“21世纪海上丝绸之路”(以下简称“海上丝路”)建设可引领和促进沿线各国在海上贸易、海洋科学研究、海洋资源开发利用、海上恶劣环境监测等各领域广泛开展深层次的多边合作,搭建互利共赢、平等互惠、开放包容的合作平台。“海上丝路”的长期、安全发展与海洋环境密不可分,其建设需未雨绸缪,着重考虑和适时评估沿线的环境安全形势。为保障“海上丝路”的稳步建设和发展,规避恶劣的海上环境带来的潜在风险,对印度洋海洋环境特征进行归纳和分析尤为重要。本研究从海表风速入手,重点分析印度洋海表风速的长期变化趋势、变化周期和突变形势等,为“海上丝路”建设、海上风能开发和全球气候变化研究等提供依据。
印度洋自然环境复杂,深入了解和掌握海洋环境特征是安全高效开展海洋开发利用的前提条件[1- 12],同时也有助于合理开发利用海洋资源以及为海上活动提供安全保障[13- 16]。本研究所用数据来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-40海表10 m风场,时间分辨率为6 h,空间分辨率为2. 5°×2. 5°,空间范围为87. 5°S—87. 5°N、0°—357. 5°E,时间范围为1957年9月1日0时至2002年8月31日18时。采用一元线性回归方法,计算印度洋海表风速的逐年变化趋势。
通过计算印度洋在每个网格点上的海表风速的逐年变化趋势,发现其具有显著的区域性差异,主要表现在3个方面。①孟加拉湾、阿拉伯海和南印度洋中纬度海域(25°S—50°S)不存在显著变化趋势。②呈显著逐年递增趋势的区域主要分布于25°S—10°N海域和南半球咆哮西风带所控制的海域,递增趋势为0. 01~ 0. 035 m·s- 1·a- 1;递增趋势较强的区域主要分布于南印度洋西风带的中西部海域和澳大利亚南部海域,呈东西带状分布。③呈显著逐年线性递减趋势的区域范围不大,主要分布于零星海域。
潘静等[17]认为,印度洋海表风速递增趋势明显的区域主要分布于印度洋中低纬度海域和南半球60°S附近大面积带状海域。本研究在相关海域所得结论与其基本一致。
本研究采用一元线性回归方法,对南、北印度洋海表风速进行逐年区域平均,并对比南、北印度洋海表风速的变化趋势(图1)。
由图1(a)可见,相关系数|R|= 0. 54> r 0. 05= 0. 29,通过了95%的显著性检验;回归系数为0. 004 7。表明在研究期间,北印度洋的海表风速整体以0. 004 7 m·s- 1·a- 1的速度显著性逐年线性递增。
由图1(b)可见,相关系数|R|= 0.71> r 0. 05= 0.29,通过了99%的显著性检验;回归系数为0. 010 2。表明在研究期间,南印度洋的海表风速整体以0. 010 2 m·s- 1·a- 1的速度显著性逐年线性递增。
北印度洋海表风速的变化趋势较稳定,基本在5. 0~ 5. 5 m·s- 1范围内呈震荡递增趋势,这与刘铁军等[18]的研究结论基本一致。南印度洋海表风速的变化趋势较不稳定,但整体递增趋势较明显, 1975—1980年尤为显著,其中1975年为波谷。
南、北印度洋的年平均风速也存在较大差异,北印度洋在5. 2 m·s- 1左右,南印度洋在7. 5 m·s- 1左右。
将北印度洋的海表风速从1958年1月1日0时至1958年12月31日18时做平均,而后再做区域平均,从而得到北印度洋1958年的海表风速,同理得到1958—2001年北印度洋逐年的海表风速。利用功率谱得到北印度洋海表风速的变化周期(图2(a)),并采用同样的方法得到南印度洋海表风速的变化周期(图2(b))。
由图2可见,北印度洋的海表风速存在2. 6~ 2. 7 a、5. 2 a的变化周期以及26 a以上的长周期变化;南印度洋的海表风速存在2. 6~ 13 a的变化周期以及26 a以上的长周期变化;南、北印度洋存在共同的2. 6~ 2. 7 a、5. 2 a的变化周期以及26 a以上的长周期变化。
利用上文得到的逐年海表风速,采用M K检验,分别计算南印度洋和北印度洋海表风速的突变形势(图3)。
由图3(a)可见,UF和UB曲线相交于1978—1980年,且交点在2条检验线以内,表明北印度洋的海表风速存在显著性突变,且突变期为1978—1980年。由UF曲线可见,北印度洋的海表风速呈显著性递增趋势,1972—2001年尤为显著,与图1(a)结论一致。
由图3(b)可见,UF和UB曲线相交于1989年,且交点在2条检验线以内,表明南印度洋的海表风速存在显著性突变,且突变期为1989年。由UF曲线可见,南印度洋的海表风速呈显著性递增趋势, 1978—2001年尤为显著,与图1(b)结论一致。
本研究通过对1957年9月至2002年8月印度洋海表风速的计算和分析,主要得出3点结论。
(1)孟加拉湾、阿拉伯海、南印度洋中纬度海域(25°S- 50°S)的海表风速不存在显著变化趋势;呈显著性逐年递增的区域主要分布于25°S- 10°N的海域和南半球咆哮西风带所控制的海域,递增趋势为0. 01~ 0. 035 m·s- 1·a- 1;仅零星海域呈显著性递减趋势。
(2)南印度洋和北印度洋的海表风速分别以0. 010 2 m·s- 1·a- 1和0. 004 7 m·s- 1·a- 1的速度显著性逐年线性递增。北印度洋的年平均海表风速在5. 2 m·s- 1左右,南印度洋的年平均海表风速在7. 5 m·s- 1左右。
(3)南印度洋和北印度洋存在共同的2. 6~ 2. 7 a、5. 2 a的变化周期以及26 a以上的长周期变化;南印度洋和北印度洋的海表风速都存在显著的突变现象,突变期分别为1989年和1978—1980年。
本研究分析了海洋自然环境中的海表风速的变化趋势,未来仍需适时积极与“海上丝路”沿线国在海洋环境和非传统安全等领域进行合作研究,共同助力“海上丝路”建设的顺利开展。
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