強臺風“卡努”過境期間的風和海浪特征分析*

鄧 丹 周 泉 馬 磊 李銳祥

強臺風“卡努”過境期間的風和海浪特征分析*

鄧 丹1, 2周 泉3馬 磊1, 2李銳祥1, 2①

(1. 自然資源部南海調查中心 廣東廣州 510300; 2. 自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室 廣東廣州 510300; 3. 生態環境部華南環境科學研究所 廣東廣州 510530)

南海北部海域夏季臺風活動頻繁, 對海上生產活動和人民生命財產安全造成極大威脅, 由于臺風路徑的不確定性, 其中心附近區域的風浪觀測資料十分稀少。中國氣象局(China Meteorological Administration, CMA)熱帶氣旋最佳路徑數據顯示2017年10月強臺風“卡努”中心經過南海北部陸坡的SF301浮標, 該浮標完整記錄了臺風過境的風浪數據。利用浮標觀測資料, 分析了強臺風“卡努”過境期間的風和海浪特征。觀測結果表明, “卡努”經過浮標時, 中心氣壓為959.9 hPa, 風速隨時間呈雙峰分布, 前、后眼壁區的10 min平均風速分別為30.2 m/s和24.9 m/s, 1 s極大風速分別為44.2和38.6 m/s。海浪以風浪為主, 觀測有效波高和最大波高最大值分別為10.8和14.3 m, 滯后最大風速30 min, 波向和風向變化趨勢一致。臺風過境期間, 有效波高與海面10 m風速接近線性關系, 非臺風期間二者呈二次多項式關系。海浪無因次波高和周期呈冪指數關系, 無論是臺風期間還是非臺風期間二者關系十分接近Toba提出的3/2指數律。

南海; 浮標; 臺風; 卡努; 風; 海浪

我國瀕臨西太平洋, 是受臺風影響最嚴重的國家之一, 平均每年有9.3個臺風襲擊我國(陳大可等, 2013), 臺風引起的海浪、風暴潮、強降水等給我國沿海地區造成了巨大的財產損失和人員傷亡(雷小途等, 2009), 對沿海和海上生產活動帶來了嚴重的威脅。隨著我國經濟高速發展, 臺風造成的直接經濟損失呈上升趨勢(Zhang, 2009; 盧瑩等, 2021)。因此掌握臺風期間的風和海浪特征及變化規律對臺風預報預警和海洋防災減災等工作具有較為重要的意義。

臺風經過海洋時, 海面氣壓呈漏斗狀結構(郎喜白, 2011; 王蓉等, 2013), 風速呈“Ｍ”形雙峰分布, 臺風眼壁區風速最大, 前眼壁區風速通常略大于后眼壁區, 臺風眼區氣壓和風速最小(蘇志等, 2020; 黃浩輝等, 2021)。臺風在海面引起的海浪最大波高可達10余米(王蓉等, 2013; 王毅等, 2020), 波高隨風速增大而增大, 周期隨波高增大而增大, 波高最大值一般滯后風速最大值40 min至4 h (蘇志等, 2020; 莊紅波等, 2013),臺風前眼壁區域有效波高最大, 后眼壁區次之(夏璐一等, 2014)。臺風浪的波高與風速呈二次多項式關系(王小丹等, 2019; Hao, 2020; 李朝等, 2021; Niu, 2021), 無因次波高和無因次周期呈冪指數關系(Hsu, 2017; 李朝等, 2021; Niu, 2021)。臺風前進方向的右側由于風向和臺風移動速度相同, 通常情況下海浪發展更迅速, 波高增大的更快(姚圣康, 2006; 趙凱等, 2011), 右側的有效波高比左側的有效波高大, 其增幅可達29%～48% (夏璐一等, 2014)。在臺風影響下, 海浪波型一般會經歷混合浪-風浪-混合浪的變化(孫璐等, 2014; 王毅等, 2020), 臺風過程中所產生的大浪主要為風浪, 涌浪基本分布在遠離臺風中心的外圍海域(韓曉偉等, 2011; Xu, 2017)。

