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

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。     

近45 年南海-北印度洋波浪能资源评估

利用 ERA-40海表10 m 风场驱动第三代海浪数值模式(WAVEWATCH-,Ⅲ简称 WW3),得到南海–北印度洋1957年9月~2002年8月的海浪资料,计算该海域的波浪能,分析波浪能流密度的四季分布特征、不同能级出现的频率及波浪能流密度的稳定性,为海浪发电、海水淡化等选址提供依据.研究发现,南海–北印度洋海域蕴藏着较为丰富的波浪能:(1)南海–北印度洋大部分海域的年平均波浪能流密度在2 kW/m 以上,大值区位于南海、孟加拉湾、索马里附近海域.(2)南海–北印度洋海域波浪能流密度大于2 kW/m 和大于4 kW/m 出现的频率都较高.(3)南海–北印度洋的波浪能流密度具有较好的稳定性,春季、秋季、冬季的稳定性好于夏季,南海的稳定性好于北印度洋     

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

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。     

北印度洋风浪场特点及最佳航线分析

对1980—1990年的北印度洋气象船舶报资料,按2°×2°网格进行了分析。通过分析研究阐明了北印度洋风、浪、涌的特点及其变化规律。这一海区是世界著名的季风气候区,季风时期的风向、风浪传播方向、涌浪传播方向基本一致,夏季的西南季风比冬季的东北季风要强盛得多,大浪大涌频率高达80％－90％。该海域与南海属同一类型,但特点正好相反。按照船舶航行对水文气象条件的要求,横穿北印度洋的时间以季风转换月份为最佳,冬季次之,夏季航行则相当危险。     

1988-2009年北印度洋海域风候统计分析

利用具有较高时空分辨率的1988-2009年的CCMP（Cross-Calibrated,?Multi-Platform）风场资料,对北印度洋海域的风候特征进行深入统计分析,为防灾减灾、航海、海洋能开发等提供参考。研究发现：（1）北印度洋受季风影响显著,MAM期间阿拉伯海和孟加拉湾的风向呈顺时针旋转,JJA期间受西南季风影响显著,盛行西南风,SON期间为季风过渡季节,低纬度海域的西南季风仍未消退,而高纬度部分海域已经转受东北信风的影响,DJF期间整个北印度洋受东北信风影响显著。风速的大值区主要分布于索马里以东和阿拉伯半岛东南部海域、斯里兰卡东部海域和马纳尔湾。（2）6级以上大风的高频中心位于索马里和阿拉伯半岛东部海域。（3）近22年期间,北印度洋海域的海表风速整体上以0.0286m?s-1?a-1的速度显著性逐年线性递增,递增趋势较强的海域分布于中高纬海域：红海、马纳尔湾、孟加拉湾西部和北部海域、马六甲海峡、泰国湾、北部湾。     

热带印度洋海表日增温年循环和半年循环

利用SeaFlux再分析数据和经验模型研究了热带印度洋海表日增温年循环和半年循环的时空分布特征及其机理。研究结果表明,热带印度洋海表日增温年循环振幅在绝大部分海区都较大;而半年循环振幅仅在北印度洋较大。对年循环而言,在17°S以南海区以太阳辐射年循环的贡献为主,而在17°S以北海区以风速年循环的贡献为主;对于半年循环,在北印度洋以风速半年循环的贡献为主。本文还重点关注了以下两个海区:1)阿拉伯海西部,海表日增温年循环比半年循环振幅小;2)孟加拉湾中部,情况刚好相反。两海区相比,海表日增温年循环振幅在孟加拉湾中部较大;而半年循环振幅在阿拉伯海西部较大。这些差异都是由两海区不同的太阳辐射和风速年循环和半年循环造成的。     

经略21世纪海上丝路:地理概况、气候特征

自然环境特征对海洋开发建设有着重要影响,为了更好地为21世纪海上丝绸之路建设提供科学依据,文章重点对南海、孟加拉湾、阿拉伯海三大海域的地理概况、气候特征进行系统性统计分析。结果表明,该海域的风场、风浪、表层海流受季风影响明显,其中阿拉伯海和孟加拉湾受西南季风的影响更为明显,冬季风的影响次之,南海则相反。阿拉伯海的热带气旋主要活动于其东侧,孟加拉湾则在其中东部区域,南海主要是北部海域受热带气旋影响明显。南海—北印度洋的能见度整体乐观。夏季降水明显多于冬季,夏季大值区分布于印度半岛西部近海、孟加拉湾东北部、马尼拉西部区域。     

