臺(tái)風(fēng)活動(dòng)期間臺(tái)灣島的地形對(duì)臺(tái)風(fēng)影響的小尺度分析

臺(tái)風(fēng)活動(dòng)期間臺(tái)灣島的地形對(duì)臺(tái)風(fēng)影響的小尺度分析

臺(tái)灣島位于西北太平洋臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的主要路徑上。每年平均有四名臺(tái)風(fēng)襲擊臺(tái)灣島。島上地勢(shì)復(fù)雜，平均中央山脈高度超過(guò)3000米。島的西側(cè)是臺(tái)灣。海峽兩岸的地勢(shì)非常高，呈北、窄、南寬的喇叭形（圖1）。關(guān)于臺(tái)灣島地形對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響過(guò)去已有過(guò)一些研究.Brand統(tǒng)計(jì)分析了22個(gè)穿島臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和路徑變化,并提出了穿島臺(tái)風(fēng)的一些預(yù)報(bào)規(guī)則.福建省莆田氣象臺(tái)在預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析了臺(tái)風(fēng)活動(dòng)期間臺(tái)灣地形倒槽與福建沿海大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)間和強(qiáng)度的關(guān)系.王時(shí)鼎等把臺(tái)灣地形對(duì)侵臺(tái)臺(tái)風(fēng)的作用歸納成兩類邊界層影響.除了觀測(cè)資料分析外,亦有不少模型用于這方面的研究.Chang模擬出理想地形下臺(tái)風(fēng)穿越臺(tái)灣島時(shí)的臺(tái)風(fēng)路徑偏折、強(qiáng)度減弱、地形背風(fēng)槽和次級(jí)低層環(huán)流形成等一些基本特征.Benderd等研究了兩種基本氣流下島嶼對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響,發(fā)現(xiàn)島嶼對(duì)基本氣流和臺(tái)風(fēng)流場(chǎng)影響的綜合效應(yīng)導(dǎo)致了臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度、移動(dòng)速度的變化.近年來(lái)國(guó)內(nèi)亦有一些學(xué)者通過(guò)臺(tái)風(fēng)個(gè)例數(shù)值模擬結(jié)合觀測(cè)資料分析,探討了臺(tái)灣島附近地形對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響及臺(tái)風(fēng)期間福建大風(fēng)天氣出現(xiàn)的特點(diǎn)和成因.這些研究大多主要關(guān)注地形如何影響臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度,所用觀測(cè)資料為陸地臺(tái)站資料,或是數(shù)值模擬的結(jié)果.而臺(tái)站風(fēng)并不能完全代表海面風(fēng)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu),后者只能通過(guò)遙感手段獲取.故本文嘗試?yán)眠b感海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),研究臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)灣島周邊海域在特殊高海拔海島與大陸地形影響下,海面風(fēng)場(chǎng)的小尺度特征及其變化.1數(shù)據(jù)和方法1.1降雨率對(duì)0的風(fēng)速影響NASA于1999年6月發(fā)射了第一顆海洋測(cè)風(fēng)專用衛(wèi)星QuikSCAT,其上裝有最新型微波散射計(jì)SeaWinds.SeaWinds為Ku波段主動(dòng)雷達(dá),通過(guò)測(cè)量海面散射截面(σ0)來(lái)反演海面風(fēng)矢量.降雨是影響σ0的一個(gè)主要因素;且在高風(fēng)速(>20m/s)情況下,風(fēng)速會(huì)被低估.但有研究表明σ0對(duì)各種降雨率下大風(fēng)(高達(dá)50m/s)的風(fēng)速變化敏感;且σ0作為風(fēng)速的一個(gè)函數(shù)對(duì)高于35m/s的風(fēng)仍有明顯變化.