臺風(fēng)活動期間臺灣島的地形對臺風(fēng)影響的小尺度分析

臺風(fēng)活動期間臺灣島的地形對臺風(fēng)影響的小尺度分析

臺灣島位于西北太平洋臺風(fēng)運(yùn)動的主要路徑上。每年平均有四名臺風(fēng)襲擊臺灣島。島上地勢復(fù)雜，平均中央山脈高度超過3000米。島的西側(cè)是臺灣。海峽兩岸的地勢非常高，呈北、窄、南寬的喇叭形（圖1）。關(guān)于臺灣島地形對臺風(fēng)的影響過去已有過一些研究.Brand統(tǒng)計分析了22個穿島臺風(fēng)的強(qiáng)度和路徑變化,并提出了穿島臺風(fēng)的一些預(yù)報規(guī)則.福建省莆田氣象臺在預(yù)報經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析了臺風(fēng)活動期間臺灣地形倒槽與福建沿海大風(fēng)出現(xiàn)時間和強(qiáng)度的關(guān)系.王時鼎等把臺灣地形對侵臺臺風(fēng)的作用歸納成兩類邊界層影響.除了觀測資料分析外,亦有不少模型用于這方面的研究.Chang模擬出理想地形下臺風(fēng)穿越臺灣島時的臺風(fēng)路徑偏折、強(qiáng)度減弱、地形背風(fēng)槽和次級低層環(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臺風(fēng)的影響,發(fā)現(xiàn)島嶼對基本氣流和臺風(fēng)流場影響的綜合效應(yīng)導(dǎo)致了臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度、移動速度的變化.近年來國內(nèi)亦有一些學(xué)者通過臺風(fēng)個例數(shù)值模擬結(jié)合觀測資料分析,探討了臺灣島附近地形對臺風(fēng)的影響及臺風(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)注地形如何影響臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度,所用觀測資料為陸地臺站資料,或是數(shù)值模擬的結(jié)果.而臺站風(fēng)并不能完全代表海面風(fēng)場的空間結(jié)構(gòu),后者只能通過遙感手段獲取.故本文嘗試?yán)眠b感海面風(fēng)場數(shù)據(jù),研究臺風(fēng)期間臺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)場的小尺度特征及其變化.1數(shù)據(jù)和方法1.1降雨率對0的風(fēng)速影響NASA于1999年6月發(fā)射了第一顆海洋測風(fēng)專用衛(wèi)星QuikSCAT,其上裝有最新型微波散射計SeaWinds.SeaWinds為Ku波段主動雷達(dá),通過測量海面散射截面(σ0)來反演海面風(fēng)矢量.降雨是影響σ0的一個主要因素;且在高風(fēng)速(>20m/s)情況下,風(fēng)速會被低估.但有研究表明σ0對各種降雨率下大風(fēng)(高達(dá)50m/s)的風(fēng)速變化敏感;且σ0作為風(fēng)速的一個函數(shù)對高于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)場的結(jié)構(gòu)特征.本文采用數(shù)據(jù)為NASA發(fā)布的QuikSCATL3級逐日海面(10m高)風(fēng)矢量數(shù)據(jù),分為升軌和降軌數(shù)據(jù),過境時間分別約為當(dāng)?shù)貢r間6時和18時.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)場特征根據(jù)歷史臺風(fēng)路徑資料,結(jié)合臺風(fēng)移動過程的環(huán)流特點(diǎn),可將西北太平洋臺風(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)向的四類臺風(fēng)對臺灣島和閩浙沿海影響較大.在臺風(fēng)個例選取時,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風(fēng)作為研究對象.注意到臺風(fēng)中心從不同空間位置穿(掠)過臺灣島時,會導(dǎo)致海面風(fēng)場特征變化有顯著差異,為此進(jìn)一步區(qū)分以下3種臺風(fēng)路徑:(1)臺風(fēng)經(jīng)呂宋海峽進(jìn)入南海北部或臺灣海峽南部,簡稱南路.(2)臺風(fēng)橫穿過臺灣島和臺灣海峽登陸福建中北部,簡稱中路.(3)臺風(fēng)經(jīng)臺灣島北部海域登陸閩浙沿海,簡稱北路.在擁有QuikSCAT數(shù)據(jù)的1999～2005年間,共有12個臺風(fēng)個例符合以上原則(圖2).按照不同的路徑類型,分別選取典型個例進(jìn)行詳細(xì)分析.2結(jié)果與討論2.1臺風(fēng)中部的地面實(shí)測圖3為0313號臺風(fēng)海面風(fēng)場.2003年9月1日6時的臺風(fēng)中心(黑色五角星標(biāo)記處)位于呂宋海峽以東洋面(圖3a),臺灣島周邊海域主要受到臺風(fēng)外圍環(huán)流的影響,臺灣海峽以北盛行東北風(fēng),風(fēng)向與中央山脈的長軸方向幾乎平行,山脈對氣流的作用主要為“分流影響”,“開通道”地形的存在,使得東北方向臺風(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報道.隨著臺風(fēng)中心繼續(xù)逼近臺灣海峽(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:一是臺風(fēng)逼近,穿過海峽的環(huán)流增強(qiáng);二是臺風(fēng)向臺灣島南部移動,臺灣島東部由東北風(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中并無明顯的風(fēng)速低值區(qū),從而說明海峽中部風(fēng)速增強(qiáng)主要是由臺風(fēng)閉合環(huán)流增強(qiáng)引起的.