北印度洋风浪场特点及最佳航线分析

对１９８０－１９９０年北印度洋气象船舶报资料,按２°×２°网格进行了分析。通过分析研究阐明了北印度洋风,浪,涌的特点及其变化规律,这一海区是世界名的季风气候区,季风时期的风向,风浪传播方向,涌浪传播方向基本一致,夏季的西南季风比冬季的东北季风要强盛得多;大浪大涌频率高达８０％－９０％,该海域与南海属同一类型,但特点正好相反,按照船舶航行的对水气象条件的要求,横穿北印度洋时间以季风转换月份为最佳     

渤海重现期波高的数值计算

利用RAMS大气模式给出的20年风场资料,利用SWAN近海波浪模式对渤海海域的波浪进行了20 a数值计算.通过与一般过程和大风过程的实测资料的对比后发现.波浪模拟值与实潮值符合地较好,SWAN模式适合渤海海域波浪的计算。通过分析发现.辽东湾常浪向为SSW。强浪向为SSW;渤海中部常浪向为S,强浪向为NE;渤海海峡常浪向为NNW,强浪向为NNW;莱州湾常浪向为S,强浪向为NNE;渤海湾常浪向为S.强浪向为NE。渤中偏东南海域(38°～39°N,119.5°～120.5°E)多年一遇有效波高最大.其中百年一遇有效波高最大值达到6.7m。     

北印度洋-南海海域海浪场、风场的年际变化特征分析

利用1957年9月～2002年8月共45年的逐6小时ERA40 10 m风场,驱动WAVEWATCHⅢ海浪模式,得出北印度洋-南海海域3小时一次,分辨率为0.5°×0.5°的海浪场;对上述海浪场和对应风场进行EOF分析,讨论它们的年际变化的特征。研究结果指出:亚丁湾以东洋面、孟加拉湾和南海都存在海浪和风速场的高值变化中心,尤其是亚丁湾以东洋面风力最强,有效波高最高;赤道印度洋中东部有效波高为高值区可能是南印度洋西风带产生的涌浪向北传播引起的;北印度洋-南海海域海面风速和有效波高呈线性增强趋势,海面风速还存在3年左右的周期变化现象。     

南海-北印度洋波高的长期变化:Ⅱ.趋势的区域性、季节性差异

利用ERA-40海表10 m风场驱动WAVEWATCH-Ⅲ(WW3)海浪模式,模拟得到南海-北印度洋1957年9月—2002年8月的海浪资料,采用一元线性回归方法,分析了该海域有效波高的长期趋势,以期为研究全球气候变化、波浪能资源开发、防灾减灾等提供参考。结果表明:(1)1958—2001年期间,该海域的SWH有线性递增趋势,递增率为0.0017 m/a,且变化趋势表现出很大的区域性差异:仅部分小范围海域呈显著性递减,其余大部分海域的SWH呈显著性递增;(2)SWH的变化趋势存在较大的季节性差异:各个季节呈显著性递减的区域范围都较小;低纬度的递增趋势主要体现在春季和冬季,尤其冬季几乎整个南海-北印度洋的SWH均呈显著性递增趋势;索马里以东一近似圆形海域的递增趋势主要体现在夏季。     

印度洋-南海海域海表风场的时空分布特征

利用来自ECMWF的ERA-40风场资料,采用EOF、线性回归等方法,分析了1958-2001年期间印度洋-南海海表风场的时空分布特征。结果表明：（1）该海域背景特征存在两个比较明显的高值区：索马里附近海域、南海海域,分别反映的是夏季索马里附近海域强劲的西南季风、南海冬季频繁的冷空气。（2）该海域海表风场的第二模态在空间分布特征上,北印度洋中纬度海域与赤道附近海域呈反位相分布,40°S 与60°S 海域也呈反位相分布;第三模态则整个北印度洋与南印度洋呈反位相分布。（3）1958-2001年期间,印度洋-南海的海表风速整体上呈显著性逐年线性递增,尤其以1975-1980年期间的递增趋势最为强劲,1975年的年平均风速为近44年的最低点。     

