经略21世纪海上丝路之海洋环境特征：波候统计分析*

郑崇伟，付敏，芮震峰，陈雄，于坤

(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：波候统计分析*

郑崇伟1，2，3，付敏4，芮震峰1，陈雄3，于坤3

(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)

文章利用来自ECMWF的ERA-interim海浪再分析资料，统计分析了21世纪海上丝路涉及海域的波候特征，结果表明：① 2月，南海的有效波高(SWH——significant wave height)在1.4 m以上，明显大于北印度洋。南海的波向以NE向为主导；北印度洋以偏S、偏E向为主。5月，北印度洋以偏S向浪为主；南海中部为SE向，北部为偏E向。北印度洋的SWH在1.2 m以上，明显大于南海。8月，南海—北印度洋以SW向的浪为主。阿拉伯海的SWH在2.2 m以上，孟加拉湾为1.4～2.8 m；南海的SWH相对最弱。11月，南海的波向以NE向为主，北印度洋以偏S、偏E向为主。南海的SWH明显大于北印度洋。② 2月，南海以偏NE向的浪出现频率最高，需要引起重视的有NE、NNE、ENE向的强浪。北印度洋主要以偏S向的浪为主，强浪出现频率很低。8月，南海—北印度洋以偏S、SW向的浪为主；需要注意的是SSW、SW、WSW向的强浪。③ 2月、11月，北印度洋的大浪频率在10%以内，南海明显高于北印度洋。5月，南海—北印度洋在10%以内。8月，阿拉伯海的大浪频率在40%以上，孟加拉湾次之，南海的频率低于北印度洋。④ 1979-2014年期间，南海大部分海域的SWH显著性递增，趋势在每年0.4 cm/s以上。孟加拉湾、印度半岛西部海域没有显著的变化趋势。阿拉伯海西部、印度洋15°S-0°显著递增，趋势为每年0.1～0.4 cm/s。仅部分零星海域表现出显著性递减。

海上丝绸之路；波候；有效波高；强浪；大浪频率；变化趋势

1 引 言

21世纪海上丝绸之路的建设，海洋环境特征分析是重中之重[1-3]。狂风巨浪对人类的生产生活有着严重影响，尤其是海浪中的涌浪，具有惊人的破坏力，能使舰船发生中拱、中垂、螺旋桨空转失速等现象，会给舰船造成严重损伤，甚至损毁。通过对近10年的《中国海洋灾害公报》统计发现，海浪灾害所造成的人员伤亡在所有海洋灾害中居首位，同时也带来了严重的经济损失[4-6]。1979年11月，我国“渤海2号”钻井船受寒潮带来的大浪袭击而沉没；1999年11月，“大舜号”客混船从烟台驶往大连途中，遭遇寒潮大风浪而倾覆，全船304人仅22人生还。台风浪的危害更是被人类广泛认识，1944年12月，美国第三舰队由于对“海尔赛”台风的位置和路径把握不准确，遭到台风浪侵袭，直接导致3艘驱逐舰沉没，2艘航母严重受损，146架舰载机被抛入大海，近800人非战斗减员[7-8]。但是，如果能够把握海浪的内在规律，利用其可再生、无污染、能量大、分布广等优点，实施海浪发电、海水淡化等波浪能开发工作，将能给人类带来福祉[9-12]。但这一切必须建立在充分掌握波候(海浪气候态)特征的前提之下[13-14]。

齐义泉等[15]曾利用1987-1988年的Geosat高度计遥感资料，对南海的海表风场、浪场特征进行分析，发现月平均海表风速和SWH在东北季风期较大，季风过渡季节较小，且在12月达到最大，5月最小；在西南季风期间，海表风速和SWH均呈现出南大北小的特点，其余季节则表现出由南向北增强的分布特征，在10°N、110°E附近海域为常年的风速和波高大值区。周良明等[16]利用WW3(WAVEWATCH-Ⅲ)海浪模式，对南海的海浪特征进行了模拟分析，发现南海的常浪向为NE向，北部海域的强浪向为偏E向，中南部海域的强浪向则以NE向为主；夏季波高为全年最小，冬季波高为全年最大。

