木麻黄基干林带对台风“杜苏芮”的防风效应
2024-05-22朱炜林捷施能深吴国伟
朱炜 林捷 施能深 吴国伟
摘要：為了解海防林对台风的防护效应，以惠安赤湖国有防护林场的监测站收集的“杜苏芮”台风登陆前后的气象数据为材料，分析了台风登陆前后近地层的风速风向、湍流强度及防风效能和气流加速率的特征规律。结果表明：（1）台风登陆前后的平均风速和风向时程变化特征满足了台风眼区经过的条件，平均风速曲线呈显著的“M”形双峰分布，通过采集到的台风眼区、眼壁和外围强风的完整风况数据，完整展示了台风经过林带前后风速、风向的演变过程。（2）湍流强度的时程整体变化趋势随着台风靠近和离去呈现增大-减小-剧增-回落的过程，尤其台风后风圈影响的区域，湍流强度剧烈增大，强度可增大2倍以上。（3）向岸风在垂直方向上，弱风或强风的防风效能随高度增加而降低，高度相同，林带后弱风的防风效能小于强风，水平方向上，林内，林带后1H和5H处防风效能最好，在高度3m平均防风效能为49.57%～93.93%，在高度9m平均防风效能为44.04%～90.10%；离岸风在垂直方向上，随着气流靠近林带，弱风或强风的气流加速率随高度增加而增大，林带后1H高度3m气流加速率平均为0.2193，高度9m气流加速率平均为0.3242，林内气流加速率达到最低值，而风越过林带后，弱风风速恢复到88%左右，强风的气流则有个加速的过程。分析结果将为今后沿海防护林的减灾防灾生态系统服务功能和效益评价提供参考。
关键词：木麻黄；基干林带；台风；杜苏芮；防风效应
中图分类号：S727.23文献标志码： A
Windbreak effect of Casuarina equisetifolia main shelterbelt on Typhoon Doksuri
Zhu Wei1， Lin Jie1， Shi Nengshen2， Wu Guowei2
（1. Fujian Forestry Academy of Sciences， Fuzhou Fujian 350012， China；2. Fujian Province Huian Chihu State-owned Protective Forest Farm， Quanzhou Fujian 362131， China
Abstract：Through the construction of the monitoring station of the Chihu State-owned Protective Forest Farm in Hui'an， Fujian Province， the collection of weather data before the landing of the "Doksuri" typhoon on July 28， 2023， based on real-time observed timing change data， the study of the characteristic rules of wind direction， wind intensity， windbreak effect， and air flow acceleration of the near-ground layer of the typhoon before and after landing， the results showed that： （1） The average wind speed before and after the landing of the typhoon and the characteristics of the change in the direction of the wind to the time to meet the conditions of passing the Typhoon eye area， the average wind velocity curve had a significant "M" type of bimodal distribution， and through the collection of the complete weather data of the eye region， the eye wall， and the peripheral strong wind， fully demonstrated the process of the evolution of wind speed and wind direction through the forest belt. （2） The overall trend of change in the timing of the turbulence intensity as the typhoon approached and departed showed the process of enlarging - decreasing - sharply increasing - falling， especially in the areas affected by the circle after the typhoon， the turbulence intensity increases sharply， and the intensity can increase by more than twice. （3） In the vertical direction， the windbreak effect of weak or strong winds decreased with the increase in height， the height was the same， but the windbreak effect of weak winds behind the forest belt was lower than that of strong winds， in the horizontal direction， the windbreak effect was the best in the forest， at 1H and 5H behind the forest belt， with a windbreak effect range of 49.57% to 93.93% for a height of 3m and 44.04% to 90.10% for a height of 9m; The offshore wind was in the vertical direction， and as the airflow approached the forest belt， the acceleration rate of weak or strong winds increased with height. The average acceleration rate of the airflow at a height of 3m and 9m after the forest belt is 0.2193 and 0.3242， respectively. The airflow acceleration rate inside the forest reached its lowest value， after the wind passes through the forest belt， the weak wind speed recovers to around 88%， and the airflow of strong winds undergoes an acceleration process. The analysis results will provide a reference for the evaluation of the disaster reduction and prevention ecosystem service functions and benefits of coastal protective forests in the future and have important significance for the study of the structure and function of coastal protective forests.
