中國南海島礁建設：重點島礁的風候、波候特征分析?

鄭崇偉， 李崇銀

(1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101;2.中國科學院大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029; 3. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

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中國南海島礁建設：重點島礁的風候、波候特征分析?

鄭崇偉1, 2, 3， 李崇銀1, 2??

(1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101;2.中國科學院大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029; 3. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

軍事氣象水文作為海戰場環境建設的重要組成部分，對艦艇編隊行動、艦載機起降、登島作戰、艦載武器系統的使用、國防工程、海洋權益維護等戰爭/非戰爭軍事行動有著非常實用的價值。本文利用CCMP風場資料和模擬的海浪場數據，以某重點島礁作為假想研究目標，對研究海域的風候(海表風場的氣候態)、波候(海浪場的氣候態)進行精細化、系統性分析研究，主要包括風和浪季節特征、風力等級頻率、波浪等級頻率、(強)風向頻率和(強)波向頻率、極值風速和極值波高、風速和波高的長期變化趨勢等進行精細化統計分析，為艦艇活動、海洋能開發、國防工程等軍事、民用活動提供科學依據和輔助決策。

邊遠海島； 海戰場環境分析； 風候； 波候

在信息化時代軍事氣象水文環境條件在軍事活動及戰爭行動中的需求和作用越來越顯得重要，這就需要我們重視軍事氣象水文環境保障的“軟”裝備[1]。軍事氣象水文作為海戰場環境建設的重要組成部分，對艦艇編隊行動、艦載機起降、登島作戰、艦載武器系統的使用、國防工程、海洋權益維護等戰爭/非戰爭軍事行動有著非常實用的價值。1944年12月，美國第三艦隊在菲律賓中部的民都洛島附近集結，準備進攻日軍的占領的呂宋島，但是由于對臺風的位置和路徑把握不準確，遭到臺風侵襲，直接導致3艘驅逐艦沉沒，2艘航母嚴重受損，146架艦載機被拋入大海，近800人非戰斗減員。1999年8月，臺灣空軍3架飛機遭遇惡劣海況而撞擊海面，其中含兩架高性能的F-16戰斗機。通常情況下，航母艦體必須在6級海浪以下、縱傾小于2(°)～3(°)、橫搖小于4(°)～6(°)的情況下才能起降艦載機；艦炮一般在5級海況以下才能保證艦炮正常射擊；魚雷在4級海況下才能有效使用；4.57 m以上的波浪幾乎能使聲吶浮標的傳輸信息完全喪失，可見海洋環境對軍事活動有著非常重要的影響[2]。

深入研究海洋環境特征是人類高效開發利用海洋、防災減災的先決條件。海戰場環境分析、深遠海和邊遠海島的開發建設也需要以海洋環境特征為依據[3-4]。前人對中國的海洋環境特征做過較多的統計工作，但由于受到數據稀缺、數據分辨率、精度等問題的限制，極少有針對重點邊遠海島的研究。本文以某重點島礁作為研究對象，利用具有高精度、高分辨率的CCMP風場資料、模擬的海浪場數據，對研究海域的風候、波候特征進行精細化、系統性研究，期望可以為海戰場環境建設提供科學依據。

1 數據及方法

本文利用CCMP風場資料，對研究海域的海表風場特征進行研究。CCMP風場是美國國家航空航天局(NASA)的物理海洋數據中心(PO.DAAC——Physical Oceanography Distributed Active Archive Center)開發的一種海洋風場產品[5]。CCMP風場的空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)，時間分辨率為6h，空間范圍為78.375°S～78.375°N，179.875°W～179.875°E，時間范圍從1987年7月至今。該風場在空間分辨率、數據精度等方面都優于常用的Q/N混合風場、ERA-40海表10 m風場、NCEP風場，在國際上得到廣泛運用。

由于較長時間和較廣范圍的海浪觀測資料很少，本文還利用CCMP風場驅動WAVEWATCH-III (WW3)海浪模式，模擬得到覆蓋整個中國海、長時間序列(1988年01月01日00:00時—2011年12月31日18:00時)、高時空分辨率(時間分辨率3 h、空間分辨率0.25(°)×0.25(°))的海浪場數據，經與衛星資料、來自韓國、日本、臺灣的相應浮標觀測資料對比，結果表明用該模式得到的海浪數據具有較高可信度[6]。因此，本文就利用該模擬海浪數據，分析了研究海域的海浪場特征。

