經略21世紀海上絲路之海洋環境特征：風候統計分析*

鄭崇偉，李訓強，高占勝，付敏，羅霞

(1. 海軍大連艦艇學院 大連 116018； 2.中國科學院大氣物理研究所 LASG實驗室 北京 100029；3.解放軍理工大學 氣象海洋學院 南京 211101； 4. 國家海洋環境預報中心 北京 100081)

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經略21世紀海上絲路之海洋環境特征：風候統計分析*

鄭崇偉1，2，3，李訓強1，高占勝3，付敏4，羅霞1

(1. 海軍大連艦艇學院 大連 116018； 2.中國科學院大氣物理研究所 LASG實驗室 北京 100029；3.解放軍理工大學 氣象海洋學院 南京 211101； 4. 國家海洋環境預報中心 北京 100081)

21世紀海上絲綢之路，以我國泉州為起點，主要涉及海域為南?！庇《妊?，惠及沿線多國。深入研究該海域的海洋環境特征，有利于為海上絲綢之路建設提供科學依據、輔助決策。文章利用來自歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)、1979—2014年、逐6 h的海表風場資料、陣風資料，系統性、精細化地統計，分析了該海域的風候(風場氣候態)特征，主要包括海表風場的季節特征、(強)風向頻率、大風和陣風頻率、陣風系數、海表風速的長期變化趨勢等。期望可以為航海、海洋工程、防災減災等提供科學依據，為海上絲綢之路建設盡綿薄之力。

21世紀海上絲綢之路；歐洲中期天氣預報中心；強風向頻率；大風頻率；陣風系數

1 引言

21世紀海上絲綢之路，以我國泉州為起點，主要涉及海域為南?！庇《妊?，惠及沿線多國。該海域是全球重要的海上通道之一，也是我亞丁灣護航的必經之地，印度洋更是處于世界海權體系的中心地位，其“貿易通道”和“石油航線”是許多國家所依賴的“戰略生命線”，戰略地位不言而喻[1-3]。深入研究該海域的海洋環境特征，方可為海上絲路建設提供科學依據。例如，航海、港口建設、海上施工和防災減災等對大風頻率、強風向等都極為關注[4]。深入研究該海域的海洋環境特征，有利于為21世紀海上絲綢之路建設提供科學依據、輔助決策。前人對我國的海洋環境特征做了較多工作，但對北印度洋的海洋環境特征的關注較少，系統性的分析工作更是鳳毛麟角。

鄭崇偉等[5]曾分析了南?！庇《妊蟮暮１盹L場特征，發現該海域的風速風向受季風影響顯著；北印度洋大部分海域的海表風速以1～2 cm/s的速度顯著性逐年線性遞增，南海線性遞增的區域則較少；南海海表風速具有明顯的2.0～2.4 a、5.2 a的主周期變化，北印度洋海表風速：具有明顯的2.4～5.2 a的主周期變化及26.0 a 的長周期震蕩。

此外，鄭崇偉等[2]還利用該資料，分析了南?！庇《妊蟮牟ɡ四苜Y源整體狀況，發現大部分海域的年平均波浪能流密度在2 kW/m以上，2 kW/m和大于4 kW/m以上能流密度出現的頻率都較高，這有利于在一些重要港口、島礁展開海浪發電、海水淡化等波浪能開發工作。

張磊等[6]曾利用CCMP(cross-calibrated， Multi-platform)風場資料，分析了北印度洋海表風速的長期變化趨勢，發現該海域的海表風速在近22 a(1988—2009年)期間整體上以0.028 6 m/s的速度顯著性逐年線性遞增。鄭友華等[7]曾分析了北印度洋海表風速、有效波高的突變形勢，發現年平均海表風速、有效波高的突變形勢與冬季相似，突變期都在20世紀80年代初。

李培等[8]曾利用1950—1995年共46 a的北印度洋氣象船舶資料，按 5°×5°網格統計單元，對北印度洋的氣候特征進行過分析，繪制了歷年各月風向頻率、平均風速、6級和8級大風、能見度、霧和雷暴等氣象要素分布圖。

前人對南海、北印度洋的風候特征做過很大貢獻，但是由于受到資料、分析技術等諸多因素的限制，早期的研究在空間分辨率、系統性方面還有很大的改進潛力?？臻g分辨率偏低會將一些重要的海域遺漏，極值風速、陣風系數沒有計算等，這些缺陷意味著不能很好地為海洋開發提供參考。本文利用來自歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)、近36 a(1979-2014年)、高空間分辨率的海表風場資料(ERA-interim風場資料)、陣風資料，綜合考慮風速風向的季節特征、(強)風向頻率、6級以上大風和陣風頻率、陣風系數、海表風速的長期變化趨勢等，對南?！庇《妊蟮娘L候特征展開精細化、系統性研究，期望可以為航海、海洋工程、海洋能開發和防災減災等提供科學依據，為21世紀海上絲綢之路建設盡綿薄之力。

