經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：極值風(fēng)速和極值波高*

鄭崇偉，高占勝，張雨，王旭冬，樊睿，尹龍國(guó)

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018； 2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 LASG實(shí)驗(yàn)室 北京 100029；3.解放軍理工大學(xué) 南京 211101)

?

經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：極值風(fēng)速和極值波高*

鄭崇偉1，2，3，高占勝1，張雨1，王旭冬1，樊睿1，尹龍國(guó)1

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018； 2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 LASG實(shí)驗(yàn)室 北京 100029；3.解放軍理工大學(xué) 南京 211101)

極值風(fēng)速和極值波高是海洋工程、海洋能開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)等極為關(guān)注要素。文章基于來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA-interim海浪再分析資料、ERA陣風(fēng)資料，計(jì)算了“21世紀(jì)海上絲綢之路”涉及海域的年極值風(fēng)速、極值波高，并首次計(jì)算了不同季節(jié)的極值。結(jié)果表明：①南海的50年一遇年極值風(fēng)速大于孟加拉灣，孟加拉灣大于阿拉伯海；極值波高的分布特征與極值風(fēng)速大體一致。②南海的極值風(fēng)速在各個(gè)季節(jié)都大于孟加拉灣，孟加拉灣大于阿拉伯海；南海-北印度洋的極值風(fēng)速在JJA和SON期間明顯大于MAM期間，DJF期間最小。③南海各個(gè)季節(jié)的極值波高都大于北印度洋，阿拉伯海的極值波高在MAM和JJA期間明顯大于孟加拉灣；南海的極值波高在JJA和SON期間明顯大于MAM和DJF期間；北印度洋的極值波高在JJA期間最大，MAM次之，DJF最小。

21世紀(jì)海上絲綢之路；極值風(fēng)速；極值波高；ERA-interim海浪再分析；ERA陣風(fēng)

海洋工程、海洋能開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)等都非常關(guān)注極值風(fēng)速、極值波高[1-3]。早在1996年，閻俊岳等[4]曾綜合分析現(xiàn)有島嶼站觀測(cè)、臺(tái)風(fēng)記錄、船舶報(bào)告、數(shù)值模式計(jì)算風(fēng)速，計(jì)算了中國(guó)近海的50年一遇和100年一遇極值風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)等值線呈NE—SW走向，大值區(qū)分布于琉球群島—臺(tái)灣島—東沙群島一帶，50年一遇極值風(fēng)速在50 m/s左右。張德天等[5]曾利用10年(1999年8月至2009年7月)的QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場(chǎng)，計(jì)算了中國(guó)近海的50年和100年一遇極值風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)極值風(fēng)速的大值中心都主要集中在臺(tái)灣以東洋面、琉球群島附近海域、海南島以東和東沙群島附近海域，50年一遇極值風(fēng)速在40 m/s左右。周良民等[6]利用30年的再分析風(fēng)場(chǎng)資料，計(jì)算了南海的100年一遇極值風(fēng)速，最大的海域?yàn)楹Ｄ蠉u東南海域，最大達(dá)到50 m/s；中部海域的風(fēng)速小于北部海域，在40 m/s左右；南部海域最小，平均為20 m/s。

前人對(duì)中國(guó)近海的極值計(jì)算做過較多工作，但對(duì)北印度洋的研究很少。且以往多是分析年極值特征，很少有計(jì)算不同季節(jié)的極值。而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，往往更為關(guān)注極值的季節(jié)性差異，以便在不同季節(jié)采取合理的應(yīng)對(duì)措施。如：在不同的月份，是否需要對(duì)海洋工程的設(shè)備進(jìn)行加固以防范惡劣海況，在制訂中長(zhǎng)期計(jì)劃時(shí)，這就需要以不同月份的極值作為參考，而不是一概籠統(tǒng)以年極值為準(zhǔn)。在極值偏低的月份，如果仍然用最大的年極值為指導(dǎo)，往往會(huì)造成資源浪費(fèi)、增加海洋工程的成本；但是，如果對(duì)月極值考慮不足，邊遠(yuǎn)海島、深遠(yuǎn)海大多遠(yuǎn)離大陸，極有可能來不及臨時(shí)調(diào)配設(shè)備，從而出現(xiàn)原本可以避免的險(xiǎn)情卻給人身、財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

本文基于來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts， ECMWF)的ERA-interim海浪再分析資料、ERA陣風(fēng)資料，計(jì)算了21世紀(jì)海上絲綢之路涉及海域的年極值風(fēng)速和極值波高，并首次計(jì)算了不同季節(jié)的極值，期望可以為海上絲路建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)、輔助決策。

