南印度洋

印度洋的风浪、涌浪和混合浪的时空特征

郑崇伟;李崇银;李训强

【摘要】为了展现印度洋的海浪特征,利用来自欧洲中期天气预报中心的ERA-40

海浪再分析资料,对印度洋的海表风场、风浪、涌浪、混合浪场进行研究,主要分析

了季节特征、月变化特征、风速和波高的变化趋势、涌浪指标,定义了南印度洋西

风指数和涌浪北伸脊点。结果表明：印度洋的风浪场与海表风场整体上对应较好,

尤其是季风期间的北印度洋,涌浪场与混合浪场对应较好；从波高来看,阿拉伯海在

15月和912月的涌浪以及孟加拉湾全年的涌浪对混合浪的贡献大于风浪；印度洋

海表风速呈显著递增的区域主要集中在咆哮西风带和30°S以北,风浪波高变化趋势

的分布与风速大体一致,大部分海域的涌浪波高、混合浪波高表现显著性逐年递增；

印度洋的涌浪在混合浪中占据主导地位,40°S以北的涌浪常年向北传播,且南印度洋

西风带西南季风的强度直接决定着涌浪北传的程度。%Toexhibitthe

characteristicsofwavefieldintheIndianOcean,thecharacteristicsofwind

field,winda,swellandmixedwave,wereprentedusingtheERA-40

wavereanalysisdataandwindfielddatafromEuropeanCentrefor

Medium-RangeWeatherForecasts(ECMWF).Theasonalcharacteristic,

monthlycharacteristic,long-termtrendsofwindspeedandwave

height,-initionwasalsogivento"South

IndianOceanwesterlyindex"and"northstretchespointofswell".Results

showthat,thereisagoodagreementbetweenthewindfieldandthe

windafield,salsoanexcellent

nthewave

height,theswellhasadominantroleinthemixedwavefromJanuaryto

MayandfromSeptembertoDe-cember,whilethewindahasadominant

ayofBen-gal,theswell

aswith

significantincreatrendinwindspeedaremainlylocatedintheroar

westerlybelt,northof30°S,ll

waveheightandmixedwaveheightinmostoftheIndianOceanexhibitan

llplaysadominantroleintheIndian

orthof40°S,theswelldirectionistowardnorthallyear

engthofwestwindinthesouthernIndianOceandetermines

thestretchofswelltowardthenorthwaters.

【期刊名称】《解放军理工大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2016(017)004

【总页数】7页(P379-385)

【关键词】印度洋;ERA-40海浪再分析资料;风浪;涌浪;涌浪北伸脊点

【作者】郑崇伟;李崇银;李训强

【作者单位】解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101;中国科学院大

气物理研究所，北京100029;解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101;