2 海洋環境特征分析

2.1 (強)風向頻率、(強)波向頻率

風向、浪向對艦艇的轉向、滑躍式艦載機的起降、防生化武器、防范漂雷、防范浮空武器等有著很大影響，本文利用1988年01月—2011年12月逐3h的風場數據、模擬海浪數據，統計了研究海域的(強)風向頻率、(強)波向頻率(見圖1)。

圖1顯示，1月，NE風占了絕對的主導地位，出現頻率最高的是8～10 m/s的NE風(約15%)、6～8 m/s的NE風(約15%)，其次是8～10、6～8 m/s的ENE風、8～10 m/s的NNE風；14 m/s以上的強風主要源自NNE向。波向頻率與風向頻率整體上保持了較好的一致性，但該月的波向以NNE向為主，其次是NE向，這兩個方向中，又以1.2～2.1 m之間的波高出現頻率最高，3.0 m以上的強浪主要源自NNE向。該月需要防范的是NNE向的強風、強浪。

4月，處于季風過渡期，但是可以明顯看出，東北季風尚未完全消退，而西南季風尚未盛行。出現頻率最高的風向是：ENE、E、NE；10 m/s以上的強風主要源自ENE向。出現頻率最高的波向是NE，其次是ENE、NNE；1.6 m以上波高主要源自NE、ENE向。該月需要防范的是ENE向的強風。

7月，在強勁的西南季風影響下，SW和WSW向的風占了絕對的主導地位，其中又以8～10、6～8 m/s出現的頻率最高；12.0 m/s以上的強風主要源自WSW向。海浪則以WSW向占據絕對主導，出現頻率高達70%以上。該月需要重點防范WSW向的強風、WSW向的強浪。

10月，處于季風轉換期，以偏WSW、ENE向的風出現頻率最高，強風主要源自SW-WSW-W向。與風向頻率有明顯差異，NNE向的波向占了主導地位，接近40%。2.0 m以上的大浪主要源自WSW向、W向、NNE向。該月需要防范的是偏WSW向的強風、強浪。

深入認識和掌握海區的風向和波向演變規律，對于海上航行、海洋工程特別是國防工程、軍事行動有重要的價值，例如：

(1)如果艦隊要在1、4、10月到研究海域巡航，可以利用東北風幫助艦載機的逆風起降，7月則可以利用西南風。同樣，在防范漂雷、浮空武器、生化武器方面，1、4、10月應該注意的上游是東北方向；7月的上游是在西南方向。

(2)若在研究海域建造機場，單純考慮地理特征，建造時可能會更便捷、節約成本。本研究認為應該以海洋特征為主，適當考慮地理特征，如果忽略海洋環境，會導致在未來一直遭受不利海洋氣象條件的影響。研究海域的機場跑道更宜建為東北-西南向，一方面可以減少飛機起降時受橫向風的影響，另一方面逆風起降均有利于增大飛機對跑道的相對速度，縮短跑道建設長度。

2.2 風力等級頻率、波浪等級頻率

海況對潛射導彈的出水姿態、艦艇的搖擺程度、艦載武器系統的射擊精度、艦載機起降等也都有著很大影響。此外，海況還對海洋權益維護等非戰爭軍事行動有著重要影響，不同艦艇的噸位差距較大，抗風浪的能力也就有著很大差異。因此，統計海況特征，可以為海洋權益維護提供輔助決策：不同季節應該派相應抗風浪能力的艦艇巡航，更有利于任務的順利完成。

本文利用1988年01月—2011年12月逐3h的風場數據、模擬海浪數據，統計了研究海域的風力等級頻率、波浪等級頻率(見表1、2)。風力等級以蒲氏風力等級表為標準，波浪等級為國家海洋局公布的劃分標準[7]。