Key words：Casuarina equisetifolia; main shelterbelt; typhoon; Doksuri; windbreak effect
台风是发生在热带或副热带洋面上的一种具有暖心结构的强烈气旋性涡旋[1]，活动范围广，移动时伴有巨浪、狂风、暴雨和风暴潮，对沿海地区的人类生活和生产具有极强的破坏力[2]。我国地处西北太平洋西岸，海岸线绵长，每年约有7～9个台风登陆我国，是全球台风灾害最严重的国家之一[3]。由于台风与良态风相比，在微观结构及湍流特性上均存在显著差别[4]，且实验室难以模拟，现场观测是目前较为有效的研究手段。发达国家开展强风特性实测研究起步较早，积累了大量数据资料，并应用建立的风特性数据库，在时间或空间上通过大规模的观测工作得到了比较完整的分析结果[5]。我国在近地层台风现场观测研究中通常利用高层测风塔[6]、多普勒雷达[7]或当地气象站[8]观测的数据分析台风影响期间的平均风速、湍流强度、极端风速、阵风因子、摩擦速度等风场特性的演变特征[3]，并取得了一些研究成果，但这些成果多应用在工程结构的抗风设计、输电线路设计和风电机组选型等方面。
20世纪50年代末以来，我国东南沿海已建立起绵延数千里的木麻黄（Casuarina equisetifolia）防护林带，从根本上改善了沿海地区的生态环境。沿海防护林建立在陆地海岸带的前沿，经受着强烈的海陆风和风暴潮的干扰，不仅减弱了风的动能，减轻风的直接侵害，而且还可以减少因为风所携带的飞沙、飞 盐、海潮等对受灾物的二次或间接侵害[9]。台风登陆对森林造成风害的成因、评估模型、风险预测、灾后恢复及其对森林生态系统结构、过程、功能的影响等研究均有相关报道[10]。而作为沿海防护的第一道防护屏障木麻黄基干林带[11]，防风效能是评价防护林减风降速的重要指标之一[12]，本项目也发表过针对木麻黄基干防护林带应用长期观测的年序列风速数据进行不同季节、风向防风效能的研究[13]。由于台风登陆具有随机性，且登陆时依靠人力进行观测出于安全因素考虑不可行，因此对台风经过防护林带时实时观测风速的变化特征及防护效应方面的研究较少。
本研究通过设置在福建省惠安赤湖国有防护林场的生态定位监测站，利用布设在林带前、林内和林带后的6个观测塔完整捕捉了2023年7月28日“杜苏芮”台风登陆前后的气象数据，应用收集的数据分析整个过程的风况变化，拟解决台风登陆前后平均风速、风向时程变化特征，台风登陆前后湍流特性时程变化特征和台风登陆前后以及风向的改变对防风效能的影响等问题。相关的分析结果将为今后沿海防护林的减灾防灾生态系统服务功能和效益评价提供参考，对沿海防护林的结构和功能研究具有重要的意义[14]。
1 试验地与生态定位监测站概况
1.1 试验地概况
试验地位于福建省泉州市惠安县崇武镇赤湖国有防护林场，地理位置东经118°55′，北纬24°35′[15]。地处亚热带海洋性季风气候区，年均温为17.5～20.2℃，年均降水量在1000mm左右，无霜期超过300d，年日照达2100h。干湿季明显，干旱频度大，夏季多台风，年平均5.1次，秋冬盛行东北风[16]，年平均风速大于6.0m.s-1。土壤为风积沙土，常见植被有鬣刺（Spinifex littoreus）、黄花月见草（Oenothera glazioviana）、厚藤（Ipomoea pes-caprae）或单叶蔓荆（Vitex rotundifolia）等聚集分布。
1.2 生态定位监测站概况
生态定位监测站设置在净峰工区。水平梯度上距离林带前沿约12m处（1倍树高，记为1H）设置1号塔，塔身建于防护堤上，高于防护林带，相当于旷野对照点，林带宽度160m，中央设置2号塔，林后按照1H，5H，10H，20H分别设置3號塔～6号塔，建设在农田上，海拔高度基本相同。超声波风速风向传感器分别安装在六个气象观测塔上，原设计安装在高度10m的传感器因支架大风天气容易松动导致故障，因此统一调整安装到9m，垂直梯度上2号塔设置3层传感器，高度分别为3m、9m和17m，其它5个观测塔设置2层，高度分别为3m和9m。传感器为英国GILL公司生产的WINDSONIC超声波测风仪，风速测量范围0～60m.s-1，精度2%，分辨率0.01m.s-1，启动风速≥0.01m.s-1；风向测量范围0～359°，精度≤±3°，分辨率≤1°。各观测塔由太阳能系统独立供电，经由采集器利用GPRS传输到监测站数据管理平台。