因此盡管遙感方法有著自身的局限性,但它在一定程度上仍可反映出海面風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征.本文采用數(shù)據(jù)為NASA發(fā)布的QuikSCATL3級(jí)逐日海面(10m高)風(fēng)矢量數(shù)據(jù),分為升軌和降軌數(shù)據(jù),過(guò)境時(shí)間分別約為當(dāng)?shù)貢r(shí)間6時(shí)和18時(shí).數(shù)據(jù)刈幅寬1800km,空間分辨率為25km,風(fēng)向精度為20°,風(fēng)速精度在不同的風(fēng)速區(qū)間分別為2m/s(3～20m/s)和10%(20～30m/s).1.2樣本選取及風(fēng)場(chǎng)特征根據(jù)歷史臺(tái)風(fēng)路徑資料,結(jié)合臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程的環(huán)流特點(diǎn),可將西北太平洋臺(tái)風(fēng)路徑分為七類,其中登陸華東、倒拋物線、西行進(jìn)入南海和低緯轉(zhuǎn)向的四類臺(tái)風(fēng)對(duì)臺(tái)灣島和閩浙沿海影響較大.在臺(tái)風(fēng)個(gè)例選取時(shí),為減小基本氣流的差異,主要選取路徑穩(wěn)定向西或西北方向移行的前三類臺(tái)風(fēng)作為研究對(duì)象.注意到臺(tái)風(fēng)中心從不同空間位置穿(掠)過(guò)臺(tái)灣島時(shí),會(huì)導(dǎo)致海面風(fēng)場(chǎng)特征變化有顯著差異,為此進(jìn)一步區(qū)分以下3種臺(tái)風(fēng)路徑:(1)臺(tái)風(fēng)經(jīng)呂宋海峽進(jìn)入南海北部或臺(tái)灣海峽南部,簡(jiǎn)稱南路.(2)臺(tái)風(fēng)橫穿過(guò)臺(tái)灣島和臺(tái)灣海峽登陸福建中北部,簡(jiǎn)稱中路.(3)臺(tái)風(fēng)經(jīng)臺(tái)灣島北部海域登陸閩浙沿海,簡(jiǎn)稱北路.在擁有QuikSCAT數(shù)據(jù)的1999～2005年間,共有12個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例符合以上原則(圖2).按照不同的路徑類型,分別選取典型個(gè)例進(jìn)行詳細(xì)分析.2結(jié)果與討論2.1臺(tái)風(fēng)中部的地面實(shí)測(cè)圖3為0313號(hào)臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)場(chǎng).2003年9月1日6時(shí)的臺(tái)風(fēng)中心(黑色五角星標(biāo)記處)位于呂宋海峽以東洋面(圖3a),臺(tái)灣島周邊海域主要受到臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流的影響,臺(tái)灣海峽以北盛行東北風(fēng),風(fēng)向與中央山脈的長(zhǎng)軸方向幾乎平行,山脈對(duì)氣流的作用主要為“分流影響”,“開(kāi)通道”地形的存在,使得東北方向臺(tái)風(fēng)外圍氣流從海峽北口進(jìn)入,沿海峽南下,產(chǎn)生“狹管”效應(yīng),海峽中部風(fēng)力加強(qiáng),遙感風(fēng)速達(dá)15m/s.此種海峽中部先于周邊海域出現(xiàn)大風(fēng)天氣的現(xiàn)象,在以往的一些研究中已有過(guò)報(bào)道.隨著臺(tái)風(fēng)中心繼續(xù)逼近臺(tái)灣海峽(圖3b),12h之后,海峽中部遙感風(fēng)速迅速增強(qiáng)到20～25m/s(圖3b).風(fēng)速增強(qiáng)的原因可能有2個(gè):一是臺(tái)風(fēng)逼近,穿過(guò)海峽的環(huán)流增強(qiáng);二是臺(tái)風(fēng)向臺(tái)灣島南部移動(dòng),臺(tái)灣島東部由東北風(fēng)轉(zhuǎn)變成東風(fēng),在中央山脈阻擋強(qiáng)迫下,山脈西部背風(fēng)面形成地形倒槽,加大了海峽中北部的氣壓梯度,導(dǎo)致風(fēng)速增強(qiáng).地形倒槽的形成有一個(gè)顯著特征,即在背風(fēng)面有風(fēng)速較低的弱尾流區(qū),圖3b中并無(wú)明顯的風(fēng)速低值區(qū),從而說(shuō)明海峽中部風(fēng)速增強(qiáng)主要是由臺(tái)風(fēng)閉合環(huán)流增強(qiáng)引起的.