受限于臺風期間惡劣的天氣和海況, 海面的風、浪觀測主要依賴于沿岸的海洋站(郎喜白, 2011; 王蓉等, 2013; 孫璐等, 2014; 黃浩輝等, 2021)、海上浮標(姚圣康, 2006; Hsu, 2017; 蘇志等, 2020)或者油氣平臺(莊紅波等, 2013)。目前南海的浮標和平臺大多分布在近岸海域, 深水區分布較少, 由于臺風路徑的不確定性, 臺風期間的風浪觀測就更加稀缺, 然而深水區觀測數據對預報臺風的路徑和強度至關重要。中國氣象局(China Meteorological Administration, CMA)熱帶氣旋最佳路徑數據顯示2017年20號臺風“卡努”的中心恰好經過南海陸坡區的SF301浮標, 該浮標獲取了臺風期間完整的海面水文和氣象資料, 本文將基于浮標觀測資料, 分析強臺風“卡努”影響下風和海浪特征, 以期為臺風研究和海洋防災減災提供參考。

1 臺風“卡努”與數據介紹

臺風路徑數據來源于中國氣象局上海臺風研究所發布的CMA熱帶氣旋最佳路徑數據集(tcdata.typhoon. org.cn), 該數據時間分辨率為6 h, 登陸前24 h時間頻次加密為3 h一次, 包含臺風位置、中心氣壓、2 min平均風速以及熱帶氣旋等級等(Ying, 2014; Lu, 2021)。

強臺風“卡努”為2017年的第20號臺風, 于2017年10月11日(北京時間, 下同)在菲律賓呂宋島以東洋面生成, 形成時的級別為熱帶低壓, 在向西移動過程中強度不斷增加, 10月12日升級為熱帶風暴, 10月13日穿過呂宋島進入南海, 10月14日升級為強熱帶風暴, 其移動方向迅速發生改變, 向西北偏北方向移動, 10月14日22時發展為臺風, 10月15日12時進一步升級為強臺風, 其最大風速達42 m/s, 16日凌晨在廣東湛江徐聞附近登陸。登陸后, “卡努”繼續向西偏南方向移動, 強度迅速減弱, 移入北部灣后逐漸減弱消失。臺風“卡努”的移動路徑如圖1所示。

本文采用的浮標數據來源于自然資源部南海局運行和管理的南海業務化海洋觀測網中的SF301浮標(圖1)。該浮標站位于南海陸坡區, 浮標直徑6 m, 所在海域水深約為1 500 m, 觀測內容包括10 min平均風速和風向, 1 s極大風速和風向, 氣溫, 氣壓, 最大、十分之一、有效、平均波高和周期, 波向, 表層水溫等, 數據時間隔為1 h, 臺風期間采樣間隔加密為30 min。強臺風“卡努”中心經過浮標站的時間為2017年10月15日上午04:30～06:30, 浮標完整記錄了臺風前后海面水文氣象數據。

2 結果與分析

2.1 海面氣壓和氣溫

在“卡努”進入南海前, 浮標觀測的海面氣壓一直維持在1 000 hPa以上, 隨著臺風逼近, 海面氣壓緩慢下降, 10月15日01:30氣壓開始快速下降, 此時臺風距離浮標站大約135 km, 10月15日05:30臺風中心經過浮標站時, 海面氣壓降為959.9 hPa, 臺風中心離開以后氣壓迅速上升, 氣壓隨時間呈漏斗狀變化(圖2a)。浮標觀測最低氣壓比同時刻CMA數據集氣壓低5.1 hPa, 比美國JTWC (Joint Typhoon Warning Center)數據集低3.5 hPa, 與日本JMA (Japan Meteorological Agency)數據集最接近, 僅低0.5 hPa。

圖1 強臺風“卡努”移動路徑

注: 等值線表示水深(單位: m); 臺風路徑上的數字格式為“日/時”