中国科学院大气物理研究所，北京100029;解放军理工大学气象海洋学院，江苏

南京211101

【正文语种】中文

【中图分类】P731.22

作为全球海上航运中心之一的印度洋，有着众多海上能源通道乃至咽喉要道，但是，

复杂的海洋环境会大大增加海洋开发的难度，只有做到“海洋开发、评估先

行”[1]，方可在安全可靠的前提下，实现高效的开发利用。相对于太平洋，国内

外对于印度洋海洋环境的研究较少，直到1999年“印度洋偶极子”(Indian

Oceandipole，IOD)提出之后，才从不同角度开展了围绕IOD以及其他印度洋海

洋状况的研究，揭示了印度洋海温、海流等特征及其变化[2-4]，为进一步认识和

开发印度洋奠定了基础。目前，我国进口的85%以上的石油需经过印度洋—南海

海域[5]，该海域海浪特征分布复杂，对航海、海洋工程设计、军事、海洋能的开

发与利用等方面都有重要影响。目前，已有一些南海波浪特征的研究[6-7]，但是

对印度洋海域波浪的研究并不多。张弦等[8]利用46a的5°×5°网格分辨率的气象

船舶报资料，分析了南印度洋海浪场的时空分布特征，发现南印度洋海浪场的季节

变化特点不如北半球各大洋显著，10°S以北为季风气候区，而其他海域常年盛行

东南向浪，40°S以南盛行偏西向浪。郑崇伟等[9]曾利用来自欧洲中期天气预报中

心(EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts，ECMWF)的

ERA-40海浪再分析资料，制作了全球海域的风浪、涌浪、混合浪波候图集，发现

全球大洋的涌浪指标普遍较高，表明涌浪在混合浪中占据主要地位。

以往的研究在空间分辨率方面相对粗糙，容易将一些关键区域遗漏，且多是针对混

合浪展开研究，未能将风浪和涌浪分离。涌浪能使舰船发生中拱、中垂、触底搁浅

等现象，会造成舰船严重损伤，甚至损毁。同时，由于涌浪能量巨大、稳定性好，

近年来国际上对涌浪发电愈加重视[7]。因此，深入研究印度洋的海浪特征，尤其

是风浪、涌浪分离后的特征，具有实用价值。本文利用来自ECMWF的风浪、涌

浪分离的ERA-40海浪再分析资料，对印度洋的风浪、涌浪、混合浪的波候特征

进行分析研究，并重点分析南印度洋西风带涌浪的传播特征，为印度洋涌浪能开发、

海浪预报等提供科学参考。

1.1方法介绍

本文首先统计了印度洋海表风场(含风速、风向)、风浪、涌浪和混合浪场(含波高、

波向)的季节特征，重点海域(阿拉伯海、孟加拉湾)风速、波高的月变化特征，以

及风速和波高的变化趋势、涌浪指标等。同时，本文还定义了印度洋西风指数和涌

浪北伸脊点2个指数，并利用这2个指数定量地分析南印度洋西风带强度对涌浪

北传的影响。

1.2ERA-40海浪资料

ERA-40海浪再分析资料将涌浪、风浪进行了分离，这是其最大优点[10]。ERA-

40海浪再分析资料[11]是全球第1份耦合海浪和大气环流模式模拟结果并同化观

测资料得到的再分析产品。其空间范围为90°S～90°N，0°～360°E，时间范围为

1957年09月01日00时至2002年08月31日18时，空间分辨率为

1.5°×1.5°，时间分辨率为6h。由于同化资料的改变，海浪再分析资料分为4个

不同时期，其中由于观测资料的问题，1991年12月至1993年5月的同化资料

误差稍大。为此，有人利用浮标资料进行过有效波高的修正，但由于缺乏大量波浪

谱的浮标观测资料，暂时无法对模式风浪和涌浪谱分离技术进行改进。

由于ERA-40海浪再分析资料里含有海表风速，但其为标量场，不含风向。因此，

本文利用ECMWF提供的ERA-40海表10m风场资料，对印度洋的海表风场特

征进行统计，与海浪场进行对比分析。ERA-40海表10m风场资料覆盖全球，其

空间分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为6h，时间范围从1957年09月01日00

时至2002年8月31日18时[12]。

2.1海表风场的季节特征

利用ERA-40海表10m风场资料，统计了印度洋6-8月(JJA)和12月至翌年2月

(DJF)2个季度的海表风场特征，如图1所示，风速单位为m/s。为了便于观察，

风向均取单位矢量，以背景色表示风速的大小。

由图1可以看出：40°S以南为咆哮西风带，盛行较强的偏西风，10°S～30°S盛

行东南风；北印度洋的阿拉伯海和孟加拉湾受季风影响显著，夏季盛行西南季风，

冬季盛行东北风；季风期间，阿拉伯海(尤其是索马里附近海域)和孟加拉湾为风速

大值区。30°S～40°S常年为低值风速带，赤道附近也存在一个低值风速带，在

DJF期间，此低值风速带偏南，约在10°S附近。

在季风过渡季节(春季、秋季)，北印度洋的风向呈圆弧形逆时针环绕印度半岛。春

季阿拉伯海的风向表现为反气旋特征。文献[13]利用来自ECMWF近36a(1979-