風力等級頻率 整體來看，研究海域6級以上大風(大于10.8 m/s)出現頻率整體較低，在西南季風和臺風的影響下，夏季的6級以上大風出現頻率高于其余季節；在頻繁而又強勁的冷空氣的影響下，冬季的6級以上大風頻率僅次于夏季；全年幾乎很少有7級以上的大風。1月(代表冬季)，以4和5級風為主，其次是3級風；4月(代表春季)，以3級風為主，其次是2和4級風為主；7月(代表夏季)，以3～5級風為主，其次是2級風；10月(代表秋季)，以2～3級風為主，其次是4級風。波浪等級頻率 整體來看，研究海域6級以上巨浪(大于4.0 m)出現頻率整體較低，其中1月出現頻率相對最高，這是因為該季節的冷空氣頻繁而又強勁，進入南海后，雖然強度有所減弱，但也會造成明顯的冷涌，導致該月6級以上巨浪高于其余季節；與大風頻率不同，6級以上大風頻率在7月出現頻率最高，但西太入侵的臺風多是影響南海北部，南海土臺風多是影響南海中北部，并不能給本文的研究區域帶來較多的大浪。1月，以4級浪為主，其次是3和5級浪；4月，以2～3級浪為主，其次是4級浪；7月，以3～4級浪為主，其次是2級浪；10月，以3～4級浪為主，其次是2級浪。

圖1 研究海域在1、4、7、10月的風向頻率(左)、波向頻率(右)(單位：%)Fig.1 Occurrence of (strong) wind direction(left) and wave direction(right)(Unit:%)

表2 研究海域的波浪等級頻率

2.3 風速、有效波高的月際變化特征

將研究海域有效波高、海表風速從1988年1月—2011年12月進行多年月平均，分析其月際變化特征(見圖2)。整體來看，研究海域的有效波高和海表風速都表現出“W”型月際變化特征，且兩者表現出較好的一致性，這是由于中國海處于大洋邊緣，風浪在混合浪中占了主導地位所致。值得注意的是：研究海域風速的月際變幅較為明顯，由于海洋對其相應需要一個過程，期間也會存在能量衰減，再加上涌浪的作用，因此波高的月際變幅明顯小于風速，以至于出現波高的“W”型變化特征不明顯。

風速和波高的峰值都出現在12月至翌年1月，月平均風速在7.7 m/s左右，月平均波高在2.4 m左右，這是由于冬季遭受強勁而又頻繁的冷空氣侵襲所致，但冷空氣南下進入南海后，強度逐漸減弱，因此，研究海域在冬季的風速和波高明顯小于南海北部和東海海域。次峰值出現在8月，月平均風速為6.8 m/s，月平均波高為1.4 m，這是在夏季西南季風的影響下形成的。波谷出現在4—5月、10月，這是冬季風向夏季風轉換，以及夏季風向冬季風轉換所帶來的風場、海浪場特征。

圖2 研究海域海表風速、有效波高的月變化特征

2.4 風速、有效波高的日變化特征

利用1988年01月—2011年12月逐3h的風、浪數據，計算了研究海域24年平均的00：00，03：00，06：00，09：00，12：00，15：00，18：00，21：00的有效波高、海表風速 ，分析其日變化特征，為風機、海浪發電裝置等調整裝備狀態提供參考。由圖3可見，風速表現出“W”型日變化特征，峰值出現在00時，次峰值出現在12時，06時為第一個低谷，18時為第二個波谷。波高比風速明顯存在滯后效應，波高的峰值出現在03時，而第一個波谷出現在09時。波高的日變化特征則沒有風速明顯，基本呈單峰型日變化。由于統計量巨大，本文在此只是計算了全年的日變化特征，作為一種參考樣式，在今后的實際工程應用中，還需要精細化的計算不同月份的日變化特征，更好的為海洋開發建設提供科學依據。