圖2 臺風“卡努”期間SF301浮標海面氣壓(a)、氣溫水溫(b)、風速風向(c)時間序列圖

注: 橫坐標所示日期為2017年10月

臺風進入南海前浮標觀測氣溫一直在28～30 °C, 進入南海后浮標觀測氣溫迅速降至27 °C, 不過隨著臺風逐漸接近浮標, 觀測氣溫并未繼續下降, 而是在24.5～27.5 °C之間波動。臺風中心經過時氣溫相對較高為27.6 °C, 臺風前眼壁區和后眼壁區經過時氣溫相對較低, 分別為25.9 °C和26.9 °C, 與臺風中心分別相差1.7 °C和0.7 °C (圖2b), 臺風登陸后觀測氣溫迅速恢復至30 °C左右。通常臺風導致的上層海洋混合會引起海面水溫降低(Price, 1981), 進而對臺風強度產生負反饋, 而當混合層較厚時則海面降溫則不太明顯, 海洋可持續為臺風提供能量進而使之強化。“卡努”過境期間, 浮標觀測海表水溫在一直高于海面氣溫且并未發生明顯的變化(圖2b), 僅臺風中心經過浮標時氣溫和海表水溫完全相等, 這意味著“卡努”一直從海洋吸收熱量, 這導致了“卡努”的強度在南海迅速加強。不過臺風引起的海表降溫與臺風強度、混合層厚度、臺風移動速度等多種因素有關, 臺風“卡努”移動速度較快也是海面降溫不明顯的一個原因。

2.2 海面風

在“卡努”之前南海北部海域盛行東北風, 風速約為10 m/s。10月14日, “卡努”進入南海后, 浮標觀測的10 min平均風速增大至16 m/s左右。10月15日, 隨著“卡努”向西北移動, 臺風中心距離浮標站越來越近, 觀測風速也越來越大。10月15日04:30左右, 臺風前眼壁區經過時, 風速達到最大, 10 min平均風速為30.2 m/s, 風向為19°; 1 s極大風速最大值出現在05:00, 為44.2 m/s, 風向為55°。臺風中心經過浮標站時風速迅速減小, 05:30, 10min平均風速降至12.8 m/s。臺風后眼壁區經過浮標時, 風速再次增大, 06:30, 10 min平均風速為24.9 m/s, 風向為163°; 1 s極大風速為38.6 m/s, 風向為148°。

臺風過境期間浮標觀測風速隨時間變化曲線呈現明顯的“M”型雙峰分布, 且第二個峰值小于第一個,說明臺風“卡努”空間結構不對稱, 主要是受觀測海域強勁東北季風的影響。風向沿著順時針方向旋轉, 前眼壁和后眼壁區平均風向變化150°。浮標觀測的10 min平均風速在臺風中心前后兩個極值時間間隔為2 h, 利用CMA熱帶氣旋最佳路徑數據計算的該時段臺風移動速度為8 m/s, 2 h移動距離為57.6 km, 可以估算出“卡努”經過浮標時最大風速半徑大約為29 km, 同時刻美國JTWC數據集最大風速半徑為56 km, 接近估算結果的2倍。

值得一提的是, 臺風后眼壁區經過后, 浮標觀測風速在9:30左右再次出現一個極值, 10 min平均風速為22.2 m/s, 1 s極大風速為31.6 m/s, 這是由于“卡努”經過浮標后強度不斷增大導致風速增強。臺風的影響一直持續到10月16日, 10月17日開始浮標觀測風逐漸恢復到臺風前的東北風。

2.3 波浪

受強勁的東北季風影響, “卡努”進入南海之前浮標所在海域海浪較大, 有效波高在3 m左右, 最大波高可達6 m。隨著臺風中心逐漸靠近浮標站, 波高越來越大, 波高在臺風前眼壁經過30 min后達到最大, 有效波高和最大波高分別為10.8 m和14.3 m (圖3a), 這與強熱帶風暴“貝碧嘉”波高最大值出現時間滯后風速最大值40 min的觀測結果基本一致(蘇志等, 2020)。臺風中心經過之后, 波高逐漸減小, 不過在9:30有效波高出現一個次極大值, 這是該時段風速增強導致的。

波向和風向變化趨勢一致, 由最初的N向沿順時針方向逐漸轉換到SE向, 波向的轉變發生在臺風中心經過時刻, 波向轉變比風向轉變滯后1 h左右。波向在風向的逆時針方向, 二者相差30°±23°, 說明波浪主要是由局地風產生的。觀測結果還表明, “卡努”期間波周期隨著波高增大而增加, 二者相關性為0.82, 有效波高最高時對應的有效波周期最長, 為11.2 s (圖3b)。

圖3 臺風“卡努”期間SF301浮標站有效波高和波向(a)、有效波周期(b)、波陡(c)時間序列圖

注: 橫坐標所示日期為2017年10月

臺風期間的海浪通常既有風浪, 也有涌浪, 有效波陡是判別波浪類型的一種有效的方法, 一般波陡越小, 越接近于涌浪, 波陡越大, 越接近風浪(孫璐等, 2014)。根據Tompson的理論(Thompson1984), 有效波陡為有效波高和主波長之比, 可用以下公式計算:

其中:為有效波陡,s為有效波高,為重力加速度,p為譜峰周期,s為有效波周期。由于浮標觀測結果未輸出譜峰周期, 譜峰周期可根據經驗公式(2)計算(文圣常等, 1984)。≥ 0.025時海浪以風浪為主, 0.01 ≤< 0.025 時海浪為未成熟的涌浪,< 0.01時海浪為成熟的涌浪(Thompson, 1984)。

從圖3c可以看出, 臺風期間波陡大部分時間均大于0.025, 并且隨著臺風逐漸接近浮標, 風速越來越強, 海浪不斷成長, 波高越來越高, 波陡也越來越大, 最大波陡為0.049, 臺風遠離浮標后, 波陡則迅速減小, 15日18時左右已低于0.025, 說明臺風“卡努”影響期間海浪主要以風浪為主, 臺風過后則為混合浪。

3 風浪關系討論

從上節的分析結果不難發現, “卡努”期間有效波高和海面風速變化趨勢幾乎一致, 相關系數為0.9。Hao等(2020)的風浪模型表明在低風速(≤16.808 m/s)情況下, 有效波高s和海面10 m風速呈二次多項式關系; 在高風速下(>16.808 m/s)二者呈線性關系[式(3)]。

其中10為海面10 m的風速。鑒于“卡努”期間浮標觀測風速較大, 本文分別對風-浪的關系進行了線性擬合和二次多項式擬合。由于浮標觀測風速距離海面高度為6 m, 在擬合前先利用經驗公式(Hsu, 2017)計算海面10 m的風速10。

式(6)和(7)擬合效果都比較好, 相關系數分別為0.861和0.862, 均方根誤差均分別為0.589 m和0.587 m。從圖4a可以看出, 二者的擬合結果十分接近, 然而在高風速情況下, 式(7)的擬合效果更好, 可以認為“卡努”期間有效波高和風速更接近線性關系, 這與Hao等(2020)的模型是一致的。不過利用Hao等(2020)的風浪模型計算的同期有效波高, 其平均誤差和均方根誤差分別為-1.01 m和0.65 m, 顯著低估了有效波高(圖4a)。

本文進一步分析了“卡努”之前13 d (2017年10月1～13日)的風-浪關系, 風-浪關系模型為:

從圖4b可以看出, 有效波高和海面風速在非臺風期間呈二次多項式關系, 擬合結果與觀測結果的相關系數為0.873, 標準差為0.49 m。Hao等(2020)的風浪模型計算的結果與本文的模型趨勢十分接近, 標準差為0.5 m, 不過其平均誤差為-0.52 m, 低估了非臺風期間的有效波高。

注:10表示10 m的風速;s表示有效波高;表示相關系數

“卡努”期間波高和周期變化趨勢高度一致, 說明二者存在內在的聯系。大量的研究表明(Toba, 1972; 管長龍等, 2001, 2004; Hsu, 2017; 李朝等, 2021; Niu, 2021 ), 風浪的無因次波高和無因次周期之間存在著冪指數關系:

Hsu等(2017)和Niu等(2021)分別基于臺風期間的風浪數據, 建立了無因次波高和周期關系模型, 二者滿足線性關系:

從圖5a可以看出, 式(13)的擬合效果很好, 相關系數達0.957, 標準差為0.011 8。與Hsu等(2017)和Niu等(2021)的模型存在顯著的差距。雖然Niu等(2021)的模型也是基于南海北部的浮標資料, 不過其位于近岸淺水區域, 而本文的浮標則位于陸坡深水區域, 可能水深的不同是導致差異的原因。管長龍等(2004)提出的模型則與本文的模型十分接近, 特別是式(10)的模型, 標準差僅0.0121; 式(11)的模型與觀測結果差異相對較大。這說明臺風期間的無因次波高和周期滿足3/2指數律。

本文進一步分析了臺風前13 d 的無因次波高周期關系(圖5b), 其結果如下:

圖5 臺風“卡努”期間(a)和臺風前13 d (b)無因次波高、周期散點圖和擬合曲線

Fig.5 Relationship between dimensionless wave height and dimensionless wave period during the period of typhoon (a) and 13 days before typhoon arrival (b)

