经略21世纪海上丝路之海洋环境特征：极值风速和极值波高*

郑崇伟，高占胜，张雨，王旭冬，樊睿，尹龙国

(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 南京 211101)



经略21世纪海上丝路之海洋环境特征：极值风速和极值波高*

郑崇伟1，2，3，高占胜1，张雨1，王旭冬1，樊睿1，尹龙国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 南京 211101)

极值风速和极值波高是海洋工程、海洋能开发、防灾减灾等极为关注要素。文章基于来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-interim海浪再分析资料、ERA阵风资料，计算了“21世纪海上丝绸之路”涉及海域的年极值风速、极值波高，并首次计算了不同季节的极值。结果表明：①南海的50年一遇年极值风速大于孟加拉湾，孟加拉湾大于阿拉伯海；极值波高的分布特征与极值风速大体一致。②南海的极值风速在各个季节都大于孟加拉湾，孟加拉湾大于阿拉伯海；南海-北印度洋的极值风速在JJA和SON期间明显大于MAM期间，DJF期间最小。③南海各个季节的极值波高都大于北印度洋，阿拉伯海的极值波高在MAM和JJA期间明显大于孟加拉湾；南海的极值波高在JJA和SON期间明显大于MAM和DJF期间；北印度洋的极值波高在JJA期间最大，MAM次之，DJF最小。

21世纪海上丝绸之路；极值风速；极值波高；ERA-interim海浪再分析；ERA阵风

海洋工程、海洋能开发、防灾减灾等都非常关注极值风速、极值波高[1-3]。早在1996年，阎俊岳等[4]曾综合分析现有岛屿站观测、台风记录、船舶报告、数值模式计算风速，计算了中国近海的50年一遇和100年一遇极值风速，发现等值线呈NE—SW走向，大值区分布于琉球群岛—台湾岛—东沙群岛一带，50年一遇极值风速在50 m/s左右。张德天等[5]曾利用10年(1999年8月至2009年7月)的QuikSCAT/NCEP混合风场，计算了中国近海的50年和100年一遇极值风速，发现极值风速的大值中心都主要集中在台湾以东洋面、琉球群岛附近海域、海南岛以东和东沙群岛附近海域，50年一遇极值风速在40 m/s左右。周良民等[6]利用30年的再分析风场资料，计算了南海的100年一遇极值风速，最大的海域为海南岛东南海域，最大达到50 m/s；中部海域的风速小于北部海域，在40 m/s左右；南部海域最小，平均为20 m/s。

前人对中国近海的极值计算做过较多工作，但对北印度洋的研究很少。且以往多是分析年极值特征，很少有计算不同季节的极值。而在实际的工程应用中，往往更为关注极值的季节性差异，以便在不同季节采取合理的应对措施。如：在不同的月份，是否需要对海洋工程的设备进行加固以防范恶劣海况，在制订中长期计划时，这就需要以不同月份的极值作为参考，而不是一概笼统以年极值为准。在极值偏低的月份，如果仍然用最大的年极值为指导，往往会造成资源浪费、增加海洋工程的成本；但是，如果对月极值考虑不足，边远海岛、深远海大多远离大陆，极有可能来不及临时调配设备，从而出现原本可以避免的险情却给人身、财产安全造成严重威胁。

本文基于来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts， ECMWF)的ERA-interim海浪再分析资料、ERA阵风资料，计算了21世纪海上丝绸之路涉及海域的年极值风速和极值波高，并首次计算了不同季节的极值，期望可以为海上丝路建设提供科学依据、辅助决策。

1 数据及方法

基于ECMWF的ERA-interim海浪再分析资料、ERA阵风资料，利用Gumbel曲线法，首先计算了21世纪海上丝绸之路涉及海域的年极值风速、年极值波高，进一步计算了不同季节的极值风速、极值波高，期望可以更好地为防灾减灾、降低海洋工程的成本提供参考。ERA-interim海浪再分析资料和ERA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，更新较为及时。该数据具有较高精度，在国外得到广泛应用[7-8]。