2 “杜苏芮”概况与研究方法
2.1 “杜苏芮”概况
2023年第5号台风“杜苏芮”于7月21日8：00在菲律宾以东的太平洋上生成，于7月28日9：55前后在福建省晋江市沿海登陆，登陆时由超强台风级减弱为强台风级，中心附近最大风力有15级（50m.s-1），中央气象台于29日11：00对其停止编号[17]。登陆地点见示意图1。监测站的气象观测塔位于台风路径的右侧，距离登陆地点直线距离约60km，距离登陆后路径的最近直线距离约48km。
“杜苏芮”登陆时风力强度为1949年以来登陆福建第二强，所携带的大量水汽形成的降雨影响东部14省（区、市）（闽浙赣皖豫鲁京津冀晋蒙黑吉辽），造成严重灾害损失[18]。截至7月31日台风共造成福建省266.69万人受灾，紧急避险转移39.95万人，紧急转移安置16.24万人；农作物受灾面积37396.27hm2，其中绝收面积1 701.76 hm2；倒塌和严重损坏房屋3 357间，一般损坏房屋14 998间，直接经济损失147.55亿元[19]。
2.2研究方法
2.2.1观测数据质量控制
观测过程中由于電源电压不稳定、通信网络拥堵或其他不明原因容易造成数据异常、失真甚至丢失，若直接使用异常数据进行研究会导致分析结果产生较大误差，严重影响评估结果的准确度[20]。数据质量控制首先对数据时间顺序和数量进行完整性检验，其次依据国标GB/T18710-2002[21]进行范围和趋势性检验，以上借助软件编程完成，最后进行人工二次检验，将过度检验或误判的数据还原。本次观测没有出现缺测数据，因此无需进行插值填补。
2.2.2 风速风向
数据样本选取时段从2023年7月25日00：00时至2023年7月28日23：50时，记录时距10min，样本个数3456个。统计分析时将10min数据转换为1h数据，平均风速直接用算术平均方法计算，风向采用矢量平均法计算[22]。
风向频率根据国标GB/T35227-2017[23]规定，以正北方向为0°，按22.5°顺时针划分16个方位统计，同时依据参考文献[10]中林带方向将风向划分为向岸风（风从海上吹向陆地）和离岸风（风从陆地吹向海上）两组用于防风效能[24]和气流加速率[25]统计。
2.2.3 湍流强度
湍流强度是衡量湍流强弱的相对指标，反映了风的脉动强度，定义为平均时距的脉动风速标准差与水平方向平均风速的比值[26]，公式为
2.2.4 防风效能
防风效能是体现防护林带防护能力的一项重要指标[25]，根据现有的研究结果，当气旋中心风力小于6级时，将不具有螺旋结构，对流发展较差，不能反映台风的特性[27]，因此以风力等级6级划分风力强弱，平均风速≥10.8m.s-1划分为强风，平均风速＜10.8m.s-1划分为弱风进行分组统计。
当风向为向岸风时，计算公式如下：
式中：下标字母 为防风效能，是指相同高度处距离对照塔的位置平均风速减少的百分数，为相同高度对照点1号塔平均风速， 为相同高度2～6号塔平均风速。
2.2.5气流加速率
当风向为离岸风时，主要考察林带对气流的阻滞作用，因此应用气流加速率反映林带对气流的加速情况，计算公式如下：
式中：下标字母 为气流加速率， 为相同高度1～5号塔平均风速，为相同高度对照点6号塔平均风速。当＞1时，表示林带对气流有加速的作用，风速增加；＜1时，表示林带对气流有减速的作用，风速降低；=1时，表示林带对气流没有影响，风速保持不变[28]。
2.2.6 统计分析
数据输入、存储使用Excel软件，风速、风向数据处理以及计算作图等使用R语言软件，版本4.3，加载tidyverse程序包。
3 结果与分析
3.1台风登陆时风速风向变化特征
基于实测数据，以1h为时距计算的6个观测塔平均风速、风向如图2所示