北印度洋净热通量的季节、年际和年代际变化

根据月平均热通量(TropFlux)资料,使用相关分析和线性倾向估计以及经验正交分解(EOF)等方法,标记5个特征海区,以反映北印度洋净热通量的季节、年际和年代际变化特征。结果显示：冬季阿拉伯海失热区比孟加拉湾失热区失热多;夏季只有亚丁湾海域失热,斯科特拉区得热量值和赤道区相当。北印度洋净热通量季节分布呈现春季峰值大于秋季的双峰分布。近些年来,阿拉伯海和亚丁湾海域失热减小,孟加拉湾失热增多,赤道得热有下降的趋势。阿拉伯海、孟加拉湾和亚丁湾失热区净热通量的季节、年际和年代际变化主要由潜热和感热决定,亚丁湾夏季失热还与长波辐射有关。冬季净热通量异常场分解出3个独立模态,累计贡献率可达53.87%,第一模态为主模态,阿拉伯海失热区失热减少、孟加拉湾失热区失热增多的年代际变化特征。夏季净热通量异常场前3个模态的累计贡献率为57.42%,第一模态为主模态,北印度洋全场一致性得热,且以热带印度洋西部为最强的年代际变化。     

琼州海峡的波浪特征

本文依据多年实测波浪资料揭示了琼州海峡的波浪特征,结果表明,本海域以风浪为主,其出现频率占76.7％以上。波浪随季节变化明显,常见浪向和强浪向颇为一致它们是NE～ENE。一般来说,本海区的最大波浪是由台风产生的;海峡两端海区的波浪比中部海区的大。     

东方市近岸海域波浪特征分析

为了解海南东方市近岸海域波浪基本特征,根据东方海洋环境监测站使用的SZF型波浪浮标连续11 a的实测数据,进行了统计分析。首先对波浪要素进行统计,得到了各向各级波高的季节分布,以及波高和周期的均值与极值;再对波高和周期的联合分布、平均持续时间与波高的关系进行了探讨;最后选取一典型台风浪过程进行分析。结果表明本海域以S向浪出现频率最高,为14.3%,其次是N向和NNE向,频率均为11.9%;强浪向为S向和N向,浪向分布与东方市所处地理位置相符。该海域以有效波高小于1.3 m的小浪和轻浪为主,年出现频率为97.6%, 4级中浪占2.22%, 5级大浪仅占0.12%,只有在夏、秋季台风过境时才出现。累年有效波高平均值为0.49 m,最大值为3.2 m;最大波高为5.6 m,最大波高平均值为2.5 m;平均有效周期为4.2 s,最大有效波周期为9.5 s。有效波高在1.0 m以下,且周期在4～5 s的波浪出现频率最大,为80.5%。强台风“海燕”影响期间,波高具有明显的滞后特征, 5级大浪持续了10 h,浪向与风向基本一致,说明台风产生的波浪是以风浪为主,最大波高均出现于偏S向。通过波谱分析,...     

1957～2002年南海—北印度洋海浪场波候特征分析

利用ERA-40海表10 m风场驱动第三代海浪数值模式WAVEWATCH-Ⅲ,得到南海—北印度洋1957年9月至2002年8月的海浪场,并分析其波候(风候)特征.研究发现如下主要特征:(1)该海域的波高波向、风速风向受季风影响显著;(2)北印度洋大部分海域的海表风速呈显著性逐年线性递增趋势,大约0.01～0.02 m/(s·a),南海线性递增的区域则较少,有效波高呈显著性逐年线性递增的区域主要集中在低纬度中东印度洋(约0.003～0.006 m/a)、索马里附近海域(大约0.002～0.005 m/a)、南海大部分海域(约0.002～0.004 m/a),线性递减的区域主要集中在孟加拉湾海域(约-0.002 m/a);(3)Nino3指数与南海—北印度洋的海表风场、浪场存在密切的关系;(4)南海—北印度洋的海表风速与有效波高存在5.2a左右的共同周期,南海的海表风速、有效波高还存在2.0a左右的共同周期,北印度洋的海表风速、有效波高还存在26.0a的长周期震荡.     

