的东地中海百年风浪气候演变研究

《Limnology and Oceanography》：Wind wave climate in the Eastern Mediterranean Sea over the past century from visual ship-based observations

本综述基于百年尺度（1924-2023）的志愿观测船（VOS）目测数据，首次系统揭示了东地中海风浪气候的时空演变规律。研究通过分离式观测的涌浪与风浪参数，构建了包含有效波高（SWH）、主周期、波龄等多元指标体系，建立了1°×1°网格的精细化气候态。特别发现近50年来涌浪高度以6厘米/十年的速率下降主导了波浪气候变化，为评估气候变化对海洋环境的影响提供了独特的观测证据。

　　

摘要

本研究对东地中海过去一个世纪（1924–2023年）的风浪气候进行了全面分析。以志愿观测船计划框架下开展的目测波浪观测为基础，利用风浪和涌浪高度、周期和传播方向的天然分离观测值，可计算有效波高、主周期、波龄、陡度和波长等海况特征。VOS数据的连续性、观测密度和质量为不同时空尺度的风浪状况和极端波浪统计以及长期趋势评估奠定了坚实基础。

材料与方法

东地中海的目测波浪观测

VOS数据包含风浪和涌浪系统的高度、周期和传播方向，以及风速和风向、云量、海表温度、海平面压力等众多海洋和大气参数。东地中海边界定义为东经30°子午线。该次盆地最早的风速记录可追溯到1858年；波浪方向记录于1886年；波高数据出现于1898年。相对均匀的波高时间序列在第一次世界大战后可用，但在第二次世界大战期间存在数年空白。

时间分布特征表现为风速数据量相对稳定，波高观测在二战期间存在空白，但1948年后观测数量增加至每年5000-6000次。包含风浪和主涌浪高度、周期和传播方向的完整记录在1963年左右变得相对稳定。因此，波浪气候分析分两个数据流进行：百年尺度（1924–2023）和半百年尺度（1974–2023）。尽管近几十年波浪记录数量相对稳定，但数据分布的空间不均匀性仍是目测观测的主要缺点。对于东地中海，1度网格单元中的记录数量从北部地区的几千次到主要航线上的超过28000次不等。这种数据采样允许以1°的空间分辨率开发可靠的东地中海风浪气候学。

数据处理与验证

对VOS数据进行严格质量控制，排除具有人工日期和坐标的记录以及波浪参数不一致的记录。校正了小风区波浪，检查了风浪和涌浪分离的准确性，并仔细检查了零波高情况。最后应用了陡度和波龄控制。

经过严格质量控制后，1924–2023年期间东地中海的船舶观测总数约为55万次，其中约7.5万次是包含风浪和主涌浪所有特征的完整记录。这些参数允许计算有效波高和主波周期。SWH1定义为风浪和涌浪高度平方和的平方根。SWH2评估为同时观测的风浪和涌浪高度中的最高波。目测观测中的主波周期被视为风浪和涌浪两个分量中最高波报告的周期。

为了扩展海况特征集，还计算了风浪和涌浪系统的波龄、陡度和波长。为确保目测观测的质量，将其与声学多普勒流速剖面仪测量数据、模型模拟和卫星数据进行了验证。与所有替代数据集的比较显示，平均统计量具有良好的一致性，有效波高差异小于10厘米，主波周期差异小于0.5秒，处于所有审查测量类型的精度范围内。

数据统计分析方法

处理后的、受控的且经过验证的目测船舶数据为评估常规和极端波浪统计、开发风浪气候学以及随后评估东地中海的长期趋势奠定了基础。

首先，计算了VOS可用的所有波浪特征的概率分布。根据Kotel'nikov定理，直接估计参数的直方图箱选为VOS数据离散度的两倍。具体使用了以下箱：波高1米，周期2秒，波向20°，风速2米/秒。对于波长、波龄和陡度，箱大小根据计算所依据参数的精度选择。

其次，评估了极端波浪统计。使用三种不同方法对第95和第99百分位数值进行了比较分析。首先选择了威布尔近似，因为它最适合各种测量类型的波高和周期的一维分布。其次是对数正态分布，已被证明能准确描述气候尺度上的波浪统计。最后选择了初始分布方法，利用完整的原始数据时间序列，非常适合目测观测的扩展连续性。

使用应用于月最大值时间序列的广义极值分布估算了不同周期的有效波高回归水平。

正如上文所证明的，目测船舶观测的质量和数量允许评估东地中海不同时空尺度上的风浪统计。因此，选择1°×1°网格的月平均波浪特征作为基本单位，用于开发和绘制VOS可用的所有波浪参数的年度、季节和气候月统计。

最后，基于月平均时间序列分析了波浪特征的百年和半百年趋势。为确保结果估计的可靠性，每个网格框需要每月有超过15次观测，计算周期必须超过整个时间框架的60%。为满足这些标准，空间分辨率增加到2°×2°。基于Theil–Sen估计量进行了非参数趋势分析。趋势的统计显著性根据90%水平的Student t检验进行估计。

结果

常规波浪统计

由于1963年之前波浪分量的单独估计很少，百年时间序列可用于三个VOS参数：定义为观测到的风浪和涌浪高度最大值的有效波高、相应的波周期和风速。为了追踪常规统计的变化，评估了这两个时期这些波浪特征的概率分布：百年（1924–2023）和半百年（1974–2023）。