图2中可以看出，1号塔从7月25日00：00时起，风速逐渐增大，至7月26日18：00时到达第一个最大值，高度3m平均风速13.69m.s-1，高度9m平均风速15.50m.s-1，随后风速逐渐减小，至7月28日05：00时高度3m和9m的平均风速分别降到5.55m.s-1、6.30m.s-1，期间虽有波动，但趋势不变，风向以NNE和NE为主，风从海上吹向陆地；7月28日06：00时风速开始急剧增大，至7月28日09：00时达到峰值，高度3m和9m的平均风速分别为23.38m.s-1、26.29m.s-1，同时风向顺时针旋转为SSE和S，风从陆地吹向海洋。综上所述，从“杜苏芮”台风经过1号观测塔时平均风速和风向的时程变化曲线可以看出，台风过程的平均风速时程曲线呈M型变化，即强风出现“双峰”型分布，且“双峰”之间出现风速小于 11m.s-1的情形，同时满足风速大小在17.2m.s-1以上时风向方位角度连续变化120°以上，依据以上判别标准[29]可以判断台风眼区经过观测点，监测站采集到了包括台风眼区、眼壁和外围强风的完整风况数据[30]。
图2中4～6号塔的平均风速、风向随时间演变规律基本与1号塔一致。林内2号塔高3m的平均风速随着时间推移变化幅度不大，比较平稳，高9m的平均风速则基本与1号塔一致。从2号塔下方的风向图可以看到，由于林木的遮挡，气流较为紊乱，高3m的风向以ENE为主，高9m的风向以NNE为主；林后1H的3号塔高3m的平均风速随着时间推移变化与1号塔类似，而高9m处的平均风速从7月25日00：00时至7月28日06：00时的低点之间最大值出现在7月27日09：00时，与其它观测塔时程演变规律不同步，风向以NE和NNE为主，时程演变规律与1号塔一致。
3.2 台风登陆时湍流强度
根据各观测塔的平均风速及风速标准差的台风样本，统计分析了“杜苏芮”影响期间湍流强度的分布规律，结果见图3和表1。从图3可以看出，当台风逐渐靠近1号、3～6号观测塔时，近地层的湍流强度变幅较大，随着风速增大，湍流强度减小，台风穿过观测塔后，风向改变，风速急剧增大，湍流强度变幅剧烈，强度达到最大值，台风远离后，湍流强度逐渐降低。2号塔高3m处的的湍流强度与其它塔基本一致，但高9m处的湍流强度在台风接近风速增大的过程中变幅大于高度3m的湍流强度。
表1的统计结果可以看出，1号塔、4～6号塔不同高度间的平均湍流强度差异较小，高度3m的平均湍流强度略微大于高度9m的平均湍流强度，各高度间的相关系数均大于0.95，相关性较好；林内和林后的2、3號塔则相反，相关系数分别为0.6511、0.8213，相关性较差。造成湍流强度的差异的原因是与各观测塔所处位置的下垫面粗糙度有关[31]，1号塔主风向来自海上，下垫面为平坦沙地，粗糙度小，随着风速增大上下层湍流强度的差异变小，因此相关性最高；2、3号塔下垫面为防护林带，气流经过林分的冠层的干扰导致湍流强度变化紊乱，相关性2号塔＜3号塔；4～6号塔下垫面为农田，主要种植花生、番薯、萝卜等作物，由于农作物对地表的覆盖增加了粗糙度，因此平均湍流强度大于1号塔。
3.3 不同风向防风效能和气流加速率分析
以1号塔时程数据中的风向作为主分类因子，按照不同高度、风力强弱两因子进行分组，并以此为基准，在2～6号塔中寻找与分组基准匹配的相同时间数据统计平均风速，向岸风以1号塔为对照点计算防风效能，离岸风以6号塔为对照点计算气流加速率，结果见表2和表3。
表2为风从海上吹向陆地过程中的各观测点防风效能变化情况，在垂直方向，不同高度上，同为弱风或强风均表现出高度3m的防风效能大于高度9m；相同高度上，2号塔高度3m处弱风与强风的防风效能相差无几，高度9m弱风的防风效能大于强风，3～5号塔弱风的防风效能小于强风，到6号塔后两者基本相同。水平方向上，2号塔位于林内防风效能最大，林带后3号塔即1H树高处防风效能次之，其后随着距离的增加防风效能逐渐下降。