在2012年，郑崇伟等[17]曾利用来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMRWF)的数据，率先在国内实现了全球海域的风浪、涌浪、混合浪波候特征分析，详细绘制各个月份的波高波向特征、波高的长期变化趋势、波周期的时空分布特征、波浪等级频率、波向频率等。

我国科研工作者对中国近海的波候特征分析做出了很大贡献，针对北印度洋的海浪研究则较为稀少。郑崇伟等[18]曾以CCMP(cross-calibrated，multi-platform)风场驱动WW3海浪模式，对在2011年12月发生在孟加拉湾的热带气旋“Thane”所致的大浪进行数值模拟，取得了较好的效果，该方案可以为该海域的海浪短期数值预报提供参考。2012年，郑崇伟等[19]利用ERA-40海表10 m风场数据、模拟的海浪数据，分析了南海—北印度洋的波候、风候特征，发现该海域夏季盛行西南风，冬季盛行东北风，季风区内的波向与风向大体一致，赤道附近海域则相差甚大，方向甚至相反，春秋两季为过渡季节，过渡季节的波向和风向也相差较大。过渡季节的平均风速都较低，夏季和冬季有3个风速和波高的相对大值中心：索马里海域、孟加拉湾海域、南海海域。

目前为止，我国针对北印度洋波候特征的研究仍较为稀少，精细化、系统性的研究更是凤毛麟角，这就不能很好地为海上丝路战略提供保障。本文利用来自欧洲中期天气预报中心的ERA-interim海浪再分析资料，计算了航海、海洋工程等较为关注的波高波向的季节特征、(强)波向频率、大浪频率、有效波高的长期变化趋势等，精细化、系统性地分析了21世纪海上丝路涉及海域的波候特征，期望可以为海上丝路建设提供科学依据、辅助决策。

2 数据及方法

利用来自ECMWF的ERA-interim海浪再分析资料，精细化、系统性地分析了21世纪海上丝路涉及海域的波候特征。ERA-interim海浪再分析资料的时间分辨率为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，更新较为及时。数据具有较高的可信度，在国外得到广泛认可和运用。

3 波候统计分析

利用来自ERA-interim海浪再分析资料，精细化、系统性地分析了21世纪海上丝路涉及海域的波候特征，主要包括：波高波向的季节特征、(强)波向频率、大浪频率、有效波高的长期变化趋势等。

3.1 海浪场的季节特征

利用ERA-interim海浪再分析资料，首先绘制了海上丝路涉及海域在各个季节的海浪场，为了便于观察，以背景色代表波高，单位矢量箭头代表波向(图1)。

图1 海表风场的季节特征

2月：南海受冷空气的影响比北印度洋明显，这与郑崇伟等关于南海—北印度洋的风候统计结论吻合[2]。南海大部分海域的月平均有效波高(significant wave height，SWH)在1.4 m以上，大值中心在1.8 m以上；北印度洋10°N以北的月平均SWH基本都在1.2 m以内，10°N以南则明显偏大，在10°S附近更是达到2.0 m左右，这应该是由于南印度洋的咆哮西风带使得涌浪北传造成的，这一点从向北传播的波向也可以得到验证。南海的波向以NE向为主导(北部湾以E-SE向为主)；孟加拉湾则以偏S向为主导；阿拉伯海的波向在10°N以北呈顺时针旋转，10°N以南则为偏E向。

5月：整个北印度洋的波向都以偏S向为主导；南海南部的波向稍显凌乱，中部为SE向，北部为偏E向。郑崇伟等[2]曾指出：该月北印度洋已经完成向西南季风的转变，而南海则处于东北风向西南风的过渡期，从波向来看，本文的结论与之吻合。北印度洋大部分海域的月平均SWH在1.2 m以上，明显大于南海(0.4～1.0 m，只有吕宋海峡相对偏高，在1.2 m左右)。从SWH的等值线来看，印度洋低纬海域的波高明显偏大，等值线呈WE向分布，由低纬向孟加拉湾、阿拉伯海的中高纬，等值线逐渐向北凸起，明显体现出涌浪北传的迹象。