百年和半百年有效波高直方图的形状几乎相同，最可能值相同。然而，可以看到小浪（0–1米）略有减少，中等浪（2–3米）有所增加。风速也显示出向更高值的类似转变。至于半百年主波周期，发现在2–4秒和4–6秒箱之间存在重新分布，与百年尺度相比，4–6秒波浪的概率较低。

1974–2023年期间的完整VOS记录允许分析所有波浪特征，包括风浪和涌浪高度、周期、传播方向、波长、波龄和陡度。所有分布都很好地对应了每个波浪分量的特征。涌浪比风生浪更高、更长且更平缓。风浪和涌浪方向分布相似，西向涌浪更为明显。

极端波浪统计

仅对风浪和涌浪的可靠极端统计估计可以在半百年尺度上获得。然而，VOS数据的观测密度允许评估1974–2023年期间东地中海的年度极值。分析了两个波浪分量以及计算为风浪和涌浪高度平方和的平方根的有效波高，因为它更符合模型模拟、遥感和现场测量得出的有效波高。

风浪、涌浪和有效波高的第95百分位年度值在所有三种统计方法中几乎相同，差异小于0.5米。第99百分位年度高度也显示出一致的模式，但有效波高极值变化高达1.5米。对数正态函数产生最高值，威布尔产生最低值，初始分布方法估计值在此范围内。

总结波高第95和第99分位数的分析，对整个区域50年期间的极端统计进行了评估。与年度极值类似，第95分位数估计对所有方法都很接近，而第99分位数的差异对于有效波高超过1米。

在几个时间间隔上计算了有效波高的回归水平：1963–2023、1993–2023以及从1963年开始的连续20年时间序列。除2003–2023外，所有二十年时间序列的回归周期波高都显示出或多或少接近的模式。这种差异很可能是由于近几十年来目测观测数量的减少。

极端值分析辅以VOS和ADCP数据回归水平的比较。结果显示良好的一致性，100年回归值ADCP为11.2米，VOS为11.8米。根据ADCP测量，运行期间记录的最高波高为7.56米，高于第99百分位估计值，但低于100年回归值。然而，基于6年VOS数据时间序列的回归周期波高显著低估了基于20年周期观测的波高。

风浪气候学

由于百年数据流受限于1963年之前报告的VOS参数数量，分析了1924–2023年期间的三个特征：定义为风浪和涌浪最高波的有效波高、相应的主周期和风速。这些参数的年度分布显示了约1米波高、5秒周期和5米/秒风速的合理值，与相应的概率分布一致。

半百年（1974–2023）网格月平均统计不仅针对有效波高和主波周期进行了评估，还针对风浪和涌浪高度、周期、波龄、陡度和波长进行了评估。然后，为VOS可用的所有观测和计算的波浪参数开发了年度、季节和气候月统计。

波浪气候变率

长期波浪气候变化的分析是目测观测最有价值的应用之一。在这方面，没有其他数据源能与VOS的连续性相媲美。

波浪气候变率分析了两个时期：百年（1924–2023）和半百年（1974–2023）。百年趋势显示有效波高呈双峰模式：东地中海南部为负，中部和北部为正。最小值出现在东南海岸；最大值出现在EMS的西北地区。主波周期的变率可忽略不计，呈-0.3秒/十年的下降趋势。这种不显著的幅度与波周期变率的全球模式一致。

至于半百年趋势，有效波高主要显示下降趋势。唯一具有正趋势的2度网格单元出现在EMS的西北地区。50年主波周期显示负趋势，幅度与100年趋势几乎相同。

风浪和涌浪特征的单独估计让我们得以探究过去50年波浪气候变率背后的原因。半百年趋势显示几乎整个EMS区域的风浪和涌浪高度呈现相反趋势：风浪变得更高，而涌浪变得更低。东地中海年平均值得出了类似结果。风浪高度显示轻微正趋势，年平均涌浪高度显示负趋势，导致有效波高下降。

讨论

识别和分析风浪时空结构的历史趋势对于理解在人为对环境过程影响日益增加的背景下正在发生和未来的气候变化至关重要。在这方面，目测船舶观测代表了海况特征的独特直接现场估计来源，允许评估长期趋势，以及开发从月到百年的不同时间尺度上的常规和极端波浪统计。

对波高年度和月平均值的分析表明，占主导地位的涌浪决定了波浪气候变化的性质，导致过去50年东地中海有效波高整体下降。这些估计在定性和定量上与基于2016–2022年期间ADCP测量的局部趋势一致，有效波高为-1.5厘米/十年，主周期为-0.2秒/十年。风浪气候模拟以及整个地中海的各种模型后报也发现了类似结果。

除了常规统计及其变率，要完成波浪气候描述，还需要审视极端波浪统计。鉴于对海上和海岸结构以及船舶航行构成风险的极端事件频率和强度不断增加，这方面至关重要。VOS对极端波浪统计和回归周期波高的初步估计表明，它们很大程度上受到时间序列不均匀性、近似方法和观测跨度等因素的影响。有必要对EMS的波浪极值进行进一步研究，以跟上持续的气候变化。

总之，目测波浪观测已被证明是探索东地中海的有价值的补充。虽然延长波浪测量覆盖范围和持续时间的努力仍在继续，但与其他次盆地相比，现场观测仍然短缺。志愿观测船数据可以有效地支持常规和极端波浪特征的评估，并让我们监测地中海——尤其是其东部——的长期气候变化。