1 數(shù)據(jù)及方法

基于ECMWF的ERA-interim海浪再分析資料、ERA陣風(fēng)資料，利用Gumbel曲線法，首先計(jì)算了21世紀(jì)海上絲綢之路涉及海域的年極值風(fēng)速、年極值波高，進(jìn)一步計(jì)算了不同季節(jié)的極值風(fēng)速、極值波高，期望可以更好地為防災(zāi)減災(zāi)、降低海洋工程的成本提供參考。ERA-interim海浪再分析資料和ERA陣風(fēng)資料的時(shí)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(shí)間范圍從1979年1月1日00：00時(shí)至今，更新較為及時(shí)。該數(shù)據(jù)具有較高精度，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用[7-8]。

2 極值風(fēng)速和極值波高

2.1 年極值風(fēng)速和年極值波高

由于大面積海域、長(zhǎng)時(shí)間序列的陣風(fēng)資料極為稀少，以往在計(jì)算大面積海域的極值風(fēng)速時(shí)，多是基于平均風(fēng)速資料，往往出現(xiàn)計(jì)算極值風(fēng)速偏低的現(xiàn)象。

本文在此利用近36年(1979—2014年)、逐6 h的ERA陣風(fēng)資料，采用Gumbel曲線法[9]，計(jì)算了南?！庇《妊蟮哪陿O值風(fēng)速[圖1(a)]。采用同樣的方法，計(jì)算了南?！庇《妊蟮哪陿O值波高[圖1(b)]。從整體來看，南海的50年一遇年極值風(fēng)速大于孟加拉灣，孟加拉灣大于阿拉伯海；極值波高的分布特征與極值風(fēng)速大體一致。南海中北部的極值大于其南部；孟加拉灣的灣頂大于中南部；阿拉伯海中東部大于其西部。各海域的100年一遇極值風(fēng)速的空間分布特征與50年一遇極值相近，只是在數(shù)值上明顯偏大，大值區(qū)范圍更廣。

南海：南海中北部的極值大于其南部。中北部的年極值風(fēng)速在50 m/s以上，中心可達(dá)55 m/s以上，極值波高在10 m以上，大值中心分布于呂宋海峽及其西部，可達(dá)12 m ，這是由于南海北部遭受的臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)冷空氣強(qiáng)度都比較大，南海低緯度雖偶有土臺(tái)風(fēng)發(fā)生，但強(qiáng)度偏弱。泰國(guó)灣、南海南部的50年一遇年極值風(fēng)速在30 m/s以內(nèi)。閻俊岳等[10]曾統(tǒng)計(jì)了中國(guó)近海船舶觀測(cè)的最大波高和熱帶氣旋中心的最大風(fēng)速，本文計(jì)算的南海極值風(fēng)速、極值波高與之吻合，張德天等[5]計(jì)算的極值風(fēng)速普遍偏低5 m/s。

圖1 海上絲綢之路涉及海域的50年一遇年極值風(fēng)速

阿拉伯海：中東部海域的極值(極值風(fēng)速大于30 m/s，中心在40 m/s左右；極值波高大于8 m，中心在9 m左右)明顯大于其他海域，這是由于地形作用，阿拉伯海上的熱帶氣旋通常是沿著西高止山脈向西北方向運(yùn)動(dòng)，最后在巴基斯坦南部登陸[11]。

孟加拉灣：極值明顯大于阿拉伯海，尤其是灣頂40 m/s以上極值風(fēng)速和9 m以上極值波高的范圍明顯大于阿拉伯海。袁俊鵬等[12]利用JTWC(美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心)近30年(1981—2010年)的熱帶氣旋路徑資料，統(tǒng)計(jì)了北印度洋熱帶氣旋活動(dòng)的時(shí)空分布特征，指出北印度洋熱帶氣旋主要表現(xiàn)在孟加拉灣，同時(shí)在阿拉伯海也存在有熱帶氣旋的活動(dòng)。孟加拉灣熱帶氣旋活動(dòng)頻次的大值中心位于10°—20°N，90°E附近，鄭崇偉等[13-19]曾指出：北印度洋受冬季風(fēng)影響并不顯著，因此冬季風(fēng)對(duì)極值風(fēng)速的貢獻(xiàn)較小，這就導(dǎo)致孟加拉灣的極值風(fēng)速和極值波高明顯大于阿拉伯海。