8月：在强劲的西南季风影响下，整个南海—北印度洋都以SW向的浪为主。阿拉伯海的SWH最大，大部分海域的月平均值在2.2 m以上，索马里附近海域更是高达3.6 m；孟加拉湾次之，在1.4～2.8 m之间；南海相对最弱，中部在1.2～1.8 m，低纬海域、泰国湾、北部湾、中南半岛近海的波高较低，在0.6 m。此外，印度半岛东部近海、红海、波斯湾的SWH都比较低，月平均值在0.6 m左右。

11月：南海的波向以NE向为主；孟加拉湾中东部大部分海域以S向为主，西部近海为偏E向；阿拉伯海中西部以偏E向的浪为主，东部则以S向的浪为主。这就表明，该月逐渐盛行的冷空气对南海影响比较显著，其次阿拉伯海也有明显体现，但是对孟加拉湾的作用却并不明显。南海的SWH明显大于北印度洋，南海中北部在1.2 m以上，大值区分布于南海北部(2.4 m左右)；孟加拉湾在1.0～1.6 m；阿拉伯海在0.6～1.4 m。

3.2 (强)波向频率

利用近36年、逐6 h的波高、波向数据，统计分析了海上丝绸之路涉及的一些重要海域的(强)风向频率，制作了海浪玫瑰图(各个风向、不同等级SWH出现的频率见图2和图3)。重要站点包括：台湾海峡、北部湾、西沙海域、西卫滩(位于中国南沙)、吉大港、科摩林角、迪戈加西亚、瓜达尔港、哈丰角。

2月，南海的几个站点(台湾海峡、北部湾、西沙海域、西卫滩)以偏NE向的浪出现频率最高，需要引起重视的有：台湾海峡NE向的强浪、北部湾NE和NNE向的强浪、西沙海域ENE向的强浪、西卫滩NNE向的强浪。印度洋的几个站点则主要以偏S向的浪为主：吉大港附近海域出现频率最高的是0.2～0.4 m的SSW向浪(35%)、0.4～0.6 m的SSW向浪(28%)；科摩林角以S-ENE向浪为主；迪戈加西亚以S向浪出现频率最高，其中1.5～1.8 m的S向浪出现频率高达15%，其次是SSW-WSW向，强浪主要源自偏SW向；瓜达尔港近海则以S-SSW向浪为主；哈丰角以ENE-ESE向浪为主，强浪主要源自ENE向。

8月，南海—北印度洋大部分站点以偏S或偏SW向的浪为主；迪戈加西亚处于赤道以南，受越赤道气流的影响，该月以SSE、SE向浪为主，3.0 m以上的强浪也主要源自这两个方位。由于地形对西南季风的阻挡作用，北部湾该月的SWH相对南海其他站点偏低。该月需要注意的是：台湾海峡SSW向的强浪、西沙海域S向的强浪、西卫滩WSW向的强浪、吉大港SSW向的强浪；科摩林角SW、WSW向的强浪；迪戈加西亚S、SSE、SE向的强浪；瓜达尔港SSW向的强浪、哈丰角S、SSW向的强浪。

图3 海上丝绸之路重要站点8月的海浪玫瑰图

图3(续) 海上丝绸之路重要站点8月的海浪玫瑰图

3.3 大浪频率

大浪对船只航行安全、海上施工等都有着严重威胁[20-21]，本文利用近36年、逐6 h的ERA-interim海浪数据，统计了该海域在各个季节2.5 m以上大浪出现的频率(后面简称大浪频率)，见图4。

图4 2.5 m以上大浪出现的频率

2月：冷空气对北印度洋的作用并不明显，大部分区域的大浪频率在10%以内；南海中北部在10%以上，传统的南海大风区、吕宋海峡及其西部海域可达20%以上。

5月：南海的大浪频率在10%以内；孟加拉湾中南部的大浪频率相对最高，从孟加拉湾和低纬度的大浪频率等值线的分布来看，这应该是涌浪北传造成的；此外，在索马里东北部海域也存在一个相对大值区，这应该是由于该区域逐渐盛行的西南季风造成的。

8月：在强劲的西南季风影响下，整个阿拉伯海的大浪频率都在40%以上，索马里附近大范围海域更是高达90%以上；其次，孟加拉湾的大浪频率也较为明显，中南部海域大浪频率在30%以上，从等值线来看，该月孟加拉湾的大浪频率应该也是由于涌浪北传造成的；南海虽然受西南季风的影响也较明显，但大浪频率明显低于北印度洋。