臺風(fēng)中心穿過呂宋海峽,在呂宋島和臺灣島的雙面阻擋下,臺風(fēng)底層外圍閉合環(huán)流被阻隔.9月2日6時(圖3c),臺風(fēng)中心剛出呂宋海峽,臺灣海峽南部以及南海北部主要為臺風(fēng)環(huán)流風(fēng)場.圖中遙感最大風(fēng)速約為33m/s,低于臺風(fēng)年鑒中的記錄45m/s,而臺風(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號臺風(fēng)登陸前兩小時的觀測圖像.此時臺風(fēng)中心已西行遠(yuǎn)離臺灣島,臺灣島周邊海域受臺風(fēng)影響減弱,風(fēng)速減小.整個臺灣島周邊海域均為東南風(fēng);臺灣海峽南部離臺風(fēng)中心較近,風(fēng)速較大;海峽中、北部由于受到臺灣島的“遮蔽”,風(fēng)速很小;海峽北部仍有較弱的“角流”存在.2.2臺風(fēng)環(huán)流演變圖4為0505號臺風(fēng)2005年7月16～18日的海面風(fēng)場.2005年7月16日18時臺風(fēng)位于臺灣島以東洋面(圖4a),臺灣島周邊海域風(fēng)場特征與第一種路徑前期的風(fēng)場特征類似,海峽中部提前出現(xiàn)大風(fēng)天氣.7月17日18時(圖4b),遙感最大風(fēng)速為35m/s,與臺風(fēng)年鑒中結(jié)果(55m/s)相差達(dá)到20m/s.此時臺灣島周邊海域已處在了臺風(fēng)閉合環(huán)流中,臺灣海峽受臺風(fēng)環(huán)流影響增強(qiáng).環(huán)流在臺灣島北部分為兩支,一支從臺灣島東側(cè)經(jīng)過,另一支經(jīng)臺灣海峽、呂宋海峽繞回臺風(fēng)系統(tǒng).臺灣島南端出現(xiàn)很小一塊風(fēng)速低值區(qū).臺風(fēng)靠近、登陸臺灣島,臺風(fēng)系統(tǒng)受到中央山脈影響加強(qiáng),臺灣島周邊海域的風(fēng)場變得復(fù)雜.7月18日6時(圖4c),遙感觀測結(jié)果顯示臺灣島東側(cè)成功外海出現(xiàn)一個氣旋式的風(fēng)速低值區(qū).該低風(fēng)速區(qū)被臺灣學(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)的形成以及向臺風(fēng)中心氣壓梯度有關(guān).隨著臺風(fēng)西行登陸臺灣島(圖4d),臺灣島南端“角流”逆時針轉(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.但一般臺風(fēng)云墻處風(fēng)速最大,降雨也最強(qiáng),而強(qiáng)降雨會對遙感風(fēng)的反演造成較大的影響,圖4d中臺灣島周邊海域又正好位于臺風(fēng)云墻附近,遙感風(fēng)在此觀測到的風(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)過程中臺風(fēng)中心持續(xù)運(yùn)行,且和臺風(fēng)中心位置相關(guān),選擇臺風(fēng)中心增設(shè)了臺風(fēng)風(fēng)場此種路徑下臺風(fēng)在移行過程中與地形作用較小,海面風(fēng)場結(jié)構(gòu)相對簡單.若臺風(fēng)從臺灣島以東沿西北方向前進(jìn),在前期臺灣海峽內(nèi)出現(xiàn)大風(fēng)天氣,但隨著臺風(fēng)移至臺灣島以北時消失,如0515號臺風(fēng)(圖5a).若臺風(fēng)在臺灣島以北一路西行,如0216號臺風(fēng),則在前期海峽內(nèi)風(fēng)速很小(圖5b),無大風(fēng)天氣出現(xiàn).從而說明,海峽內(nèi)是否出現(xiàn)大風(fēng)與臺風(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日觀測到的兩張0216號臺風(fēng)風(fēng)場圖像.其中圖5c觀測時刻為6時,此時臺風(fēng)中心位于臺灣島東北部,海面風(fēng)場環(huán)流結(jié)構(gòu)明顯,最大風(fēng)速(33m/s)出現(xiàn)在危險半圈,略小于臺風(fēng)年鑒中結(jié)果40m/s.由于地形阻擋,臺灣海峽、南海北部以及臺灣島東側(cè)遙感風(fēng)速都很小;臺灣島南端山角下風(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)場的此種分布特征在以往的研究中可得到印證.隨著臺風(fēng)西行,“角流”呈逆時針旋轉(zhuǎn),12h后“角流”已轉(zhuǎn)至臺灣島東側(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臺風(fēng)期間海底風(fēng)場特征通過對3種臺風(fēng)路徑下臺風(fēng)期間臺灣島周邊海域QuikSCAT遙感海面風(fēng)場的分析,得到以下結(jié)論:(1)盡管臺風(fēng)強(qiáng)度被不同程度低估,臺風(fēng)中心附近風(fēng)向反演受降雨影響明顯,但風(fēng)場結(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)場大致形態(tài)仍較為合理.(2)臺風(fēng)期間,臺灣海峽內(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”,為地形對臺灣島周邊海域風(fēng)場影響的顯著特征.(3)臺灣海峽內(nèi)是否提前出現(xiàn)大風(fēng)天氣與臺風(fēng)中心的位置有關(guān).臺風(fēng)中心位于臺灣