臺(tái)風(fēng)中心穿過(guò)呂宋海峽,在呂宋島和臺(tái)灣島的雙面阻擋下,臺(tái)風(fēng)底層外圍閉合環(huán)流被阻隔.9月2日6時(shí)(圖3c),臺(tái)風(fēng)中心剛出呂宋海峽,臺(tái)灣海峽南部以及南海北部主要為臺(tái)風(fēng)環(huán)流風(fēng)場(chǎng).圖中遙感最大風(fēng)速約為33m/s,低于臺(tái)風(fēng)年鑒中的記錄45m/s,而臺(tái)風(fēng)中心附近由于受到降雨影響較大遙感風(fēng)向比較紊亂.臺(tái)灣島東側(cè)為大面積的東南風(fēng),中央山脈背面澎湖附近形成明顯的地形倒槽,出現(xiàn)低風(fēng)速尾流區(qū).倒槽的形成加大了臺(tái)灣海峽北口(25°N附近)和福建中、北部沿海的氣壓梯度,使得海峽北部出現(xiàn)“角流”高風(fēng)速區(qū)和海峽西側(cè)風(fēng)速增強(qiáng).圖3d為0313號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸前兩小時(shí)的觀測(cè)圖像.此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心已西行遠(yuǎn)離臺(tái)灣島,臺(tái)灣島周邊海域受臺(tái)風(fēng)影響減弱,風(fēng)速減小.整個(gè)臺(tái)灣島周邊海域均為東南風(fēng);臺(tái)灣海峽南部離臺(tái)風(fēng)中心較近,風(fēng)速較大;海峽中、北部由于受到臺(tái)灣島的“遮蔽”,風(fēng)速很小;海峽北部仍有較弱的“角流”存在.2.2臺(tái)風(fēng)環(huán)流演變圖4為0505號(hào)臺(tái)風(fēng)2005年7月16～18日的海面風(fēng)場(chǎng).2005年7月16日18時(shí)臺(tái)風(fēng)位于臺(tái)灣島以東洋面(圖4a),臺(tái)灣島周邊海域風(fēng)場(chǎng)特征與第一種路徑前期的風(fēng)場(chǎng)特征類似,海峽中部提前出現(xiàn)大風(fēng)天氣.7月17日18時(shí)(圖4b),遙感最大風(fēng)速為35m/s,與臺(tái)風(fēng)年鑒中結(jié)果(55m/s)相差達(dá)到20m/s.此時(shí)臺(tái)灣島周邊海域已處在了臺(tái)風(fēng)閉合環(huán)流中,臺(tái)灣海峽受臺(tái)風(fēng)環(huán)流影響增強(qiáng).環(huán)流在臺(tái)灣島北部分為兩支,一支從臺(tái)灣島東側(cè)經(jīng)過(guò),另一支經(jīng)臺(tái)灣海峽、呂宋海峽繞回臺(tái)風(fēng)系統(tǒng).臺(tái)灣島南端出現(xiàn)很小一塊風(fēng)速低值區(qū).臺(tái)風(fēng)靠近、登陸臺(tái)灣島,臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)受到中央山脈影響加強(qiáng),臺(tái)灣島周邊海域的風(fēng)場(chǎng)變得復(fù)雜.7月18日6時(shí)(圖4c),遙感觀測(cè)結(jié)果顯示臺(tái)灣島東側(cè)成功外海出現(xiàn)一個(gè)氣旋式的風(fēng)速低值區(qū).該低風(fēng)速區(qū)被臺(tái)灣學(xué)者稱為“三角尾流區(qū)”,它與中央山脈背風(fēng)槽(或誘生低壓)的形成有關(guān);而在它的南部,即臺(tái)灣島南端下風(fēng)面,有一塊風(fēng)速高達(dá)33m/s的“角流”區(qū),該“角流”的形成除中央山脈阻擋動(dòng)力強(qiáng)迫外,還與山脈背風(fēng)槽(或誘導(dǎo)低壓)的形成以及向臺(tái)風(fēng)中心氣壓梯度有關(guān).隨著臺(tái)風(fēng)西行登陸臺(tái)灣島(圖4d),臺(tái)灣島南端“角流”逆時(shí)針轉(zhuǎn)到島東側(cè)原“三角尾流區(qū)”位置,而原尾流消失了.臺(tái)灣島北端遙感最大風(fēng)速出現(xiàn)在平潭外海一帶,這與以往關(guān)于此處“角流”的研究結(jié)果一致.