基于再分析數(shù)據(jù)的黃巖島及鄰近海域氣象條件分析

彌晨，吳萌萌，萬莉穎,3，邢建勇,3，陳莉，秦琰琰 ，劉克威 ，于慶龍 ，莫慧爾

（1.海軍參謀部，北京 100081；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；3.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

黃巖島是南中國海中沙群島中唯一露出水面的島礁，自古就是中國固有領(lǐng)土。中國最早發(fā)現(xiàn)、命名黃巖島，并將其列入中國版圖，實(shí)施主權(quán)管轄。黃巖島位于北緯15°07′，東經(jīng)117°51′，距中沙環(huán)礁約160 n mile，是我國在南海中部最東的島嶼，也是船只在東部海域唯一可停靠的地方，距其他島礁約300 km[1]。黃巖島的地理位置對于中國神圣領(lǐng)土的完整性、南海軍事活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)的重要性不言而喻。海洋大氣環(huán)境要素對海島工程建設(shè)、航海運(yùn)輸、國防建設(shè)與軍事活動(dòng)等有重要影響。風(fēng)、氣溫、大氣密度及濕度是影響射擊精度的主要?dú)庀笠蛩豙2]。因此，深入了解黃巖島及其周邊海域大氣環(huán)境要素分布特征，對海島利用、海洋防災(zāi)減災(zāi)、航海安全保障、海上軍事活動(dòng)等有重要意義。

前人對中國近海和其他海域和海洋氣象環(huán)境要素特征做過較多研究工作，但針對重點(diǎn)邊遠(yuǎn)海島的研究相對較少。王佳瑩等[3]利用2002—2011年南海海面風(fēng)場、高度場和溫度場的月平均衛(wèi)星觀測資料分析了這些要素的變化趨勢及年際變化特征。張凱峰等[4]利用ASCAT散射計(jì)L2B風(fēng)場產(chǎn)品分析了南海月平均風(fēng)場的分布特征，發(fā)現(xiàn)南海季風(fēng)盛行時(shí)存在兩個(gè)風(fēng)速大值中心，分別位于南海中南部和臺灣海峽及巴士海峽一帶，其位置和特征隨時(shí)間而變化。詹思玙等[5]利用2007—2011年CCMP（Cross-Calibrated，Multi-Platform）風(fēng)場資料分析了西北太平洋海面風(fēng)場的季、月、日變化特征。李正泉等[6]基于CCMP、ERA-Interim和NCEP-DOE 3種全球風(fēng)場產(chǎn)品，利用線性趨勢檢驗(yàn)和變異性系數(shù)分析了1985—2013年我國海面風(fēng)的風(fēng)速變化情況。孫龍等[7]基于QuickScat月平均海面風(fēng)場資料，通過兩種經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解分析研究了中國近海及臺灣以東、以南洋面海面風(fēng)場的季節(jié)變化和年際變化特征。楊清華等[8]利用1989—2008年南極中山站及戴維斯站的氣象觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了表面氣溫、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速和相對濕度的年際、年、日尺度變化特征，并討論了各氣象要素的長期變化趨勢。鄭崇偉等[9]利用CCMP風(fēng)場資料和模擬的海浪場數(shù)據(jù)，以某重點(diǎn)島礁為研究對象，對研究海域的風(fēng)候、波候進(jìn)行了精細(xì)化、系統(tǒng)性分析研究，并對我國釣魚島、黃巖島附近海域的波浪能、風(fēng)能資源特征、風(fēng)浪海洋環(huán)境特征開展了統(tǒng)計(jì)分析[10]。