2014年)的ERA-interim风场资料，统计分析了南海—北印度洋的风候特征。对

比发现，在风向分布上，本文的结果与之保持了很好的一致，只是本文的风速略偏

低。

2.2海浪场的季节特征

利用ERA-40海浪再分析资料，统计了3-5月(MAM)、JJA、9-11月(SON)、DJF

期间的风浪场、涌浪场、混合浪场。

对于风浪场，从整体来看，风浪波高分布与海表风速分布在各个季节都较为一致。

在季风期间，北印度洋的风浪波向与风向保持了更好的一致，在季风的过渡季节，

它们的一致性明显降低。

涌浪场如图2所示，涌浪波高的大小自咆哮西风带向北逐渐减小，等值线大致呈

向北突出的圆弧，40°S以北的涌浪波向均为北向，四季如此，可见印度洋涌浪的

北传非常明显。受马达加斯加地形的影响，涌浪的北部往印度洋西北传播明显受阻。

在南印度洋西风带边缘，涌浪主要往东北方向传播，到了澳大利亚和苏门答腊岛，

受到地形阻挡，涌浪逐渐转变为向北传播。这就导致了涌浪波高的等值线向北凸起，

尤其是向孟加拉湾，而不是向阿拉伯海。

对于混合浪场，从波高来看，涌浪在整个印度洋的合成浪中均占主导地位，从波向

上看也是如此，在西南季风期间仅阿拉伯海的风浪在混合浪中体现得较为明显。在

后面的分析中将通过计算涌浪指标，定量地分析印度洋的涌浪在混合浪中所占的比

例。

2.3重点海域风速、波高的月际变化特征

阿拉伯海、孟加拉湾2个海域海表风速以及风浪、涌浪、合成浪波高的月际变化

特征如图3所示。

整体来看，2个海域的海表风速、风浪、涌浪、合成浪波高大致都呈“Ω”型的月

际变化特征。在阿拉伯海，1-5月和9-12月，涌浪对混合浪的贡献非常大，二者

曲线基本接近；6-8月，在强劲西南季风的影响下，风浪对混合浪的贡献大于涌浪。

在孟加拉湾，涌浪对混合浪的贡献常年大于风浪，即使是在西南季风期间也是如此，

与阿拉伯海略有差异，这是由西南季风对阿拉伯海的影响大于对孟加拉湾的影响造

成的。

2.4风速与波高的长期变化趋势

印度洋近45a的海表风速与涌浪的逐年变化趋势如图4所示。其中，彩色区表示

通过95%信度检验的区域。

从图4(a)可以看出，海表风速呈显著性逐年线性递增的区域主要集中在南印度洋

咆哮西风带(1.5～3.0cm·s-1·a-1)以及30°S以北的大部分海域(1.0～2.0cm·s-

1·a-1)，通过了95%的信度检验。阿姆斯特丹岛附近海域(大致范围34°S～39°S，

55°E～80°E)、阿拉伯海北部小范围海域以及孟加拉湾北部小范围近海的海表风速

呈显著的逐年递减趋势。

风浪呈逐年递增的趋势且通过了95%的信度检验的区域主要分布在咆哮西风带

(0.5～1.0cm·a-1)、10°S～30°S海域(0.2～0.5cm·a-1)、斯里兰卡南部海域(0.3

cm·a-1左右)和索马里东部海域(0.3cm·a-1左右)4个海域。呈显著性递减的区域

主要分布于阿拉伯海北部大范围海区、孟加拉湾北部大范围海区和阿姆斯特丹岛附

近海区，趋势为(-0.3～-0.1cm·a-1)。整体来看，风浪波高的长期变化趋势与风速

的长期变化趋势空间分布特征基本一致。

如图4(b)所示，印度洋大范围海域在45a期间表现显著的逐年递增趋势，其值为

0.1～0.9cm·a-1。递增趋势尤为显著的区域主要分布于南印度洋的东部大范围海

域(0.5～0.9cm·a-1)和马达加斯加西南部大范围海域(0.4～0.7cm·a-1)。

混合浪波高的变化趋势与涌浪波高的变化趋势接近，只是递增趋势稍强一些，由此

可以初步判定印度洋的涌浪在混合浪中占主导。

2.5涌浪指标

§2.1～§2.3的分析都表明印度洋的涌浪在混合浪中占主导，为了定量分析这个问

题，本文参考文献[14]的算法，计算了印度洋在MAM，JJA，SON，DJF期间的

涌浪指标。

整体来看，印度洋各个季节的涌浪指标都很高，表明涌浪在混合浪中占据主导地位，

40°S以北大部分海域的涌浪指标常年大多在0.7以上，高值中心甚至在0.98以上，

验证了§2.1～§2.3分析得到的结论。

同时，存在2个涌浪指标的低值区：一个是咆哮西风带，其常年为涌浪指标的相

对低值区，呈东西带状分布；另一个是夏季的索马里附近海域，在强劲西南季风的

影响下，该区域的涌浪指标很低，在0.5以内，中心甚至在0.3以内。表明JJA期

间，在强劲的西南季风影响下，索马里海域的风浪在混合浪中占绝对主导地位。具

体来看，MAM期间，涌浪指标的大值区分布于赤道附近海域，基本在0.99以上，

尤其是苏门答腊岛西部近海能够达到0.999，文献[14]指出该季节大值区分布于孟

加拉湾。JJA期间，涌浪指标的高值中心分布于苏门答腊岛西部近海，在0.999以

上。同时，在强劲西南季风的影响下，整个阿拉伯海的涌浪指标都比较低，基本在