2.2 不同季節(jié)的極值風(fēng)速

利用ERA陣風(fēng)資料，計(jì)算海上絲綢之路涉及海域在不同季節(jié)的50年一遇極值風(fēng)速(圖2)。整體來看，南海的極值風(fēng)速在各個(gè)季節(jié)都大于孟加拉灣，孟加拉灣大于阿拉伯海；南海-北印度洋的極值風(fēng)速在JJA(June， July， August)和SON(September， October， November)期間明顯大于MAM(March， April， May)期間，DJF(December， January， February)期間最小。

圖2 各個(gè)季節(jié)的50年一遇極值風(fēng)速

MAM期間：南海中北部在30 m/s以上，大值中心為40～50 m/s；孟加拉灣在30～45 m/s；阿拉伯海在20～35 m/s，值得注意的是，雖然阿拉伯海在該季節(jié)的極值風(fēng)速并不是全年最大，但30 m/s以上的范圍卻是全年最大。

JJA期間：臺(tái)灣以東大范圍海域的極值風(fēng)速都很高，在50 m/s以上；南海北部也屬于大值區(qū)，在45 m/s以上，隨著緯度降低逐漸遞減；孟加拉灣大部分區(qū)域在25 m/s以上；阿拉伯海相對(duì)最低。北印度洋10°N以南基本都在25 m/s以內(nèi)。

SON期間：南海極值風(fēng)速的大值區(qū)明顯較JJA期間偏南，南海中北部在45 m/s以上；孟加拉灣北部在30 m/s以上，灣頂小范圍區(qū)域可達(dá)40 m/s以上；阿拉伯海中西部在25 m/s以內(nèi)，印度半島西部近海稍高，在25～35 m/s之間。

DJF期間：由于冷空氣對(duì)南海的影響明顯強(qiáng)于北印度洋[15]，導(dǎo)致南海的極值風(fēng)速明顯偏高，多在25 m/s以上，中心可達(dá)40 m/s以上；北印度洋則多在30 m/s以內(nèi)。北印度洋10°N以南基本都在25 m/s以內(nèi)。

2.3 不同季節(jié)的極值波高

采用2.2節(jié)的方法，計(jì)算了海上絲綢之路涉及海域在不同季節(jié)的50年一遇極值波高(圖3)。從整體來看，南海各個(gè)季節(jié)的極值波高都大于孟加拉灣和阿拉伯海；南海的極值波高在JJA和SON期間明顯大于MAM和DJF期間；北印度洋的極值波高在JJA期間最大，MAM次之，DJF最小。與極值風(fēng)速不同，阿拉伯海的極值波高在MAM和JJA期間明顯大于孟加拉灣。

圖3 各個(gè)季節(jié)的50年一遇極值波高

MAM期間：南海的極值波高等值線呈NE—SW走向，大部分區(qū)域在6 m以上，泰國(guó)灣和低緯海域在3 m以內(nèi)。整個(gè)孟加拉灣大部分海域在6～7 m。阿拉伯海的大值區(qū)分布于5°-20°N，為6～9 m，呈WE帶狀分布；阿拉伯海北部區(qū)域、阿曼灣、亞丁灣屬于低值區(qū)。

JJA期間：南海中北部的極值波高在6～14 m；孟加拉灣在6～10 m；阿拉伯海在這個(gè)季節(jié)的極值波高為全年最大波高，幾乎整個(gè)阿拉伯海都在6 m以上，中心在印度半島西部近海，在9～10 m。

SON期間：南海北部在9～12 m之間，南海中部在6～9 m之間；孟加拉灣在5～7 m之間；阿拉伯海北部海域在4 m以內(nèi)，中部海域在5～7 m 之間。

DJF期間：南海大部分區(qū)域的極值波高在5 m 以上，等值線呈NE—SW走向，大值區(qū)分布于南海中部，中心在10 m左右；孟加拉灣西部的極值波高大于東部，大值區(qū)在6～7 m；阿拉伯海在該季節(jié)的極值波高整體偏低，大范圍海域在6 m 以內(nèi)。

臺(tái)灣以東洋面的極值波高在JJA期間最大(14～20 m)，SON次之(10～18 m)，MAM最小(6～8 m)。呂宋海峽在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期間最大，大值區(qū)的范圍也最廣，在10～14 m。

3 結(jié)論

基于ECMWF的ERA-interim海浪再分析資料、ERA陣風(fēng)資料，采用Gumbel曲線法，計(jì)算了21世紀(jì)海上絲綢之路涉及海域的年極值風(fēng)速和年極值波高，以及不同季節(jié)的極值風(fēng)速、極值波高，得到如下主要結(jié)論。