本文采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）氣候預(yù)測系統(tǒng)再分析（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR）數(shù)據(jù)庫資料，統(tǒng)計(jì)分析了中國南海區(qū)域（0°～25°N、105°～125°E）和黃巖島附近點(diǎn)（15°N、118°E）的基本氣象要素特征。CFSR[11]數(shù)據(jù)庫利用全球范圍高分辨率海-陸-氣-冰耦合模式系統(tǒng)提供了多年各系統(tǒng)環(huán)境要素的最優(yōu)評價(jià)場，被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境要素特征的分析評估[12-17]。Wesley等[18]曾采用兩個(gè)集合評估了CFSR數(shù)據(jù)集對日變化和氣候態(tài)的反映情況。Bao等[19]利用3 000多個(gè)無線電探空測風(fēng)儀資料（獨(dú)立觀測）評估了目前應(yīng)用最為廣泛的4種再分析資料集NCEP-CFSR、NCEP-NCAR、ERA-Interim及ERA-40，發(fā)現(xiàn)除高層氣溫以外，CFSR和ERA-Interim的均方根誤差及偏差都較小。本文對中國南海區(qū)域和黃巖島附近點(diǎn)海面氣壓、氣溫、風(fēng)場等基本氣象要素的分析評估，可以為船舶航行、海島開發(fā)和軍事活動(dòng)等提供客觀的大氣環(huán)境特征背景資料及活動(dòng)依據(jù)。

2 評估方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

采用美國NCEP-CFSR數(shù)據(jù)庫資料，提取了1979—2010年（32 a）每6 h時(shí)間間隔，全球范圍內(nèi)0.5°×0.5°水平分辨率的海平面大氣要素場，包括海平面氣壓（Sea Level Pressure，SLP）、海面2 m氣溫、海面2 m相對濕度（Relative Humidity，RH）和海面10 m風(fēng)場。相對以往大部分再分析產(chǎn)品，CFSR具有如下特征：（1）進(jìn)行了海洋-大氣耦合；（2）考慮了海洋-海冰相互作用；（3）整個(gè)分析過程利用格點(diǎn)統(tǒng)計(jì)插值方案同化了衛(wèi)星輻射率。

2.2 統(tǒng)計(jì)方法

本文評估中主要采用了以下計(jì)算公式，對于序列a(X1,X2,…,Xn)，其平均值：

在中國南海區(qū)域（0°～25°N、105°～125°E）和黃巖島附近點(diǎn)（15°N、118°E），采用CFSR每6 h間隔的0.5°×0.5°水平分辨率多層大氣要素場數(shù)據(jù)，按日、月、年，統(tǒng)計(jì)了32 a海平面氣壓、海面2 m氣溫、海面2 m相對濕度、海面10 m風(fēng)場基本氣象要素特征。

3 評估結(jié)果分析

3.1 海平面氣壓

圖1為1979—2010年各月平均海平面氣壓圖。從全年分布來看，11月—次年2月冬季海平面氣壓較高，南北氣壓差異較大；6—8月夏季海平面氣壓較低，分布于1 002～1 006 hPa之間，低壓中心位于廣西西南部地區(qū)。黃巖島附近海平面氣壓同樣呈現(xiàn)出冬季高（1 012 hPa左右）、夏季低（1 006 hPa左右）的季節(jié)分布特征。圖2為黃巖島附近海平面氣壓的日平均變化，日平均海平面氣壓冬季約為1 012 hPa，其他季節(jié)約為1 008 hPa。逐日變化的最大、最小海平面氣壓在平均值基礎(chǔ)上上下波動(dòng)4 hPa左右。5月中旬，與最大海面風(fēng)出現(xiàn)突然增大的時(shí)間一致，最小海平面氣壓出現(xiàn)突然降低，10月最小海平面氣壓值可達(dá)到990 hPa。

圖1 各月平均海平面氣壓分布（單位：hPa）

3.2 海面2 m氣溫

圖3 為1979—2010年各月平均海面2 m氣溫分布圖。黃巖島全年平均海面2 m氣溫約為27～28℃，全年氣溫分布冬季低夏季高，5—6月平均海面2 m氣溫達(dá)30℃，1—2月平均海面2 m氣溫在25～26℃左右。圖4為黃巖島附近海面2 m氣溫的日平均變化，可以發(fā)現(xiàn)海面2 m氣溫日變化較小，冬季較其他季節(jié)低約2℃，逐日氣溫的最大、最小值與平均值相差約2℃。