0.8以内，低值中心分布于索马里附近海域，在0.3以内。高低值的分布特征与文

献[14]的结果大体一致，只是本文在阿拉伯海的涌浪指标更低，在苏门答腊岛附近

的涌浪指标更高。SON期间，涌浪指标的大值区分布于赤道附近海域，范围小于

文献[14]的结果。DJF期间，涌浪指标的大值区分布于赤道附近海域、印度半岛西

南部近海以及孟加拉湾东北部近海，而文献[14]的大值区仅分布于苏门答腊岛西部

海域。

2.6南印度洋西风带西南季风强度对涌浪北传的影响

通过对风浪、涌浪、混合浪(包括波高、波向)的分析，发现印度洋涌浪北传的迹象

非常明显，初步认为是南印度洋西风带西南季风的强度影响印度洋涌浪北传的程度。

为了定量分析这个关系，本文定义了印度洋涌浪北伸脊点(northstretchespoint

ofswell，NSPS)和南印度洋西风指数(SouthIndianOceanwesterlyindex，

SIWI)。

NSPS：将1958年逐6h的涌浪波高进行平均，得到印度洋(每个网格点)1958年

平均的涌浪波高，取2m涌浪波高等值线最北端所在的纬度，将该纬度视为1958

年的NSPS。采用同样的方法，得到近44a期间每年的NSPS。

SIWI：将1958年逐6h的印度洋咆哮西风带(40°～60°S)的海表10m风速进行

区域平均，得到该区域1958年的年平均风速，将该纬度视为1958年的SIWI。

采用同样的方法，得到近44a期间每年的SIWI。

1958-2001年NSPS和SIWI的曲线走势如图5所示。二者在曲线走势上保持了

很好的一致性。尤其在1975年的波谷，二者吻合很好，从相关系数来看，二者能

达到0.78，通过了95%的信度检验，也表明相关性是显著的。

以1975年为界，将时间划分为2段：1958-1974年，二者的曲线走势较为一致，

相关系数达到0.72，通过了95%的信度检验；1974-2001年，二者的曲线走势非

常一致，相关系数达到0.87，通过了95%的信度检验。

因此，南印度洋西风带的强度直接决定了涌浪北传的程度。

2.7SIWI对印度洋风浪、涌浪、混合浪的影响

将印度洋1958-2001年的风浪、涌浪、混合浪波高进行逐年平均，分别得到各个

网格点、各个要素44个时次的年平均值。计算SIWI与各个网格点上各个要素的

相关系数，如图6所示，讨论南印度洋西风带西南季风的强度与印度洋风浪、涌

浪和混合浪的关系。

对于风浪，相关系数通过95%的信度检验区域主要集中分布于南印度洋的咆哮西

风带、18°S～30°S海域、斯里兰卡南部海域、索马里东部海域、阿拉伯海北部海

域和孟加拉湾北部海域。由于三风四带的影响，即使通过了显著性检验，也不能说

明南印度洋西风带对印度洋中北部的风浪有影响。部分区域与南印度洋西风带具有

相似性，而风直接造成风浪，导致图6(a)的东西带状分布。

涌浪与SIWI存在显著相关。从等值线分布能明显看出马达加斯加对涌浪北传有明

显的阻挡。在印度洋中东部，等值线明显有向东北方向凸伸的现象，这主要是由于

西风带的涌浪最初往东北方向传播，受到澳大利亚、苏门答腊岛的阻挡后，逐渐转

向北传播。需要注意的是,南海北部存在小范围通过显著性检验的正相关，但受到

苏门答腊岛的阻断，南海的涌浪并不受印度洋西风带的影响。这是因为南海北部的

涌浪主要受太平洋涌浪的影响，太平洋的涌浪受南太平洋西风带的影响，南太平洋

西风带又和南印度洋西风带具有较好的相关，导致图6(b)中南海北部也存在小范

围通过显著性检验的正相关区。

混合浪与SIWI、涌浪的相关较为接近，这也再次验证涌浪在印度洋混合浪中的主

导地位。

本文利用来自ECMWF的ERA-40海浪再分析资料、ERA-40海表10m风场资料，

分析了印度洋的海表风场、风浪场、涌浪场、混合浪场的时空特征，结论如下：

(1)结合风向与波向、风速与波高来看，印度洋的风浪场与海表风场具有较好的对

应关系，北印度洋季风期间的风浪场对海表风速的响应尤为明显。涌浪场与混合浪

场有较好的对应关系，印度洋的涌浪在混合浪中占据主导地位。

(2)印度洋涌浪波高的大小自咆哮西风带向北逐渐减小，等值线呈圆弧形向北突出，

南印度洋咆哮西风带的涌浪常年向北传播。

(3)阿拉伯海、孟加拉湾的海表风速、风浪、涌浪、混合浪波高都大致呈“Ω”型

的月际变化特征。在孟加拉湾，涌浪对混合浪的贡献常年大于风浪，即使是在西南

季风期间也是如此。

(4)在近45a期间，印度洋大部分海域的风速、波高都表现显著的递增趋势，海表

风速呈显著性递增的区域主要分布于咆哮西风带、30°S以北的大部分海域，风浪

波高变化趋势的分布与风速大体一致，印度洋大部分海域的涌浪、混合浪波高都表

现显著性逐年递增。

(5)南印度洋西风带的强度直接决定涌浪向北传播的程度。SIWI与印度洋大范围的

涌浪和波高存在显著性正相关，等值线呈东北西南向，表明南印度洋西风带的涌浪

向东北传播堆积的同时向北扩散。