11月：整个北印度洋的大浪频率都很低，在10%以内；在逐渐盛行的冷空气的影响下，南海中北部的大浪频率相对最高，在20%以上，东沙群岛附近海域更是高达50%以上。

3.4 有效波高的长期变化趋势

SWH的长期变化趋势对波浪能开发利用、全球气候变化等有着重要影响。参照郑崇伟等[21-22]的方法，利用ERA-interim海浪再分析资料计算了海上丝路涉及海域0.125°×0.125°每个网格点上SWH在近36年期间(1979-2014年)的逐年变化趋势(图5)。

在近36年期间，整个南海SWH的递增趋势最为强劲，大部分海域在每年0.4 cm/s以上，大值区分布于南海北部、台湾东南部近海，在每年0.6 cm/s以上，高值中心更是达到每年0.8 cm/s以上。北部湾北部、泰国湾北部近海的SWH没有显著的变化趋势。孟加拉湾、印度半岛西部大范围海域的SWH没有表现出显著的变化趋势。在阿拉伯海西部海域、印度洋15°S—0°大范围海域表现出显著性递增，趋势为每年0.1～0.4 cm/s。仅部分零星海域的SWH表现出显著性递减趋势。

4 结论

本文利用来自ECMWF的ERA-interim海浪再分析资料，精细化、系统性地统计分析了21世纪海上丝路涉及海域的波候特征，主要分析了波高波向的季节特征、(强)波向频率、大浪频率、有效波高的长期变化趋势。得到如下主要结论：

(1)2月，南海受冷空气的影响比北印度洋明显。南海的SWH在1.4 m以上，明显大于北印度洋。南海的波向以NE向为主导；孟加拉湾以偏S向为主导；阿拉伯海的波向在10°N以北呈顺时针旋转，10°N以南则为偏E向。5月，北印度洋的波向以偏S向为主；南海中部为SE向，北部为偏E向。北印度洋的SWH在1.2 m以上，明显大于南海(0.4～1.0 m)。8月，南海—北印度洋以SW向的浪为主。阿拉伯海的SWH在2.2 m以上，孟加拉湾为1.4～2.8 m；南海的SWH相对最弱。11月，南海的波向以NE向为主，北印度洋以偏S、偏E向为主。南海的SWH明显大于北印度洋，南海中北部在1.2 m以上；孟加拉湾在1.0～1.6 m；阿拉伯海在0.6～1.4 m。

(2)2月，南海以偏NE向的浪出现频率最高，需要引起重视的有：台湾海峡NE向的强浪、北部湾NE和NNE向的强浪、西沙海域ENE向的强浪、西卫滩NNE向的强浪。北印度洋的几个站点则主要以偏S向的浪为主，强浪出现频率很低。8月，南海—北印度洋大部分站点以偏S或偏SW向的浪为主；需要注意的是：台湾海峡SSW向的强浪、西沙海域S向的强浪、西卫滩WSW向的强浪、吉大港SSW向的强浪；科摩林角SW、WSW向的强浪；迪戈加西亚S、SSE、SE向的强浪；瓜达尔港SSW向的强浪、哈丰角S、SSW向的强浪。

(3)2月和11月，北印度洋的大浪频率在10%以内，南海明显高于北印度洋。5月，南海—北印度洋在10%以内。8月，阿拉伯海的大浪频率都在40%以上，索马里附近大范围海域更是高达90%以上；孟加拉湾的大浪频率次之；南海的大浪频率明显低于北印度洋。

(4)1979-2014年期间，南海大部分海域的SWH呈显著性递增，趋势在每年0.4 cm/s以上。孟加拉湾、印度半岛西部海域没有显著的变化趋势。阿拉伯海西部、印度洋15°S-0°呈显著性递增，趋势为每年0.1～0.4 cm/s。仅部分零星海域的SWH表现出显著性递减趋势。

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国家重点基础研究发展规划项目(2015CB453200, 2013CB956200, 2012CB957803, 2010CB950400)；国家自然科学基金项目(41275086, 41475070).

P731

A

1005-9857(2015)10-0001-07