3.3 海面2 m相對濕度

圖5為1979—2010年各月平均海面2 m相對濕度分布圖。6～8月海面2 m平均相對濕度最大，11月—次年1月海面2 m平均相對濕度最小。黃巖島附近海面2 m相對濕度也是6—8月最大，11月—次年1月最小，與同月南海其它地區(qū)相比，黃巖島附近月平均海面2 m相對濕度略小一些。圖6為黃巖島附近海面2 m相對濕度的日平均變化，海面2 m相對濕度日平均值為80%，4—5月相對濕度略低于平均值，8—10月較平均值略高。逐日最大、最小海面2 m相對濕度一般為90%和70%。

圖2 黃巖島附近海平面氣壓的日平均變化

圖3 各月平均海面2 m氣溫分布（單位：℃）

圖3 （續(xù)）

圖4黃巖島附近海面2 m氣溫的日平均變化

3.4 海面10 m風(fēng)場

圖7 為1979—2010年各月平均海面10 m風(fēng)速分布圖。從全年分布來看，10月—次年2月海面10 m風(fēng)速較大，3—9月海面10 m風(fēng)速較小。黃巖島全年平均海面10 m風(fēng)速約為6～7 m/s，冬季平均海面10 m風(fēng)速不大于10 m/s，9月平均海面10 m風(fēng)速約為4 m/s。圖8為黃巖島附近海面10 m風(fēng)速的日平均變化，海面10 m風(fēng)速平均為4～8 m/s，3—4月海面10 m風(fēng)速相對最弱。逐日最大風(fēng)速的變化具有季節(jié)特征，一般在5月中旬前后，受南海季風(fēng)爆發(fā)影響，風(fēng)速突然增大，延續(xù)夏、秋季，直到12月份，日平均風(fēng)速最大值均可達(dá)到20 m/s，10—11月風(fēng)速最大超過25 m/s，可能與臺風(fēng)活動(dòng)較多有關(guān)。

圖5 各月平均海面2 m相對濕度分布（單位：%）

圖9 是黃巖島附近1979—2010年32 a各月風(fēng)向頻次玫瑰圖，可以看出，在冬季（11月—次年2月）黃巖島的風(fēng)向均以東北風(fēng)為主，東風(fēng)和北風(fēng)次之，表現(xiàn)出黃巖島在冬季主要受東北季風(fēng)控制。夏季（7—9月），該地區(qū)的風(fēng)向則主要為西南風(fēng)，南風(fēng)和西風(fēng)次之，表現(xiàn)出黃巖島在夏季主要受西南季風(fēng)控制。在春秋轉(zhuǎn)換季節(jié)，風(fēng)向稍顯雜亂，春季主要表現(xiàn)為由東北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為東風(fēng)（3—4月），然后轉(zhuǎn)為南風(fēng)（5—6月），最后轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，而在秋季（9—10月）主要表現(xiàn)為由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為南風(fēng)，再轉(zhuǎn)為東風(fēng)，最后轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。

圖6 黃巖島附近海面2 m相對濕度的日平均變化

圖7 各月平均海面10 m風(fēng)速分布（單位：m/s）

圖7 （續(xù)）

圖8 黃巖島附近海面10 m風(fēng)速的日平均變化

為了考察黃巖島大風(fēng)的頻次情況，本文統(tǒng)計(jì)了黃巖島1979—2010年逐日序列中各級風(fēng)所占的天數(shù)百分率，如圖10所示。可以明顯看出，在32 a的12個(gè)月中，黃巖島風(fēng)速超過七級風(fēng)（大于13.9 m/s）的天數(shù)很少，2—7月、9—11月超過50%的天數(shù)風(fēng)速都在三級以下（小于5.4 m/s），其他月份的風(fēng)速也是三級以下的天數(shù)占絕對多的份額。總的來看，黃巖島附近的風(fēng)速全年都偏小，五級以上（大于8.0 m/s）的風(fēng)所占天數(shù)在冬夏偏多，春秋偏少，總體上大風(fēng)不超過20%。