圖3 研究海域海表風速、有效波高的日變化特征

2.5 海表風速、有效波高的長期變化趨勢

將研究海域的海表風速、有效波高分別從1988—2011年取逐年平均，分析其逐年線性變化趨勢。由圖4(a)可見，相關系數(線性相關度)|R|=0.25r0.01=0.50，通過了99%的信度檢驗，線性遞增趨勢顯著，回歸系數為0.016，即近24a期間，研究海域的有效波高以0.016 m/a(即1.6 cm/a)的速度顯著性逐年線性遞增。從曲線的走勢來看，在1988—1998年期研究海域的有效波高表現出緩慢的遞減趨勢，1998—1999年迅速增加，1999—2009年期間則表現出緩慢的波動狀遞增趨勢。1998年為近24年期間的波谷，年平均有效波高在1.0 m左右，2010年為一個異常點。

對比圖4(a)、(b)不難發現，海表風速的年變化相對更為劇烈，而有效波高的年變化則相對比較平緩。

值得注意的是：1998年為近24年期間風速的波谷，1999年則迅速拉升。有研究表明，1997-04—1998-05，發生了一次強El Nino事件，伴隨著東亞季風的減弱，這應該是1998年出現風速波谷的原因。1998-09—2000-07期間，發生了一次強La Nina事件，伴隨著東亞季風的增強，這應該是1999年風速迅速拉升的原因[8-10]。而中國近海處于大洋邊緣，混合浪中的風浪成分較大，因此，有效波高的曲線走勢與海表風速整體上保持了較好的一致性[11]。

圖4 研究海域海表風速(a)、有效波高(b)的長期變化趨勢

3 結論

本文利用CCMP風場、模擬的海浪場數據，從風力等級頻率、波浪等級頻率、風向和波向頻率、極值風速和極值波高等方面著手，對研究海域的風、浪特征進行了精細化統計分析，得到如下主要結論：

(1)1月，NE風占主導地位，波向以NNE向為主，其次是NE向；4月，出現頻率最高的風向是：ENE、E、NE，波向則是NE；7月，SW和WSW風占主導地位，WSW向的浪占主導；10月，偏WSW、ENE向的風出現頻率最高，NNE向的浪占了主導地位。1月，需要防范的是NNE向的強風、強浪；4月，需要防范的是ENE向的強風；7月，需要防范WSW向的強風強浪；10月，需要防范偏WSW向的強風強浪。

(2)研究海域6級以上大風(大于10.8 m/s)、6級以上巨浪(大于4.0 m)出現頻率整體較低。春季以3級風為主，夏季以3～5級風為主，秋季以2～3級風為主，冬季以4級和5級風為主。春季以2～3級浪為主，夏季和秋季以3～4級浪為主，冬季以4級浪為主。

(3)受季風及季風轉換的影響，研究海域的海表風速、有效波高都表現出“W”型月際變化特征，峰值出現在12月至翌年1月，月平均風速7.7 m/s，月平均波高2.4 m。

(4)在近24年期間，研究海域的海表風速沒有十分顯著的變化趨勢。有效波高以1.6 cm/a的速度顯著性逐年遞增。

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責任編輯 龐 旻

Development of the Islands and Reefs in the South China Sea: Wind Climate and Wave Climate Analysis

ZHENG Chong-Wei1,2,3,LI Chong-Yin1,2

(1. College of Meteorology and Oceanography, People′s Liberation Army University of Science&Technology, Nanjing 211101, China;2. National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029， China;3. Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

In this study, the ocean environment characteristic (wind climate and wave climate) in an important reef was analyzed by using a 24-year CCMP (Cross-Calibrated, Multi-Platform) wind field data and a 24-year WW3 (WAVEWATCH-III) hindcast wave data. We mainly analyzed the seasonal characteristics of wind field and wave field, occurrence of wind speed class grade, occurrence of wave height class grade, extreme wind speed and wave height, long term trends in wind speed and wave height, The results can provide reference for the exploitation of remote island, and also make contribution to the sustainable development of human society.

remote island; naval battle space analysis; wind climate; wave climate

國家重點基礎研究發展規劃項目(2013CB956200)；國家自然科學基金項目(41490642)資助

2015-05-09；

2015-05-28

鄭崇偉(1983-)，男，工程師，博士生，主要從事海戰場環境建設、物理海洋學及海洋能資源評估。E-mail：chinaoceanzcw@sina.cn

?? 通訊作者： E-mail：lcy@lasg.iap.ac.cn

P731.2

A

1672-5174(2015)09-001-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20150119