海上丝绸之路风候统计分析范文

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1引言

21世纪海上丝绸之路，以我国泉州为起点，主要涉及海域为南海—北印度洋，惠及沿线多国。该海域是全球重要的海上通道之一，也是我亚丁湾护航的必经之地，印度洋更是处于世界海权体系的中心地位，其“贸易通道”和“石油航线”是许多国家所依赖的“战略生命线”，战略地位不言而喻［1－3］。深入研究该海域的海洋环境特征，方可为海上丝路建设提供科学依据。例如，航海、港口建设、海上施工和防灾减灾等对大风频率、强风向等都极为关注［4］。深入研究该海域的海洋环境特征，有利于为21世纪海上丝绸之路建设提供科学依据、辅助决策。前人对我国的海洋环境特征做了较多工作，但对北印度洋的海洋环境特征的关注较少，系统性的分析工作更是凤毛麟角。郑崇伟等［5］曾分析了南海—北印度洋的海表风场特征，发现该海域的风速风向受季风影响显著；北印度洋大部分海域的海表风速以1～2cm／s的速度显著性逐年线性递增，南海线性递增的区域则较少；南海海表风速具有明显的2．0～2．4a、5．2a的主周期变化，北印度洋海表风速：具有明显的2．4～5．2a的主周期变化及26．0a的长周期震荡。此外，郑崇伟等［2］还利用该资料，分析了南海—北印度洋的波浪能资源整体状况，发现大部分海域的年平均波浪能流密度在2kW／m以上，2kW／m和大于4kW／m以上能流密度出现的频率都较高，这有利于在一些重要港口、岛礁展开海浪发电、海水淡化等波浪能开发工作。张磊等［6］曾利用CCMP（cross－calibrated，Multi－platform）风场资料，分析了北印度洋海表风速的长期变化趋势，发现该海域的海表风速在近22a（1988—2009年）期间整体上以0．0286m／s的速度显著性逐年线性递增。郑友华等［7］曾分析了北印度洋海表风速、有效波高的突变形势，发现年平均海表风速、有效波高的突变形势与冬季相似，突变期都在20世纪80年代初。李培等［8］曾利用1950—1995年共46a的北印度洋气象船舶资料，按5°×5°网格统计单元，对北印度洋的气候特征进行过分析，绘制了历年各月风向频率、平均风速、6级和8级大风、能见度、雾和雷暴等气象要素分布图。前人对南海、北印度洋的风候特征做过很大贡献，但是由于受到资料、分析技术等诸多因素的限制，早期的研究在空间分辨率、系统性方面还有很大的改进潜力。空间分辨率偏低会将一些重要的海域遗漏，极值风速、阵风系数没有计算等，这些缺陷意味着不能很好地为海洋开发提供参考。本文利用来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、近36a（1979－2014年）、高空间分辨率的海表风场资料（ERA－interim风场资料）、阵风资料，综合考虑风速风向的季节特征、（强）风向频率、6级以上大风和阵风频率、阵风系数、海表风速的长期变化趋势等，对南海—北印度洋的风候特征展开精细化、系统性研究，期望可以为航海、海洋工程、海洋能开发和防灾减灾等提供科学依据，为21世纪海上丝绸之路建设尽绵薄之力。

2数据及方法

利用来自ECMWF的风场资料，包括平均风和阵风资料，系统性、精细化地统计分析了21世纪海上丝绸之路涉及海域的风候特征。此外，还重点分析了台湾海峡、北部湾、西沙海域、西卫滩、马六甲海峡、吉大港、科摩林角、迪戈加西亚、瓜达尔港、霍尔木兹海峡、哈丰角、达累斯萨拉姆一些重要节点的（强）风向频率，重要节点分布图见图1。平均风和阵风资料的时间分辨率都为6h，空间分辨率为0．125°×0．125°，空间范围为：90°S—90°N，180°W—180°E，时间范围从1979年1月1日00∶00时至今。该数据具有较高的可信度，在国内外被广泛运用与风、浪特征分析［9］。