2 數據及方法

利用來自ECMWF的風場資料，包括平均風和陣風資料，系統性、精細化地統計分析了21世紀海上絲綢之路涉及海域的風候特征。此外，還重點分析了臺灣海峽、北部灣、西沙海域、西衛灘、馬六甲海峽、吉大港、科摩林角、迪戈加西亞、瓜達爾港、霍爾木茲海峽、哈豐角、達累斯薩拉姆一些重要節點的(強)風向頻率，重要節點分布圖見圖1。

①臺灣海峽；②中國西沙海域；③中國南沙海域；④北部灣；⑤泰國灣；⑥馬六甲海峽；⑦吉大港；⑧科摩林角；⑨迪戈加西亞；⑩瓜達爾港；哈豐角圖1 21世紀海上絲綢之路示意圖以及一些重要節點

平均風和陣風資料的時間分辨率都為6 h，空間分辨率為0.125°×0.125°，空間范圍為：90°S—90°N，180°W—180°E，時間范圍從1979年1月1日00∶00時至今。該數據具有較高的可信度，在國內外被廣泛運用與風、浪特征分析[9]。

3 風候統計分析

利用來自ECMWF的ERA-interim風場資料、陣風資料，統計分析了近36 a期間海上絲綢之路涉及海域的風候特征，主要包括：不同季節的風速風向特征、(強)風向頻率、6級以上大風和陣風頻率、陣風系數、海表風速的長期變化趨勢等。

3.1 海表風場的季節特征

利用近36 a的ECMWF的ERA-interim風場資料，分別以2月、5月、8月和11月作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月，統計海上絲綢之路涉及海域在各個季節的風速、風向特征(圖2)。

圖2 海上絲綢之路涉及海域海表風場的季節特征，風速單位：m/s

2月，冬季風盛行，南?！庇《妊蟠蟛糠趾Ｓ蛞云珫|北風為主。值得注意的是，孟加拉灣北部近海的風向為偏西北向、阿拉伯海北部近海為偏西。從風速大小來看，南海的冬季風強度明顯高于北印度洋，存在兩個顯著的大風中心：呂宋海峽、中南半島東南海域(即傳統的南海大風區)；北印度洋大部分海域的風速在5 m/s之內，相對大值區分布于索馬里附近海域，在7 m/s左右，等值線呈NE-SW向。

5月：北印度洋的西南季風已經逐漸盛行，大部分海域的風向都是SW向；風速存在兩個相對大值區：索馬里海域、斯里蘭卡東南部海域；這個季節孟加拉灣的平均風速大于阿拉伯海。在南海，季風過渡現象比較明顯，17°N以南海域已經轉換為西南季風，17°N以北則屬于E-EN風。

8月，強勁的西南季風已經盛行，整個南?！庇《妊蟮娘L向以西南向為主導。孟加拉灣大部分海域的平均風速在7 m/s以上，阿拉伯海整體在8 m/s以上，尤其是索馬里附近大范圍海域的平均風速可達6級以上。南海的西南季風強度明顯低于北印度洋，相對大值中心分布于傳統的南海大風區，平均風速在7 m/s以上。

11月，傳統的觀點認為該月處于季風過渡季節，對比圖2b和圖2d可以明顯看出，11月的季風過渡現象并沒有5月明顯，甚至可以認為，西南季風向東北季風轉換已經完成，整個南?！庇《妊蠖家詵|北風為主導，尤其以南海的東北風較為強勁，10°N以北的平均風速在8 m/s以上。北印度洋的平均風速相對低于南海，大部分海域在6 m/s以內。

3.2 (強)風向頻率

風向頻率尤其是強風向的頻率，是航海、橋梁設計、風能開發等都極為關注的要素。本文在此利用近36 a、逐6 h的ERA-interim風場資料，統計分析了海上絲綢之路涉及的一些海域的(強)風向頻率，制作了風玫瑰圖(各個風向、不同等級風速出現的頻率)(圖3和圖4)。關注站點主要包括：臺灣海峽、北部灣、西沙海域、西衛灘(位于中國南沙)、馬六甲海峽、吉大港、科摩林角、迪戈加西亞、瓜達爾港、霍爾木茲海峽、哈豐角和達累斯薩拉姆。

2月，在東北季風的影響下，大部分海域的風向頻率、強風向頻率都以偏NE向為主，有差異的是：吉大港(N-NW向)、瓜達爾港(W-SW向)、霍爾木茲海峽(W-WSW向)、迪戈加西亞(W-WNW向)，結果與圖2(a)吻合。需要引起重視的有：臺灣海峽NE向的強風頻率(10～12 m/s出現頻率約15%，12～14 m/s出現頻率約12%)、北部灣NNE向的強風頻率(10～12 m/s出現頻率約13%)、西沙海域NE向的強風頻率(10～12 m/s出現頻率約11%)，其余站點則謹慎樂觀。