注:表示重力加速度,p為譜峰周期

其擬合的相關系數為0.934, 標準差為0.014 4, 冪函數的指數接近3/2。從圖5b可以看出Hsu等(2017)和Niu等(2021)的模型與觀測結果差異顯著, 而管長龍等(2004)等提出的式(10)模型與觀測結果也十分一致, 與本文擬合的模型曲線幾乎重合, 說明在非臺風期間風浪的無因次波高和無因次周期也滿足3/2指數律。

4 結論

由于臺風路徑的不確定性, 導致其中心附近區域的風浪觀測資料十分稀少, CMA熱帶氣旋最佳路徑數據顯示2017年的強臺風“卡努”恰好經過南海北部陸坡的SF301浮標, 該浮標獲取了臺風前后海面水文氣象數據。本文基于浮標觀測資料, 分析了“卡努”影響期間的風和海浪特征, 以及風和海浪之間的關系, 得出以下結論:

(1) “卡努”經過浮標時估算最大風速半徑約為29 km, 中心氣壓為959.9 hPa。臺風期間, 風速隨時間呈“M”型雙峰分布, 且第二個峰值小于第一個, 前、后眼壁區的10 min平均風速分別為30.2 m/s和24.9 m/s, 1s極大風速分別為44.2 m/s和38.6 m/s。海表溫度一直高于海面氣溫, 僅臺風中心時刻二者相等, 這意味著“卡努”一直從海洋吸收熱量, 這是“卡努”的強度在南海迅速加強的主要原因。

(2) 浮標觀測的有效波高和最大波高最大值分別為10.8 m和14.3 m, 滯后最大風速30 min, 波周期隨著波高增大而增加, 有效波周期最長為11.2 s; 波向和風向變化趨勢一致, 二者相差30°±23°, 表明波浪主要是由局地風產生的, 波陡均大于0.025, 波浪以風浪為主。

(3) 臺風期間有效波高和海面風速接近線性關系, 非臺風期間二者呈二次多項式關系; 臺風期間和非臺風期間無因次波高和周期滿足冪指數關系, 無論是“卡努”臺風期間還是非臺風期間, 觀測海域的無因次波高和周期均十分接近3/2指數律, 不過由于本文采用的樣本有限, 臺風等極端天氣下的風浪關系還需進一步研究。

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THE WIND AND WAVE CHARACTERISTICS DURING SEVERE TYPHOON KHANUN

DENG Dan1, 2, ZHOU Quan3, MA Lei1, 2, LI Rui-Xiang1, 2

(1. South China Sea Marine Survey Center, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China; 2. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China, 3. South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Guangzhou 510530, China)

Frequent typhoons in summer in the northern South China Sea pose a great threat to production activities at sea and lives and properties. Due to the uncertainty of the typhoon’s track, wind, and wave observation data in the vicinity of typhoon center are very scarce. The best track data of typhoon from CMA showed that the severe typhoon Khanun passed over the SF301 buoy in the northern South China Sea in October 10. Based on the buoy data, the characteristics of wind and waves during the typhoon were analyzed. The observed results showed that the central pressure was 959.9 hPa when typhoon passing over the buoy. The time series of wind speed exhibited a bimodal distribution. The 10-min mean wind speed in the front and rear eye-wall were 30.2 and 24.9 m/s, respectively, and the one-second extreme wind speed were 44.2 and 38.6 m/s, respectively. The waves during Khanun were dominated by wind seas, which were mainly generated by local wind. The observed maximum value of significant wave height and maximum wave height was 10.8 and 14.3 m, respectively, which lagged the maximum wind speed for 30 min. The significant wave height had a nearly linear relationship with the sea surface wind speed during typhoon Khanun passage, but a quadratic polynomial relationship during non-typhoon period. The dimensionless wave height and period were related according to the power-law function, which follows the 3/2 power law proposed by Toba for both typhoon and non-typhoon period.

the South China Sea; buoy; typhoon; Khanun; wind; wave

* 廣東省平臺基地及科技基礎條件建設項目, 2021B1212050025號; 中央級公益性科研院所基本科研業務專項, PM- zx703-202104-074號; 自然資源部南海局科技發展基金, 202205號。鄧 丹, 工程師, E-mail: 80162181@qq.com

李銳祥, 高級工程師, E-mail: liruixiang@smst.gz.cn

2023-03-15,

2023-05-11

P731

10.11693/hyhz20230300061