2 极值风速和极值波高

2.1 年极值风速和年极值波高

由于大面积海域、长时间序列的阵风资料极为稀少，以往在计算大面积海域的极值风速时，多是基于平均风速资料，往往出现计算极值风速偏低的现象。

本文在此利用近36年(1979—2014年)、逐6 h的ERA阵风资料，采用Gumbel曲线法[9]，计算了南海—北印度洋的年极值风速[图1(a)]。采用同样的方法，计算了南海—北印度洋的年极值波高[图1(b)]。从整体来看，南海的50年一遇年极值风速大于孟加拉湾，孟加拉湾大于阿拉伯海；极值波高的分布特征与极值风速大体一致。南海中北部的极值大于其南部；孟加拉湾的湾顶大于中南部；阿拉伯海中东部大于其西部。各海域的100年一遇极值风速的空间分布特征与50年一遇极值相近，只是在数值上明显偏大，大值区范围更广。

南海：南海中北部的极值大于其南部。中北部的年极值风速在50 m/s以上，中心可达55 m/s以上，极值波高在10 m以上，大值中心分布于吕宋海峡及其西部，可达12 m ，这是由于南海北部遭受的台风、强冷空气强度都比较大，南海低纬度虽偶有土台风发生，但强度偏弱。泰国湾、南海南部的50年一遇年极值风速在30 m/s以内。阎俊岳等[10]曾统计了中国近海船舶观测的最大波高和热带气旋中心的最大风速，本文计算的南海极值风速、极值波高与之吻合，张德天等[5]计算的极值风速普遍偏低5 m/s。

图1 海上丝绸之路涉及海域的50年一遇年极值风速

阿拉伯海：中东部海域的极值(极值风速大于30 m/s，中心在40 m/s左右；极值波高大于8 m，中心在9 m左右)明显大于其他海域，这是由于地形作用，阿拉伯海上的热带气旋通常是沿着西高止山脉向西北方向运动，最后在巴基斯坦南部登陆[11]。

孟加拉湾：极值明显大于阿拉伯海，尤其是湾顶40 m/s以上极值风速和9 m以上极值波高的范围明显大于阿拉伯海。袁俊鹏等[12]利用JTWC(美国联合台风警报中心)近30年(1981—2010年)的热带气旋路径资料，统计了北印度洋热带气旋活动的时空分布特征，指出北印度洋热带气旋主要表现在孟加拉湾，同时在阿拉伯海也存在有热带气旋的活动。孟加拉湾热带气旋活动频次的大值中心位于10°—20°N，90°E附近，郑崇伟等[13-19]曾指出：北印度洋受冬季风影响并不显著，因此冬季风对极值风速的贡献较小，这就导致孟加拉湾的极值风速和极值波高明显大于阿拉伯海。

2.2 不同季节的极值风速

利用ERA阵风资料，计算海上丝绸之路涉及海域在不同季节的50年一遇极值风速(图2)。整体来看，南海的极值风速在各个季节都大于孟加拉湾，孟加拉湾大于阿拉伯海；南海-北印度洋的极值风速在JJA(June， July， August)和SON(September， October， November)期间明显大于MAM(March， April， May)期间，DJF(December， January， February)期间最小。

图2 各个季节的50年一遇极值风速

MAM期间：南海中北部在30 m/s以上，大值中心为40～50 m/s；孟加拉湾在30～45 m/s；阿拉伯海在20～35 m/s，值得注意的是，虽然阿拉伯海在该季节的极值风速并不是全年最大，但30 m/s以上的范围却是全年最大。

JJA期间：台湾以东大范围海域的极值风速都很高，在50 m/s以上；南海北部也属于大值区，在45 m/s以上，随着纬度降低逐渐递减；孟加拉湾大部分区域在25 m/s以上；阿拉伯海相对最低。北印度洋10°N以南基本都在25 m/s以内。