3.5 黃巖島附近海域氣象要素年際變化

從年際變化看（見圖11），海面10 m風(fēng)速的變化具有2.5～5 a的變化周期，年平均風(fēng)速在5.3 m/s上下波動(dòng)；32 a間，海面2 m氣溫平均值在27～28℃，具有整體增加的趨勢，其中1983年、1987年、1998年氣溫出現(xiàn)極大值；海面2 m相對濕度的極大、極小值與海面2 m氣溫極小、極大值相對應(yīng)，總體也具有略微增大的年際變化趨勢；年平均海平面氣壓的變化具有準(zhǔn)5 a的周期，極值與海面2 m氣溫極值出現(xiàn)年份幾乎一致。整體上看，1998年之后各氣象要素的年變化周期有所增大，海面2 m氣溫和海面2 m相對濕度高于之前的年份。

圖9 黃巖島各月風(fēng)向頻次玫瑰圖

圖10 黃巖島多年逐日序列中各級風(fēng)所占全部天數(shù)的百分率（單位：%）

圖11 黃巖島附近氣象要素的年際變化趨勢

4 結(jié)論

本文中中國南海區(qū)域（0°～25°N、105°～125°E）和黃巖島附近點(diǎn)（15°N、118°E），屬赤道帶、熱帶海洋性季風(fēng)氣候。其氣候特征是：

（1）南海區(qū)域海平面氣壓呈北高南低、冬季高夏季低的分布形勢。黃巖島附近海平面氣壓的季節(jié)分布也是冬季高（1 012 hPa左右）、夏季低（1 006 hPa左右）；日平均海平面氣壓冬季約為1 012 hPa，其他季節(jié)約為1 008 hPa，逐日變化的最大、最小海平面氣壓在平均值基礎(chǔ)上上下波動(dòng)4 hPa左右；年平均海平面氣壓變化具有準(zhǔn)5 a的周期。

（2）由于接近赤道，接收太陽輻射熱量較多，南海區(qū)域全年平均海面2 m氣溫較高，基本在10～30℃之間，分布呈北低南高，大陸低海面高，冬季低夏季高的形勢。黃巖島海面2 m氣溫日變化較小，逐日氣溫的最大、最小值與平均值相差約2℃；年平均2 m氣溫約為27～28℃，具有整體增加的年際變化趨勢。

（3）南海區(qū)域全年海面2 m相對濕度較大，基本在60%以上，隨季節(jié)變化明顯，夏季較大，冬季較小。與南海其他地區(qū)相比，黃巖島的海面2 m相對濕度略偏小，日平均值為80%，逐日最大、最小海面2 m相對濕度一般為90%和70%；年際極大、極小值與氣溫極小、極大值相對應(yīng)，總體也具有略微增大的年際變化趨勢。

（4）受季風(fēng)影響明顯。中國南海熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征十分明顯，每年10月以后，從西伯利亞和蒙古高原吹來的冬季氣流不斷奔向中國南方海洋，從11月—次年3月盛行東北季風(fēng)，東北風(fēng)、東風(fēng)、北風(fēng)的風(fēng)向分別約占所有風(fēng)向的57%、22%、21%，平均風(fēng)速約為10～12 m/s。每年4月開始，中國南海轉(zhuǎn)而受熱帶與赤道海洋氣團(tuán)的影響，5—9月盛行西南季風(fēng)，西南風(fēng)、南風(fēng)、西風(fēng)的風(fēng)向分別約占所有風(fēng)向的35%、25%、15%，平均風(fēng)速約為4～8 m/s。4月和10月是季風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)期。黃巖島季風(fēng)氣候特征也十分明顯，從年際變化看，海面風(fēng)速的變化具有2.5～5 a的變化周期，年平均風(fēng)速在5.3 m/s上下波動(dòng)。