3风候统计分析

利用来自ECMWF的ERA－interim风场资料、阵风资料，统计分析了近36a期间海上丝绸之路涉及海域的风候特征，主要包括：不同季节的风速风向特征、（强）风向频率、6级以上大风和阵风频率、阵风系数、海表风速的长期变化趋势等。

3．1海表风场的季节特征利用近36a的ECMWF的ERA－interim风场资料，分别以2月、5月、8月和11月作为冬季、春季、夏季和秋季的代表月，统计海上丝绸之路涉及海域在各个季节的风速、风向特征（图2）。2月，冬季风盛行，南海—北印度洋大部分海域以偏东北风为主。值得注意的是，孟加拉湾北部近海的风向为偏西北向、阿拉伯海北部近海为偏西。从风速大小来看，南海的冬季风强度明显高于北印度洋，存在两个显著的大风中心：吕宋海峡、中南半岛东南海域（即传统的南海大风区）；北印度洋大部分海域的风速在5m／s之内，相对大值区分布于索马里附近海域，在7m／s左右，等值线呈NE－SW向。5月：北印度洋的西南季风已经逐渐盛行，大部分海域的风向都是SW向；风速存在两个相对大值区：索马里海域、斯里兰卡东南部海域；这个季节孟加拉湾的平均风速大于阿拉伯海。在南海，季风过渡现象比较明显，17°N以南海域已经转换为西南季风，17°N以北则属于E－EN风。8月，强劲的西南季风已经盛行，整个南海—北印度洋的风向以西南向为主导。孟加拉湾大部分海域的平均风速在7m／s以上，阿拉伯海整体在8m／s以上，尤其是索马里附近大范围海域的平均风速可达6级以上。南海的西南季风强度明显低于北印度洋，相对大值中心分布于传统的南海大风区，平均风速在7m／s以上。11月，传统的观点认为该月处于季风过渡季节，对比图2b和图2d可以明显看出，11月的季风过渡现象并没有5月明显，甚至可以认为，西南季风向东北季风转换已经完成，整个南海—北印度洋都以东北风为主导，尤其以南海的东北风较为强劲，10°N以北的平均风速在8m／s以上。北印度洋的平均风速相对低于南海，大部分海域在6m／s以内。

3．2（强）风向频率风向频率尤其是强风向的频率，是航海、桥梁设计、风能开发等都极为关注的要素。本文在此利用近36a、逐6h的ERA－interim风场资料，统计分析了海上丝绸之路涉及的一些海域的（强）风向频率，制作了风玫瑰图（各个风向、不同等级风速出现的频率）（图3和图4）。关注站点主要包括：台湾海峡、北部湾、西沙海域、西卫滩（位于中国南沙）、马六甲海峡、吉大港、科摩林角、迪戈加西亚、瓜达尔港、霍尔木兹海峡、哈丰角和达累斯萨拉姆。2月，在东北季风的影响下，大部分海域的风向频率、强风向频率都以偏NE向为主，有差异的是：吉大港（N－NW向）、瓜达尔港（W－SW向）、霍尔木兹海峡（W－WSW向）、迪戈加西亚（W－WNW向），结果与图2（a）吻合。需要引起重视的有：台湾海峡NE向的强风频率（10～12m／s出现频率约15％，12～14m／s出现频率约12％）、北部湾NNE向的强风频率（10～12m／s出现频率约13％）、西沙海域NE向的强风频率（10～12m／s出现频率约11％），其余站点则谨慎乐观。8月，台湾海峡、北部湾、西沙海域、瓜达尔港、哈丰角以SSW向为主导；马六甲海峡、吉大港以S向为主；迪戈加西亚、达累斯萨拉姆以SE－SSE向为主；科摩林角以WNW－W向为主；西卫滩以WSW为主；霍尔木兹海峡则是从WSW－SE均匀分布。需要引起重视的是：哈丰角的强风非常明显，12～13m／s的SSW风出现频率高达25％，13～14m／s的SSW风出现频率更是高达30％，14～15m／s的SSW风出现频率高达13％，这是由于索马里海域强劲的西南季风造成的，与图2（c）吻合。