SON期间：南海极值风速的大值区明显较JJA期间偏南，南海中北部在45 m/s以上；孟加拉湾北部在30 m/s以上，湾顶小范围区域可达40 m/s以上；阿拉伯海中西部在25 m/s以内，印度半岛西部近海稍高，在25～35 m/s之间。

DJF期间：由于冷空气对南海的影响明显强于北印度洋[15]，导致南海的极值风速明显偏高，多在25 m/s以上，中心可达40 m/s以上；北印度洋则多在30 m/s以内。北印度洋10°N以南基本都在25 m/s以内。

2.3 不同季节的极值波高

采用2.2节的方法，计算了海上丝绸之路涉及海域在不同季节的50年一遇极值波高(图3)。从整体来看，南海各个季节的极值波高都大于孟加拉湾和阿拉伯海；南海的极值波高在JJA和SON期间明显大于MAM和DJF期间；北印度洋的极值波高在JJA期间最大，MAM次之，DJF最小。与极值风速不同，阿拉伯海的极值波高在MAM和JJA期间明显大于孟加拉湾。

图3 各个季节的50年一遇极值波高

MAM期间：南海的极值波高等值线呈NE—SW走向，大部分区域在6 m以上，泰国湾和低纬海域在3 m以内。整个孟加拉湾大部分海域在6～7 m。阿拉伯海的大值区分布于5°-20°N，为6～9 m，呈WE带状分布；阿拉伯海北部区域、阿曼湾、亚丁湾属于低值区。

JJA期间：南海中北部的极值波高在6～14 m；孟加拉湾在6～10 m；阿拉伯海在这个季节的极值波高为全年最大波高，几乎整个阿拉伯海都在6 m以上，中心在印度半岛西部近海，在9～10 m。

SON期间：南海北部在9～12 m之间，南海中部在6～9 m之间；孟加拉湾在5～7 m之间；阿拉伯海北部海域在4 m以内，中部海域在5～7 m 之间。

DJF期间：南海大部分区域的极值波高在5 m 以上，等值线呈NE—SW走向，大值区分布于南海中部，中心在10 m左右；孟加拉湾西部的极值波高大于东部，大值区在6～7 m；阿拉伯海在该季节的极值波高整体偏低，大范围海域在6 m 以内。

台湾以东洋面的极值波高在JJA期间最大(14～20 m)，SON次之(10～18 m)，MAM最小(6～8 m)。吕宋海峡在JJA最大(12～14 m)，SON次之(10～12 m)，MAM最小(6～7 m)。南海中北部在JJA和SON期间最大，大值区的范围也最广，在10～14 m。

3 结论

基于ECMWF的ERA-interim海浪再分析资料、ERA阵风资料，采用Gumbel曲线法，计算了21世纪海上丝绸之路涉及海域的年极值风速和年极值波高，以及不同季节的极值风速、极值波高，得到如下主要结论。

(1)年极值风速和年极值波高：南海的50年一遇年极值风速大于孟加拉湾，孟加拉湾大于阿拉伯海；极值波高的分布特征与极值风速大体一致。南海中北部的年极值大于其南部；孟加拉湾的湾顶大于中南部；阿拉伯海中东部大于其西部。各海域的100年一遇极值风速的空间分布特征与50年一遇极值相近，只是在数值上明显偏大。

(2)不同季节的极值风速：南海的极值风速在各个季节都大于孟加拉湾，孟加拉湾大于阿拉伯海；南海-北印度洋的极值风速在JJA和SON期间明显大于MAM期间，DJF期间最小。

(3)不同季节的极值波高：南海各个季节的极值波高都大于北印度洋，阿拉伯海的极值波高在MAM和JJA期间明显大于孟加拉湾；南海的极值波高在JJA和SON期间明显大于MAM和DJF期间；北印度洋的极值波高在JJA期间最大，MAM次之，DJF最小。

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国家重点基础研究发展规划(973计划)(2015CB453200, 2013CB956200, 2012CB957803, 2010CB950400)；国家自然科学基金项目(41275086, 41475070).

P732

A

1005-9857(2015)11-0005-05