8月，臺灣海峽、北部灣、西沙海域、瓜達爾港、哈豐角以SSW向為主導；馬六甲海峽、吉大港以S向為主；迪戈加西亞、達累斯薩拉姆以SE-SSE向為主；科摩林角以WNW-W向為主；西衛灘以WSW為主；霍爾木茲海峽則是從WSW-SE均勻分布。需要引起重視的是：哈豐角的強風非常明顯，12～13 m/s的SSW風出現頻率高達25%，13～14 m/s的SSW風出現頻率更是高達30%，14～15 m/s的SSW風出現頻率高達13%，這是由于索馬里海域強勁的西南季風造成的，與圖2(c)吻合。

3.3 大風、陣風頻率

大風頻率密切關系到航海安全、海上施工等[10-12]。本文利用近36 a、逐6 h的ERA-interim風場資料，統計了該海域在各個季節6級以上大風頻率(圖5)；利用同期、同時空分辨率的ECMWF陣風資料，統計了該海域各個季節6級以上陣風出現的頻率(圖6)。

6級以上大風頻率：由圖5可見，秋冬兩季的北印度洋、春季的南海大風頻率都在5%以內。2月，南海冬季風較為強勁，存在兩個顯著的大值區：臺灣島周邊海域、傳統的南海大風區，在20%以上。5月，南?！庇《妊蟮拇箫L頻率整體偏低，在西南季風的影響下，索馬里海域、斯里蘭卡東南部海域為相對大值區。8月，在強勁西南季風的影響下，阿拉伯海大部分海域的大風頻率在40%以上，索馬里附近大范圍海域更是高達90%以上；雖然西南季風對孟加拉灣和南海的影響也比較明顯，但帶來的6級以上大風頻率并不高。11月，6級以上大風的高頻海域主要分布于南海北部海域，大值區可達40%以上。

6級以上陣風頻率見圖6：2月，整個南?；驹?5%以上，大值區更是高達55%以上，此外，波斯灣、紅海、索馬里附近海域6級以上陣風出現頻率也較為明顯。5月，南海6級以上陣風出現頻率很低；孟加拉灣大部分海域、阿拉伯海西部海域則出現頻率較高，在20%以上。8月，阿拉伯海、孟加拉灣6級以上陣風出現頻率非常高，阿拉伯海大部分海域在90%以上，孟加拉灣大部分海域在60%以上；南海相對偏低，在40%左右。11月，北印度洋6級以上陣風出現頻率整體較低，基本在10%以內；南海中北部出現頻率則較高，在40%以上，大值中心(呂宋海峽西部海域)可達80%以上。

圖4 海上絲綢之路重要站點8月的風向玫瑰圖

圖5 海上絲綢之路涉及海域的6級以上大風頻率

圖6 6級以上陣風頻率

本文在此只是討論了6級以上大風頻率和陣風頻率的季節特征，在未來的工作中，還需要對大風頻率和陣風頻率的長期變化趨勢展開研究，為防災減災、海洋工程的中長期規劃提供依據。

3.4 陣風系數

在通常的數值預報產品中，預報風速往往只是顯示平均風，而在實際的航海、海洋工程中，陣風的影響是比較大的，同時也是兵器研究、靶場試驗很關注的問題[13-14]。統計陣風系數，有利于根據預報的平均風來防范陣風。陣風系數定義為：在某一時刻，觀測到的最大陣風風速與相應10 min平均風速之比[15]。本文計算了南?！庇《妊笤贘JA(June， July， August)和DJF(December， January， February)期間，平均風速大于5級(8.0 m/s)時的陣風系數，由于運算量偏大，本文只列出了2014年JJA和DJF期間的陣風系數(圖7)。

圖7 2014年DJF、JJA期間海上絲綢之路涉及海域的陣風系數

對比圖7(a)和圖7(b)不難發現，在北印度洋，JJA期間的陣風系數明顯大于DJF期間，大值區的范圍也更廣，南海則相反。DJF期間，南海中北部大部分海域(除北部灣、泰國灣)的陣風系數在1.3以上；在北印度洋，僅孟加拉灣西部一小范圍海域、索馬里近海小范圍海域的陣風系數相對偏大，分別為1.2～1.3、1.2～1.4，其余大部分海域的陣風系數在1.2以內。JJA期間，北印度洋海表風速的陣性特征非常明顯，阿拉伯海和孟加拉灣大部分海域的陣風系數在1.3以上，索馬里附近海域更是高達1.8以上；整個南海的陣風系數基本都在1.2以內。