北太平洋海浪场时空变化特征分析

根据1950—1995年共46a的北太平洋船舶气象报资料,对按5°×5°网格统计的海浪要素进行分析,阐明了北太平洋浪、涌的特点及其变化规律。该区赤道地区常年盛行东北浪,冬季海浪比夏季强盛,相应的平均波高、大浪大涌频率也较大。该海域与北印度洋同属季风气候区,但其特点正好相反。     

“21世纪海上丝绸之路”风能资源时空变化评估

利用1979—2021 年的 ERA5 再分析资料,采用经验正交函数分解法、Mann-Kendall 趋势检验法等统计方法,对“21 世纪海上丝绸之路”相关海区的海表风场与风能密度的空间分布特征、季节变化特征以及长期变化趋势进行分析。结果表明：(1)研究海域风能密度在不同季节表现出很大的空间差异,夏季的阿拉伯海和孟加拉湾,冬季的中国南海,以及全年的热带南印度洋风能资源都极为丰富。(2)研究时段内,中国南海北部及附近海域、阿拉伯海西部、孟加拉湾西部以及热带西北印度洋风能密度等级整体较高。(3)研究海域的风能密度以年变化特征为主,其中中国南海风能密度的季节变幅最大且在春、秋两季表现出明显的转换特征。(4)在研究海区中,结合水深条件与风能密度时空变化特征的评估结果,可以重点关注台湾海峡、吕宋海峡、中南半岛东南沿海、阿拉伯海西部近岸海域及热带西北印度洋近岸大陆架海域风能资源的开发利用,加强其他海域风能资源的储备。此研究可为“21 世纪海上丝绸之路”风能资源的中长期开发规划提供依据。     

应用WAVEWATCH-Ⅲ模式对南海的波浪场进行数值计算、统计分析和研究

以30a再分析风场数据为输入,采用WAVEWATCH-Ⅲ波浪模式,对南海海域1976—2005年的波浪场进行了数值计算。与大量的T/P高度计波浪资料和部分台风资料进行对比验证后发现,波浪计算结果较好。将计算结果进行统计和推算,得出南海海域波浪如下的主要特征:1)南海海域的常浪向基本为NE,出现频率占各向总数的40%;北部海域的强浪向主要为E,中部和南部海域的强浪向主要为NE;2)夏季的波高为全年最小,冬季受东北季风的影响,波高达到全年最大;3)100a一遇极值波高分布:海南岛东南附近海域最大,有效波高最大超过18m,中部海域的有效波高平均为14m左右,南部海域的有效波高平均约为9m。     

印度洋热通量变化及其对南海夏季风爆发的影响

采用卫星遥感资料反演出的海洋大气参数,应用通量算法(CORAER3.0),计算出了印度洋区域海气热通量,据此,分析研究了该区域海气热通量的年、年际和年代际变化特征。进而分析探讨了该区域热通量变化与南海夏季风爆发之间的联系。结果表明,北印度洋的热通量具有明显的季节变化特征,在一年四季最大热通量基本发生在阿拉伯海和孟加拉湾,但其量值具有明显的差异。特别是在南海季风爆发前后,其量值显著增大,4月份之前,平均潜热通量维持在110—120W/m2之间,4月份开始增大为130W/m2,5月份突然增大超过160W/m2。这种增大过程可能是影响南海夏季风或南亚夏季风爆发的关键。由分析可知,南海夏季风的爆发与北印度洋的热通量变化存在显著的相关关系,且它们均具有显著的年代际变化周期为16a。当3年前的5月份北印度洋区域海气潜热通量出现偏大(小)时,南海夏季风爆发时间会出现偏晚(早)的趋势。另外,为了预测南海夏季风爆发时间,建立了一个简单的回归方程,用来预测2012年南海夏季风爆发时间。预测结果表明,2012年南海夏季风爆发时间将会出现偏晚1—2候的趋势。