(1)年極值風(fēng)速和年極值波高：南海的50年一遇年極值風(fēng)速大于孟加拉灣，孟加拉灣大于阿拉伯海；極值波高的分布特征與極值風(fēng)速大體一致。南海中北部的年極值大于其南部；孟加拉灣的灣頂大于中南部；阿拉伯海中東部大于其西部。各海域的100年一遇極值風(fēng)速的空間分布特征與50年一遇極值相近，只是在數(shù)值上明顯偏大。

(2)不同季節(jié)的極值風(fēng)速：南海的極值風(fēng)速在各個(gè)季節(jié)都大于孟加拉灣，孟加拉灣大于阿拉伯海；南海-北印度洋的極值風(fēng)速在JJA和SON期間明顯大于MAM期間，DJF期間最小。

(3)不同季節(jié)的極值波高：南海各個(gè)季節(jié)的極值波高都大于北印度洋，阿拉伯海的極值波高在MAM和JJA期間明顯大于孟加拉灣；南海的極值波高在JJA和SON期間明顯大于MAM和DJF期間；北印度洋的極值波高在JJA期間最大，MAM次之，DJF最小。

[1] ZHENG C W， LI C Y.Variation of the wave energy and significant wave height in the China Sea and adjacent waters [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2015， 43：381-387.

[2] 鄭崇偉，潘靜，黃剛.利用WW3模式實(shí)現(xiàn)中國(guó)海擊水概率數(shù)值預(yù)報(bào)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(3)：314-320.

[3] 鄭崇偉，林剛，邵龍?zhí)?1988-2010年中國(guó)海大浪頻率及其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版2013，52(3)：395-399.

[4] 閻俊岳，黃愛芬.中國(guó)近海大風(fēng)極值計(jì)算方法研究[J].氣象學(xué)報(bào)，1996，54(2)：233-239.

[5] 張德天，鄭崇偉，石嶺琳，等.1999-2009年QN風(fēng)場(chǎng)對(duì)中國(guó)海海表風(fēng)場(chǎng)的研究[J].海洋預(yù)報(bào)，2011，28(4)：58-64.

[6] 周良明，吳倫宇，郭佩芳，等.應(yīng)用WAVEWATCH—Ⅲ模式對(duì)南海的波浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析和研究[J].熱帶海洋學(xué)報(bào)，2007，26(5)：1-8.

[7] KENT E C， FANGOHR S， BERRY D I.A comparative assessment of monthly mean wind speed products over the global ocean[J].International Journal of Climatology， 2013， 33(11)：2520-2541.

[8] DEE D P.The ERA-Interim reanalysis：configuration and performance of the data assimilation system[J].Quart J R Meteorol Soc，2011， 137：553-597.

[9] ZHENG Chongwei， ZHOU Lin， JIA Benkai， et al.Wave characteristic analysis and wave energy resource evaluation in the China Sea [J].Journal of Renewable and Sustainable Energy 6， 043101 (2014); doi：10.1063/1.4885842.

[10] 閻俊岳，陳乾根，張秀芝，等.中國(guó)近海氣候[M].北京：科學(xué)出版社，1993.

[11] 吳風(fēng)電，羅堅(jiān).1977—2008年北印度洋熱帶氣旋統(tǒng)計(jì)特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2011，34(3)：7-13.

[12] 袁俊鵬，曹杰.印度洋偶極子對(duì)北印度洋熱帶氣旋活動(dòng)的影響研究[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2013，43：570-581.

[13] 鄭崇偉，李崇銀.經(jīng)略海疆，邁向深藍(lán)：海洋在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中的重要作用[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(9)：4-12.

[14] 鄭崇偉，潘靜，孫威，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征系列研究[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(7)：4-9.

[15] 鄭崇偉，李訓(xùn)強(qiáng)，高占勝，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：風(fēng)候統(tǒng)計(jì)分析[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(8)：1-13.

[16] 鄭崇偉，付敏，芮震峰，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：波候統(tǒng)計(jì)分析[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(10)：1-11.

[17] 鄭崇偉，李崇銀.中國(guó)南海島礁建設(shè)：重點(diǎn)島礁的風(fēng)候、波候特征分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，45(9)：1-6.

[18] 鄭崇偉，李崇銀.中國(guó)南海島礁建設(shè)：風(fēng)力發(fā)電、海浪發(fā)電[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，45(9)：7-14.

[19] 鄭崇偉，陳璇，李崇銀.朝鮮半島周邊海域波候觀測(cè)分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，45(9)：21-27.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)(2015CB453200, 2013CB956200, 2012CB957803, 2010CB950400)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275086, 41475070).

P732

A

1005-9857(2015)11-0005-05