3.5 海表風速的長期變化趨勢

海表風速的長期變化趨勢與海上風能資源開發、研究全球氣候變化密切相關，將近36 a、逐6 h的海表風速處理稱為逐月平均的數據，即1979年1月至2014年12月432個月的海表風速數據，采用鄭崇偉等[16-17]的方法，計算了南?！庇《妊蟮暮１盹L速在近36 a的逐年變化趨勢見圖8(a)；還將逐月的風速數據進行5點滑動平均，得到滑動平均后的逐年變化趨勢見圖8(b)。南?！庇《妊蟠蟛糠趾Ｓ虻暮１盹L速在近36 a期間沒有表現出顯著的變化趨勢。呈顯著性遞增的區域主要分布于10°S—0°S，趨勢為1～4 cm/s；此外，阿拉伯海西南部區域的遞增趨勢也較為明顯，趨勢為1～2 cm/s。呈顯著性遞減的區域主要分布于：印度半島東西兩側近海、蘇拉威西海等小范圍海域。5點滑動平均之后的變化趨勢并沒有大的變化，只是具有顯著變化趨勢的范圍稍廣。

圖8 1979-2014年海上絲綢之路涉及海域海表風速的逐年變化趨勢及5點滑動平均后的逐年變化趨勢

4 結 論

本文利用來自ECMWF、近36 a、逐6 h、高空間分辨率的ERA-interim海表10 m風場資料、陣風資料，綜合考慮風速風向的季節特征、(強)風向頻率、6級以上大風和陣風頻率、陣風系數、海表風速的長期變化趨勢等，系統性、精細化地統計分析了21世紀海上絲綢之路涉及海域的風候特征，得到如下主要結論。

(1)2月，南海盛行東北風，北印度洋盛行N-NE風；冬季風對南海的影響明顯強于對北印度洋的影響。5月，南海17°N以南、北印度洋已經完成由東北風向西南風的轉變；南海17°N以北處于季風過渡期。8月，阿拉伯海的西南季風最為強勁，索馬里海域的平均風速可達6級以上；孟加拉灣、南海的強度次之。11月，傳統的觀點認為該月處于季風過渡期，本文發現該月西南季風向東北季風的轉換已經完成，整個南?！庇《妊蠖家詵|北風為主導，南海的東北風較為強勁。

(2)2月，大部分海域的(強)風向頻率以偏東北向為主；有差異的是吉大港(N-NW向)、瓜達爾港(W-SW向)、霍爾木茲海峽(W-WSW向)、迪戈加西亞(W-WNW向)。需要引起重視的有：臺灣海峽NE向的強風(10～12 m/s出現頻率約15%，12～14 m/s出現頻率約12%)、北部灣NNE向的強風(10～12 m/s出現頻率約13%)、西沙海域NE向的強風(10～12 m/s出現頻率約11%)。8月，大部分海域以偏SW、偏S向風為主，科摩林角以WNW-W向為主。需要引起重視的是：哈豐角的強風，12～13 m/s的SSW風出現頻率高達25%，13～14 m/s的SSW風出現頻率更是高達30%，14～15 m/s的SSW風出現頻率高達13%。

(3)6級以上大風頻率：秋冬兩季的北印度洋、春季的南?！庇《妊蟮拇箫L頻率都很低，在5%以內。2月和11月，大值區分布于南海。8月，阿拉伯海的大風頻率在40%以上，索馬里附近海域更是高達90%以上。6級以上陣風頻率：2月，整個南?；驹?5%以上，大值區高達55%以上。5月，南海出現頻率很低；孟加拉灣、阿拉伯海西部海域在20%以上。8月，阿拉伯海在90%以上，孟加拉灣在60%以上；南海在40%左右。11月，北印度洋在10%以內；南海中北部在40%以上。

(4)在北印度洋，JJA期間的陣風系數明顯大于DJF期間，大值區的范圍也更廣，南海則相反。DJF期間，南海中北部大部分海域的陣風系數在1.3以上；北印度洋大部分海域的陣風系數在1.2以內。JJA期間，北印度洋海表風速的陣性特征非常明顯，阿拉伯海和孟加拉灣大部分海域的陣風系數在1.3以上，索馬里附近海域高達1.8以上；整個南海的陣風指數基本都在1.2以內。

(5)近36 a期間，南?！庇《妊蟠蟛糠趾Ｓ虻暮１盹L速沒有顯著的變化趨勢。呈顯著性遞增的區域主要分布于10°S—0°S，趨勢為1～4 cm/s；阿拉伯海西南部區域的遞增趨勢為1～2 cm/s。呈顯著性遞減的區域主要分布于：印度半島東西兩側近海、蘇拉威西海等零星小范圍海域。

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國家重點基礎研究發展規劃項目(2015CB453200, 2013CB956200)；國家自然科學基金項目(41490642).

P731

A

1005-9857(2015)08-0004-08