但一般臺(tái)風(fēng)云墻處風(fēng)速最大,降雨也最強(qiáng),而強(qiáng)降雨會(huì)對(duì)遙感風(fēng)的反演造成較大的影響,圖4d中臺(tái)灣島周邊海域又正好位于臺(tái)風(fēng)云墻附近,遙感風(fēng)在此觀測(cè)到的風(fēng)速分布的真實(shí)程度仍有待進(jìn)一步檢驗(yàn).2.32年9月7日大風(fēng)過(guò)程中臺(tái)風(fēng)中心持續(xù)運(yùn)行,且和臺(tái)風(fēng)中心位置相關(guān),選擇臺(tái)風(fēng)中心增設(shè)了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)此種路徑下臺(tái)風(fēng)在移行過(guò)程中與地形作用較小,海面風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單.若臺(tái)風(fēng)從臺(tái)灣島以東沿西北方向前進(jìn),在前期臺(tái)灣海峽內(nèi)出現(xiàn)大風(fēng)天氣,但隨著臺(tái)風(fēng)移至臺(tái)灣島以北時(shí)消失,如0515號(hào)臺(tái)風(fēng)(圖5a).若臺(tái)風(fēng)在臺(tái)灣島以北一路西行,如0216號(hào)臺(tái)風(fēng),則在前期海峽內(nèi)風(fēng)速很小(圖5b),無(wú)大風(fēng)天氣出現(xiàn).從而說(shuō)明,海峽內(nèi)是否出現(xiàn)大風(fēng)與臺(tái)風(fēng)中心位置相關(guān),而和路徑關(guān)系不大.圖5c和5d為2002年9月7日觀測(cè)到的兩張0216號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)圖像.其中圖5c觀測(cè)時(shí)刻為6時(shí),此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)灣島東北部,海面風(fēng)場(chǎng)環(huán)流結(jié)構(gòu)明顯,最大風(fēng)速(33m/s)出現(xiàn)在危險(xiǎn)半圈,略小于臺(tái)風(fēng)年鑒中結(jié)果40m/s.由于地形阻擋,臺(tái)灣海峽、南海北部以及臺(tái)灣島東側(cè)遙感風(fēng)速都很小;臺(tái)灣島南端山角下風(fēng)面出現(xiàn)大面積扇型“角流”區(qū),“角流”強(qiáng)度較弱,風(fēng)向呈氣旋式.遙感風(fēng)場(chǎng)的此種分布特征在以往的研究中可得到印證.隨著臺(tái)風(fēng)西行,“角流”呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),12h后“角流”已轉(zhuǎn)至臺(tái)灣島東側(cè),“角流”有所增強(qiáng),其10m/s風(fēng)區(qū)范圍向東到126°E,向北到26°N.此處“角流”的形成原理和形態(tài)演變與中路臺(tái)風(fēng)中的南端“角流”相同,但此處“角流”范圍較大,這與此種路徑下中央山脈形成的背風(fēng)槽或誘生低壓的尺度較大有關(guān).3臺(tái)風(fēng)期間海底風(fēng)場(chǎng)特征通過(guò)對(duì)3種臺(tái)風(fēng)路徑下臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)灣島周邊海域QuikSCAT遙感海面風(fēng)場(chǎng)的分析,得到以下結(jié)論:(1)盡管臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度被不同程度低估,臺(tái)風(fēng)中心附近風(fēng)向反演受降雨影響明顯,但風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的成因分析以及以往研究結(jié)果的印證亦表明,遙感海面風(fēng)場(chǎng)大致形態(tài)仍較為合理.(2)臺(tái)風(fēng)期間,臺(tái)灣海峽內(nèi)大風(fēng)天氣提前出現(xiàn),中央山脈兩側(cè)形成背風(fēng)槽(或誘生低壓),中央山脈南北兩端下風(fēng)面形成“角流”,為地形對(duì)臺(tái)灣島周邊海域風(fēng)場(chǎng)影響的顯著特征.(3)臺(tái)灣海峽內(nèi)是否提前出現(xiàn)大風(fēng)天氣與臺(tái)風(fēng)中心的位置有關(guān).臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)灣