表3为台风登陆后风向改变风从陆地吹向海上过程中的各观测点气流加速率变化情况，在垂直方向，不同高度上，同为弱风或强风5号塔高度3m处的气流加速率大于高度9m外，其余1～4号塔均表现出高度3m的气流加速率小于高度9m；相同高度上，3～5号塔高度3m或高度9m弱风的气流加速率均大于强风，林内2号塔高度3m或高度9m弱风的气流加速率小于强风。水平方向上，表现的特征为当气流整体到达林带时气流加速率逐渐减少，风速在9m高度下整体降低，林内气流加速率达到最低值，而风越过林带后，弱风风速恢复到88%左右，强风的气流加速率大于1，因此风速越过林带后有个加速的过程。
4 结论与讨论
台风是给中国沿海地区带来巨大灾害的主要天气系统，登陆台风近地层的湍流运动特征对研究台风内部结构、运动及台风生命周期十分重要，更对其影响地区的建筑物及人民生命财产安全产生重大影响[32]。“杜苏芮”以强台风强度正面登陆福建晋江，给经过地区带来巨大灾害，监测站也于2023年7月28日10：00时，观测到高度9m的10min最大风速为40.25m.s-1，风力等级达13级，受此影响，沿海林分受损严重，断梢、折干、倒伏甚至连根拔起的林木不在少数。然而通过建设的监测站实时观测到这次台风经过前后温度、风速和风向等指标的时程变化数据，通过分析台风登陆前后近地层的风速风向、湍流强度变化特征，以探究木麻黄基干林带对台风的防护效应。
本次台风研究的时程内高度9m平均风速8 级以上大风持续6h之久，6级以上强风持续77h之久，风力等级大，持续时间长。从登陆的平均风速和风向时程变化曲线可以看出，台风过程的平均风速时程曲线呈显著的“M”型双峰分布， 7月26日18：00时达到第一峰值，7月28日09：00时达到第二峰值，双峰之间的低谷高度3m和9m的平均风速分别降到5.55m.s-1、6.30m.s-1，从低谷转向第二峰值时，风速发生剧烈变化，同时风向也顺时针旋转由NNE或NE转变为SSE或S，上述风速和风向特征满足了台风眼区经过的条件，时程内的数据代表了整个台风演变规律过程[33]。位于林内的2号塔和林后1H的3号塔，虽然受到林木的遮挡，但风速、风向的演变规律与其它观测塔基本一致。从图像特征来看与2014年在海南文昌登陆的15号台风“海鸥”相近，风速变化后风圈风速明显大于前风圈风速，最大风速出现在后风圈[34]。
湍流产生有两个主要原因：一个是流动的气流受到地面粗糙度摩擦或者阻滞作用发生扰动；另一个是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。通常情况下，上述两个原因往往同时导致湍流的发生。当台风靠近陆地时，其风向会发生剧变，两种影响因素将发生变化，从而导致湍流强度发生变化[31]。湍流强度的时程整体变化趋势随着台风靠近和离去呈现增大-减小-剧增-回落的过程，尤其台风后风圈影响的区域，湍流强度剧烈增大，强度可增大2倍以上。台风经过沿海防护林带时，由于气流与树冠、枝叶的冲击与摩擦作用，林带内高度9m的湍流强度变化幅度较大，且与高度3m的相关系数为0.6511，相关性较差，说明有树木的遮挡对湍流强度的分布有较大影响[3]。
向岸风在垂直方向上，弱风或强风的防风效能随高度增加而降低，高度相同，林带后弱风的防风效能小于强风；水平方向上，林内，林带后1H和5H处防风效能最好，研究结果与参考文献[20]相一致，综合弱风和强风的统计结果，在高度3m平均防风效能为49.57%～93.93%，在高度9m平均防风效能为44.04%～90.10%，其后随着距离的增加防风效能逐渐下降[35]，林带后20H相同高度处弱风和强风防风效能趋于相同。离岸风在垂直方向，随着气流靠近林带，弱风或强风的气流加速率随高度增加而增大，林带后1H高度3m气流加速率平均为0.2193，高度9m气流加速率平均为0.3242，林内气流加速率达到最低值，而风越过林带后，弱风风速恢复到88%左右，强风的气流则有个加速的过程。因此，当相反风向作用时，初始气流的能量消耗模式发生了根本变化，并体现在风速、气流加速率以及防风效能的空间变化上[28]。
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