3．3大风、阵风频率大风频率密切关系到航海安全、海上施工等［10－12］。本文利用近36a、逐6h的ERA－inter－im风场资料，统计了该海域在各个季节6级以上大风频率（图5）；利用同期、同时空分辨率的EC－MWF阵风资料，统计了该海域各个季节6级以上阵风出现的频率（图6）。6级以上大风频率：由图5可见，秋冬两季的北印度洋、春季的南海大风频率都在5％以内。2月，南海冬季风较为强劲，存在两个显著的大值区：台湾岛周边海域、传统的南海大风区，在20％以上。5月，南海—北印度洋的大风频率整体偏低，在西南季风的影响下，索马里海域、斯里兰卡东南部海域为相对大值区。8月，在强劲西南季风的影响下，阿拉伯海大部分海域的大风频率在40％以上，索马里附近大范围海域更是高达90％以上；虽然西南季风对孟加拉湾和南海的影响也比较明显，但带来的6级以上大风频率并不高。11月，6级以上大风的高频海域主要分布于南海北部海域，大值区可达40％以上。图3海上丝绸之路重要站点2月的风向玫瑰图6级以上阵风频率见图6：2月，整个南海基本在25％以上，大值区更是高达55％以上，此外，波斯湾、红海、索马里附近海域6级以上阵风出现频率也较为明显。5月，南海6级以上阵风出现频率很低；孟加拉湾大部分海域、阿拉伯海西部海域则出现频率较高，在20％以上。8月，阿拉伯海、孟加拉湾6级以上阵风出现频率非常高，阿拉伯海大部分海域在90％以上，孟加拉湾大部分海域在60％以上；南海相对偏低，在40％左右。11月，北印度洋6级以上阵风出现频率整体较低，基本在10％以内；南海中北部出现频率则较高，在40％以上，大值中心（吕宋海峡西部海域）可达80％以上。本文在此只是讨论了6级以上大风频率和阵风频率的季节特征，在未来的工作中，还需要对大风频率和阵风频率的长期变化趋势展开研究，为防灾减灾、海洋工程的中长期规划提供依据。

3．4阵风系数在通常的数值预报产品中，预报风速往往只是显示平均风，而在实际的航海、海洋工程中，阵风的影响是比较大的，同时也是兵器研究、靶场试验很关注的问题［13－14］。统计阵风系数，有利于根据预报的平均风来防范阵风。阵风系数定义为：在某一时刻，观测到的最大阵风风速与相应10min平均风速之比［15］。本文计算了南海—北印度洋在JJA（June，July，August）和DJF（De－cember，January，February）期间，平均风速大于5级（8．0m／s）时的阵风系数，由于运算量偏大，本文只列出了2014年JJA和DJF期间的阵风系数。对比图7（a）和图7（b）不难发现，在北印度洋，JJA期间的阵风系数明显大于DJF期间，大值区的范围也更广，南海则相反。DJF期间，南海中北部大部分海域（除北部湾、泰国湾）的阵风系数在1．3以上；在北印度洋，仅孟加拉湾西部一小范围海域、索马里近海小范围海域的阵风系数相对偏大，分别为1．2～1．3、1．2～1．4，其余大部分海域的阵风系数在1．2以内。JJA期间，北印度洋海表风速的阵性特征非常明显，阿拉伯海和孟加拉湾大部分海域的阵风系数在1．3以上，索马里附近海域更是高达1．8以上；整个南海的阵风系数基本都在1．2以内。

