经略21世纪海上丝路之海洋环境特征：风候统计分析*

郑崇伟，李训强，高占胜，付敏，罗霞

(1. 海军大连舰艇学院 大连 116018； 2.中国科学院大气物理研究所 LASG实验室 北京 100029；3.解放军理工大学 气象海洋学院 南京 211101； 4. 国家海洋环境预报中心 北京 100081)



经略21世纪海上丝路之海洋环境特征：风候统计分析*

郑崇伟1，2，3，李训强1，高占胜3，付敏4，罗霞1

(1. 海军大连舰艇学院 大连 116018； 2.中国科学院大气物理研究所 LASG实验室 北京 100029；3.解放军理工大学 气象海洋学院 南京 211101； 4. 国家海洋环境预报中心 北京 100081)

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。深入研究该海域的海洋环境特征，有利于为海上丝绸之路建设提供科学依据、辅助决策。文章利用来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)、1979—2014年、逐6 h的海表风场资料、阵风资料，系统性、精细化地统计，分析了该海域的风候(风场气候态)特征，主要包括海表风场的季节特征、(强)风向频率、大风和阵风频率、阵风系数、海表风速的长期变化趋势等。期望可以为航海、海洋工程、防灾减灾等提供科学依据，为海上丝绸之路建设尽绵薄之力。

21世纪海上丝绸之路；欧洲中期天气预报中心；强风向频率；大风频率；阵风系数

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1～2 cm/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2.0～2.4 a、5.2 a的主周期变化，北印度洋海表风速：具有明显的2.4～5.2 a的主周期变化及26.0 a 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2 kW/m以上，2 kW/m和大于4 kW/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22 a(1988—2009年)期间整体上以0.028 6 m/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46 a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36 a(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。

①台湾海峡；②中国西沙海域；③中国南沙海域；④北部湾；⑤泰国湾；⑥马六甲海峡；⑦吉大港；⑧科摩林角；⑨迪戈加西亚；⑩瓜达尔港；哈丰角图1 21世纪海上丝绸之路示意图以及一些重要节点

平均风和阵风资料的时间分辨率都为6 h，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36 a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36 a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)。

图2 海上丝绸之路涉及海域海表风场的季节特征，风速单位：m/s

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5 m/s之内，相对大值区分布于索马里附近海域，在7 m/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7 m/s以上，阿拉伯海整体在8 m/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7 m/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8 m/s以上。北印度洋的平均风速相对低于南海，大部分海域在6 m/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36 a、逐6 h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(10～12 m/s出现频率约15%，12～14 m/s出现频率约12%)、北部湾NNE向的强风频率(10～12 m/s出现频率约13%)、西沙海域NE向的强风频率(10～12 m/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，12～13 m/s的SSW风出现频率高达25%，13～14 m/s的SSW风出现频率更是高达30%，14～15 m/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36 a、逐6 h的ERA-interim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ECMWF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。

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。

图4 海上丝绸之路重要站点8月的风向玫瑰图

图5 海上丝绸之路涉及海域的6级以上大风频率

图6 6级以上阵风频率

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10 min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(December， January， February)期间，平均风速大于5级(8.0 m/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(图7)。

图7 2014年DJF、JJA期间海上丝绸之路涉及海域的阵风系数

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36 a、逐6 h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36 a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36 a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1～4 cm/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1～2 cm/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。

图8 1979-2014年海上丝绸之路涉及海域海表风速的逐年变化趋势及5点滑动平均后的逐年变化趋势

4 结 论

本文利用来自ECMWF、近36 a、逐6 h、高空间分辨率的ERA-interim海表10 m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(10～12 m/s出现频率约15%，12～14 m/s出现频率约12%)、北部湾NNE向的强风(10～12 m/s出现频率约13%)、西沙海域NE向的强风(10～12 m/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，12～13 m/s的SSW风出现频率高达25%，13～14 m/s的SSW风出现频率更是高达30%，14～15 m/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36 a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1～4 cm/s；阿拉伯海西南部区域的递增趋势为1～2 cm/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。

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国家重点基础研究发展规划项目(2015CB453200, 2013CB956200)；国家自然科学基金项目(41490642).

P731

A

1005-9857(2015)08-0004-08