3．5海表风速的长期变化趋势海表风速的长期变化趋势与海上风能资源开发、研究全球气候变化密切相关，将近36a、逐6h的海表风速处理称为逐月平均的数据，即1979年1月至2014年12月432个月的海表风速数据，采用郑崇伟等［16－17］的方法，计算了南海—北印度洋的海表风速在近36a的逐年变化趋势见图8（a）；还将逐月的风速数据进行5点滑动平均，得到滑动平均后的逐年变化趋势见图8（b）。南海—北印度洋大部分海域的海表风速在近36a期间没有表现出显著的变化趋势。呈显著性递增的区域主要分布于10°S—0°S，趋势为1～4cm／s；此外，阿拉伯海西南部区域的递增趋势也较为明显，趋势为1～2cm／s。呈显著性递减的区域主要分布于：印度半岛东西两侧近海、苏拉威西海等小范围海域。5点滑动平均之后的变化趋势并没有大的变化，只是具有显著变化趋势的范围稍广。

4结论

本文利用来自ECMWF、近36a、逐6h、高空间分辨率的ERA－interim海表10m风场资料、阵风资料，综合考虑风速风向的季节特征、（强）风向频率、6级以上大风和阵风频率、阵风系数、海表风速的长期变化趋势等，系统性、精细化地统计分析了21世纪海上丝绸之路涉及海域的风候特征，得到如下主要结论。（1）2月，南海盛行东北风，北印度洋盛行N－NE风；冬季风对南海的影响明显强于对北印度洋的影响。5月，南海17°N以南、北印度洋已经完成由东北风向西南风的转变；南海17°N以北处于季风过渡期。8月，阿拉伯海的西南季风最为强劲，索马里海域的平均风速可达6级以上；孟加拉湾、南海的强度次之。

11月，传统的观点认为该月处于季风过渡期，本文发现该月西南季风向东北季风的转换已经完成，整个南海—北印度洋都以东北风为主导，南海的东北风较为强劲。（2）2月，大部分海域的（强）风向频率以偏东北向为主；有差异的是吉大港（N－NW向）、瓜达尔港（W－SW向）、霍尔木兹海峡（W－WSW向）、迪戈加西亚（W－WNW向）。需要引起重视的有：台湾海峡NE向的强风（10～12m／s出现频率约15％，12～14m／s出现频率约12％）、北部湾NNE向的强风（10～12m／s出现频率约13％）、西沙海域NE向的强风（10～12m／s出现频率约11％）。8月，大部分海域以偏SW、偏S向风为主，科摩林角以WNW－W向为主。需要引起重视的是：哈丰角的强风，12～13m／s的SSW风出现频率高达25％，13～14m／s的SSW风出现频率更是高达30％，14～15m／s的SSW风出现频率高达13％。（3）6级以上大风频率：秋冬两季的北印度洋、春季的南海—北印度洋的大风频率都很低，在5％以内。2月和11月，大值区分布于南海。8月，阿拉伯海的大风频率在40％以上，索马里附近海域更是高达90％以上。6级以上阵风频率：2月，整个南海基本在25％以上，大值区高达55％以上。5月，南海出现频率很低；孟加拉湾、阿拉伯海西部海域在20％以上。8月，阿拉伯海在90％以上，孟加拉湾在60％以上；南海在40％左右。11月，北印度洋在10％以内；南海中北部在40％以上。（4）在北印度洋，JJA期间的阵风系数明显大于DJF期间，大值区的范围也更广，南海则相反。DJF期间，南海中北部大部分海域的阵风系数在1．3以上；北印度洋大部分海域的阵风系数在1．2以内。

JJA期间，北印度洋海表风速的阵性特征非常明显，阿拉伯海和孟加拉湾大部分海域的阵风系数在1．3以上，索马里附近海域高达1．8以上；整个南海的阵风指数基本都在1．2以内。（5）近36a期间，南海—北印度洋大部分海域的海表风速没有显著的变化趋势。呈显著性递增的区域主要分布于10°S—0°S，趋势为1～4cm／s；阿拉伯海西南部区域的递增趋势为1～2cm／s。呈显著性递减的区域主要分布于：印度半岛东西两侧近海、苏拉威西海等零星小范围海域。

作者：郑崇伟 李训强 高占胜 付敏 罗霞 单位：海军大连舰艇学院 中国科学院大气物理研究所LASG实验室 解放军理工大学 气象海洋学院 国家海洋环境预报中心